Моделирование работы и процессов деградации МОП транзисторов, обусловленных воздействием ионизирующего излучения

• Автор: Зебрев, Геннадий Иванович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 126 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ МОП ТРАНЗИСТОРА

1.1. Уравнение Пуассона

1.2. ПЛОТНОСТЬ ЗАРЯМ В ИНВЕРСИОННОМ СЛОЕ

1.3. УРАВНЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОСТИ

1.4. ВЫЧИСЛЕНИЕ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПАРАМЕТРА К

1.5. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОПТ

Выводы

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАНАЛЕ МОП ТРАНЗИСТОРА

2.1. Характеристики МОПТ с учетом зависимости подвижности от продольного

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

2.2. Статическое экранирование в инверсионном слое
2.3. Эффективная подвижность, обусловленная рассеянием на шероховатостях границы раздела ii
Выводы
ГЛАВА 3. КИНЕТИКА НАКОПЛЕНИЯ И ОТЖИГА РАДИАЦИОННО ИНДУЦИРОВАННОГО ЗАРЯДА В ОКИСЛЕ И МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
3.1. Математическая модель туннельного отжига радиационноиндуцированного
ДЫРОЧНОГО ЗАРЯД В ОКИСЛЕ ВБЛИЗИ ГРА1ШЦЫ I
3.1.1. Импульсное облучение
3.1.2. Стационарное облучение
3.1.3. Отжиг после окончания облучения
3.2. Накопление поверхностных состояний
3.3. Параметры модели
3.4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ РАДИАЦИОННОСТИМУЛИРОВАННОГО ОТЖИГА В ОКИСЛЕ МОП ТРАНЗИСТОРА
4.1. Сечения захвата
4.2. Кинетика радиационноиндуцированной перезарядки ловушек в окисле
4.3. аналитическое решение системы кинетических уравнений
4.4. Численное решение системы кинетических уравнений
4.5. Переключения смещения на затворе
4.6. совместный учет туннельного и радиационноиндуцированного отжига и проблема
АСЫЩЕНИЯ РОСТА ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЗАРЯДА В ОКИСЛЕ
4.6.1 Кратковременное облучение Цт4 или х,
4.6.2 Долговременное облучение Т или ii
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ
5.1. Краткий обзор методов определения спектров поверхностных состояний
5.1.1. Подпороговые методы i i
5.1.2. Метод зарядовой накачки
5.1.3. Метод надпороговой крутизны
5.2. Перезарядка ПС как источник искажгл 1Ий передаточной ВАХ
5.3. Метод эффекта поля
5.4. метод смещения на подложке
5.5. Обсуждение
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 6. РАДИАЦИОННОИНДУЦИРОВАННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ КАК ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ДЕФЕКТЫ В ОКИСЛЕ И НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА 1
6.1. Экспериментальные результаты
6.2. Противоречие со стандартным представлением
6.2.1. Напряжение середины зоны
6.2.2. Подпороговый наклон
6.3. Концепция перезаряжаемых состояний
6.4. Единое описание процессов обратимой перезарядки
6.4.1. Кинетическое уравнение
6.4.2. Решение нестационарного кинетического уравнения
6.4.3. Изменение заряда на ловушках
6.4.4. Концепция пространственноэнергетического туннельного фронта
6.4.5. Вычисление количества ловушек, перезаряжаемых за развертку
6.5. Обсуждение и сравнение с экспериментом
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 7. МОДЕЛЬ БИСТАБИЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИЯ Е ЦЕНТРА
7.1. Дефекты вблизи границы раздела и особенности накопления радиационноиндуцированных поверхностных состояний
7.2. Эмпирическая модель бистабильного Е центра
7.2.1. Возможная бистабильность Ецентра
7.2.2. Интерпретация результатов ЭПР в работе Ленахана.
7.3. Энергетическая модель бистабильного Е центра аналитический подход
7.3.1. Энергетическая модель
7.3.2. Механическая стабильность
7.3.3. Точка неустойчивого равновесия
7.4. Переключения конфигураций Ецентра под действием электрического поля
7.4.1. Учет взаимодействия диполя с электрическим полем
7.4.2. Адиабатические термы при разных величинах и направлениях электрических полей
7.4.3. Энергетический барьер охлопывания Ецентра как функция о
7.4.4. Энергия активации трансформации из нейтральной в дипольную конфигурацию
7.5. Численный анализ процессов переключения между двумя бистабильными конфигурациями
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 8. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ МОП ТРАНЗИСТОРОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЕЙ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗИ С РАДИАЦИОННОЙ ДЕГРАДАЦИЕЙ
8.1. Масштабирование и радиационный отклик приборов
8.2. Инжекция горячих носителей в окисел
8.3. Модель
8.4. Деградация крутизны
8.5. Эксперимент 1 и
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В главе 6 был исследован экспериментально и теоретически процесс обратимой перезарядки дефектов в окисле и на границе раздела ii. В главе 7 развита теоретическая модель бистабильной конфигурации Е центра, который предложен как один из основных типов дефектов, способных давать вклад в обратимую перезарядку. Глава 8 посвящена изучению процесса деградации, вызванной горячими носителями, и ее корреляции с радиационной деградацией. ГЛАВА 1. Сразу после того, как в г. МОПТ был впервые реализован на практике, в течение нескольких последующих лег было сделано несколько работ, в которых было изложены модели базовых принципов функционирования таких приборов 5. В семидесятые годы интерес к теории МОП транзисторов возродился в связи с необходимостью создания эффективных и простых моделей для систем автоматизированного проектирования интегральных схем САПР МОП технологии, которая к этому времени стала доминирующей в микроэлектронике 6, 7. Важно отметить, что модели, заложенные в системы компьютерного проектирования схем должны быть достаточно простыми, оставаясь при этом физически содержательными. Другой причиной продолжающегося интереса к теории МОП транзистора, явилась непрерывная миниатюризация элементов интегральных схем, которая привела к появлению специфических так называемых короткоканальных эффектов, требующих адекватного учета в базовых моделях 8. Более подробное изложение истории вопроса и соответствующие списки литературы можно найти в фундаментальной монографии . Параллельно аналитическому моделированию, последние двадцать лет развивается моделирование на основе численного расчета в двумерных, и даже трехмерных приближениях , , а также с использованием алгоритмов МонтеКарло . Однако, несмотря на некоторый прогресс, эти подходы, в целом, изза своей непомерной сложности и громоздкости гак и не вышли за рамки исследовательских работ и не стали реальным рабочим инструментом разработчиков ИС и специалистов по надежности. Мировым стандартом САПР в современной схемотехнике стал интегрированный пакет I, в основе которого была изначально положена довольно простая модель ШихманаХоджеса . В дальнейшем физическая основа модели многократно модифицировалась путем бессистемного добавления большого количества разнородных усовершенствований, с целью учета многочисленных эффектов второго порядка. Результатом стало то, что описание последних версий физической модели МОПТ, которая включает в себя около 0 констант, занимает около 0 страниц . Несмотря на это, даже описание эффекта первого порядка остается в этих моделях физически неудовлетворительным, а технически крайне неудобным. Эго выражается в том, что в данных моделях отсутствуют аналитические выражения, позволяющие единым образом описывать работу МОПТ во всем диапазоне рабочих напряжений на затворе от экспоненциального, подпорогового участка ВАХ, до линейного, надпорогового, включая эффекты насыщения и перехода от диффузионного тока к дрейфовому. Эти модели основаны на кусочном описании, когда различные режимы работы МОПТ описываются различными аналитическими приближениями. Как следствие этого, даже при ограничении даже относительно малым количеством параметров модели, задача их идентификации представляет собой значительную техническую сложность, изза необходимости численной сшивки с сохранением непрерывности первой производной. Единое аналитическое описание работы МОПТ во всех режимах его работы позволяет кардинально уменьшить эти трудности и это выигрыш достигается за счет более глубокой постановки задачи. Перед изложением подробной теории, мы кратко изложим качественно физическую суть нашей модели. Для получения ВАХ МОПТ обычно используют метод прямого интегрирования выражения для тока IVV, что физически эквивалентно суммированию большого количества последовательных проводимостей IVV. Между тем, строго говоря, суммирование последовательных проводимостей не имеет физического смысла, и более обоснованным следует считать суммирование последовательных сопротивлений. Действительно, МОП транзистор можно представить в виде распределенной цепочки сопротивлений.