УДК 621. 315.592

С.М. Гадоев, М.М. Давлатов

Таджикский национальный университет, Таджикистан, г. Душанбе

Зависимость электрофизических параметров эффекта защёлкивания от температуры в интегральных микросхемах

В этой работе исследовано изменение важнейших параметров эффекта защелкивания КМОП ИС (интегральных схем). С помощью этой модели можно достаточно адекватно прогнозировать температурные зависимости параметров эффекта в КМОП ИС (Комплементарный металл-окисел-полупроводник) структур, что позволяет рекомендовать их для исследования САПР КМОП ИС.

Одним из основных паразитных эффектов в KMОП ИС является срабатывание четырехслойных структур, происходящее под действием электрического перенапряжения или ионизации [1].

Существенное влияние температуры на этот эффект требует разработки модели защелкивания, адекватной при высоких температурах. В качестве основы для разработки модели электрического уровня взята двухтранзисторная эквивалентная схема [2,3].

Анализ модели показывает, что существенное влияние на параметры защелкивания оказывают такие характеристики физического уровня описания, как время жизни неравновесных носителей t, коэффициент диффузии D, ширина обедненного слоя р-п перехода W_t, которые в свою очередь определяют температурные характеристики таких электрических параметров, как напряжение отпирания р-п перехода U_отп, коэффициент передачи тока базы транзистора b_ст, сопротивления областей полупроводника, ионизационный ток I_фк, если защелкивание имеет ионизационную природу. С целью определения температурных зависимостей перечисленных параметров была проведена серия теоретических и экспериментальных исследований на тестовых КМОП структурах. На рис.1. приведен график экспериментальной и расчетной зависимостей времени жизни носителей «карман-подложка» тестовой схемы серии КИТ-1. Время действительно растет с ростом температуры, как это следует из теории. [4]:

где - эффективная масса электрона в кристалле полупроводника (для Si =1,6+1,8).

Рис.1. График экспериментальной зависимости времени жизни носителей

от температуры в переходе «карман- подложка» тестовой

схемы (—эксперимент, -----расчет)

При этом время жизни в диапазоне температур 210К ¸ 400К изменяется по закону t~Т, однако при более высоких температурах 360К ¸ 420К, как t~Т ^¼.

Увеличение времени жизни носителей с ростом температуры можно объяснить тем, что в полупроводнике n-типа (Si) с ростом температуры фононы все более и более ионизируют ловушки, срывая с них электроны. Показатель степени эксперимента от теории, как видно из рис. 1, в диапазоне 210 ¸ 400К отличается в пределах от 0,6 до 1,6 ms в переходе «карман-подложка» тестовой схемы.

Для определения температурной зависимости таких параметров электрического уровня, как b_ст, I_фк , R необходимо также знать поведение диффузионной длины, зависящей от времени жизни и коэффициента диффузии (подвижности) [5]:

,

где α=6 · 10^-3 мкc/град (постоянный коэффициент); m₀=1,2х10^-8 Гн/см^-1

Это выражение справедливо в интервале температуры 290 ¸ 450К. Учитывая, что коэффициент передачи тока базы, зависит от коэффициента переноса носителей х и коэффициента инжекции эмиттерного перехода j следующим образом:

,

где

Получим температурные зависимости bст на двух участках температур:

,

где

На рис. 2 видно, что коэффициент передачи тока базы транзистора растет в диапазоне температур 210-400К до 57. Измерение проводилось в тестовой схеме в статистическом режиме.

Рис. 2. График экспериментальной зависимости коэффициента передачи тока базы транзистора от температуры в тестовой схеме:

200К = 18; 300К = 35; 400К = 58

Аналогично должен вести себя и ионизационный ток, определяемый диффузионной длиной, что подтверждает график на рис. 3, измеренный для перехода «карман-подложка» тестовой структуры.

Рис. 3. График зависимости первичного фототока от температуры р-п перехода «карман-подложка» (тестовая схема).

С целью экспериментальной проверки адекватности разработанной модели была проведена серия экспериментов по измерениям температурной зависимости тока и напряжения удержания ИС К176ЛГИ , К564ПУ4.

Расчеты по модели верно предсказывают характер температурного изменения параметров защелкивания паразитных структур KMОП ИС.

Таким образом, с помощью разработанной модели можно достаточно адекватно прогнозировать температурные зависимости параметров защелкивания паразитных КМОП структур, что позволяет рекомендовать их для использования в составе САПР КМОП ИС. Упрощенный вариант модели, учитывающий только изменение напряжения отпирания р-п переходов, может быть использован для оценочных расчетов.

Список литературы.

1. Гадоев С.М. Температурная зависимость параметров физического уровня паразитных 4-слойных структур КМДП ИМС // Материалы межд. конф. по физике конденсированного состояния и экологических систем. ФТИ им. Умарова АН РТ. Душанбе. 2002. С.59-61.

2. Гадоев С.М. Эффект защёлкивания в комплементарных металл – окисел полупроводник интегральных микросхемах // Современные наукоемкие технологии. 2011. № 2. С.58-61.

3. Гадоев С.М. Исследование влияния лазерного излучения на параметры 4-слойных КМДП ИМС //Современные наукоемкие технологии. 2011. № 3. С. 44-48.

4. Гафуров О. В., Ходжаев Т.А., Гадоев С.М. Радиационное дефектообразование и энергетический спектр образующихся в n и р–кремнии при облучении альфа-частицами и нейтронами // ТДУ. Вестник. 2014. №1. Дангара. С.16-20.

5. Гадоев С.М.,Гафуров О.В. Особенности технического и математического обеспечения средств контроля интегральных схем при воздействии различных дестабилизирующих факторов // Научный журнал «Наука и инновация».2014. №1. Душанбе. С.69-71.