Анализ принципа работы и расчет субмикронных МОП-транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Телекоммуникационные технические средства служат для обеспечения приёма и передачи на расстояния различной информации. Интегральные схемы, лежащие в основе некоторых телекоммуникационных устройств, в свою очередь, состоят из групп МОПТ, имеющих разные размеры и электрические параметры.

Во время своей работы, телекоммуникационные ИС могут быть подвержены различным негативным внешним факторам, таким как излучение или экстремальная температура (например, приём/передача информации в самолётах и космических аппаратах, геотермальной и атомной энергетики). Для того, чтобы создать интегральную схему, стабильно работающую в подобных условиях, необходимо изучить работу МОПТ, при воздействии таких негативных факторов.

Разработка цифровых, аналоговых и смешанных аналого-цифровых схем, вынужденных работать в расширенном диапазоне высоких температур (до 300°C), предполагает использование различных специальных методов: коэффициент нулевой температуры (ZTC), смещение обратного тела, правильный выбор смещения транзистора. Однако эти механизмы не избегают внесения изменений в технологию производства. В поисках идеальной структуры схемы - варианта схемы, работающей в подобных суровых условиях, разработчики должны рассмотреть и оценить множество соображений. На каждой итерации им нужно быстро и точно получить детальную информацию о поведении компонентов схемы, что требует утомительной работы, повторяющихся измерений, обработки данных, идентификации модели SPICE, моделирования схемы - все это с учетом внешних факторов.

В научно-исследовательской лаборатории моделирования и проектирования электронных компонентов и устройств регулярно проводят измерения различных электрических характеристик МОП-транзисторов субмикронных размеров - элементов цифровых КНИ КМОП БИС. При этом измеряют сток-затворные и выходные характеристики.

На основании данных измерений затем определяют параметры схемотехнических моделей для тестовых субмикронных МОП-транзисторов либо вручную, либо с использованием системы экстракции IC-CAP. Характеристики используются для определения базовых параметров субмикронных МОПТ, для более точной настройки схемотехнической модели субмикронных МОПТ, а также, при определении параметров модели с учётом возникающих при нагреве токов утечки, сдвига параметров и др.

При измерении различных семейств ВАХ субмикронных МОПТ, особенно при измерении n-канальных МОПТ при высокой температуре (порядка 300°С) порог переключения уходит вниз, чтобы учесть возможные сдвиги, необходимо изменять полярность напряжения на затворе транзистора. Имеющийся в лаборатории измерительный комплекс не позволяет автоматизировано производить измерения, подавая на затвор напряжения разной полярности.

Целью данной работы было изучить работу субмикронных МОП-транзисторов, модифицировать имеющийся измерительный комплекс, добавив возможность проводить измерения, подавая на выводы транзистора напряжения разной полярности. Провести измерения электрических характеристик МОП-транзисторов в диапазоне температур. С помощью полученных данных промоделировать логические схемы.

1. Обзор литературы

1.1 Теоретические сведения о полевых транзисторах

Идея полевого транзистора (ПТ) основана на возможности управлять электрическим током посредством изменения размеров и потенциала токопроводящего канала с помощью ортогонального каналу электрического поля. Именно поэтому такие транзисторы называются полевыми.

В самом общем виде структуру обобщённого ПТ можно представить в виде плоского конденсатора, между обкладками которого в диэлектрике помещён полупроводник, являющийся токопроводящим каналом (рис. 1.1). На металлические обкладки подаётся напряжение , которое формирует управляющее электрическое поле, ортогональное каналу. Обкладки играют роль затвора, управляющего проводимостью канала. Канал изолирован от затвора, чтобы минимизировать или предотвратить утечку тока в затвор. Электрод начального участка канала называется истоком. Электрод конечного участка канала называется стоком. Под действием приложенного напряжения сток-исток от истока к стоку переносятся основные носители заряда (ОНЗ), формирующие дрейфовый ток канала.

Рис. 1.1. Обобщённая структура полевого транзистора

Существуют три типа ПТ, которые различаются физической структурой, реализацией канала, изоляции и затвора, а также способом управления проводимостью канала. Это ПТ - с управляющим p-n-переходом, с управляющим переходом металл-полупроводник и с изолированным затвором.

У ПТ с управляющим p-n-переходом роль затвора выполняет несимметричный p-n-переход, менее легированная область которого является токопроводящим каналом, а изолятором служит обеднённая область пространственного заряда (ОПЗ) (рис. 1.2). Обратное смещение p-n-перехода, являющееся напряжением затвора, расширяет ОПЗ в сторону канала и тем самым изменяет размер поперечного сечения токопроводящей части и ток канала.

Рис. 1.2. Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

У ПТ с управляющим переходом металл-полупроводник затвором служит выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Токопроводящим каналом является полупроводник. Изолятором служит ОПЗ (рис. 1.3). Обратное смещение контакта металл-полупроводник, являющееся напряжением затвора, расширяет ОПЗ в сторону полупроводника и тем самым изменяет размер поперечного сечения токопроводящей части и ток канала.



Рис. 1.3. Структура полевого транзистора с управляющим переходом металл-полупроводник

У ПТ с изолированным затвором служит МДП-конденсатор, имеющий структуру металл- диэлектрик-полупроводник. Каналом является поверхностный слой полупроводника. Канал изолирован от электрода затвора тонким слоем диэлектрика. Поэтому такие транзисторы называют МДП-транзисторами либо МОП-транзисторами, если диэлектриком является окисел полупроводника. Электрическое поле затвора, проникая в полупроводник, управляет проводимостью полупроводникового канала.

МДП-транзисторы, у которых области истока и стока разделены подзатворным слоем слаболегированного полупроводника противоположного типа проводимости, относятся к группе ПТ с индуцированным каналом (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Структура МОП-транзистора с индуцированным n-каналом

С помощью электрического поля сначала необходимо изменить (инвертировать) тип проводимости подзатворного слоя и индуцировать канал. МДП-транзисторы, у которых между истоком и стоком уже имеется канал, относятся к группе ПТ со встроенным каналом (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

Каждый из перечисленных типов ПТ может иметь канал n- или р-типa проводимости.

Пороговое напряжение.

Если в МОП-транзисторе с индуцированным каналом между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения , так и от напряжения сток-исток . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают . Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина составляет для современных мощных МОП-транзисторов 2 - 4 В.

Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности . Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения , транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается. Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно , а в окрестности стока - разности . Поэтому при увеличении напряжения сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях , превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению соответствует свое значение напряжения насыщения.

Семейство выходных характеристик транзистора с индуцированным каналом показано на рис. 1.6. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рис. 1.6 пунктиром.

В режиме отсечки , . Область отсечки расположена ниже ветви выходной характеристики, соответствующей напряжению .



Рис. 1.6

В линейном (триодном) режиме , а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения:

Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением:

Здесь b - удельная крутизна МОП-транзистора:

В (1.2) µ - приповерхностная подвижность носителей, - удельная емкость затвор-канал, L - длина, W - ширина канала. Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, квадратичным слагаемым в (1.1) можно пренебречь. В этом случае мы получаем линейную зависимость:

Величину называют проводимостью канала, а обратную величину - сопротивлением канала:

Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм. Если , сопротивление канала практически бесконечно. С увеличением сопротивление уменьшается.

Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда , а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения:

В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения . Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток.

Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа.

Передаточная характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рис. 1.7. При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение

Рис. 1.7

Передаточная характеристика МОП-транзистора для области насыщения аппроксимируется выражением:

Удельная крутизна характеристики МОП-транзистора определяется выражением (1.2).

В МОП-транзисторе со встроенным каналом при подаче отрицательного напряжения на затвор металлический электрод затвора заряжается отрицательно. У прилегающей к диэлектрику поверхности канала образуется обедненный слой. Ширина обедненного слоя зависит от напряжения . Такой режим работы МОП-транзистора, когда концентрация носителей в канале меньше равновесной, называют режимом обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения канал полностью перекрывается обедненным слоем и ток прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки МОП-транзистора с встроенным каналом и обозначают .

Ток МОП-транзистора с встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеет ненулевое значение, называемое начальным . Если , число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения.

Таким образом, МОП-транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, при положительном напряжении . Выходные характеристики МОП-транзистора с встроенным каналом n-типа показаны на рис. 1.8.



Рис. 1.8

Передаточная характеристика МОП-транзистора с встроенным каналом показана на рис. 1.9.

Рис. 1.9

Начальное значение тока стока МОП-транзистора с встроенным каналом определяется выражением:

Здесь µ - приповерхностная подвижность носителей, - удельная емкость канала затвора. Длина канала L равна расстоянию между областями стока и истока, а ширина W - протяженности этих областей.

Ток, который вносит вклад в ток стока, но не может управляться напряжением затвор-исток, обычно определяется как ток утечки. Токи утечки могут приводить к неисправности аналоговых и цифровых схем, поскольку они преобладают в канальных токах в КНИ МОПТ при высоких температурах. Различные механизмы внутри устройств вносят вклад в уровень тока утечки КНИ МОПТ.

1.2 Изменения характеристик МОПТ с повышением температуры

Применяемые в телекоммуникационном оборудовании электронные компоненты, в частности МОПТ, в ходе своей эксплуатации могут быть подвержены различным негативным внешним факторам, таким как излучение или экстремальная температура. Подобные воздействия снижают надёжность и долговечность оборудования, могут вызывать различные непредвиденные сбои. В работе были рассмотрены изменения характеристик МОПТ связанные с повышением температуры.

Изменение температуры оказывает влияние на такие характеристики МОПТ как: ширина энергетической зоны, плотность носителей, подвижность, диффузия носителей, скорости насыщения, плотность тока, пороговое напряжение, ток утечки, сопротивление межсоединений и электромиграция. Наиболее важными для рассмотрения являются: пороговое напряжение, подвижность носителей и ток утечки.

Пороговое напряжение МОПТ определяется выражением:

(1.3)

где напряжение плоской полосы, с контактным потенциалом затвор-подложка , и являются концентрациями легирования подложки и затвора, соответственно, - плотность поверхностного заряда, а - емкостью оксида; - параметр эффекта подложки, где - относительная диэлектрическая проницаемость кремния; это энергия Ферми с тепловым напряжением , и - собственная концентрация носителей кремния .

Из параметров (1.3) и изменяются с температурой (каждая содержит и температур). Таким образом, температурную зависимость порогового напряжения можно записать в виде:

где температурные зависимости и равны:

Филановский использовал эмпирические параметры по 0.35-миллиметровой КМОП-технологии, чтобы определить, что три члена в (1.4) равны - 3.1, 2.7 и - 0.43 мВ/К, что приводит к чистому пороговому температурному коэффициенту 0.83 мВ/К. Пороговое напряжение в МОП-транзисторе обычно моделируется для линейного уменьшения с повышением температуры. Параметр изображен на рис. 1.10 в диапазоне толщин окисла d и легирования .

Рис. 1.10. Изменение температурной зависимости порогового напряжения при комнатной температуре от концентрации легирующей примеси с толщиной оксида d

Подпороговый ток утечки экспоненциально зависит от температуры, как показано на рис. 1.11. Общим правилом является то, что ток утечки удваивается при каждом повышении температуры на 10°С. Когда может быть представлен моделью диода Шокли:

Где - ток обратного насыщения [12], A - постоянная величина, а - напряжение стока. , видно, что отвечает за экспоненциальную температурную зависимость, показанную на рис. 1.11.

Было показано, что температурная зависимость тока утечки на затворе очень мала по сравнению с температурой подпорогового тока утечки.

Рис. 1.11. Температурная зависимость подпорогового тока утечки

Подвижность свободных носителей.

Подвижность является одним из двух основных факторов (другое - пороговое напряжение), определяющих температурное поведение МОПТ. Подвижность носителей, м (), описывает скорость дрейфа частицы в приложенном электрическом поле. При малых и средних электрических полях, где скорость дрейфа, а электрическое поле. Подвижность МОПТ имеет очень сложную температурную зависимость, определяемую взаимодействием следующих четырех параметров рассеяния: фононного рассеяния , рассеяния неровности поверхности , рассеяния объемного кулоновского заряда , и рассеяния межфазного кулоновского заряда . Каждый из этих параметров рассеяния связан с температурой материала Т и эффективным поперечным электрическим полем в канале , который аппроксимируется как:

где постоянная ( в устройствах PMOS и в устройствах NMOS), плотность заряда инверсионного слоя, плотность обедненного заряда подложки, относительная диэлектрическая проницаемость кремния. Это приближение не очень удобно для анализа схем, поэтому также аппроксимируется в терминах напряжения затвор-исток , порогового напряжения и толщины оксида затвора .

Модель Беркли (BSIM), одна из наиболее широко используемых моделей, имитирующих поведение МОПТ, объединяет эти четыре параметра рассеяния в эффективную подвижность, [14], используя правило Маттиссена:

Рассеяние фононов относится к потенциальному рассеянию электрона на колебаниях решетки. С ростом температуры колебания решетки увеличиваются, и вероятность рассеяния электрона на решетке возрастает; таким образом, подвижности электронов при высокой температуре ограничены рассеянием фононов (), что приводит к уменьшению подвижности при повышении температуры, как показано на 1.12 (а). Рассеяние на неровностях поверхности становится преобладающим, когда сильные электрические поля выбивают электроны, находящиеся вблизи поверхности ().

Рис. 1.12. (а) Температурная зависимость подвижностей электронов и дырок в Si для разных концентраций легирующей примеси, (b) Полевая зависимость подвижности

При низких температурах электроны движутся медленнее, и колебания решетки также малы. Таким образом, ионные примесные силы, которые оказывают небольшое влияние на частицы с высокой энергией, становятся преобладающим ограничением подвижности. В этом режиме понижение температуры увеличивает количество времени, которое электроны проводят, пропуская ион примеси, что приводит к уменьшению подвижности с понижением температуры (). Этот эффект показан на кривых концентрации сильной легирующей примеси, изображенных на рис. 1.12(a), где подвижность уменьшается при понижении температуры (например, в линии концентрации примеси ниже ~ 30 K).

Зависимость подвижности от электрического поля показана на рис. 1.12(b). При объемном кулоновском рассеянии увеличение приводит к повышению плотности заряда в канале. Связанное с этим экранирование заряда уменьшает влияние При низких температурах заряды на поверхности раздела имеют две противоречивые зависимости. Снижение температуры приводит к снижению тепловой скорости носителей, что увеличивает влияние этих зарядов. Однако, уменьшенная тепловая скорость также уменьшает экранирующий эффект [18], и это сокращение экранирования преобладает над температурной зависимостью (). Эффект экранирования электрического поля также ослабляется уменьшенной тепловой скоростью (, а не , как в пределе ). Таким образом, подвижность будет уменьшаться с ростом температуры.

Температурная зависимость подвижности играет важную роль в проектировании системы температурных режимов. При комнатной температуре подвижность электронов в кремнии почти втрое превышает подвижность дырок : и

1.3 Литературный пример изменения температурных характеристик МОПТ

Пороговое напряжение частично обедненных и полностью обедненных КНИ МОП-транзисторов уменьшается с повышением температуры. Ответственным за уменьшение является изменение напряжения в плоской зоне и изменение истощения заряда под затвором устройства. Из-за результирующей самопроводимости устройств КНИ МОПТ при высоких температурах снижение порогового напряжения может иметь решающее значение для работы схемы. Даже если транзистор отключен (напряжение затвор-исток ), ток утечки может преобладать над токами утечки при высоких температурах. Эти токи утечки приводят к увеличению статического тока покоя в аналоговых и цифровых схемах при высоких температурах. Основным источником тока утечки является подпороговый ток утечки , который зависит от порогового напряжения. Следовательно, должно быть гарантировано достаточно высокое пороговое напряжение, особенно при высоких температурах.

В обозреваемой статье экспериментально получены пороговые напряжения n-канальных устройств A-типа (Split-Source) и H_типа (NHGATE) для температур до 400°C. Измерения проводились в высокотемпературной печи. Пороговое напряжение извлекалось из входной характеристической кривой над , используя метод касательных в точке максимального наклона (). Результаты оценивали с использованием MATLAB. Измеренное пороговое напряжение по температуре показано на рисунке 1.12. Контакт к телу транзистора H-типа закорочен с истоком (). Напряжение нижний затвор-исток обоих приборов равно нулю ().



Рис. 1.13. Измеренные пороговые напряжения устройств А-типа и Н-типа по температуре с

Из рисунка 1.13 видно, что температурная зависимость обоих пороговых напряжений аналогична. Оба пороговых напряжения уменьшаются нелинейно с повышением температуры. Это нелинейное уменьшение указывает на то, что устройства частично истощаются при более высоких температурах.

При температуре 400°С остальные пороговые напряжения обоих устройств составляют менее 200 мВ. Из этих измерений можно ожидать, что подпороговый ток утечки значительно увеличивается за счет низкого порогового напряжения. Экспериментально полученные пороговые напряжения n-канальных и p-канальных КНИ МОПТ А-типа в зависимости от температуры показаны на рисунке 1.14.

Пороговые напряжения показаны сплошными линиями. Для лучшего сравнения линейной и нелинейной деградации, линейная деградация в полностью обедненном режиме экстраполировалась на более высокие температуры и показана пунктирными линиями. Пороговое напряжение n-канальных КНИ МОПТ уменьшается линейно до температуры приблизительно 125°C. При более высоких температурах может быть распознано нелинейное уменьшение, которое связано с переходом транзистора от полностью обедненного режима до частично обедненного при высоких температурах.

Рис. 1.14. Измеренное пороговое напряжение n-канальных и p-канальных А-типа по температуре.

Пороговое напряжение КНИ МОП-транзисторов А-типа измерялось без учёта влияния нижнего затвора (). Результирующее полное абсолютное пороговое напряжение p-канальных КНИ МОП-транзисторов А-типа выше по сравнению с n-канальными устройствами. Для устройств с p-каналом также можно распознать переход от полностью обедненного к частично обедненному режиму. Температура перехода находится примерно на 200°С. Это выше для p-канальных КНИ МОП-транзисторов, чем для n-канальных устройств из-за более низкой концентрации легирующего слоя. Оставшееся пороговое напряжение при 400°C составляет примерно и, следовательно, выше, чем пороговое напряжение n-канальных устройств. Когда рассматривается влияние нижнего затвора для p-канальных МОП-транзисторов, пороговое напряжение обоих устройств при 400°C слишком низкое для предотвращения сильных токов утечки.

Основной вклад в общий ток утечки вносят ток утечки p-nперехода и подпороговый ток утечки. Поскольку и подпороговый ток утечки, и ток утечки p-nперехода пропорциональны ширине устройства W, токи утечки особенно важны для устройств с большой шириной канала. Для того чтобы определить механизмы тока утечки в рассматриваемой технологии КНИ, экспериментально были исследованы токи утечки при температуре до 400°С. На рисунке 1.15 показана слабая инверсия входных характеристик n-канального КНИ МОП-транзистора в зависимости от напряжения затвор-исток для различных температур от 50 до 400°C.

Рис. 1.15. Слабая инверсия входных характеристик n-канального КНИ МОП-транзистора в зависимости от напряжения затвор-исток для различных температур от 50 до 400°C

Измерения проводились в высокотемпературной печи в соответствии с измерительной установкой. Относительно высокий уровень шума может быть распознан при малых уровнях тока стока, что определяется настройками измерений. N-канальный КНИ МОПТ имеет ширину канала 8 мкм и длину канала 4.8 мкм. Общий ток утечки устройства определяется как ток, протекающий в сточную клемму транзистора, когда устройство отключено и имеет нулевое напряжение затвор-исток (). При низких температурах до 100°C ток утечки ниже 1 пA. При 400°С ток утечки достигает 0.5 мкА. Из рисунка 1.15 видно, что ток утечки при и температурах выше 100°С является экспоненциальной функцией напряжения затвор-исток . Причиной этого является изменение состояния инверсии, то есть от обеднения до слабой инверсии. Это изменение в первую очередь происходит под влиянием увеличения температуры, а не из-за влияния напряжения затвор-исток .

В результате основной вклад в общий ток утечки вносит подпороговый ток утечки, который увеличивается из-за слабой инверсии при высоких температурах. Хотя подпороговый ток утечки преобладает над током утечки при и при высоких температурах, исследование тока утечки p-nперехода может быть полезно для проверки состояния обеднения КНИ МОПТ устройств. То, что p-nток утечки является преобладающим механизмом генерации или диффузии внутри кремниевой пленки, можно определить по пропорциональности тока утечки p-nперехода в или соответственно. Чтобы решить эту проблему, ток утечки p-nперехода измерялся по температуре. Чтобы убедиться, что на стоке транзистора не измеряется ток подпорогового канала, ток утечки p-nперехода измеряли при напряжении затвор-исток . Полученный ток утечки p-nперехода n-канального КНИ МОПТ с напряжением сток-исток и напряжением затвор-исток показан на рисунке 1.16. Собственные концентрации носителей и были нормированы (), чтобы сравнить их градиент температуры с током утечки p-nперехода, который показан на рисунке 1.16. Выражение в уравнении:

использовалось для вычисления . Ток утечки p-nперехода пропорционален квадрату концентрации собственных носителей при температурах свыше 150°С. Поскольку ток утечки p-nперехода при высоких температурах пропорционален , можно предположить, что диффузионный ток вносит определяющий вклад в p-nток утечки частично обедненных КНИ МОПТ, который также известен из литературы.

Исследование механизмов тока утечки по температуре также доказывает, что КНИ МОПТ-устройства в рассматриваемой технологии КНИ частично истощаются при высоких температурах. Хотя токи утечки p-nперехода являются высокими, подпороговый ток утечки является преобладающей частью общей утечки, которая измеряется в стоке устройств при высоких температурах

2. Описание измерительного комплекса

2.1 Описание работы комплекса измерений

Программно-аппаратный комплекс для автоматизированных измерений вольтамперных характеристик МОП-транзисторов, условно можно разделить на две части: аппаратную и программную.

Разработанный автоматизированный аппаратно-программный комплекс позволяет измерять токовые характеристики субмикронных КНИ МОПТ на пластине с учетом воздействия высоких внешних температур (до 300°C).

Система позволяет проводить экстракцию параметров SPICE модели, формировать специализированную библиотеку SPICE моделей для моделирования выбранного технологического процесса с учетом влияния конкретной температуры. Структура системы показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Обобщенная структура программно-аппаратного комплекса

Приборы для измерения электрических характеристик при разных уровнях внешних воздействующих факторов подключаются к управляющему компьютеру и работают под управлением программного модуля LabVIEW. Подмножество приборов в сочетании с процедурой измерения, позволяющей получить набор электрических характеристик с доступными квазипостоянными внешними условиями, объединяется в одно измерительное ядро (рис.2.1, а), периодически вызываемое из (рис. 2.1, б).

Электрические характеристики исследуемых транзисторов, соответствующие i-ый итерации в температурном цикле, сохраняются в локальном массиве данных измерений измерительного ядра и далее передаются в i-ый слой базы данных централизованных измерений (рис. 2.1, б).

Программная часть комплекса в дополнение к модулям для управления оборудованием включает промышленный инструмент экстракции параметров IC-CAP. Реализованными в IC-CAP являются:

· процедура статистической обработки несоответствия характеристик устройства в результате изменения технологических параметров;

· процедура расчета основных параметров транзистора сдвигается с изменением температуры;

· процедура извлечения параметров SPICE моделей, которая включает стандартный поток для извлечения параметров для комнатной температуры и модифицированную процедуру извлечения температурно-зависимых параметров модели (рис.2.1, в).

Результатом работы аппаратно-программного комплекса измерений является библиотека моделей SPICE, которая учитывает влияние высокой температуры и генерируется в виде файла требуемого формата.

Аппаратная часть комплекса имеет следующий состав (рис. 2.2):



Рис. 2.2. Аппаратная часть комплекса: 1. Аналитическая зондовая установка ЭМ-6030; 2. Термоустановка, включающая термостолик и регулятор; 3. Источник/измеритель KEITHLEY SourceMeter® 2602; 4. Генератор импульсов ГСС-120; 5. Осциллограф Tektronix DPO 7000 series; 6. Мультиметр GDM-8246; 7. Источник постоянного напряжения GPD-73303d

Зондовая станция служит инструментом для непосредственного электрического подключения к тестовым транзисторам на исследуемой пластине. При помощи термостолика, включённого в состав зондовой установки, исследуемый тестовый образец может быть подвержен температурному воздействию в диапазоне от комнатной температуры до 300°C. Подключение к контактным площадкам исследуемого элемента происходит посредством моторизированных пробников-игл (зондов), контроль контактирования осуществляется с помощью видеокамеры. Чувствительность перемещения микроманипулятора по координатам X, Y не хуже 250 мкм на оборот микровинта.

Контрольно-измерительная аппаратура объединена в единую систему с управляющей ЭВМ с использованием различных стандартных и специализированных измерительных интерфейсов (GPIB, RS232, USB и др.); своевременное включение, выключение, установка электрических и тепловых режимов регулируется программным модулем, реализованным в системе LabVIEW.

Процедура измерений протекает следующим образом:

1. Электрические измерения выбранного набора тестовых устройств осуществляют при комнатной температуре; результаты измерений собираются и хранятся в первом слое базы данных результатов измерений.

2. Для проведения измерений при температуре, отличной от комнатной, для каждого i-го пункта предварительно выбранного списка значений температуры:

a. С помощью блока управления температурой, осуществляется нагрев термостолика до требуемых значений. Для стабилизации температуры необходимо время около 4-5 минут.

b. Электрические измерения проводят таким же образом, как описано в пункте 1.

c. Результаты измерений собираются и хранятся в i-ом слое базы данных результатов измерений.

Измерительная аппаратура позволяет проводить измерения четырёхпроводным методом; кроме того, реализована возможность измерять квазистатические характеристики в импульсном режиме с помощью генератора импульсов и осциллографа.

В отличие от случая измерения электрических характеристик без учёта температуры, аппаратная часть данного комплекса имеет следующие особенности: 1) в состав комплекса включены термостолик и регулятор температуры; 2) усложнилась процедура измерения: при каждом значении температуры из заданного списка необходимо производить новый цикл измерений, что приводит к увеличению времени измерений, а также увеличению и усложнению структуры базы результатов измерений.

Процесс сбора, хранения и обработки результатов измерений автоматизирован с помощью программного модуля, разработанного с использованием системы LabVIEW. Благодаря этому вмешательство оператора в процесс работы минимизирован, что существенно упрощает, ускоряет все операции и снижает вероятность ошибки.

Рис. 2.3. Передняя панель комплекса

транзистор полевой токопроводящий электрический

Комплекс позволяет установить ограничение по току, напряжению и мощности, настроить диапазон значений и шаг для управляющих напряжений и токов. Измерения проводятся в соответствии с выбранным каталогом транзисторов.

Результаты измерений при каждом значении температуры поступают с различных кристаллов полупроводниковой пластины и объединяются в общей базе данных. Они содержат информацию о геометрических размерах, электрических характеристиках исследуемых транзисторов при заданной температуре, а также информацию об условиях проведения эксперимента.

Программный комплекс, реализованный в системе LabVIEW автоматизировано производит измерения выходных и сток-затворных характеристик для различных напряжений и записывает измеренный массив данных в файл для дальнейшей обработки в IC-CAP или других программах. Характеристики экспортируются в виде текстовых и графических файлов.

Процедура обработки данных включает в себя 4 этапа:

1. Сглаживание электрических характеристик для устранения случайных ошибок измерений

2. Статистическая обработка данных для транзисторов одного типономинала, снятых с различных кристаллов, в том числе определение характеристик «золотого транзистора», то есть усреднение по каждой точке каждой характеристики

3. Определение сдвигов основных параметров транзистора с температурой

4. Экстракция параметров SPICE-модели

Моделирование.

Основными параметрами, зависящими от температуры МОПТ, являются: ширина запрещенной зоны , плотность носителей n, p, подвижность м, пороговое напряжение , ток утечки .

Разработанная высокотемпературная модель КНИ МОПТ основана на стандартном ядре BSIMSOI, но использует расширенный набор зависящих от температуры параметров и содержит усовершенствованный набор термических уравнений. Эти параметры связаны с:

· пороговым напряжением (VTH0, K1, K2 и т.д.);

· подвижностью носителей (U0, UA, UB и т.д.);

· токами утечки p n -перехода (JDIFS, NDIODES и т.д.) VSAT),

· последовательным сопротивлением (RDSW),

· током ударной ионизации (XLP), подпороговым наклоном (VOFF, NFACTOR) и другими.

Несколько параметров исходной модели используют встроенные зависимости от температуры, а новые или уточненные зависимости введены для ряда параметров.

Извлечение параметров модели

Определение набора параметров SPICE модели выполняется с использованием промышленного инструмента для экстракции IC-CAP с использованием модифицированной процедуры экстракции. Входные данные представляют собой наборы ВАХ и ВФХ стандартных структур МОП-транзисторов КНИ при разных значениях температуры. Процедура извлечения позволяет получить параметры модели для промежуточных значений температуры и включает в себя следующие этапы:

1. Весь диапазон W и L разделен на «бины», для каждого из которых извлечение параметров будет выполняться отдельно. Это сделано для точного моделирования электрических характеристик всех транзисторов на кристалле, имеющих разные значения длины и ширины канала в диапазоне от или до ~ 10 мкм.

2. Для каждой группы транзисторов, объединенных в ячейку, весь набор параметров модели BSIMSOI извлекается при комнатной температуре. При этом используется стандартная процедура экстракции параметров выбранной стандартной модели и стандартный набор измеренных характеристик транзисторов при комнатной температуре.

3. Для каждого «бина», методом глобальной оптимизации, отдельно определены встроенные в модель температурные коэффициенты (для порогового напряжения - KT1, подвижности носителей - UTE, подвижности основных носителей - AT, сопротивления источника стока - PRT и т.д.).

Процедура извлечения параметров приводит к так называемой «бинарной» модели SPICE, которая представляет собой единую сущность, содержащую отдельный набор параметров для каждого «бина» измерений транзистора. При использовании такой модели в моделировании схемы, симулятор сам выбирает ячейку для конкретного транзистора в соответствии с указанной шириной затвора W и длиной L экземпляра транзистора. Полученная модель применима в диапазоне W/L, соответствующем измеренному набору транзисторов.

2.2 Модификация измерительного комплекса

При измерении различных семейств ВАХ субмикронных МОПТ, особенно при измерении n-канальных МОПТ при высокой температуре (порядка 300°С) порог переключения уходит вниз, чтобы учесть возможные сдвиги, необходимо изменять полярность напряжения на затворе транзистора. Имеющийся в лаборатории измерительный комплекс не позволяет автоматизировано производить измерения, подавая на затвор напряжения разной полярности.

Для проведения модификации измерительного комплекса было необходимо внести изменения как в аппаратную, так и в программную части.

Напряжение на затвор исследуемого субмикронного МОП транзистора подаётся с помощью одного канала источника постоянного напряжения GPD-73303d (рис. 2.2). Этот источник имеет 3 канала: 2 независимых регулируемых канала 30 В/3 А и фиксированный выход (2,5 В/3,3 В/5 В с выходным током до 3 А). Чтобы осуществить подачу напряжения с отрицательными значениями в данном источнике необходимо менять местами провода. При частой смене полярности напряжения такое решение является крайне нежелательным. Для упрощения функции подачи разнополярного напряжения была разработана схема на двух герконовых реле РЭС55А. РЭС55А это слаботочное электромагнитное миниатюрное одностабильное неполяризованное герконовое реле с одним контактом на переключение. Оно изготавливается на базе герметизированного магнитоуправляемого контакта КЭМ 3. Оно предназначено для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока частотой до 10 кГц. Принципиальная электрическая схема и расположение выводов представлены на рисунке 2.4.

Рис. 2.4 Принципиальная электрическая схема и расположение выводов РЭС55А

Разработанная схема смены полярности имеет следующий вид (рис. 2.5).

На канале 1 источника постоянного напряжения GPD-73303d задаётся модуль нужного для исследования транзистора напряжения, которое попадает на затвор. На канале 2 задаётся напряжение, необходимое для замыкания или размыкания контактов обоих реле; соответствующие напряжения на управляющих входах реле А и Б равны 5 и 0 В.

В первом состоянии, когда по каналу 2 не подаётся напряжение, оба реле находятся в положении 2-1, и на затвор приходят положительные значения. При подаче 5 В, реле переключаются в положение 2-3, и на затвор попадает напряжение другой полярности.



Рис. 2.5. Схема смены полярности подаваемого напряжения

Для частого использования подобной схемы соединения двух РЭС55А была спроектирована и изготовлена печатная плата. Использование платы упрощает подключение входов и выходов реле. Разводка платы была осуществлена в программе Sprint Layout 6.0 (рис.2.6).

Рис. 2.6. Разводка платы

В готовом виде блок смены полярности представлен на рисунке 2.7.



Рис. 2.7. Блок смены полярности

Как было сказано раннее, управление измерительным комплексом происходит с помощью программного модуля, разработанного с использованием системы LabVIEW. Из-за изменившейся аппаратной части, а также из-за некоторой специфики проведения измерений выходных и сток-затворных характеристик, необходимо было внести изменения в блок измерений «Measure» управляющего модуля (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Часть Labview схемы управляющего модуля с блоком «Measure»

1. Было добавлено управление вторым каналом источника постоянного напряжения GPD-73303d, чтобы осуществить автоматизацию переключения полярности напряжения (рис. 2.9);



Рис. 2.9. Алгоритм переключения реле

2. Была модернизирована схема измерений. Процесс подачи на измеряемый компонент управляющих напряжений обычно организован в форме нескольких вложенных циклов (по количеству управляющих напряжений). На каждом уровне вложенности (1_й уровень наиболее внутренний) используется один из имеющихся каналов установки-измерения, каждый из которых содержит источник постоянного тока, амперметр, вольтметр.

В результате модификации более быстродействующий канал Keithley-A (уровень 3) был подключен к подложке транзистора, а менее быстродействующий канал GPD (Уровень 1) был подключен к затвору, и из него был исключен мультиметр (т. к. затворный ток близок к нулю) (рис. 2.10).

Как показал последующий эксперимент, было достигнуто ускорение процесса измерений приблизительно в 3 раза. До модификации снятие сток-затворной характеристики занимало в среднем 8 минут, после модификации - 2,5 минуты.

Дополнительно стало возможным подавать различные значения напряжения на контакт подложки транзистора и измерять ток этого контакта.

3. Чтобы согласовать изменения в смене очередности подачи напряжений, в программной части комплекса был переработан порядок записи массивов данных в выходной файл.

Рис. 2.10. Схема подключений каналов

3. Измерение субмикронных МОПТ

3.1 Пример применения измерительного комплекса

Разработанная система широко использовалась при исследовании различных технологий КНИ КМОП для расширенного диапазона высоких температур. Во время исследования измерялись субмикронные n-канальные КНИ МОП транзисторы, с напряжением питания 1.8 В, имеющие размеры: W/L=10/10 мкм - «большие», W/L=10/0.18 мкм - «короткие». Измерения проводились при различных значениях температуры от 27°С до 300°С.

Для снятия вольт-амперных характеристик исследуемых МОПТ, подавались следующие диапазоны значений напряжения:

1. Для выходных характеристик:

§ .

§ .

§ .

2. Для сток-затворных характеристик:

§ .

§ .

§ .

3.2 Результаты измерений

С помощью модифицированного измерительного комплекса, были получены следующие выходные и сток-затворные характеристики:

1. Для транзистора W/L=10/0.18 мкм:



Рис. 3.1

Рис. 3.2

Для построения наглядного графика зависимостей тока стока от напряжения затвора-истока в диапазоне температур, для каждой указанной температуры (27°С, 100°С, 200°С, 300°С), были взяты значения напряжений при .



Рис. 3.3

Рис. 3.4

По полученным сток-затворным характеристикам были вычислены: пороговое напряжение, подвижность носителей и ток утечки.



Рис. 3.5

Рис. 3.6

Рис. 3.7

Из графиков видно, что при увеличении температуры пороговое напряжение уменьшается на 0.25 В, подвижность свободных носителей снижается на половину, а ток утечки увеличивается на 6.42 нА.

Заключение

По итогам выпускной квалификационной работы были получены следующие результаты:

1) теоретически (по литературным данным) исследовано влияние температуры на характеристики МОП-транзисторов;

2) проанализированы литературные результаты измерений характеристик МОП-транзисторов при разной температуре различных авторов;

3) был доработан программно-аппаратный комплекс для измерения электрических характеристик МОП-транзисторов: была реализована возможность подавать напряжение и измерять ток с контакта к подложке;

4) в рамках измерительного комплекса была реализована функция автоматического регулирования полярности напряжения на затворе исследуемого субмикронного МОП-транзистора. Разработан и реализован в виде печатной платы блок смены полярности, а также изменена программно-управляемая процедура проведения измерений и записи результатов измерений в выходной файл;

5) проведены измерения выходных и сток-затворных характеристик субмикронных n_канальных транзисторов. По результатам измерений были построены и проанализированы графики вольт-амперных характеристик и графики изменения параметров транзисторов при повышении температуры. Из полученных характеристик видно, что с увеличением температуры для транзистора W/L=10/0,18 мкм токи утечки возрастают на 6.42 нА, в половину снижается подвижность носителей, пороговое напряжение уменьшается на 0.25 В. Для транзистора W/L=10/10 мкм токи утечки возрастают на 1.24 нА, в 0,4 раза снижается подвижность свободных носителей, пороговое напряжение уменьшается на 0.25 В;

6) используя экспериментальные данные, были скорректированы параметры модели BSIMSOI3; с её помощью были промоделированы 4 логические схемы: «инвертор», «инвертор 16», «2И», «сумматор». По полученным значениям определено изменение времён фронтов и задержек с увеличением температуры. Видно увеличение времен задержек в среднем на 20%-30%, времен фронтов на 37%.

Литература

1. Зиатдинов С.И., Суетина Т.А., Поваренкин Н.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2013.

2. Чикалов А.Н., Соколов С.В., Титов Е.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств. М., 2016.

3. Танг Т Чан. Высокоскоростная цифровая обработка сигналов и проектирование аналоговых систем. М.: Техносфера, 2013.

4. Camillo L.M., Martino J.A., Simoen E. & Claeys C., “The temperature mobility degradation influence on the zero temperature coefficient of partially and fully depleted SOI MOSFETs”, Microelectronics journal, vol. 37, no. 9, pp. 952-957, 2006.

5. Schmidt A., Kappert H. & Kokozinski R., “Enhanced High Temperature Performance of PD-SOI MOSFETs in Analog Circuits Using Reverse Body Biasing,” in Additional Papers and Presentations 2013. HITEN, pp. 000122-000133.

Размещено на Allbest.ru

...