книги / Элементы свербольших интегральных схем

при минимальной площади элемента, равной б литографическим квадратам («длина» элемента на рис. 3.6 равна ЗД, а ширина 2Д).

В элементах с модулируемым пороговым напряжением тран­ зистора [22, 38] информация запоминается по-прежнему в виде заряда, который влияет на пороговое напряжение транзистора, а считывание осуществляется током в цепи стока, амплитуда кото­ рого соответствует записанной информации. При этом считыва­ ние является неразрушающим, и отпадает необходимость увели­ чения площади элемента с ростом информационной емкости БИС для обеспечения, надежного считывания.

Структура запоминающего элемента показана на рис. 3.7. Не принципиальное отличие от обычного транзистора с поликремниевым затвором заключается в создании у поверхности тонких ионнолегированных слоев р- (1) и л-типа (2), причем слой 2 на­ ходится под слоем 1. При нулевом напряжении на затворе в ре­ жиме хранения эти слои полностью обеднены носителями и тран­ зистор заперт. При напряжении на затворе выше порогового об­ разуется углубленный канал в слое 2. Слои 1 и 2 создают такой потенциальный рельеф у поверхности, что под затвором образу­ ется потенциальная яма, способная удерживать дырки. На рис. 3.7,aw; показано распределение потенциала под затвором в верти­ кальном направлении (х). Низкий поверхностный потенциал обу­ словлен отрицательными акцепторными ионами слоя 1 у поверх­ ности. Его повышение при удалении от поверхности вызвано влия­ нием положительных донорных ионов слоя 2. В направлении г, перпендикулярном каналу (рис. 3.7,6)., возникают потенциаль-

1 z

Рис. 3.7. Запоминающий элемент на транзисторе с модулируемым поро­ говым напряжением:

а, б—поперечные разрезы в направлении осей у и z; в—е —потенциальные диаграм­

мы соответственно для режимов хране­ ния «0>, записи €1», хранения «1> и запи­ си «О»; ж — потенциальная диаграмма в вертикальном направлении х

62

3.1.3. ТОКИ УТЕЧКИ

Основной причиной появления токов утечки в запоминающем конденсаторе структуры с двумя слоями поликремния (см. рис. 3.2) является поверхностная и объемная термогенерация [44]. Ток поверхностной генерации состоит из двух составляющих. Первая связана с генерацией непосредственно под конденсатор­ ным электродом (под тонким окислом) и пропорциональна его площади Sc и скорости поверхностной генерации ого- Величина ого зависит от концентраций' носителей у поверхности и максимальна в режиме обеднения, при хранении «1» (высоком напряжении на конденсаторном электроде). Современные методыобработки поверхности обеспечивают ог0 менее 1 см/с.

Вторая составляющая поверхностного тока обусловлена генерацией на границе с толстым окислом и под ним и называется «периферийной». Она про­ порциональна площади перекрытия Snep толстого окисла слоем поликремния или лериметру Р запоминающего элемента, а также скорости генерации о'го, которая значительно выше ого (порядка 30 см/с), что обусловлено большим числом дефектов, образующих центры генерации.

Ток объемной генерации также содержит составляющие, обусловленные генерацией в обедненном слое под тонким окислом и на границе с толстымокислом. Эти составляющие прямо пропорциональны соответствующим пло­ щадям и толщинам обедненных слоев и обратно пропорциональны «генера­

жизни электронов. Поэтому роль диффузионного тока растет при увеличении времени жизни; другие составляющие убывают сильнее с ростом времени жизни (тго и т'го пропорциональны тп). Диффузионный ток сильнее растет с увели­

щина мала по сравнению с диффузионной длиной; носители, генерируемые в подложке, не доходят до поверхности вследствие малого времени жизни.

На рис. 3.8 показаны экспериментальные зависимости тока утечки от тем­ пературы. Они хорошо аппроксимируются функцией вида ехр (—AEfmkT), где АЕ — ширина запрещенной зоцы; т—1 ...2 — коэффициент. В структуре с эпи­ таксиальным слоем т= 1,7, т. е. диффузионная составляющая мала в этом диапазоне температур. Для структуры на р-лодложке зависимость от темпе­ ратуры более сильная (т= 1 ,2 ), что указывает на влияние диффузионной со­ ставляющей. При 23°С токи в обоих структурах равны; диффузионная состав­ ляющая отсутствует. Она существенна при 90°С, так как ток в структуре на р-подложке в 5 раз больше, чем в эпитаксиальной структуре.

Для элементов малой площади главной становятся составляющая тока утечки, обусловленная генерацией по периферии, пропорциональная периметру элемента, так как с уменьшением площади отношение P/S растет. Ниже прн-

64

Рис. 3.8 Рис. 3.9

Рис. 3.8. Зависимости тока утечки от температуры для структуры на р-подлож- ке (/) и на р+-подложке с р-эпитаксиальным слоем (2) при # а п =1015 см-3

Рис. 3.9. Экспериментальная зависимость времени хранения от длины канала при U3 = 0, С/с= 5 В, Т=20°С [11]

ведены теоретические оценки различных составляющих тока утечки для запо­ минающего элемента с двумя слоями поликремния (рис. 3.2,а, без ионнолегнрованного л-слоя под конденсаторным электродом) при А—2 мкм, 5=100 мкм*, Sc=35 мкм2, 5 Пср=40 мкм2, uro= 1,5 см/с, о'го=30 см/с, тго= 1 мс, т'го=0,1 мс,

При 7’=23°С 90% тока обусловлено периферийной составляющей. Вторым по величине является ток поверхностной генерации под тонким окислом. При 7’=90°С доля периферийного тока снижается до 60%; однако он по-прежнему остается основным, вторым же по величине является диффузионный ток (30%). При температуре выше 100°С он становится преобладающим.

Вклад периферийной составляющей может быть сильно уменьшен, если электрод конденсатора заземлять, а не подавать на него высокое напряжение, так как тогда периферийные области не являются обедненными и в них умень­ шается скорость поверхностной и объемной генерации (рис. 3.2). В этом случае под электродом конденсатора создается тонкая область л-типа (показана штри­ ховой линией). В элементе с пленочным конденсатором (рис. 3.4) периферийная составляющая мала, так как на границе тонкого и толстого окислов велика концентрация доноров и поверхность не является обедненной. Отсутствует ток, обусловленный генерацией под электродом конденсатора. Однако появ­ ляется ток генерации в объеме запирающего слоя р-п перехода. Ток утечки не растет с увеличением площади запоминающего конденсатора.. Он зависит

от площади п+-области под конденсатором, которую можно сделать предельно шалой. Эксперимент показал, что для элементов с пленочными конденсаторами ток утечки в несколько раз .меньше, чем для элемента с двумя слоями поли-

кремния (рис. 3.2).

В запоминающем элементе с использованием р+-п+ перехода (см. рис. 3.6) основной составляющей тока утечки является термогенерация в обедненном слое /?+-л+ перехода. Термогенерация в объеме пластины влияет слабо вслед­ ствие высокой концентрации примесей вблизи р+-п+ перехода. Ток утечки по порядку величины составлял 1 пА при максимальной температуре. Для эле­ ментов с модулируемым пороговым напряжением (рис. 3.7) ток утечки обус­ ловлен главным образом термогенерацией в очень тонком слое накопления /. Дырки, генерируемые в слое 2, как видно из потенциальной диаграммы рис. 3.7,ж, уносятся электрическим полем в подложку и не влияют на заряд в области 1 Диффузионная составляющая равна нулю, так как носители, гене­ рируемые в подложке, не достигают слоя накопления 1 вследствие существо­ вания того же потенциального барьера. То же относится к носителям, генери­ руемым в обедненных слоях р-п переходов в периферийных областях под толстым окислом. Кроме того, генерация в периферийных областях слаба, так как над ними проходит шина X, напряжение на которой в режиме хранения равно нулю. Отсюда следует, что элементы с модулируемым пороговым напря­ жением должны иметь минимальные токи утечки. Установлено [22], что при Т—100°С они на порядок меньше, чем в элементах рис. 3.2 с двумя слоями

Таким образом, минимальными утечками обладает структура с модулируе­ мым пороговым напряжением, а максимальными — структура с двуслойным по­ ликремнием; элементы с танталовыми конденсаторами и с использованием емкости р+-л+ перехода имеют промежуточные значения токов утечки. Отме­

С ростом отрицательного напряжения смещения на подложке токи утечки увеличиваются из-за расширения обедненных слоев у поверхности или в р-п переходах и роста объемного тока термогенерации.

Учитывая слабую зависимость объемного тока термогенерации от напряже­ ния на подложке (типа *l/t/n ), а также его небольшой вклад в общий ток утечки, получаем, что последний слабо зависит от напряжения на (подложке. Токами утечки окисла запоминающего конденсатора можно пренебречь. Если в качестве диэлектрика используется нитрид кремния, то ток утечки оказы­ вается соизмеримым (порядка 10_1в А/мкм2 при </=0,04 мкм, '£/*=5 В и Г = =90°С) с описанными выше токами генерации [11]. Поэтому слой нитрида кремния покрывают очень тонким (0,01 мкм) слоем окисла, что снижает на порядок ток утечки через диэлектрик, «о практически не уменьшает емкость (окисно-нитридный диэлектрик).

Рассмотрим влияние предпорогового тока транзистора, который можно интерпретировать как ток утечки транзистора. Так как он сильно растет при снижении длины канала, сйедует ожидать, что для короткого канала его ве­

66

щественно больше и увеличивается при снижении толщины диэлектрика. Экспе­ риментальная зависимость времени хранения от напряжения на подложке по­

имеют лучшие электрические параметры.

3.1.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ а-ЧАСТИЦ

Ионизирующее излучение оказывает сильное влияние на ра­ боту СБИС ЗУПВ динамического типа. Оно создает электроннодырочные пары, которые, попадая в область накопительного кон­ денсатора, изменяют его заряд и приводят к потере информации. Например, если информация представляется зарядом, локализо­ ванным в потенциальной яме под затвором МДП-структуры (за­ поминающие элементы, показанные на рис. 3.2), то электроны, генерируемые при облучении, диффундируют в область потенци­ альной ямы и захватываются ею. Таким образом, если элемент хранил «1», т. е. яма первоначально была пустой, то она запол­ няется электронами, что соответствует изменению состояния эле­ мента. Если область хранения содержит р-п переход (элементы на рис. 3.4), а элемент первоначально хранил «1», т. е. на п+-об­ ласти р-п перехода был высокий потенциал относительно подлож­ ки, то электроны, захватываюсь запирающим слоем перехода, раз­ ряжают его емкость и уменьшают потенциал м+-области, в резуль­ тате чего потенциал снижается.

В элементах малых размеров, применяемых в СБИС, заряд равен (105 ... 106)<7, где q— заряд электрона. Одна ионизирующая частица может создать число электронно-дырочных пар такого же порядка. Поэтому попадание всего лишь одной частицы в кри­ сталл может привести к сбою (отказу) в работе схемы.

Экспериментально были обнаружены сбои при отсутствии вне­ шнего источника излучений в схемах ЗУПВ с информационной емкостью 16К бит .и выше. Исследования показали, что 90% сбоев вызываются .а-частицами, которые испускают материалы кон­ струкции схемы (покрытия кристалла, корпус и т. п.) [45]. Отка­ зы такого типа были названы «мягкими», так как появление дефек­ тов и разрушение кристаллической структуры не наблюдались, а происходил лишь функциональный сбой, после которого схема в следующем цикле работы оставалась полностью работоспособной. Число испускаемых а-частиц ничтожно мало, но так как сбой вы­ зывается только одной частицей, то возникает серьезная пробле­ ма обеспечения безотказной работы схемы.

Излучение конструкционных материалов обусловлено наличием в них примесей циркония, которым в ничтожно малых количест­ вах сопутствуют примеси урана и тория. Интенсивность излуче­ ния (число испускаемых а-частиц на 1см2 в час) составляет 0,3... 0,6 для керамики и 5... 45 для стекол с содержанием свин­ ца, цинка, алюминия, входящих в состав материалов корпуса, и порядка 1 для эпоксидных покрытий и самого кремния.

68

Сильное влияние а-частиц обусловлено их интенсивным взаи­ модействием с веществом благодаря наличию электрического за­ ряда. Число электронно-дырочных пар зависит от длины пробега частицы в пластине. На рис. 3.12,а показана зависимость длины свободного пробега от энергии частицы. Из нее видно, что даже при низких энергиях пробег составляет более 1 мкм, т. е. превы­ шает толщину активных областей приборов, а в среднем он мно­ го больше толщины активных областей. Найдено также, что в пленке двуокиси кремния или алюминия пробег в два раза боль­ ше, чем в кремнии, т. е. окисел и алюминиевые проводники на по­ верхности пластины, толщина которых составляет доли микромет­ ров, слабо задерживают а-частицы. В среднем энергетические по­ тери в кремнии 150 кэВ/мкм (если аппроксимировать зависимость L(E) прямой). На создание электронио-дырочной пары затрачи­ вается энергия 3,6 эВ. Таким образом, можно произвести грубую оценку числа пар, генерируемых одной частицей: для энергии 1 МэВ оно равно 2,8-105. Более детальные исследования [11, 46] показали, что генерация пар неодинакова на всем пути пробега; она увеличивается по мере уменьшения энергии и скорости части­ цы и максимальна в конце пути (рис. 3.12,6). Основное количест­ во электронно-дырочных пар N создается в зоне протяженностью 2... 3 мкм, расположенной в конце длины пробега, т. е. вне актив­ ных областей запоминающих элементов. Однако, если зона гене­ рации расположена на расстоянии меньше диффузионной длины электронов от активной области, то последующая диффузия элект­ ронов может вызвать сбой.

Рассмотрим, от чего зависит частота сбоев схемы, вызванных а-частицами. Помимо плотности потока частиц и их энергии она определяется критическим зарядом запоминающего элемента, ча­ стью площади схемы, чувствительной к воздействию частиц, и эф­ фективностью коллектирования электронов, генерированных ча­ стицами. Критическим зарядом QKP называется допустимое умень-

X, %/тыс.ч

69

шение заряда, при котором не происходит потери информации в запоминающем элементе. Этот заряд увеличивается с ростом пол­ ного заряда (Q1). Он зависит от чувствительности усилителя счи­ тывания, а также от периода регенерации, так как перед регене­ рацией величина Q1существенно меньше, чем непосредственно по­ сле регенерации.

На рис. 3.13 приведена зависимость частоты сбоев от критиче­ ского заряда [45]; данные получены на основе исследования ре­ альных схем при интенсивности излучения 1см-2 -ч-1. Эта зави­

на участок пластины, чувствительный к их воздействию. Часть площади кристалла, чувствительную к воздействию а-частиц, на­ зовем площадью поражаемости 5 Ь а отношение ее к полной пло­ щади кристалла SJS — коэффициентом поражаемости. В режиме хранения сбой происходит, если а-частица попадает в область запоминающего конденсатора, тогда площадь поражаемости рав­ на суммарной площади всех конденсаторов. В режиме считыва­ ния сбои происходят также, если а-частица попадает в область шин Y [40], и площадь поражаемости увеличивается, составляя более половины площади всего кристалла. Частота сбоев зависит также от угла падения а-частицы, причем она максимальна для 45.. . 50° [45]. 'При нормальном падении частота уменьшается в 2 .. . 3 раза, так как основная масса электронов образуется на боль­ шем удалении от поверхности и меньшая часть электронов дохо­ дит до областей накопления. При угле падения, меньшем 30°, ча­ стота сбоев резко падает, так как, по-видимому, большинство а-частиц задерживается окислом, проводниками и покрытием кри­ сталла. На практике значительная часть частиц излучается стек­ лом, входящим в металло-стеклянный спай крышки корпуса с его основанием (для корпусов с керамическим основанием). Эти ча­ стицы летят под малыми углами (порядка 15°) по отношению к поверхности кристалла и не вызывают сбоев. При малом крити­ ческом заряде одна а-частица может вызвать потерю информа­ ции не только в одном, а одновременно в нескольких близко рас­ положенных запоминающих элементах (множественный отказ).

Эффективность коллектирования характеризует долю электро­ нов, захваченных (коллектированных) областью накопительного конденсатора по отношению к общему числу электронов, создан­ ных а-частицей. Электроны, генерированные в окисле, а также в пластине на расстоянии, большем диффузионной длины от обла­ сти накопления, не коллектируются. Эффективность коллектирония сильно зависит от конструкции запоминающих элементов.

Борьба со сбоями, вызываемыми а-частицами, может вестись по трем направлениям: увеличение заряда в запоминающем эле­ менте, снижение эффективности коллектирования и уменьшение числа а-частиц, попадающих в кристалл. Первое направление пре­ дусматривает повышение удельной емкости запоминающих кон-

7#