Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 8, стр. 827-830

Влияние эффекта самонагревания на вольт-амперные характеристики полевых транзисторов на структуре “кремний на изоляторе” при высоких температурах

Н. В. Масальский *

Научно-исследовательский институт системных исследований РАН
117218 Москва, Нахимовский пр., 36, корп. 1, Российская Федерация

* E-mail: volkov@niisi.ras.ru

Поступила в редакцию 26.04.2019
После доработки 13.08.2019
Принята к публикации 26.08.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Обсуждается подход для исследования влияния эффекта самонагревания на вольт-амперные характеристики (ВАХ) субмикронных полевых транзисторов на структуре “кремний на изоляторе” в диапазоне окружающих температур 225…350°С. Подход заключается в комбинировании экспериментальных данных и результатов численного моделирования. Показано, что с ростом окружающей температуры вклад механизма самонагревания последовательно снижается. Отмечена различная динамика спада тока n- и p-транзисторов, которая является значимой для аналоговых приложений, что необходимо учитывать при проектировании высокотемпературных схем. Предложенная методология позволяет критически оценить влияние самонагревания на ВАХ транзисторов в широком диапазоне высоких и температур и управляющих напряжений.

ВВЕДЕНИЕ

Высокотемпературная микроэлектроника – специализированное направление современной электроники, изделия которой должны функционировать в температурных условиях значительно превышающих коммерческий диапазон (выше 200°С). Одним из технологических базисов высокотемпературной электроники является технология кремний на изоляторе (КНИ), которая эффективно ограничивает температурную деградацию ключевых характеристик кремниевого метал–оксид–полупроводник (МОП) транзистора [1]. Однако для КНИ МОП-транзистора толстый погруженный окисел кремния под тонкопленочной кремниевой рабочей областью (областью канала транзистора) является определяющим условием для ярко выраженного проявления механизма самонагревания [2, 3]. Он наиболее сильно и опасно проявляется в аналоговых приложениях КНИ МОП-транзисторов. В данном случае он является самым серьезным ограничением при высоких значениях затворных Uзат и стоковых Uст напряжений, что приводит к резкому росту локального перегрева устройства и при определенных условиях может привести к потере его функциональной устойчивости [https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-temperature-electronic-pose-design-challenges.html/].

В данной работе для транзисторов, выполненных на основе отечественного базового КНИ КМОП процесса с топологическими нормами 0.5 мкм, решается задача – определить вклад эффекта самонагревания в их вольт-амперные характеристики (ВАХ) в температурном диапазоне выше 200°С.

1. ТЕСТОВЫЙ ТРАНЗИСТОР

Для исследования возможностей технологии был разработан тестовый кристалл, включающий в себя различные конструктивные варианты транзисторов А-типа, работающих в режиме частичного обеднения [http://www.myshared.ru/slide/467770/]. Тестовый кристалл содержит также набор транзисторных структур, который предоставляет возможность построения параметров SPICE-моделей. Преемственность базовой технологии подразумевала использование КНИ-структур, изготовленных по технологии SIMOX [https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/ high-temperature-electronic-pose-design-challenges.html/, http:// www.myshared.ru/slide/467770/]. Их основные параметры: толщина кремниевой пленки 180 нм; толщина слоя изолирующего окисла 150 нм; удельное сопротивление подложки р-типа 10…20 Ом см. Толщину затворного окисла оценивали по оптическим измерениям на установке APECS 3020 и по вольт-фарадным характеристикам МОП-конденсаторов, она составила 15 нм. Профили легирования областей стока и истока, областей с пониженной концентрацией легирования и области канала приведены на рис. 1.

Рис. 1.

Профили легирования областей транзистора по глубине: 1 – область сток/исток, 2 – низколегированная область, 3 – область канала.

В исследовании мы решали задачу – определить вклад эффекта самонагревания для случая стационарных электрических и тепловых полей. Мы рассматривали безкорпусную пластину, у которой на всех ее гранях происходит свободный теплообмен с окружающей средой, при этом отсутствует принудительное охлаждение. Учет теплоотводящих свойств корпуса – отдельная задача, поскольку эти свойства зависят не только от материала, но и от конструкции корпуса. При этом они действуют на все транзисторы одинаково. С практической точки зрения разработчикам микросхемы хорошо известны теплоотводящие свойства конкретного корпуса, и поэтому им важно знать влияние самонагревания на токовые характеристики отдельного транзистора. Это позволяет достоверно оценить работу конкретного электронного узла.

В эксперименте пластина была закреплена на специальной конструкции, чтобы обеспечить максимально свободную нижнюю поверхность. Температура пластины контролировалась при помощи резистивных “свидетелей”. Когда окружающая температура и температура пластины становились одинаковыми, на транзисторы подавалось напряжение. Измерения ВАХ транзисторов проводили по истечении длительного (несколько десятков минут) промежутка времени. Их выполняли на измерительном комплексе Hewlett Packard с зондовым устройством, позволяющим проводить измерения на пластине в диапазоне температур –60…300°С. Вклад самонагревания экстрагируется из результатов измерения стоковой проводимости в импульсном режиме [3]. При тестовых измерениях в диапазоне температур 125…225°С с шагом 20°С в каждом случае приходилось подбирать длительность импульса. В нашем случае создать натурные условия для окружающей среды, включая и температуру подложки, температура которой выше 225°С, не представляется технически возможным. Поэтому, опираясь на экспериментальные данные, мы численно исследовали влияние самонагревания на ВАХ КНИ КМОП-транзисторов в диапазоне высоких температур.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для моделирования электротепловых характеристик КНИ МОП-транзистора была рассмотрена трехслойная структура (см. рис. 2). Каждый слой характеризуется собственным температурным распределением и теплофизическими параметрами: плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью [4]. Источник тепла расположен на верхней поверхности кристалла и занимает активную область, площадь которой sa = W × L (W, L – ширина и длина активной области транзистора). Геометрические размеры слоев 1–3 следующие: $L_{x}^{{(1)}}$ = $L_{z}^{{(1)}}$= 20 мкм для всех трех слоев; $L_{y}^{{(1)}}$ = = 0.18 мкм для верхнего слоя, $L_{y}^{{(2)}}$ = 0.15 мкм – для среднего слоя и $L_{y}^{{(3)}}$ = 0.6 мм для нижнего слоя. Активная область L = 0.5 мкм, W = 3.1 мкм.

Рис. 2.

Структурная схема КНИ МОП транзистора: 1 – тонкая кремневая пленка, 2 – тепловой источник (активная область транзистора), 3 – пленка SiO2, 4 – кремневая подложка.

Температурное поле для стационарного случая в рассматриваемой трехслойной структуре определяем из решения системы уравнений теплопроводности и электротепловой обратной связи [5, 6] с учетом того, что, во-первых, температура активной области транзистора Та одинакова в каждой ее точке и, во-вторых, рассеиваемая транзистором мощность зависит от Та. Распределение температуры рассчитывается численно с использованием итерационного алгоритма во взаимодействии с программной средой COMSOL Multiphysics [https:// www.comsol.ru/heat-transfer-module. Программное обеспечение для расширенного моделирования теплопередачи] до тех пор, пока рассеиваемая транзистором мощность не будет изменяться. Полученное распределение температуры с установленным значением электрической мощности используется для расчета токов транзисторов. Они вычисляются с помощью двумерных моделей для n- и p‑канальных транзисторов, разработанных в системе приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD, в частности, с опцией “Thermodynamic” [https://www.synopsys.com/silicon/tcad/device-simulation/sentaurus-device.hlmt/] (мы используем достаточно старую версию TCAD), учетом температурных зависимостей физических параметров кремния. TCAD-модели откалиброваны по экспериментальным характеристикам для 225°С. Следует отметить, что разработанные модели структурно связаны с TCAD-моделями транзисторов обоих типов для того же технологического процесса, которые были откалиброваны на рабочую температуру 25°С [http://www.myshared.ru/slide/467770/] и применялись для моделирования в диапазоне температур –60…125°С.

На рис. 3 приведены результаты моделирования основных температурных зависимостей, которые характеризуют влияние саморазогревания на ВАХ КНИ МОП-транзисторов. Зависимости, представленные на рис. 3а, иллюстрируют изменение температуры активной области транзистора n- и p-типов с ростом окружающей температуры То. Отметим, что они имеют одинаковую крутизну и при высоких температурах параметр ΔТ = Та– То меняется незначительно.

Рис. 3.

Зависимость Та(То) при Uст= Uзат = 5.5 В: 1 – транзистор n-типа, 2 – транзистора p-типа (а); а также ВАХ Iст(Uст) КНИ МОП транзисторов n-типа (б) и p-типа (в) при T0 = 225 (1,2), 250 (3,4), 300 (5,6) и 350°С (7,8) без учета самонагревания (1, 3, 5, 7) и с учетом самонагревания (2, 4, 6, 8), звездочки – экспериментальные данные.

На рис. 3б приведены ВАХ КНИ МОП-транзистора n- и p-типа Iст(Uст) при Uзат = 5.5 В, которые позволяют оценить влияние самонагревания в диапазоне высоких температур окружающей среды.

Как показывают результаты, калибровка моделей транзисторов проведена на приемлемом уровне – максимальное отклонение данных составляет менее 3%. Отличие в поведении ВАХ для n- и p-транзисторов напрямую связано с температурно-зависимыми особенностями переноса заряда в них [4]. Дополнительное исследование показало, что максимальное расхождение токов в диапазоне высоких (>3.5 В) приложенных напряжениях для высокотемпературной модели и экспериментальных ВАХ при температурах 125 и 25°С составляет 5 и 11% соответственно.

По результатам моделирования видно, что действие механизма самонагревания для КНИ МОП транзисторов обоих типов заметно, и их ВАХ имеют ярко выраженный участок “отрицательного дифференциального сопротивления” [2, 3]. При этом с ростом температуры этот вклад постепенно снижается. В табл. 1 для транзисторов n- и p-типов приведены величина тока транзистора Iст и уменьшение тока транзистора ΔIст, вызванное действием механизма самонагревания при напряжениях Uст= Uзат = 5.5 В.

Таблица 1.  

Температурные характеристики тока транзисторов

T0, °С n/p
Iст, A ΔIст, A
225 1.0341 × 10–3/5.5003 × 10–4 1.2101 × 10–4/0.8303 × 10–4
250 9.8943 × 10–4/5.2638 × 10–4 1.0222 × 10–4/0.7531 × 10–4
300 8.9514 × 10–4/4.7219 × 10–4 0.5878 × 10–4/0.4749 × 10–4
350 7.8800 × 10–4/4.1535 × 10–4 0.4318 × 10–4/0.3800 × 10–4

Из результатов моделирования следует, что спад тока транзисторов с ростом температуры Т0 последовательно снижается. При этом вклад механизма существенно зависит от значения Т0. В общем случае зависимость ΔIст(То) нелинейная и имеет свои особенности для каждого типа транзистора. В исследуемом диапазоне температур вклад самонагревания при Uст= Uзат = 5.5 В уменьшается для n-транзистора в 2.8 раза, для p‑транзистора в 2.2 раза. Относительный спад тока транзистора для n-типа снижается с 11.6 до 5.5% и для p-типа – с 15 до 9%. Различия в динамике спада тока транзисторов из-за самонагревания может быть существенным для аналоговых приложений [1], что необходимо учитывать при проектировании высокотемпературных схем.

Например, рассмотрим генератор управляемый током, выполненный по КНИ-технологии с проектными нормами 0.5 мкм. Если его частота генерации близка к резонансной частоте самонагревания fth [3], то сброс частоты выходного сигнала через большое число циклов может достигать до 20%. Его можно преодолеть только с помощью оригинального конструкторского решения, например, выбрать другие рабочие частоты, что необходимо сделать на стадии формирования проекта. К сожалению, такой подход применим лишь в конкретном случае. Различная динамика спада тока стока приводит к появлению нескольких резонансных частот. В диапазоне высоких температур они будут не сильно отличаться друг от друга, поэтому из проекта можно исключить весь этот частотный диапазон.

В случае цифровых схем частота переключения транзисторов, даже если и совпадает с fth, то время в состоянии “Включено” составляет несколько микросекунд, и поэтому эффект самонагревания практически не проявляется при любых температурах.

Важно, что при небольших флуктуациях окружающей температуры вклад самонагревания практически не изменяется. Для 225°С экспериментально установлено, что если флуктуации составляют до 3%, то вклад самонагревания практически не изменяется.

Следует отметить, что методика учета влияния механизма самонагревания, развиваемая в данной работе, дает близкие к экспериментальным данным результаты в большинстве случаев аналоговых приложений, выполненных по 0.5 мкм технологии для коммерческого температурного диапазона [https:// www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-temperature-electronic-pose-design-challenges.html/].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе экспериментальных данных численно исследован вклад эффекта самонагревания в ВАХ субмикронных частично обедненных КНИ МОП n- и p-транзисторов в области высоких (выше 200°С) температур и высоких управляющих напряжений. Детальный учет этого процесса позволяет достоверно оценить снижение тока транзистора, которое нелинейным образом зависит от окружающей температуры. По данным моделирования в диапазоне температур 225…350°С вклад саморазогрева при Uст= Uзат = 5.5 В уменьшается для n-транзистора в 2.8 раза, а для p-транзистора в 2.2 раза. Относительный спад тока транзистора для n-типа снижается с 11.6 до 5.5% и для p-типа с 15 до 9%. Такая различная динамика тока n- и p‑транзисторов является значимой для аналоговых приложений, что необходимо учитывать при проектировании высокотемпературных схем.

Предложенная методология позволяет критически оценить влияние эффекта самонагревания на характеристики транзисторов, что является чрезвычайно актуальной и важной задачей при разработке и проектировании высокотемпературных микросхем. Недооценка этого факта приводит к необоснованным значениям максимальной температуры отдельного КНИ МОП-транзистора и переоценке его предельных энергетических возможностей и всей микросхемы в целом, что особенно важно для аналоговых приложений.

Список литературы

  1. Wolpert D., Ampadu P. Managing Temperature Effects in Nanoscale Adaptive System. N.Y.: Springer-Verlag, 2012.

  2. Wang L., Fjeldly T., Iniguez B. et al. // IEEE Trans. 2000. V. ED-47. № 2. P. 387.

  3. Jin W., Liu W, Fung S. et al. // IEEE Trans. 2001. V. ED-48. № 4. P. 730.

  4. Colinge J.-P. Silicon Insulator Technology: Materials to VLSI. Boston: Kluwer Acad. Publ., 1997.

  5. McAlister S.P., Lafontaine H. // Solid State Electron. 2004. V. 48. № 6. P. 2001.

  6. Marani R., Perri A.G. // The Open Electrical & Electronic Engineering J. 2010. № 4. P. 32.

Дополнительные материалы отсутствуют.