eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #8/2016
А.Бенедиктов, Е.Горнев, А.Потупчик, А.Михайлов, А.Смирнов
Особенности работы МОП-транзисторов на основе кремниевых структур при высоких температурах
Особенности работы МОП-транзисторов на основе кремниевых структур при высоких температурах
Просмотры: 4487
Исследована работа МОП-транзисторов, выполненных на структурах кремний на изоляторе (КНИ) и на объемном кремнии, в диапазоне температур от –60 до 250 °С.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.96.103
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.96.103
Теги: bulk silicon high temperature electronics silicon-on-insulator высокотемпературная электроника кремний на изоляторе объемный кремний
Известно, что диапазон рабочих температур, на который рассчитаны микроэлектронные компоненты и интегральные схемы на кремниевых структурах, очень ограничен. Например, рабочий диапазон промышленных электронных изделий лежит в пределах от –40 до 85 °С, а диапазон военной электроники – от –55 до 125 °С (рис.1). Однако существует ряд задач, для решения которых необходима электроника с большей предельно допустимой рабочей температурой. Как правило, подобные электронные компоненты рассчитаны на устойчивую работу в диапазоне температур от –60 до 225 °С и объединяются в класс высокотемпературной электроники (High Temperature Electronics, HTE) [1, 2, 3].
Для реализации высокотемпературной элементной базы используются полупроводниковые структуры на основе кремний на изоляторе (КНИ) (Silicon on Insulator, SOI), карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN) [4]. При этом электронные компоненты на основе технологии КНИ имеют меньшую конечную стоимость, а сама технология отработана при производстве радиационно-стойких интегральных схем [3, 4, 5]. Вследствие низкой стоимости и высокой технологичности элементная база на основе КНИ актуальна в приложениях авиационной, автомобильной, нефтегазовой, космической и атомной отраслей промышленности [1, 3, 4, 6].
Основной проблемой КМОП-структур на кремниевой основе, возникающей при повышении температуры, являются токи утечки [1, 5, 7]. В технологии КНИ данные токи минимизируются за счет полной диэлектрической изоляции каждого электронного компонента.
В настоящем проекте проведено сравнение основных характеристик МОП-транзисторов с технологическими нормами 0,5 мкм, выполненных на основе структур КНИ и на объемном кремнии, в диапазоне температур от 0 до 250 °С. На основе сопоставления рабочих характеристик МОП-транзисторов сделаны выводы о работоспособности КНИ МОП-транзисторов и объяснены особенности функционирования МОП-транзисторов на объемном кремнии при температурах выше 125 °С.
Выбор для испытаний при высоких температурах МОП-транзисторов с минимальными технологическими нормами, сопоставимыми с величиной 1 мкм, обусловлен аналогичными исследованиями транзисторов с нормами 0,8 мкм, проведенными фирмой Honeywell в рамках проекта Energy Deep Trek [8].
ИССЛЕДУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
И ПЛАН ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве объектов исследования выбраны n- и p-канальные МОП-транзисторы с рабочим напряжением 5 В, выполненные на структурах КНИ и на объемном кремнии. Указанные МОП-транзисторы имеют длину канала 0,48–0,50 мкм и входят в состав линеек электронных компонентов, выпускаемых предприятием "НИИМЭ и Микрон" (табл.1 и 2).
План эксперимента:
• измерить параметры МОП-транзисторов на кристаллах при температурах от –60 до 250 °С;
• получить зависимости порогового напряжения, тока насыщения и тока утечки МОП-транзисторов от температуры;
• сопоставить характеристики и зависимости для МОП-транзисторов на структурах КНИ и на объемном кремнии;
• на основании сопоставления и анализа полученных зависимостей сделать выводы о возможности использования высоковольтных МОП-транзисторов на структурах КНИ и объяснить особенности работы МОП-транзисторов на объемном кремнии при температурах выше 125 °С.
ПОЛУЧЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Результаты измерений параметров МОП-тран-зисторов при различных температурах представлены в виде зависимостей порогового напряжения, тока насыщения и тока утечки от температуры (рис.2–4).
Так, на рис.2 приведены зависимости порогового напряжения МОП-транзисторов от температуры. Согласно данным для n-канальных транзисторов (рис.2а) пороговое напряжение КНИ МОП-транзистора составляет примерно 1 В при температуре –60 °С и 0,7 В при 250 °С. Аналогичные значения для МОП-транзистора на объемном кремнии равны 0,7 и 0,3 В соответственно. Пороговое напряжение p-канального транзистора на основе КНИ (рис.2b) при минимальной и максимальной температурах составляет –1,2 и –0,8 В соответственно. Аналогичные значения для транзистора на объемном кремнии составляют приблизительно –0,9 и –0,5 В.
Учитывая линейный характер представленных зависимостей, приведем значения дрейфа порогового напряжения на 1 °С для исследуемых МОП-транзисторов (табл.3). Также в табл.3 представлены аналогичные показатели для КНИ МОП-транзисторов, разработанных Honeywell в рамках проекта Energy Deep Trek [8]. Согласно данным таблицы, дрейф порогового напряжения n-канального КНИ МОП-транзистора, исследуемого в данной работе, меньше, чем у сопоставляемых транзистора на объемном кремнии и транзистора Honeywell. Аналогичный показатель для p-канального КНИ МОП-транзитора меньше удельного порогового напряжения аналога Honeywell. Разница между показателями КНИ МОП-транзисторов фирм "НИИМЭ и Микрон" и Honeywell объясняется обратной зависимостью дрейфа порогового напряжения от концентрации легирующей примеси в области сток-исток транзистора. Так как минимальная технологическая норма КНИ МОП-транзисторов фирмы Honeywell равна 0,8 мкм (против 0,5 мкм у транзисторов "НИИМЭ и Микрон"), то удельная концентрация легирующей примеси меньше, чем у транзистора "НИИМЭ и Микрон", что определяет большие значения дрейфа порогового напряжения на 1 °С.
Зависимости токов насыщения МОП-транзисторов при различных температурах показаны на рис.3. Так как ток насыщения МОП-транзистора имеет линейную зависимость от температуры [7], то, как и в случае с предыдущей зависимостью, приведем значения дрейфа токов насыщения МОП-транзисторов на 1 °С (табл.4). Согласно сопоставлению, значения дрейфа тока насыщения для однотипных (по типу проводимости) МОП-транзисторов можно считать приблизительно одинаковыми.
При этом на всем диапазоне температур значения токов насыщения КНИ МОП-транзисторов отличаются от значений токов насыщения МОП-транзисторов на объемном кремнии примерно на 0,4 · 10–4–0,5 · 10–4 А.
Зависимости токов утечки транзисторов от температуры приведены на рис.4. Как в случае n-канальных (рис.4а), так и p-канальных (рис.4b) МОП-транзисторов ток утечки достигает экстремальных значений при температуре 250 °С. Для всех четырех исследуемых транзисторов характерна экспоненциальная зависимость тока утечки от температуры, причем при температурах выше 125 °С отмечено более интенсивное изменение токов утечки у МОП-транзисторов на объемном кремнии. Так, при максимальной температуре токи утечки составляют 7,16 · 10–9 А и –1,13 · 10–9 А для n- и p-канального транзисторов соответственно, что в семь и три раза превышает аналогичные показатели КНИ МОП-транзисторов.
ФИЗИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные зависимости позволяют считать работу МОП-транзисторов на структурах КНИ более устойчивой при высоких (>125 °С) температурах в сравнении с МОП-транзисторами на объемном кремнии. Это следует из кратного превышения токами утечки МОП-транзисторов на объемном кремнии уровня токов утечки КНИ МОП-транзисторов при температурах выше 125 °С.
Явление увеличения тока утечки в МОП-транзисторах на объемном кремнии при повышении температуры обусловлено прежде всего дрейфом неосновных носителей в объем подложки [9]. Интенсивность дрейфа неосновных носителей возрастает с повышением температуры и приводит, в конечном итоге, к понижению порогового напряжения до близких к нулю значений, когда МОП-транзистор открыт при нулевом напряжении на затворе [9]. Вследствие этого МОП-транзистор теряет усилительные свойства, что равносильно его выходу из строя [9].
В свою очередь, в КНИ МОП-транзисторах, за счет наличия слоя скрытой изоляции, область дрейфа неосновных носителей ограничена областью между стоком и истоком. Вследствие этого обеспечивается меньший уровень токов утечки при высоких температурах и пороговое напряжение, достаточное для обеспечения усилительных свойств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в работе получены и сопоставлены основные характеристики МОП-транзисторов с технологическими нормами 0,5 мкм, выполненных на структурах КНИ и на объемном кремнии, в диапазоне температур от 0 до 250 °С. На основе сопоставления рабочих характеристик МОП-транзисторов, выполненных на базе указанных структур, сделаны выводы о работоспособности КНИ МОП-транзисторов и объяснены особенности работы МОП-транзисторов на объемном кремнии при температурах выше 125 °С.
Показано качественное преимущество использования структур КНИ перед структурами на основе объемного кремния при создании высокотемпературных транзисторов. Установлено, что при высокой температуре за счет наличия слоя скрытой изоляции обеспечивается минимальный (в сравнении с МОП-транзисторами на объемном кремнии) ток утечки при минимальных токах насыщения. Это подтверждается наличием усилительных свойств у транзисторов на структурах КНИ на всем диапазоне заявленных температур. Следовательно, МОП-транзисторы на структурах КНИ с технологическими нормами 0,5 мкм и напряжением питания 5 В отвечают критериям, предъявляемым к работе МОП-транзисторов в диапазоне температур
от 0 до 250 °С, и могут быть отнесены к классу высокотемпературных микроэлектронных компонентов.
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
1. Полищук А. Полупроводниковые материалы и приборы для жестких условий эксплуатации // Современная электроника. 2006. № 4. С. 20–21.
2. Janssens E. Smart High-Temperature High-Reliability Integrated Electronics // 4th European Networking Event. Dьsseldorf, 2012. 10 p.
3. 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. 223 p.
4. Mantooth A., Mojarradi M., Johnson W.
Emerging Capabilities in Electronics Technologies for Extreme Environments Part I –
High Temperature Electronics // IEEE Power Electronics Society NEWSLETTER. Vol. 18. 2006. № 1. P. 9–14.
5. Lambert W. Extension of Fundamental Standard Cells Set for High Temperature SOI EDA Based Design. Final Report of Master’s Thesis. Lausanne: Microelectronics Systems Laboratory (LSM). 2011. 60 p.
6. Johnson W., Evans J., Jacobsen P. et al. The Changing Automotive Environment: High-Temperature Electronics // IEEE Transactions on Electronic Packaging Manufacturing. 2004. Vol. 27. № 3. P. 164–176.
7. Шелепин Н.А. Физические основы моделирования паразитных биполярных элементов КНИ КМОП СБИС // Нано- и микросистемная техника. 2015. № 5. С. 9–13.
8. Ohme B., Johnson M., Hansen J. et al. Updated Results from Deep Trek High Temperature Electronics Development Programs. Plymouth: Honeywell International Inc. 2007. 8 p.
9. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. Кн. 2. / С.Зи; пер. с англ.; 2-е перераб. и доп. изд. – М.: Мир. 1984. 456 с.
Для реализации высокотемпературной элементной базы используются полупроводниковые структуры на основе кремний на изоляторе (КНИ) (Silicon on Insulator, SOI), карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN) [4]. При этом электронные компоненты на основе технологии КНИ имеют меньшую конечную стоимость, а сама технология отработана при производстве радиационно-стойких интегральных схем [3, 4, 5]. Вследствие низкой стоимости и высокой технологичности элементная база на основе КНИ актуальна в приложениях авиационной, автомобильной, нефтегазовой, космической и атомной отраслей промышленности [1, 3, 4, 6].
Основной проблемой КМОП-структур на кремниевой основе, возникающей при повышении температуры, являются токи утечки [1, 5, 7]. В технологии КНИ данные токи минимизируются за счет полной диэлектрической изоляции каждого электронного компонента.
В настоящем проекте проведено сравнение основных характеристик МОП-транзисторов с технологическими нормами 0,5 мкм, выполненных на основе структур КНИ и на объемном кремнии, в диапазоне температур от 0 до 250 °С. На основе сопоставления рабочих характеристик МОП-транзисторов сделаны выводы о работоспособности КНИ МОП-транзисторов и объяснены особенности функционирования МОП-транзисторов на объемном кремнии при температурах выше 125 °С.
Выбор для испытаний при высоких температурах МОП-транзисторов с минимальными технологическими нормами, сопоставимыми с величиной 1 мкм, обусловлен аналогичными исследованиями транзисторов с нормами 0,8 мкм, проведенными фирмой Honeywell в рамках проекта Energy Deep Trek [8].
ИССЛЕДУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
И ПЛАН ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве объектов исследования выбраны n- и p-канальные МОП-транзисторы с рабочим напряжением 5 В, выполненные на структурах КНИ и на объемном кремнии. Указанные МОП-транзисторы имеют длину канала 0,48–0,50 мкм и входят в состав линеек электронных компонентов, выпускаемых предприятием "НИИМЭ и Микрон" (табл.1 и 2).
План эксперимента:
• измерить параметры МОП-транзисторов на кристаллах при температурах от –60 до 250 °С;
• получить зависимости порогового напряжения, тока насыщения и тока утечки МОП-транзисторов от температуры;
• сопоставить характеристики и зависимости для МОП-транзисторов на структурах КНИ и на объемном кремнии;
• на основании сопоставления и анализа полученных зависимостей сделать выводы о возможности использования высоковольтных МОП-транзисторов на структурах КНИ и объяснить особенности работы МОП-транзисторов на объемном кремнии при температурах выше 125 °С.
ПОЛУЧЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Результаты измерений параметров МОП-тран-зисторов при различных температурах представлены в виде зависимостей порогового напряжения, тока насыщения и тока утечки от температуры (рис.2–4).
Так, на рис.2 приведены зависимости порогового напряжения МОП-транзисторов от температуры. Согласно данным для n-канальных транзисторов (рис.2а) пороговое напряжение КНИ МОП-транзистора составляет примерно 1 В при температуре –60 °С и 0,7 В при 250 °С. Аналогичные значения для МОП-транзистора на объемном кремнии равны 0,7 и 0,3 В соответственно. Пороговое напряжение p-канального транзистора на основе КНИ (рис.2b) при минимальной и максимальной температурах составляет –1,2 и –0,8 В соответственно. Аналогичные значения для транзистора на объемном кремнии составляют приблизительно –0,9 и –0,5 В.
Учитывая линейный характер представленных зависимостей, приведем значения дрейфа порогового напряжения на 1 °С для исследуемых МОП-транзисторов (табл.3). Также в табл.3 представлены аналогичные показатели для КНИ МОП-транзисторов, разработанных Honeywell в рамках проекта Energy Deep Trek [8]. Согласно данным таблицы, дрейф порогового напряжения n-канального КНИ МОП-транзистора, исследуемого в данной работе, меньше, чем у сопоставляемых транзистора на объемном кремнии и транзистора Honeywell. Аналогичный показатель для p-канального КНИ МОП-транзитора меньше удельного порогового напряжения аналога Honeywell. Разница между показателями КНИ МОП-транзисторов фирм "НИИМЭ и Микрон" и Honeywell объясняется обратной зависимостью дрейфа порогового напряжения от концентрации легирующей примеси в области сток-исток транзистора. Так как минимальная технологическая норма КНИ МОП-транзисторов фирмы Honeywell равна 0,8 мкм (против 0,5 мкм у транзисторов "НИИМЭ и Микрон"), то удельная концентрация легирующей примеси меньше, чем у транзистора "НИИМЭ и Микрон", что определяет большие значения дрейфа порогового напряжения на 1 °С.
Зависимости токов насыщения МОП-транзисторов при различных температурах показаны на рис.3. Так как ток насыщения МОП-транзистора имеет линейную зависимость от температуры [7], то, как и в случае с предыдущей зависимостью, приведем значения дрейфа токов насыщения МОП-транзисторов на 1 °С (табл.4). Согласно сопоставлению, значения дрейфа тока насыщения для однотипных (по типу проводимости) МОП-транзисторов можно считать приблизительно одинаковыми.
При этом на всем диапазоне температур значения токов насыщения КНИ МОП-транзисторов отличаются от значений токов насыщения МОП-транзисторов на объемном кремнии примерно на 0,4 · 10–4–0,5 · 10–4 А.
Зависимости токов утечки транзисторов от температуры приведены на рис.4. Как в случае n-канальных (рис.4а), так и p-канальных (рис.4b) МОП-транзисторов ток утечки достигает экстремальных значений при температуре 250 °С. Для всех четырех исследуемых транзисторов характерна экспоненциальная зависимость тока утечки от температуры, причем при температурах выше 125 °С отмечено более интенсивное изменение токов утечки у МОП-транзисторов на объемном кремнии. Так, при максимальной температуре токи утечки составляют 7,16 · 10–9 А и –1,13 · 10–9 А для n- и p-канального транзисторов соответственно, что в семь и три раза превышает аналогичные показатели КНИ МОП-транзисторов.
ФИЗИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные зависимости позволяют считать работу МОП-транзисторов на структурах КНИ более устойчивой при высоких (>125 °С) температурах в сравнении с МОП-транзисторами на объемном кремнии. Это следует из кратного превышения токами утечки МОП-транзисторов на объемном кремнии уровня токов утечки КНИ МОП-транзисторов при температурах выше 125 °С.
Явление увеличения тока утечки в МОП-транзисторах на объемном кремнии при повышении температуры обусловлено прежде всего дрейфом неосновных носителей в объем подложки [9]. Интенсивность дрейфа неосновных носителей возрастает с повышением температуры и приводит, в конечном итоге, к понижению порогового напряжения до близких к нулю значений, когда МОП-транзистор открыт при нулевом напряжении на затворе [9]. Вследствие этого МОП-транзистор теряет усилительные свойства, что равносильно его выходу из строя [9].
В свою очередь, в КНИ МОП-транзисторах, за счет наличия слоя скрытой изоляции, область дрейфа неосновных носителей ограничена областью между стоком и истоком. Вследствие этого обеспечивается меньший уровень токов утечки при высоких температурах и пороговое напряжение, достаточное для обеспечения усилительных свойств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в работе получены и сопоставлены основные характеристики МОП-транзисторов с технологическими нормами 0,5 мкм, выполненных на структурах КНИ и на объемном кремнии, в диапазоне температур от 0 до 250 °С. На основе сопоставления рабочих характеристик МОП-транзисторов, выполненных на базе указанных структур, сделаны выводы о работоспособности КНИ МОП-транзисторов и объяснены особенности работы МОП-транзисторов на объемном кремнии при температурах выше 125 °С.
Показано качественное преимущество использования структур КНИ перед структурами на основе объемного кремния при создании высокотемпературных транзисторов. Установлено, что при высокой температуре за счет наличия слоя скрытой изоляции обеспечивается минимальный (в сравнении с МОП-транзисторами на объемном кремнии) ток утечки при минимальных токах насыщения. Это подтверждается наличием усилительных свойств у транзисторов на структурах КНИ на всем диапазоне заявленных температур. Следовательно, МОП-транзисторы на структурах КНИ с технологическими нормами 0,5 мкм и напряжением питания 5 В отвечают критериям, предъявляемым к работе МОП-транзисторов в диапазоне температур
от 0 до 250 °С, и могут быть отнесены к классу высокотемпературных микроэлектронных компонентов.
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
1. Полищук А. Полупроводниковые материалы и приборы для жестких условий эксплуатации // Современная электроника. 2006. № 4. С. 20–21.
2. Janssens E. Smart High-Temperature High-Reliability Integrated Electronics // 4th European Networking Event. Dьsseldorf, 2012. 10 p.
3. 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. 223 p.
4. Mantooth A., Mojarradi M., Johnson W.
Emerging Capabilities in Electronics Technologies for Extreme Environments Part I –
High Temperature Electronics // IEEE Power Electronics Society NEWSLETTER. Vol. 18. 2006. № 1. P. 9–14.
5. Lambert W. Extension of Fundamental Standard Cells Set for High Temperature SOI EDA Based Design. Final Report of Master’s Thesis. Lausanne: Microelectronics Systems Laboratory (LSM). 2011. 60 p.
6. Johnson W., Evans J., Jacobsen P. et al. The Changing Automotive Environment: High-Temperature Electronics // IEEE Transactions on Electronic Packaging Manufacturing. 2004. Vol. 27. № 3. P. 164–176.
7. Шелепин Н.А. Физические основы моделирования паразитных биполярных элементов КНИ КМОП СБИС // Нано- и микросистемная техника. 2015. № 5. С. 9–13.
8. Ohme B., Johnson M., Hansen J. et al. Updated Results from Deep Trek High Temperature Electronics Development Programs. Plymouth: Honeywell International Inc. 2007. 8 p.
9. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. Кн. 2. / С.Зи; пер. с англ.; 2-е перераб. и доп. изд. – М.: Мир. 1984. 456 с.
Отзывы читателей
