Исследование и разработка конструктивно

На правах рукописи
Селецкий Андрей Валерьевич
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО –
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ГЛУБОКО-СУБМИКРОННЫХ
СБИС С ПОМОЩЬЮ СРЕДСТВ ПРИБОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
05.27.01 – «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,
микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МОСКВА – 2012 г.
Диссертация выполнена на кафедре Интегральной электроники и микросистем в Национальном исследовательском университете «МИЭТ»
Научный руководитель:
доктор технических наук Шелепин Николай Алексеевич,
первый заместитель генерального директора ОАО «НИИМЭ»,
профессор кафедры Интегральной электроники и микросистем НИУ
«МИЭТ», г. Москва
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
Чумаков Александр Иннокентиевич,
профессор национального
исследовательского ядерного университета «МИФИ»
доктор технических наук,
Петросянц Константин Орестович,
профессор, заведующий кафедрой
электроники и наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭ
Ведущая организация
ОАО НПЦ «ЭЛВИС»
Защита состоится 25 декабря 2012 г. в 14 часов 30 минут в
аудитории 3103 на заседании диссертационного совета Д212.134.01
НИУ «МИЭТ» по адресу 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МИЭТ».
Автореферат разослан «___»________2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Крупкина Т.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность темы диссертации. Создание радиационно-стойких
субмикронных СБИС для применения их в космических аппаратах,
ядерной и военной промышленности является одной из актуальных
проблем современной микроэлектроники. Приборно-технологическое
моделирование позволяет существенно упростить задачи разработки
СБИС повышенной стойкости.
К CБИС, предназначенным для применения в космических аппаратах, предъявляется ряд специфических требований: малое энергопотребление, малые габаритные размеры, широкий диапазон рабочих температур, высокая радиационная стойкость. Одним из важнейших параметров, определяющих радиационную стойкость КМОП СБИС, является устойчивость работы схемы в условиях стационарного ионизирующего излучения. Можно выделить несколько фундаментальных проблем
возникающих при воздействии стационарного ионизирующего излучения, характерных для современных КМОП технологий:
 сдвиг порогового напряжения,
 деградация крутизны (подвижности) и подпорогового размаха передаточной характеристики,
 появление дополнительных токовых утечек.
В связи с переходом к субмикронным технологиям доминирующим
механизмом деградации КМОП элементов становятся радиационноиндуцированные токи утечки, их устранение является основой задачей
современных методик разработки радиационно-стойких СБИС.
Существуют технологические и конструктивно-топологические методы повышения стойкости интегральных микросхем (ИМС) к дозовым
эффектам. Технологические методы предполагают внесение изменений
в техпроцесс, а конструктивно-топологические методы позволяют повысить радиационную стойкость в рамках существующей коммерческой
технологии.
По своей конструкции радиационно-стойкие СБИС делятся на два
типа: выполненные по технологии КНИ (Кремний На Изоляторе) и выполненные по технологии объёмного кремния. В КНИ СБИС осуществляется полная диэлектрическая изоляция дискретного транзистора, в
связи с чем автоматически решаются проблемы межтранзисторных радиационно-индуцированных утечек. Однако ввиду того, что активная
область транзистора находится на слое толстого скрытого окисла (buried
3
oxide, BOX) возникают дополнительные механизмы токовых утечек.
Кроме того в КНИ СБИС присутствуют некоторые паразитные эффекты, отсутствующие в объёмной технологии.
В отличие от КНИ, в объёмных СБИС присутствуют обе составляющие радиационно-индуцированного тока утечки (межтранзисторная и
внутритранзисторная составляющие) в связи с наличием толстых диэлектрических слоев. Однако себестоимость производства СБИС на
объёмном кремнии существенно ниже, чем на КНИ.
Современные радиационно-стойкие транзисторы, выполненные по
технологии КНИ (Кремний На Изоляторе) и по технологии объёмного
кремния имеют один общий недостаток – существенное возрастание
площади дискретного транзистора, занимаемой на кристалле.
Таким образом, оптимальной методикой повышения радиационной
стойкости современных субмикронных КМОП СБИС будет такая, которая обеспечит необходимой уровень стойкости по критерию накопленной дозы ионизирующего излучения и при этом не приведет к существенному возрастанию площади единичного транзистора.
Цель диссертации заключается в разработке конструктивнотехнологических методов повышения радиационной стойкости глубокосубмикронных СБИС, по критерию накопленной дозы стационарного
ионизирующего излучения, без увеличения площади СБИС.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные
задачи:
 Анализ деградации свойств КМОП элементов СБИС под
воздействием ионизирующего излучения. Разделение составляющих радиационно-индуцированной утечки.
 Анализ достоинств и недостатков существующих конструктивно-технологических методов повышения радиационной
стойкости СБИС.
 Разработка методов повышения радиационной стойкости
глубоко-субмикронных СБИС на примере технологии 0.18
мкм.
 Моделирование технологического маршрута изготовления
транзистора повышенной радиационной стойкости с помощью средств приборно-технологического моделирования.
 Моделирование воздействия ионизирующего излучения.
Расчет
различных
составляющих
радиационноиндуцированной утечки с помощью средств приборнотехнологического моделирования.
4

Расчет ВАХ, пробивных и пороговых напряжений, с целью
выявления паразитного влияния вносимых изменений на
электрические параметры транзистора.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования влияния стационарного ИИ на
КМОП элементы СБИС.
2. Разработанная методика повышения радиационной стойкости КМОП СБИС с помощью формирования охранных областей.
3. Разработанная методика повышения радиационной стойкости КМОП СБИС с помощью формирования модифицированного P-кармана.
4. Методика оценки воздействия ионизирующего излучения с
помощью средств приборно-технологического моделирования.
5. Оценка возможностей разработанных методик для повышения радиационной стойкости КМОП СБИС с проектными
нормами 0,18 мкм.
Научная новизна диссертации:
С помощью средств приборно-технологического моделирования
установлены основные закономерности влияния конструктивнотехнологических параметров глубоко-субмикронных МОП транзисторов на напряжение пробоя и токи утечек, индуцированные воздействием стационарного ионизирующего излучения, а именно:
 Установлено, что для глубоко-субмикронных МОП транзисторов характерно наличие ретроградного кармана, имеющего область пониженной концентрации, и объяснено ее
негативное влияние на стойкость к воздействию стационарного ионизирующего излучения, объясняемое зависимостью
дозового порога образования радиационно-индуцированной
утечки от концентрации примесей P-типа на пути протекания данной утечки.
 Установлена зависимость пробивного напряжения от профиля распределения примесей P-типа в кармане Nканального МОП транзистора. Особенностью данной зависимости является низкое влияние формы профиля распределения примесей, объясняемое тем, что местом пробоя явля5

ется локальная область под затвором, имеющая максимальную концентрацию примесей P-типа.
Установлено что стойкость глубоко-субмикронных N- канальных МОПТ к воздействию стационарного ионизирующего излучения можно существенно повысить без увеличения размеров, что объясняется возможностью формирования
P-охранных областей вплотную к областям N+-стока/истока
без деградации пробивного напряжения.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
1. Разработана методика оценки воздействия стационарного
ИИ на элементы КМОП СБИС с помощью приборнотехнологического моделирования в среде TCAD Sentaurus.
2. Разработана методика повышения радиационной стойкости
КМОП СБИС к стационарному ИИ без изменения конструкции элементов при помощи дополнительной ионной имплантации.
3. Разработана технологическая методика формирования Pкарманов различных N-канальных транзисторов (входавыхода, с низкими токами утечек) на примере технологии с
проектными нормами 0,18 мкм.
4. С помощью средств приборно-технологического моделирования доказана работоспособности и применимость разработанной методики на примере конкретной субмикронной
технологии HCMOS8 с проектными нормами 0,18 мкм.
5. Результаты диссертационной работы были использованы в
опытно-конструкторских и технологических работах
ООО «Ситроникс-МД» и ОАО «НИИМЭ и Микрон».
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
 V Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем», Москва, 2012;
 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и
информатика – 2012», Зеленоград, 2012;
6



18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и
информатика – 2011», Зеленоград, 2011;
Всероссийская научная конференция студентов-физиков и
молодых ученых «ВНКСФ-17», Екатеринбург, 2011;
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и
информатика – 2010», Зеленоград, 2010.
Опубликованные результаты. По теме диссертации опубликовано
2 статьи в российских научно-технических журналах, рекомендованных
ВАК; 4 тезиса докладов в сборниках российских научных конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации –
134 страницы. Диссертация содержит 58 рисунков. Список литературы
содержит 80 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертации. Сформулирована постановка задачи исследования и основные
положения, выносимые на защиту. Изложены научная новизна и практическая значимость диссертации.
В первой главе рассмотрено влияние космической радиационной
среды на ИМС и выделены три основные группы радиационных воздействий, вызывающих отказы и ухудшение характеристик КМОП СБИС:
 деградация вследствие воздействия отдельных ядерных частиц,
 деградация вследствие воздействия статического ионизирующего излучения (ИИ),
 деградация вследствие воздействия импульсного излучения.
Воздействие стационарного ИИ является одной из основных причин
сбоев и отказов КМОП СБИС при воздействии космической радиационной среды, поэтому диссертационная работа посвящена минимизации
эффектов вызываемых данной группой излучений.
Вторая глава посвящена определению направления оптимизации
техпроцесса и/или топологии, для чего были рассмотрены места образования токовых утечек и существующие методы повышения стойкости
СБИС к воздействию стационарного ИИ.
7
Токовых утечки в объёмных N-канальных МОП транзисторах могут
образовываться в следующих местах:
1) Между стоком и истоком N-канального транзистора - канал будет проходить через приповерхностную область по боковой
стенке STI (птичьему клюву LOCOS) в месте пересечения ее с
затвором (внутритранзисторная утечка);
2) Между стоками и истоками соседних n-канальных транзисторов
- канал будет проходить через донную область боковой изоляции (межтранзисторная утечка);
3) Между стоком и истоком n-канального транзистора - канал будет проходить под подзатворным диэлектриком (из-за накопления положительного заряда непосредственно в подзатворном диэлектрике).
На рис. 1. показано схематическое изображение токовых утечек, индуцированных воздействием накопленной дозы ионизирующего излучения по трем описанным выше механизмам.
N+ Сток
N+ Исток
Затвор
N+ Исток
N+ Сток
Боковая изоляция
Рис. 1. Схематическое изображение утечек, индуцированных воздействием
накопленной дозой ионизирующего излучения. Заштрихованная область – тонкий
подзатворный диэлектрик.
В современных субмикронных СБИС толщина подзатворного окисла
МОПТ снижется до 2−5 нм, в результате чего радиационная чувствительность подзатворного диэлектрика МОПТ резко уменьшается.
Основными методиками создания радиационно-стойких СБИС являются комбинации решений, устраняющих внутритранзисторные и
межтранзисторные утечки. Существуют следующие классические конструктивно-технологические решения, повышающие стойкость Nканальных МОПТ к воздействию ионизирующего излучения:
8
 Кольцевая архитектура транзистора и использование охранных
колец;
 Создание зазора между областями изоляции (со стороны пересечения с затвором) и областями стока/истока N-канального
транзистора и подлегирование боковой стенки STI (птичьего
клюва LOCOS) и использование охранных колец;
 Использование КНИ транзисторов A- и H-типа.
На рис. 2 изображены классические реализации радиационностойких N-канальных МОП-транзисторов, выполненных по технологии
объёмного кремния.
Р+ охранное кольцо
STI
Затвор
N+ исток
Затвор
N+ сток
N+ исток
N+ сток
Р+ охранное кольцо
STI
а)
б)
Р+ охранное кольцо
N+ исток
Затвор
N+ сток
Р карман
STI
в)
Рис. 2. Классические реализации радиационно-стойких N-канальных МОПтранзисторов. а) Транзистор с кольцевым затвором и P+ охранными кольцами, б)
Транзистор с уширяющимся затвором и P+ охранными кольцами, в) Транзистор со
стоком и стоком не примыкающими к области изоляции, подлегированием боковой
стенки изоляции и P+ охранными кольцами.
Частично обедненные КНИ транзисторы без контакта к телу (КНИ
транзисторы F-типа) не являются радиационно-стойкими, так как внутритранзисторные утечки не только не устраняются, а напротив, усугубляются положительным зарядом, захваченным в скрытом окисле. Поэтому наибольшее распространение в КНИ КМОП технологии получили транзисторы с контактом к телу – КНИ транзисторы A- и H-типа,
изображенные на рис. 3.
9
P+
Вставка
N+ исток
P+
Вставка
Затвор P+ Poly
Затвор
N+ Poly
N+ сток
N+ сток
N+ исток
P+
Вставка
а)
Затвор
P+ Poly
Затвор
N+ Poly
P Карман
б)
Рис. 3. Классические реализации радиационно-стойких N-канальных КНИ
МОП-транзисторов с контактом к телу. а) Транзистор с затвором Н-типа, б) Транзистор с затвором А-типа.
Из описанных выше вариантов наибольшее применение нашли транзисторы с кольцевым затвором и КНИ транзисторы A- и H-типа.
Достоинствами существующих методик является очень высокая радиационная стойкость (более 1 Мрад), однако общими недостатками
описанных вариантов является существенное увеличение занимаемой на
кристалле площади, изменение конструкции и технологии изготовления, существенное увеличение стоимости производства (для КНИ).
В результате проведенных в данной главе исследований была сформулирована основная задача диссертации, заключающаяся в повышении
стойкости глубоко-субмикронных КМОП СБИС к воздействию стационарного ИИ до 150-300 крад без увеличения занимаемой площади и с
минимальными изменениями технологического маршрута изготовления.
В третьей главе представлены результаты разработки методики
расчета стойкости элементов СБИС к накопленной дозе ионизирующего
излучения с помощью средств приборно-технологического моделирования. Рассмотрены возможности программ TCAD Sentaurus фирмы
SYNOPSYS для проведения приборно-технологического моделирования
субмикронных МОП транзисторов. На рис. 4 показана связь между различными компонентами данного пакета программ.
10
INSPECT - программа отображения и анализа кривых
TECPLOT - программа отображения и анализа результатов моделирования
SWB - пакет программ, используемых
для организации, проектирования и
управления проектами в TCAD
SPROCESS - программа расчета
технологических операций
SDE - программа интерактивного создания приборов
SDEVICE - программа расчета
электрофизики приборов
Рис. 4. - Модули SYNOPSYS, необходимые для моделирования полупроводниковых приборов и взаимосвязь между ними.
Разработанная в данной главе методика расчета стойкости элементов
СБИС к накопленной дозе ионизирующего излучения с помощью
средств приборно-технологического моделирования содержит следующие основные пункты:
1. Моделирование технологического маршрута изготовления транзисторных структур.
2. Формирование структур для моделирования воздействия стационарного ИИ и расчета электрических параметров.
3. Приборный расчет статических электрических параметров с помощью выбранных моделей.
4. Моделирование воздействия стационарного ИИ с помощью выбранных моделей и их коэффициентов.
5. Определение влияние стационарного ИИ на токи утечек.
Четвертая глава посвящена исследованию влияния конструктивнотехнологических параметров КМОП элементов СБИС на стойкость к
воздействию стационарного ионизирующего излучения на примере технологии 0.18 мкм. Первым шагом при исследовании конструктивнотехнологических параметров КМОП элементов СБИС было исследование профилей распределения примесей в структуре. Для этого было
проведено двумерное технологическое моделирование маршрута изго11
товления транзисторов входа-выхода (с длиной канала 0,34 мкм и
напряжением питания 3,3В) и транзисторов с низкими токами утечек с
длиной канала 0,18 мкм и напряжением питания 1,8В) с помощью модуля SPROCESS пакета программ TCAD Sentaurus.
На рис. 5 изображены одномерные профили распределения примесей
для транзисторов входа-выхода (HV) и транзисторов с низкими токами
утечек (LL).
Рис. 5. Профиль распределения примесей в структурах HV и LL транзисторов по
сечению, соответствующему середине затвора.
Глубина залегания p-n перехода сток/подложка HV транзистора составляет примерно 0,27 мкм, для LL эта величина меньше и составляет
0,16 мкм.
Наличие участка пониженной концентрации в профиле распределения примесей P-кармана может влиять на стойкость к воздействию стационарного ИИ. В связи с этим было проведено исследование влияния
концентрации примеси P-типа на пути протекания межтранзисторных
токов утечки на дозовый порог образования радиационноиндуцированных утечек, результаты которого изображены на рис. 6.
12
Рис. 6. Зависимость дозового порога образования радиационно-индуцированных
утечек от концентрации примесей P-типа на пути их протекания.
Расчетный порог образования межтранзисторной утечки для LL
транзисторов составляет 75 крад, следовательно, на пути протекания
данной утечки максимальная концентрация P-типа - 7.1016см-3.
Таким образом, можно утверждать, что профиль, который имеют
субмикронные транзисторы, содержит область низкой концентрации,
что определяет их низкую стойкость к воздействию стационарного ИИ.
Зависимость, изображенная на рис. 6, была получена при напряжениях на стоке, истоке и затворе равных 1.8 В. Данный вариант включения был определен как «худший» по результатам исследования дозового порога образования межтранзисторной утечки в HV транзисторе,
результаты которого изображены на рис. 7.
Рис. 7. Результирующая зависимость межтранзисторного тока утечки HV транзистора от режима включения. Vg –потенциал затвора при облучении, Vs–потенциал
истока при облучении, Vd–потенциал стока при облучении.
13
В данной главе также было высказано предположение о возможности повысить стойкость КМОП СБИС к воздействию стационарного ИИ
с помощью создания охранных областей Р-типа (вплотную к N+ стокистоковым
областям)
на
путях
протекания
радиационноиндуцированных токов с концентрацией, которая не приведет к деградации пробивного напряжения.
Было проведено исследование зависимости пробивного напряжения
сток-охрана от концентрации примеси P-типа в охранной области. На
рис. 8 изображена данная зависимость для LL транзистора.
Рис. 8. Зависимость пробивного напряжения N+-сток/P-охрана от концентрации
примесей в области P-охраны LL транзистора.
Точечный пунктир на рис. 8 отображает рассчитанные значения
пробивных напряжений N+-сток/P-подложка LL транзистора. Очевидно,
что если напряжение пробоя N+-сток/P-охрана меньше, чем напряжение
пробоя N+-сток/P-подложка, то формирование P-охранных областей
вплотную к областям N+-сток (исток) не приведет к деградации пробивного напряжения транзистора.
Для LL транзистора оптимальной степенью легирования охранной
будет примерно 9.1017 см-3. Значение оптимальной концентрации в Pохраной области, не приводяжие к снижение пробивного напряжения,
соответствует максимальному значению примесей в кармане
транзистора.
14
В пятой главе была сформулирована методика повышения стойкости глубоко-субмикронных СБИС с помощью формирования охранной
области, окружающей всю границу Si-SiO2 в NМОПТ.
Были сформулированы технологические методики формирования Pохранных областей ионной имплантацией бора и индия. Графически
методика с имплантацией бора изображена на рис. 9.
Ионная имплантация с
режимами:Dose1,
Energy1,Tilt1
Ионная имплантация с
режимами: Dose2,
Energy2, Tilt2
Маска
Маска
SiO2
Ионная имплантация с
режимами: Dose3,
Energy3, Tilt3
Маска
SiO2
SiO2
Кремний
Кремний
Кремний
Б)
В)
А)
Рис. 9. Схематическое изображение этапов формирования охранной области легированием бора. А) Этап легирования дна STI, Б) Этап легирования стенок STI, В) Этап
легирования приповерхностной области вблизи STI. Пунктиром обозначено расположения пика концентрации легируемой примеси.
На рис. 9, схематично изображающем поэтапный процесс формирования охранной области, Dose, Energy, Tilt означают дозу, энергию и
угол наклона подложки при ионной имплантации соответственно. Величины этих параметров выбираются в зависимости от используемой
технологии, однако, вне зависимости от технологии, необходимо выполнить следующие условия:
Dose1  Dose2  Dose3
Energy1  Energy 2  Energy 3
Tilt1  Tilt 2  Tilt 3
Для повышения однородности профилей распределения примесей
желательно использовать квадроимплантацию (каждый этап производить 4 легирования с поворотом подложки на 90 о относительно предыдущего). Высота маскирующего слоя выбирается так, чтобы на первом
этапе легирования примесь не попадала в активную область транзистора.
Технологическая методика формирования P-охранных областей имплантацией индия графически изображена на рис. 10.
15
Ионная имплантация
индия в приповерхностную область STI.
Диффузия индия в SiO2
на этапе высокотемпературного отжига
Обратная сегрегация
индия из SiO2 в кремний
на этапе низкотемпературных термообработок
Нитрид
Нитрид
Нитрид
SiO2
SiO2
SiO2
Кремний
А)
Кремний
Кремний
Б)
В)
Рис. 10. Схематическое изображение этапов формирования охранной области легированием индия. А) Этап легирования Б) Этап высокотемпературного отжига,
В) Этап низкотемпературного отжига.
Охранная область формируется одной операцией ионной имплантации индия. Слой нитрида кремния предотвращает попадание индия в
активную область транзистора при формировании охранных областей.
Имплантированный индий диффундирует во время высокотемпературных термических операции и его концентрация по всему объему STI
изоляции выравнивается. При низких температурах коэффициент сегрегации индия будет увеличиваться, за счет чего на этапе низкотемпературных обработок часть индия диффундирует из оксида в кремний,
сформировав узкую охранную область P-типа по периметру границы
раздела Si-SiO2.
С помощью средств приборно-технологического моделирования были подобраны режимы имплантаций и параметры фотолитографии (при
использовании бора), интегрированные в технологический маршрут
HCMOS8 с топологическими размерами 0.18 мкм. На рис. 11 изображен
одномерный профиль распределения примесей под областью STI после
моделирования полного технологического маршрута изготовления LL
транзистора.
16
Рис. 11. Одномерное распределение примесей в сечении по центру STI в Pохранной области, сформированной легированием индия (сплошная линия), сформированной легированием бора (штриховой пунктир) и в исходном LL транзисторе
(точечный пунктир).
Эффективность предложенной методики была исследована с
помощью приборного моделирования воздействия стационарного рентгеновского излучения. Результаты приборного моделирования внутритранзисторной утечки изображены на рис. 12.
Рис. 12. Зависимости тока внутритранзисторной утечки, от величины поглощенной
доза рентгеновского излучения для LL исходного транзистора (сплошная линия) и
LL транзисторов с охранными P-областями по периметру изоляции, сформированными легированием индия (точечный пунктир) и бора (штриховой пунктир).
17
Анализируя изображенные на рис. 12 зависимости можно сделать
вывод о существенном повышении стойкости LL транзистора примерно
с 80 крад до 200-300 крад.
С целью приблизительной оценки влияния охранных областей на
пробивное напряжение транзистора, с помощью приборного моделирования были построены пробивные ВАХ, изображенные на рис. 13.
Рис. 13. Пробивные ВАХ LL исходного транзистора (сплошная линия) и LL транзисторов с охранной областью P-типа, сформированной с помощью имплантации бора
(штриховой пунктир) и индия (точечный пунктир).
Исходя из пробивных ВАХ, изображенных на рис. 13, можно
сделать вывод о несущественном изменения пробивного напряжения
(уменьшение на 0.5-2.5%)
Таким образом, с помощью приборно-технологического моделирования, на примере технологии HCMOS8 с проектными нормами
0.18 мкм, была показана технологическая реализуемость методики формирования охранных P-областей по периметру боковой изоляции без
увеличения размеров и деградации пробивных напряжений при увеличении стойкости к воздействию стационарного ИИ.
Шестая глава была посвящена разработке методики повышения
стойкости глубоко-субмикронных n-канальных МОП-элементов СБИС
к воздействию стационарного ИИ с помощью формирования Pохранных областей по периметру p-n переходов сток (исток)/подложка.
Для технологического маршрута HCMOS8 методика была модифицирована и заключалась в формировании постоянного профиля распределения примесей в P-кармане до исходной глубины залегания p-n переходов. С помощью средств приборно-технологического моделирова18
ния были подобраны режимы дополнительных имплантаций на этапе
формирования P-кармана и корректировки порогового напряжения (для
LL транзисторов), интегрированные в технологический маршрут
HCMOS8 с технологическими размерами 0.18 мкм. На рис. 14 изображен одномерный профиль распределения примесей под затвором
NМОПТ после моделирования полного технологического маршрута
изготовления HV транзисторов.
p-n переход
Рис. 14. Методика изменения концентрационного профиля P-кармана NМОП с целью повышения стойкости к накопленной дозе ионизирующего излучения.
Эффективность предложенной методики была исследована с
помощью приборного моделирования воздействия стационарного рентгеновского излучения. Результаты приборного моделирования внутритранзисторной утечки изображены на рис. 15.
19
Рис. 15. Зависимости тока внутритранзисторной утечки, от величины поглощенной доза рентгеновского излучения для HV исходного транзистора (сплошная линия)
и HV транзистора с «усиленным» P-карманом (штриховой пунктир).
Анализируя изображенные на рис. 15 зависимости, можно сделать
вывод о существенном повышении стойкости HV транзистора примерно
с 50 крад до 150 крад.
С помощью приборного моделирования были построены ВАХ и
проведен анализ влияния измененного кармана на основные электрические характеристики HV транзистора.
Расчетные ВАХ HV транзистора с исходным и усиленным карманом изображены на рис. 16-18.
Рис. 16. Выходные ВАХ HV исходного транзистора и HV транзистора с
«усиленным» P-карманом.
20
Рис. 17. Пробивные ВАХ HV исходного транзистора и HV транзистора с
«усиленным» P-карманом.
Рис. 18. Проходные ВАХ HV исходного транзистора и HV транзистора с
«усиленным» P-карманом.
С помощью расчетных ВАХ было установлено влияние вводимых имплантаций бора для формирования «усиленного» P-кармана на
основные электрические параметры. Данные изменения сведены в таблице 1.
21
Таблица 1. Влияние вводимых имплантаций бора для формирования
«усиленного» P-кармана на основные электрические параметры HV
транзистора.
Параметр
Изменение
Выходной ток
Уменьшение на 4%
Пороговое напряжение
Увеличение на 2.4%
Коэффициент влияния подложки
Увеличение на 3.9%
Крутизна
Уменьшение на 9%
Ток утечки
Уменьшение на 61%
Пробивное напряжение
Уменьшение на 2.3%
Аналогичные исследования были проведены для LL транзисторов, P-карман которых можно дополнительно усилить за счет наличия
операции корректировки порогового напряжения.
По результатам данных исследований стойкость LL транзистора к
воздействию стационарного ИИ повысилась примерно с 80 крад до 300
крад, а изменения электрических параметров отображено в таблице 2.
Таблица 2. Влияние вводимых имплантаций бора для формирования
«усиленного» P-кармана на основные электрические параметры LL
транзистора.
Параметр
Изменение
Выходной ток
Уменьшение на 3,3%
Пороговое напряжение
Увеличение на 3.7%
Коэффициент влияния подложки
Увеличение на 5.9%
Крутизна
Уменьшение на.2.1%
Ток утечки
Уменьшение на 49%
Пробивное напряжение
Уменьшение менее чем на 0.5%
Следует отметить следующее: несмотря на то, что дополнительное легирование оказывает негативное влияние на некоторые электрические характеристики, величина данных изменений является несущественной, и характеристики приборов не выходят за пределы спецификации на процесс HCMOS8.
Таким образом, с помощью приборно-технологического моделирования, на примере технологии HCMOS8 с проектными нормами
0.18 мкм, была показана технологическая реализуемость методики фор-
22
мирования «усиленного» P-кармана NМОПТ без увеличения размеров и
существенной деградации электростатических параметров.
Заключение
Основной научный результат диссертации заключается в исследовании и разработке методов повышения стойкости глубоко-субмикронных
КМОП СБИС к воздействию стационарного ионизирующего излучения.
Основные теоретические результаты:
1) В результате проведенного в работе исследования существующих конструктивно-технологических методов повышения стойкости N-канальной части КМОП СБИС к воздействию стационарного ИИ, было установлено, что основным общим недостатком существующих методик является существенное повышение
площади СБИС.
2) Разработана методика оценки воздействия стационарного ИИ на
элементы КМОП СБИС с помощью приборно-технологического
моделирования в среде TCAD Sentaurus.
3) Было проведено исследование конструктивно-технологических
особенностей современных субмикронных СБИС на примере
технологического маршрута HCMOS8 с проектными нормами
0,18 мкм, по результатам которого установлено, что участок пониженной концентрации в профиле распределения примесей в Pкармане NМОПТ существенно понижает стойкость СБИС к воздействию стационарного ИИ.
4) Проведено исследование влияния концентрации примесей в Pохранных кольцах, сформированных вплотную к активным стокистоковым областям N-канального транзистора, на стойкость к
воздействию ионизирующего излучения и пробивные напряжения. Исходя из полученных результатов, сделан вывод о возможности повышения стойкости к воздействию стационарного
ИИ с помощью формирования P-охранных областей с концентрацией, не превышающей максимальную концентрацию примеси в P-кармане, вплотную к сток-истоковым областям без
уменьшения значения пробивного напряжения.
5) Разработана методика повышения радиационной стойкости
КМОП СБИС к стационарному ИИ без увеличения площади
СБИС, посредством формирования охранных областей P-типа по
периметру границы раздела STI-подложка.
23
6) Разработана методика повышения радиационной стойкости
КМОП СБИС к стационарному ИИ без увеличения площади
СБИС и введения дополнительных фотолитографий посредством формирования модифицированного P-кармана, особенностью которого является отсутствие ярко выраженного участка
пониженной концентрации
Основные практические результаты
1) Разработана технологическая методика формирования охранных
областей P-типа по периметру границы раздела STI-подложка в
N-канальных элементах «ядра» с напряжением питания 1.8 В, на
примере технологии HCMOS8 с проектными нормами 0,18 мкм.
2) Осуществлено технологическое моделирование конкретных режимов ионного легирования бора и индия для формирования
охранных областей P-типа по периметру границы раздела STIподложка, для LL транзисторов, изготавливаемых по технологии
HCMOS8 с проектными нормами 0,18 мкм. Проведено приборное моделирование полученных структур, по результатам которого установлено:
 Повышение дозового порога образования утечек, индуцированных воздействием стационарного ионизирующего излучения, с 85 до 250-400 крад, в зависимости от
используемой примеси.
 Деградация пробивного напряжения не превышает
2.5%
3) Разработана технологическая методика формирования «усиленных» P-карманов различных N-канальных транзисторов (элементов входа-выхода с напряжением питания 3.3 В, элементов
«ядра» с напряжением питания 1.8 В,) на примере технологии
HCMOS8 с проектными нормами 0,18 мкм.
4) Осуществлено технологическое моделирование конкретных режимов дополнительного ионного легирования на этапе формирования P-кармана, обеспечивающих близкие к оптимальным
профили распределения примесей в HV и LL NМОПТ, изготавливаемых по технологии HCMOS8 с проектными нормами 0,18
мкм. Проведено приборное моделирование полученных структур, по результатам которого установлено:
 Оптимизация профиля распределения примесей в Pкармане субмикронных NМОП способно существенно
повысить стойкость СБИС к воздействию стационарно24
го ИИ. Для технологии HCMOS8 дозовый порог образования утечек, индуцированных воздействием стационарного ИИ повышается с 50 до 150 крад для элементов
входа-выхода с напряжением питания 3.3 В и с 85 до
300 крад для элементов «ядра» с напряжением питания
1.8 В.
 Изменение электрических параметров, вызванное изменением профиля распределения примесей в кармане,
является незначительным.
5) Результаты диссертационной работы были использованы в
опытно-конструкторских и технологических работах ООО
«Ситроникс-МД» и ОАО «НИИМЭ и Микрон».
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Селецкий А.В., Шелепин Н.А., «Эволюция конструктивнотехнологических методик повышения радиационной стойкости КМОП СБИС», Журнал «Радиопромышленность»,
№3, стр. 46-57, 2012.
2. Селецкий А.В., Шелепин Н.А., «Оценка конструктивнотехнологических возможностей повышения радиационной
стойкости глубоко-субмикронных СБИС», Сборник трудов
пятой Всероссийской научно-технической конференции
«Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем», МЭС-2012, стр. 588-593, Москва, ИППМ
РАН, 2012.
Статьи и материалы конференций
1. Селецкий А.В., «Особенности генерации положительного
заряда в областях STI-изоляции современных СБИС при
воздействии ионизирующего излучения.» Тезисы докладов
17-ой Всероссийской межвузовской научно-технической
конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника
и информатика – 2010» НИУ МИЭТ, Зеленоград, 2010.
2. Селецкий А.В., «Исследование влияния толщины оксида
STI-изоляции современных СБИС на стойкость к воздействию ионизирующего излучения». Тезисы докладов 18-ой
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2011», НИУ МИЭТ, Зеленоград, 2011.
25
3.
4.
Селецкий А.В., «Использование средств приборнотехнологического моделирования для разработки радиационное стойких объёмных МОП транзисторов». Тезисы докладов Всероссийской научной конференции студентовфизиков и молодых ученых «ВНКСФ-17», стр. 543 Екатеринбург, 2011.
Селецкий А.В., «Исследование влияния степени легирования охранных областей МОП транзистора на напряжение
пробоя и стойкость к воздействию ионизирующего излучения». Тезисы докладов 19-ой Всероссийской межвузовской
научно-технической конференции студентов и аспирантов
«Микроэлектроника и информатика – 2012» НИУ МИЭТ,
Зеленоград, 2012.
26
Автореферат
Селецкий Андрей Валерьевич
Исследование и разработка конструктивно-технологических методов повышения радиационной стойкости глубоко-субмикронных
СБИС с помощью средств приборно-технологического моделирования
Формат 60х84 1/16. Уч.-изд.л.
Заказ № Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.
27