eng
Выпуск #9/2018
Петросянц Константин Орестович, Кожухов Максим Владимирович, Попов Дмитрий Александрович
Обобщенная TCAD-модель для учета радиационных эффектов в структурах МОП и биполярных транзисторов
Обобщенная TCAD-модель для учета радиационных эффектов в структурах МОП и биполярных транзисторов
Просмотры: 2314
Разработана новая TCAD Rad модель для биполярных и МОП транзисторов, учитывающая влияние протонов на основные радиационно-зависимые параметры, такие как время жизни, подвижность, скорость поверхностной рекомбинации и концентрация радиационно-индуцированных ловушек в оксиде. Результаты моделирования показывают хорошую сходимость с экспериментальными данными.
УДК 621.382.3: 004.942
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.404.405
УДК 621.382.3: 004.942
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.404.405
Теги: bjt mosfet physical models proton radiation effects tcad биполярные протоны радиационные эффекты физические модели
На настоящий момент с помощью Synopsys TCAD в полной мере не изучено воздействие протонного излучения на структуры МОП и биполярных транзисторов.
В [1] нами была представлена физическая TCAD-модель учета влияния протонного излучения на Si БТ и SiGe ГБТ структур. В данной работе модель была обобщена и расширена для моделирования МОП-структур. Базовым принципом, на котором основана модель, является аддитивный подход к моделированию воздействия протонного излучения путем совместного учета влияния ионизирующего излучения и эффектов смещения. Протонное излучение заменяется комбинацией механизмов смещения и ионизации.
В Synopsys TCAD были включены новые выражения для радиационно-зависимых параметров, таких как: время жизни (τ), подвижность (μ), скорость поверхностной рекомбинации (S), концентрация ловушек в оксиде (Nt).
1. Добавлена зависимость коэффициента радиационно-индуцированной деградации времени жизни Kτ от концентрации носителей в активной области.
2. Добавлены экспериментальные зависимости концентрации радиационно-индуцированных ловушек Nit и скорости поверхностной рекомбинации на границе Si/SiO2 в зависимости от дозы.
3. Добавлены новые зависимости подвижности электронов и дырок от температуры и электрического поля μn, μp = f(T,Eeff) для HfO2/Poly-Si-структур.
4. Добавлены аналитические зависимости для концентраций радиационно-индуцированных ловушек в объеме HfO2 (Not(Dγ)) и на границе раздела SiO2/HfO2 (Nit(Dγ)).
Созданы два программных модуля для учета:
1. Эквивалентного потока нейтронов Фn и эквивалентной поглощенной дозы Dp после воздействия протонного излучения;
2. Поглощенной дозы Dp после воздействия протонного излучения, конвертированной в поглощенную дозу Dγ после воздействия гамма-излучения той же энергии в соответствии с ионизационными потерями энергии протонов.
Следующие примеры иллюстрируют возможности разработанной модели.
На рис. 1 представлено поперечное сечение 0,5 мкм SiGe ГБТ 5HP с β = 110, fT = 50 ГГц, fmax = 70 ГГц. Проведено моделирование и сравнение с экспериментальными данными [2] зависимости коэффициента усиления до и после облучения высокоэнергетическими (198 МэВ) протонами с флюенсом 5 • 1013 п/см2 и облучения низкоэнергетическими (1,75 МэВ) протонами с флюенсами 1 • 1013 п/см2 и 1 • 1014 п/см2 (рис. 2 и 3).
На рис. 4 представлено поперечное сечение n-канального КНИ МОП-транзистора с L = 0,5 мкм, W = 8 мкм, tox = 7,5 нм, tSi = 50 нм, tBOX = 190 нм, Nканал = 3,1 • 1017 см−3. Проведено моделирование (точки) и сравнение с экспериментальными (линии) данными [3] сток-затворных характеристик n-канального КНИ МОП-транзистора до и после облучения протонами дозой 150 и 500 крад (рис. 5).
Погрешность разработанной модели не превышает 20 % для Si БТ, SiGe ГБТ и МОП-транзисторов после облучения дозами до 10 Мрад и потоками до 1 • 1016 см−2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Petrosyants K. O., Kozhukhov M. V. Physical TCAD Model for Proton Radiation Effects in SiGe HBTs // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2016. Vol. 63. № 4, pp. 2016–2021.
2. Zhang S., Cressler J. D., Subbanna S., Groves R., Niu G., Isaacs-Smith T., Williams J. R., Bakhru H., Marshall P. W., Kim H. S., Reed R. A. An Investigation of Proton Energy Effects in SiGe HBT Technology, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 49, № 6, pp. 3208–3212, Dec. 2002.
3. Li Y., Niu G., Cressler J. D., Patel J., Marshall C. J., Marshall P. W., Kim H. S., Reed R. A., Palmer M. J. Anomalous Radiation Effects in Fully Depleted SOI MOSFETs Fabricated on SIMOX, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 48, № 6, pp. 2146–2151, Dec. 2001.
В [1] нами была представлена физическая TCAD-модель учета влияния протонного излучения на Si БТ и SiGe ГБТ структур. В данной работе модель была обобщена и расширена для моделирования МОП-структур. Базовым принципом, на котором основана модель, является аддитивный подход к моделированию воздействия протонного излучения путем совместного учета влияния ионизирующего излучения и эффектов смещения. Протонное излучение заменяется комбинацией механизмов смещения и ионизации.
В Synopsys TCAD были включены новые выражения для радиационно-зависимых параметров, таких как: время жизни (τ), подвижность (μ), скорость поверхностной рекомбинации (S), концентрация ловушек в оксиде (Nt).
1. Добавлена зависимость коэффициента радиационно-индуцированной деградации времени жизни Kτ от концентрации носителей в активной области.
2. Добавлены экспериментальные зависимости концентрации радиационно-индуцированных ловушек Nit и скорости поверхностной рекомбинации на границе Si/SiO2 в зависимости от дозы.
3. Добавлены новые зависимости подвижности электронов и дырок от температуры и электрического поля μn, μp = f(T,Eeff) для HfO2/Poly-Si-структур.
4. Добавлены аналитические зависимости для концентраций радиационно-индуцированных ловушек в объеме HfO2 (Not(Dγ)) и на границе раздела SiO2/HfO2 (Nit(Dγ)).
Созданы два программных модуля для учета:
1. Эквивалентного потока нейтронов Фn и эквивалентной поглощенной дозы Dp после воздействия протонного излучения;
2. Поглощенной дозы Dp после воздействия протонного излучения, конвертированной в поглощенную дозу Dγ после воздействия гамма-излучения той же энергии в соответствии с ионизационными потерями энергии протонов.
Следующие примеры иллюстрируют возможности разработанной модели.
На рис. 1 представлено поперечное сечение 0,5 мкм SiGe ГБТ 5HP с β = 110, fT = 50 ГГц, fmax = 70 ГГц. Проведено моделирование и сравнение с экспериментальными данными [2] зависимости коэффициента усиления до и после облучения высокоэнергетическими (198 МэВ) протонами с флюенсом 5 • 1013 п/см2 и облучения низкоэнергетическими (1,75 МэВ) протонами с флюенсами 1 • 1013 п/см2 и 1 • 1014 п/см2 (рис. 2 и 3).
На рис. 4 представлено поперечное сечение n-канального КНИ МОП-транзистора с L = 0,5 мкм, W = 8 мкм, tox = 7,5 нм, tSi = 50 нм, tBOX = 190 нм, Nканал = 3,1 • 1017 см−3. Проведено моделирование (точки) и сравнение с экспериментальными (линии) данными [3] сток-затворных характеристик n-канального КНИ МОП-транзистора до и после облучения протонами дозой 150 и 500 крад (рис. 5).
Погрешность разработанной модели не превышает 20 % для Si БТ, SiGe ГБТ и МОП-транзисторов после облучения дозами до 10 Мрад и потоками до 1 • 1016 см−2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Petrosyants K. O., Kozhukhov M. V. Physical TCAD Model for Proton Radiation Effects in SiGe HBTs // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2016. Vol. 63. № 4, pp. 2016–2021.
2. Zhang S., Cressler J. D., Subbanna S., Groves R., Niu G., Isaacs-Smith T., Williams J. R., Bakhru H., Marshall P. W., Kim H. S., Reed R. A. An Investigation of Proton Energy Effects in SiGe HBT Technology, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 49, № 6, pp. 3208–3212, Dec. 2002.
3. Li Y., Niu G., Cressler J. D., Patel J., Marshall C. J., Marshall P. W., Kim H. S., Reed R. A., Palmer M. J. Anomalous Radiation Effects in Fully Depleted SOI MOSFETs Fabricated on SIMOX, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 48, № 6, pp. 2146–2151, Dec. 2001.
Отзывы читателей
