eng
Выпуск #7/2016
А.Бенедиктов, П.Игнатов
Моделирование состояний полного и частичного обеднения высокотемпературных транзисторов на структурах кремний на изоляторе
Моделирование состояний полного и частичного обеднения высокотемпературных транзисторов на структурах кремний на изоляторе
Просмотры: 2546
Рассмотрены особенности движения основных носителей зарядов в пространстве между стоком и истоком КНИ МОП-транзисторов при различных температурах окружающей среды. Смоделированы состояния полного и частичного обеднения транзисторов.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.102.109
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.102.109
Теги: mos transistor soi кни моп-транзистор
Как правило, в класс высокотемпературной электроники (High Temperature Electronics, HTE) принято выделять электронные компоненты, рассчитанные на устойчивую работу в диапазоне температур от –60 до 225 °С (рис.1) [1, 2]. Для реализации высокотемпературной элементной базы используются структуры кремний на изоляторе (КНИ), а также на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) [1, 3, 4]. При этом электронные компоненты на основе КНИ имеют меньшую конечную стоимость, а сама технология хорошо отработана при производстве радиационно-стойких интегральных схем [4]. Вследствие низкой стоимости и высокой технологичности элементная база на основе КНИ актуальна для авиационной, автомобильной, нефтегазовой, космической и атомной отраслей промышленности [1, 4, 5].
В качестве базовой технологии для проведения исследований состояний полного и частичного обеднения и особенностей движения основных носителей зарядов в пространстве между стоком и истоком МОП-транзисторов выбрана двумерная TCAD-модель радиационно-стойких МОП-транзисторов на КНИ-структурах с напряжением питания 5 В из линейки КНИ180. Выбор данной элементной базы для высокотемпературных исследований обусловлен результатами, полученными Honeywell [6], XFAB [7] и IBM [8].
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КНИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ. СОСТОЯНИЯ ОБЕДНЕНИЯ МОП-ТРАНЗИСТОРА
Рассмотрим поперечное сечение структуры металл-оксид-полупроводник-оксид-полупроводник (рис.2). На рисунке нуль оси Ох совпадает с границей раздела Si–SiO2 вблизи верхнего затвора, а положительное направление оси перпендикулярно слоям структуры. Пусть xd1 и xd2 обозначают толщины областей пространственного заряда (ОПЗ), то есть таких областей в слое кремния, в которых отсутствуют свободные носители зарядов. Также введем обозначения φS1 (при x = 0) и φS2 (при x = tSI) для поверхностных потенциалов и VG1 и VG2 – для напряжений, подаваемых на верхний и нижний затворы соответственно.
При повышении температуры окружающей среды, в результате совокупного действия явлений, таких как увеличение частоты колебаний атомов в узлах кристаллической решетки кремния и повышение скоростей движения электронов, изменяется состояние КНИ МОП-транзистора [9]. Принято различать состояния частичного (рис.3а) и полного (рис.3b) обеднения МОП-транзистора [9]. При этом, с учетом введенных обозначений, случай частичного обеднения характеризует неравенство (xd1 + xd2) < tSI, а случай полного обеднения – неравенство (xd1 + xd2) ≥ tSI. Заметим также, что в случае частичного обеднения в области между стоком и истоком существует электрически нейтральная область, называемая основанием.
Переключение между состояниями частичного и полного обеднения происходит в зависимости от напряжений на затворах VG1 и VG2, напряжения сток-исток VDS и температуры T [9]. Зависимость порогового напряжения МОП-транзистора от температуры [9], а также состояния полного и частичного обеднения и температура перехода из одного состояния в другое показаны на рис.4. Из приведенного графика следует, что для реализации высокотемпературной активной элементной базы актуально сохранение состояния полного обеднения в широком диапазоне температур, так как в данном состоянии, в отличие от состояния частичного обеднения, обеспечиваются следующие преимущества:
понижение встроенного потенциала p-n-переходов, что позволяет компенсировать эффект плавающей подложки, проявляющийся по мере повышения температуры окружающей среды [9, 10];
независимость порогового напряжения МОП-транзистора от температуры [9, 10];
минимизация токов утечки при больших температурах за счет исключения электрически нейтральной области, накапливающей заряд [9, 10];
уменьшение воздействия эффектов плавающего напряжения, в том числе кинк-эффекта и эффекта паразитного биполярного транзистора [9, 10].
Задача разработки технологии высокотемпературных транзисторов на структурах КНИ должна включать отработку различных вариантов распределения легирующих примесей в пространстве между стоком и истоком транзистора, так как от их концентрации зависят толщины областей обеднения. Вследствие перечисленных обстоятельств необходимо получить распределение носителей зарядов в МОП-транзисторах из исходной (доза вносимой примеси BF2
в n-канальный транзистор равна 2,6 ∙ 1012 см–2,
а доза примеси P, вносимой в p-канальный транзистор, равна 1,5 ∙ 1012 см–2) и измененной (5 ∙ 1012 см–2 и 1,5 ∙ 1012 см–2 соответственно) TCAD-моделей при температурах от –60 до 250 °С. На основе анализа полученных распределений носителей следует определить температуру перехода от полного обеднения к частичному и сопоставить эти значения для двух моделей.
АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ НОСИТЕЛЕЙ
ЗАРЯДА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЙ ПОЛНОГО И ЧАСТИЧНОГО ОБЕДНЕНИЯ
Двумерные распределения носителей зарядов в транзисторных структурах при различных температурах получены с помощью инструмента Sentaurus Process из набора САПР TCAD. В результате анализа двумерных распределений установлено, что в измененной модели n-канального МОП-транзистора в отличие от исходной формируется область с меньшей концентрацией электронов вблизи скрытого диэлектрика. Если рассматривать изменение концентрации носителей зарядов в данной области в обеих моделях с повышением температуры, то при 100 °С в исходной модели можно зафиксировать процесс формирования облака свободных электронов вблизи истока (рис.5а). Данное электронное облако с концентрацией, равной или превышающей концентрацию носителей в канале транзистора, оттягивается дырками, дрейфующими к области истока. Вследствие наличия электронов вблизи области истока понижаются значения потенциалов p-n-переходов и разности потенциалов между истоком и стоком транзистора. Понижение потенциалов, в свою очередь, приводит к ослаблению усилительных свойств (падению порогового напряжения) транзистора с повышением температуры.
Рассмотренный эффект обнаружен также и в измененной модели (рис.5b), но концентрация электронов вблизи области истока транзистора на 5–6 порядков меньше по сравнению с концентрацией электронов в канале транзистора. Следовательно, в случае измененной модели за счет меньшей начальной концентрации электронов вблизи скрытого диэлектрика, в сравнении с аналогичным показателем исходной модели, обеспечивается уменьшение влияния эффекта оттягивания электронов дрейфующими дырками.
Аналогично измененной модели n-канального МОП-транзистора эффект оттягивания основных носителей к области истока проявляется и в модели p-канального МОП-транзистора, причем концентрация дырок в облаке вблизи истока также значительно меньше концентрации дырок в канале МОП-транзистора.
При температурах свыше 100 °С облако из основных носителей сильнее оттягивается к области истока с возрастанием температуры. При этом в случае предельных (> 200 °С) температур на большей части пространства между стоком и истоком концентрация основных носителей достигает сравнительно малых значений, а вблизи стока транзистора образуется область инверсии с концентрацией основных носителей меньше 1 ∙ 105 см–3. Одновременно вблизи истока отмечается наличие облака электронов с высокой концентрацией относительно остального пространства между стоком и истоком. Наличие облака свободных электронов вблизи истока при одновременном явлении инверсии будем считать характерным признаком состояния частичного обеднения транзистора.
Исходя из установленного условия на наличие областей обеднения определим для каждого рассматриваемого транзистора приблизительное значение температуры перехода из состояния полного обеднения в состояние частичного обеднения. Так, в исходной модели n-канального МОП-транзистора области с малой концентрацией основных носителей зарядов формируются в диапазоне температур от 100 до 250 °С, следовательно, в данном случае температурой перехода к состоянию частичного обеднения можно считать 125–130 °С (рис.6). Аналогичные значения для измененной модели n-канального МОП-транзистора и для модели p-канального МОП-транзистора составляют примерно 130 и 100 °С соответственно. При этом следует отметить, что скорость изменения областей частичного обеднения больше у исходной модели, что связано с зависимостью пороговых напряжений и токов насыщения МОП-транзисторов от температуры.
Рассмотрим также процессы обеднения, протекающие в моделях транзисторов при предельной температуре 250 °С. На рис.7 показано распределение электронов в исходной модели n-канального МОП-транзистора. Большим эллипсом на рисунке отмечена область инверсии, а малым – облако электронов вблизи истока транзистора. При повышении температуры данная область заполняется электронами, оттягиваемыми дрейфующими дырками – так формируется основание из носителей зарядов, вследствие наличия которого уменьшаются разности потенциалов транзисторных структур.
В отличие от исходной модели n-канального МОП-транзистора, у моделей p-канального (рис.8) и измененного n-канального (рис.9) МОП-транзисторов при температуре 250 °С значительно меньше область инверсии, что, в конечном итоге, положительно влияет на их усилительные свойства.
ВЫВОДЫ
Рассмотрены распределения основных носителей зарядов в моделях КНИ МОП-транзисторов при температурах от –60 до 250 °С и установлена связь между состояниями обеднения МОП-транзисторов и температурой окружающей среды. Также рассмотрены процессы формирования облака основных носителей зарядов вблизи истока транзистора и установлены характерные признаки переключения транзистора из состояния полного обеднения в состояние частичного обеднения. В результате сопоставления исходной и измененной моделей МОП-транзисторов установлено, что в последней переход МОП-транзистора от одного состояния обеднения к другому происходит при большей температуре. Вследствие этого диапазон температур, при которых измененный КНИ МОП-транзистор находится в состоянии полного обеднения, шире по сравнению с исходной моделью. Так как согласно зависимости, приведенной на рис.4, и исследованиям, проведенным в институте Фраунгофера [9], режим полного обеднения характеризуется линейной зависимостью порогового напряжения от температуры, то измененная модель n-канального КНИ МОП-транзистора является более устойчивой к температурному воздействию по сравнению с исходной моделью.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы" по соглашению № 14.576.21.0063 от 23 октября 2014 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57614X0063).
ЛИТЕРАТУРА
Полищук А. Современная электроника. 2006. № 4. С. 20.
Janssens E. 4th European Networking Event. Düsseldorf, 2012.
Патент на изобретение, RUS 2149482. Красников Г.Я., Лукасевич М.И., Сулимин А.Д. Структура – кремний на изоляторе для СБИС (варианты), 1998. Номер заявки: 98123896/28.
Mantooth A. IEEE Power Electronics Society NEWSLETTER. 2006. V. 18. № 1. P. 9.
Johnson R. Wayne et al. IEEE Transactions on Electronic Packaging Manufacturing. 2004. № 3. P. 164.
Ohme B. et al. Updated Results from Deep Trek High Temperature Electronics Development Programs. Plymouth: Honeywell International Inc., 2007.
0,18 μm Process Family: XT018. 0.18 Micron HV SOI CMOS Technology // XT018 Data Sheet. – X-FAB Semiconductor Foundries AG, 2014.
Foundry technologies 180-nm CMOS, RF CMOS and SiGe BiCMOS // Data Sheet. – IBM Microelectronics Division.
Shmidt A. Analog Circuit Design in PD-SOI CMOS Technology for High Temperatures up to 400 °C using Reverse Body Biasing (RBB). Duisburg: University of Duisburg-Essen, 2014.
Шелепин Н.А. Нано- и микросистемная техника. 2015. № 5. С. 9.
В качестве базовой технологии для проведения исследований состояний полного и частичного обеднения и особенностей движения основных носителей зарядов в пространстве между стоком и истоком МОП-транзисторов выбрана двумерная TCAD-модель радиационно-стойких МОП-транзисторов на КНИ-структурах с напряжением питания 5 В из линейки КНИ180. Выбор данной элементной базы для высокотемпературных исследований обусловлен результатами, полученными Honeywell [6], XFAB [7] и IBM [8].
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КНИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ. СОСТОЯНИЯ ОБЕДНЕНИЯ МОП-ТРАНЗИСТОРА
Рассмотрим поперечное сечение структуры металл-оксид-полупроводник-оксид-полупроводник (рис.2). На рисунке нуль оси Ох совпадает с границей раздела Si–SiO2 вблизи верхнего затвора, а положительное направление оси перпендикулярно слоям структуры. Пусть xd1 и xd2 обозначают толщины областей пространственного заряда (ОПЗ), то есть таких областей в слое кремния, в которых отсутствуют свободные носители зарядов. Также введем обозначения φS1 (при x = 0) и φS2 (при x = tSI) для поверхностных потенциалов и VG1 и VG2 – для напряжений, подаваемых на верхний и нижний затворы соответственно.
При повышении температуры окружающей среды, в результате совокупного действия явлений, таких как увеличение частоты колебаний атомов в узлах кристаллической решетки кремния и повышение скоростей движения электронов, изменяется состояние КНИ МОП-транзистора [9]. Принято различать состояния частичного (рис.3а) и полного (рис.3b) обеднения МОП-транзистора [9]. При этом, с учетом введенных обозначений, случай частичного обеднения характеризует неравенство (xd1 + xd2) < tSI, а случай полного обеднения – неравенство (xd1 + xd2) ≥ tSI. Заметим также, что в случае частичного обеднения в области между стоком и истоком существует электрически нейтральная область, называемая основанием.
Переключение между состояниями частичного и полного обеднения происходит в зависимости от напряжений на затворах VG1 и VG2, напряжения сток-исток VDS и температуры T [9]. Зависимость порогового напряжения МОП-транзистора от температуры [9], а также состояния полного и частичного обеднения и температура перехода из одного состояния в другое показаны на рис.4. Из приведенного графика следует, что для реализации высокотемпературной активной элементной базы актуально сохранение состояния полного обеднения в широком диапазоне температур, так как в данном состоянии, в отличие от состояния частичного обеднения, обеспечиваются следующие преимущества:
понижение встроенного потенциала p-n-переходов, что позволяет компенсировать эффект плавающей подложки, проявляющийся по мере повышения температуры окружающей среды [9, 10];
независимость порогового напряжения МОП-транзистора от температуры [9, 10];
минимизация токов утечки при больших температурах за счет исключения электрически нейтральной области, накапливающей заряд [9, 10];
уменьшение воздействия эффектов плавающего напряжения, в том числе кинк-эффекта и эффекта паразитного биполярного транзистора [9, 10].
Задача разработки технологии высокотемпературных транзисторов на структурах КНИ должна включать отработку различных вариантов распределения легирующих примесей в пространстве между стоком и истоком транзистора, так как от их концентрации зависят толщины областей обеднения. Вследствие перечисленных обстоятельств необходимо получить распределение носителей зарядов в МОП-транзисторах из исходной (доза вносимой примеси BF2
в n-канальный транзистор равна 2,6 ∙ 1012 см–2,
а доза примеси P, вносимой в p-канальный транзистор, равна 1,5 ∙ 1012 см–2) и измененной (5 ∙ 1012 см–2 и 1,5 ∙ 1012 см–2 соответственно) TCAD-моделей при температурах от –60 до 250 °С. На основе анализа полученных распределений носителей следует определить температуру перехода от полного обеднения к частичному и сопоставить эти значения для двух моделей.
АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ НОСИТЕЛЕЙ
ЗАРЯДА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЙ ПОЛНОГО И ЧАСТИЧНОГО ОБЕДНЕНИЯ
Двумерные распределения носителей зарядов в транзисторных структурах при различных температурах получены с помощью инструмента Sentaurus Process из набора САПР TCAD. В результате анализа двумерных распределений установлено, что в измененной модели n-канального МОП-транзистора в отличие от исходной формируется область с меньшей концентрацией электронов вблизи скрытого диэлектрика. Если рассматривать изменение концентрации носителей зарядов в данной области в обеих моделях с повышением температуры, то при 100 °С в исходной модели можно зафиксировать процесс формирования облака свободных электронов вблизи истока (рис.5а). Данное электронное облако с концентрацией, равной или превышающей концентрацию носителей в канале транзистора, оттягивается дырками, дрейфующими к области истока. Вследствие наличия электронов вблизи области истока понижаются значения потенциалов p-n-переходов и разности потенциалов между истоком и стоком транзистора. Понижение потенциалов, в свою очередь, приводит к ослаблению усилительных свойств (падению порогового напряжения) транзистора с повышением температуры.
Рассмотренный эффект обнаружен также и в измененной модели (рис.5b), но концентрация электронов вблизи области истока транзистора на 5–6 порядков меньше по сравнению с концентрацией электронов в канале транзистора. Следовательно, в случае измененной модели за счет меньшей начальной концентрации электронов вблизи скрытого диэлектрика, в сравнении с аналогичным показателем исходной модели, обеспечивается уменьшение влияния эффекта оттягивания электронов дрейфующими дырками.
Аналогично измененной модели n-канального МОП-транзистора эффект оттягивания основных носителей к области истока проявляется и в модели p-канального МОП-транзистора, причем концентрация дырок в облаке вблизи истока также значительно меньше концентрации дырок в канале МОП-транзистора.
При температурах свыше 100 °С облако из основных носителей сильнее оттягивается к области истока с возрастанием температуры. При этом в случае предельных (> 200 °С) температур на большей части пространства между стоком и истоком концентрация основных носителей достигает сравнительно малых значений, а вблизи стока транзистора образуется область инверсии с концентрацией основных носителей меньше 1 ∙ 105 см–3. Одновременно вблизи истока отмечается наличие облака электронов с высокой концентрацией относительно остального пространства между стоком и истоком. Наличие облака свободных электронов вблизи истока при одновременном явлении инверсии будем считать характерным признаком состояния частичного обеднения транзистора.
Исходя из установленного условия на наличие областей обеднения определим для каждого рассматриваемого транзистора приблизительное значение температуры перехода из состояния полного обеднения в состояние частичного обеднения. Так, в исходной модели n-канального МОП-транзистора области с малой концентрацией основных носителей зарядов формируются в диапазоне температур от 100 до 250 °С, следовательно, в данном случае температурой перехода к состоянию частичного обеднения можно считать 125–130 °С (рис.6). Аналогичные значения для измененной модели n-канального МОП-транзистора и для модели p-канального МОП-транзистора составляют примерно 130 и 100 °С соответственно. При этом следует отметить, что скорость изменения областей частичного обеднения больше у исходной модели, что связано с зависимостью пороговых напряжений и токов насыщения МОП-транзисторов от температуры.
Рассмотрим также процессы обеднения, протекающие в моделях транзисторов при предельной температуре 250 °С. На рис.7 показано распределение электронов в исходной модели n-канального МОП-транзистора. Большим эллипсом на рисунке отмечена область инверсии, а малым – облако электронов вблизи истока транзистора. При повышении температуры данная область заполняется электронами, оттягиваемыми дрейфующими дырками – так формируется основание из носителей зарядов, вследствие наличия которого уменьшаются разности потенциалов транзисторных структур.
В отличие от исходной модели n-канального МОП-транзистора, у моделей p-канального (рис.8) и измененного n-канального (рис.9) МОП-транзисторов при температуре 250 °С значительно меньше область инверсии, что, в конечном итоге, положительно влияет на их усилительные свойства.
ВЫВОДЫ
Рассмотрены распределения основных носителей зарядов в моделях КНИ МОП-транзисторов при температурах от –60 до 250 °С и установлена связь между состояниями обеднения МОП-транзисторов и температурой окружающей среды. Также рассмотрены процессы формирования облака основных носителей зарядов вблизи истока транзистора и установлены характерные признаки переключения транзистора из состояния полного обеднения в состояние частичного обеднения. В результате сопоставления исходной и измененной моделей МОП-транзисторов установлено, что в последней переход МОП-транзистора от одного состояния обеднения к другому происходит при большей температуре. Вследствие этого диапазон температур, при которых измененный КНИ МОП-транзистор находится в состоянии полного обеднения, шире по сравнению с исходной моделью. Так как согласно зависимости, приведенной на рис.4, и исследованиям, проведенным в институте Фраунгофера [9], режим полного обеднения характеризуется линейной зависимостью порогового напряжения от температуры, то измененная модель n-канального КНИ МОП-транзистора является более устойчивой к температурному воздействию по сравнению с исходной моделью.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы" по соглашению № 14.576.21.0063 от 23 октября 2014 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57614X0063).
ЛИТЕРАТУРА
Полищук А. Современная электроника. 2006. № 4. С. 20.
Janssens E. 4th European Networking Event. Düsseldorf, 2012.
Патент на изобретение, RUS 2149482. Красников Г.Я., Лукасевич М.И., Сулимин А.Д. Структура – кремний на изоляторе для СБИС (варианты), 1998. Номер заявки: 98123896/28.
Mantooth A. IEEE Power Electronics Society NEWSLETTER. 2006. V. 18. № 1. P. 9.
Johnson R. Wayne et al. IEEE Transactions on Electronic Packaging Manufacturing. 2004. № 3. P. 164.
Ohme B. et al. Updated Results from Deep Trek High Temperature Electronics Development Programs. Plymouth: Honeywell International Inc., 2007.
0,18 μm Process Family: XT018. 0.18 Micron HV SOI CMOS Technology // XT018 Data Sheet. – X-FAB Semiconductor Foundries AG, 2014.
Foundry technologies 180-nm CMOS, RF CMOS and SiGe BiCMOS // Data Sheet. – IBM Microelectronics Division.
Shmidt A. Analog Circuit Design in PD-SOI CMOS Technology for High Temperatures up to 400 °C using Reverse Body Biasing (RBB). Duisburg: University of Duisburg-Essen, 2014.
Шелепин Н.А. Нано- и микросистемная техника. 2015. № 5. С. 9.
Отзывы читателей
