eng
Выпуск #2/2025
Р. Алексеев, В. Мальцев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕПАССИВАЦИИ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА Si–SiO2 В СТРУКТУРЕ LDMOS-ТРАНЗИСТОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ САПР SENTAURUS TCAD
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕПАССИВАЦИИ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА Si–SiO2 В СТРУКТУРЕ LDMOS-ТРАНЗИСТОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ САПР SENTAURUS TCAD
Просмотры: 877
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.243.2.116.120
В статье рассмотрены методы прогнозирования процессов деградации LDMOS-транзисторов во время эксплуатации при различных температурных режимах. Моделирование LDMOS-транзистора
в САПР Sentaurus TCAD показало, что изменение температурных
условий приводит к различной скорости деградации характеристик транзистора, таких как пороговое напряжение и ток утечки.
В статье рассмотрены методы прогнозирования процессов деградации LDMOS-транзисторов во время эксплуатации при различных температурных режимах. Моделирование LDMOS-транзистора
в САПР Sentaurus TCAD показало, что изменение температурных
условий приводит к различной скорости деградации характеристик транзистора, таких как пороговое напряжение и ток утечки.
Теги: degradation process depassivation ldmos transistor ldmos-транзистор reliability prediction si–sio2 interface граница раздела si–sio2 депассивация прогнозирование надежности процесс деградации
Моделирование депассивации границы раздела Si–SiO2 в структуре LDMOS-транзистора с применением САПР Sentaurus TCAD
Р. Алексеев, В. Мальцев
САПР приборно-технологического уровня позволяют разработчикам прогнозировать надежность полевых транзисторов. Актуальной задачей является повышение надежности мощных СВЧ LDMOS-транзисторов, которые находят широкое применение в станциях сотовой радиосвязи, передатчиках телевизионных сигналов DVB-T/DVB-T2, РЛС и другой
СВЧ-аппаратуре. В статье рассмотрены методы прогнозирования процессов деградации LDMOS-транзисторов во время эксплуатации при различных температурных режимах.
Моделирование LDMOS-транзистора в САПР Sentaurus TCAD показало, что изменение температурных условий приводит к различной скорости деградации характеристик транзистора, таких как пороговое напряжение и ток утечки. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации конструкции и повышения надежности LDMOS-транзисторов.
Как показали многолетние исследования, атомы водорода оказывают значительное влияние на свойства кремния, проникая в объем кристалла и воздействуя на границы раздела Si–SiO2 [1–3]. Водород пассивирует межзонные (интерфейсные) ловушки на границе Si–SiO₂, что вызывает модификацию энергетических и оптических свойств кремния, а также изменение его кристаллической структуры. Свойства водорода в кремнии зависят от температуры диффузии, концентрации примесей и наличия кристаллических дефектов.
На стабильность характеристик LDMOS-транзисторов в процессе эксплуатации оказывает влияние ряд явлений:
Нестабильность электрических параметров, наблюдаемая при приложении напряжения к затвору, обусловлена разрывом связей кремний-водород (SiH) на границе разделов Si–SiO2. Это приводит к увеличению подвижности атомов водорода и генерации межзонных ловушек.
Оборванные связи кремния вызывают изменение электрофизических характеристик из-за захвата носителей заряда (Pb-центрами) [8]. Кроме того, захват носителей заряда на ловушки в подзатворном диэлектрике способствует постепенной деградации характеристик прибора.
САПР Sentaurus TCAD от Synopsys позволяет прогнозировать деградационные эффекты в структуре LDMOS-транзистора с течением времени при различных условиях эксплуатации [11, 12].
Выбор модели процесса депассивации границы раздела Si–SiO2
Моделирование разрыва связей SiH на границе раздела Si–SiO2 было проведено на модели СВЧ LDMOS-транзистора, спроектированной в модуле Sentaurus Process (SProcess) на основе технологии АО «НИИЭТ» [13]. Фрагмент модели структуры показан на рис. 1. Для моделирования использовался программный модуль Sentaurus Device, в котором реализованы две модели депассивации границы разделов: кинетическая модель (1) и статическая модель (2).
Кинетическая модель представляет собой комплексное уравнение, учитывающее ряд факторов, включая вероятность повторного захвата водорода, депассивированного с границы разделов Si–SiO2, и другие параметры:
= –vNhb + γ(N – Nhb ),
γ = γ0 [NH /NH0 + Ω(Nhb0 – Nhb )], (1)
γ0 = . v0,
где dt – время работы устройства при рабочих напряжениях;
N – общее количество связей Si на границе раздела;
Nhb – оставшееся количество связей SiH на границе раздела после напряжения;
Nhb0 – начальная концентрация водорода на связях Si;
NH – концентрация водорода в оксиде;
NH0 – равновесная (начальная) концентрация водорода в оксиде;
γ – коэффициент пассивации;
γ0 – константа пассивации;
Ω – объем пассивации;
v – скорость водородной депассивации;
v0 – константа скорости реакции при равновесии.
Статическая модель является упрощенным подходом, что позволяет снизить вычислительные затраты на моделирование:
Nhb = , (2)
α = 0,5 + ϐ,
где α – коэффициент мощности реакции депассивации водорода (варьируется в диапазоне от 0 до 1);
ϐ – коэффициент влияния химического потенциала под действием электрического поля.
Для расчета скорости реакции депассивации границ разделов используется уравнение (3), разработанное
на основе исследований индийских ученых, представленных в работе [14]:
v = v0 exp ( – ) kFN kHC kSHE ,
εT = kT + δ// |F//| p// , (3)
∆εA = –δ⊥ |F⊥|p⊥ + (1 + ϐ) εT ln ,
где k – постоянная Больцмана (≈8,6˙10–5 эВ˙K–1);
T – температура;
T0 – температура пассивации;
F⊥, F// – перпендикулярные и параллельные компоненты электрического поля F на границе раздела, на которой расположены ловушки;
εT – энергия водорода на связях SiH;
∆εA – изменение энергии активации из-за растяжения связей SiH;
εA0 – начальная энергия активации;
δ⊥, p⊥, δ//, p// – параметры модели, зависящие от параллельной и перпендикулярной составляющих электрического поля.
Коэффициенты kHC, kSHE, kFN – параметры, описывающие модель поведения водорода в кремнии:
Каждый из этих коэффициентов оказывает влияние на точность моделирования и описание поведения водорода в полупроводниковых устройствах.
В данной статье была использована кинетическая модель для описания процесса депассивации границ разделов. Основные аспекты модели включают временную зависимость пассивации водорода, кинетические параметры и другие параметры. Таким образом, кинетическая модель позволяет комплексно оценить процесс депассивации водорода, учитывая временную динамику и влияние различных факторов, что способствует более точному прогнозированию надежности. Кинетическая модель дает возможность предсказать поведение водорода в полупроводниковых системах, что позволяет оценить долговечность таких устройств в различных эксплуатационных условиях.
Результаты моделирования
Моделирование разрыва связей SiH проводилось при температуре 25 °C в течение 720 ч. Результаты моделирования вольт-амперной характеристики (ВАХ) LDMOS-транзистора представлены на рис. 2 и 3.
Депассивация границ разделов Si–SiO2 приводит к увеличению концентрации интерфейсных ловушек в области подзатворного диэлектрика в процессе испытаний (рис. 4). С увеличением концентрации ловушек происходит постепенное увеличение порогового напряжения (см. рис. 2 и 3). Скорость разрыва связей SiH зависит от константы скорости реакции v0 согласно уравнению (3).
При увеличении температуры насыщение образования ловушек происходит при большей концентрации интерфейсных ловушек (рис. 5). Влияние повышения температуры окружающей среды на ВАХ продемонстрировано на рис. 6.
Увеличение температуры окружающей среды приводит к увеличению подвижности зарядов, что вызывает более глубокие разрывы связей SiH (см. рис. 5). Пороговое напряжение слабо меняется при увеличении температуры, в основном происходит уменьшение тока насыщения (см. рис. 6).
Заключение
В работе рассмотрено влияния разрыва связей SiH и атомов водорода на границе раздела Si–SiO2 на электрофизические характеристики LDMOS-транзистора. Разрыв связей водорода с кремнием может происходить под воздействием различных факторов, включая горячие носители заряда и туннельный эффект. Как показало моделирование с использованием САПР Sentaurus TCAD, депассивация происходит постепенно в процессе работы устройства, что приводит к увеличению концентрации интерфейсных ловушек и деградации характеристик транзистора, таких как пороговое напряжение
и ток насыщения.
ЛИТЕРАТУРА
Manzoor S., Karim M., Soin N. Analyzing p-MOSFET Lifetime by Employing R-D Model & MOS Device Theory // Applied Mechanics And Materials. 2012. Vol. 229–231. PP. 1626–1629.
Davis E.A. Hydrogen in silicon // Journal of Non-Crystalline Solids. 1996. Vol. 198–200.
PP. 1–10.
Cartier E., Stathis J.H., Buchanan D.A. Passivation and depassivation of silicon dangling bonds at the Si/SiO2 interface by atomic hydrogen // Applied Physics Letters. 1993. Vol. 63. PP. 1510–1512.
Zhongming S., Mieville J.-P., Dutoit M. Random Telegraph signals in deep submicrons n-MOSFET’s // IEEE Transactions On Electron Devices. 1994. Vol. 41. №7. PP. 1161–1168.
Haggag A., McMahon W., Hess K., Cheng K., Lee J., Lyding J. High-Performance
Chip Reliability from Short-Time-Tests Statastacal Models for Optacal Interconnect and HCI/TDDB/NBTI Deep-Submicron Transistor Failures // IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. 2001. PP. 271–279.
Chen G., Li M.F., Ang C.H., Zheng J.Z., Kwong D.L. Dynamic NBTI of p-MOS Transistors and Its Impact on MOSFET Scaling // IEEE Electron Device Letters. 2002. Vol. 23. № 12. PP. 734–736.
Doyle B.S., Mistry K.R., Jackson D.B. Examination of Gradual-Junction p-MOS Structures
for Hot Carrier Control Using a New Lifetime Extraction Method // IEEE Transactions On Electron Devices. 1992. Vol. 39 № 10. PP. 2290–2297.
Daniel M. Evolution of Total Ionizing Dose Effects in MOS Devices with Moore’s Law Scaling // I
EEE Transactions on Nuclear Science. 2017. Vol. 65. №8. PP. 1465–1481.
Токмолдин С.Ж. Пассивация атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии:
автореф. дис. д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07 // Физико-технический институт Министерства науки Академии наук Республики Казахстан. Алматы, 1998. 37 с.
Строгонов А., Белых М., Пермяков Д., Полковников В. Методы проектирования БИС
с учетом надежности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. №3.
С. 46–56.
Pfäffli P., Tikhomirov P., Xu X., Avci I., Oh Y.-S., Balasingam P., Krishnamoorthy S., Ma T.
TCAD for reliability // Microelectronics Reliability. 2012. Vol. 52. PP. 1761–1768.
Pfäffli P., Wong H.Y., Xu X., Silvestri L., Lin X.W., Yang T., Tiwari R., Mahapatra S.,
Motzny S., Moroz V., Ma T. TCAD modeling for reliability // Microelectronics Reliability. 2018.
Vol. 88–90. PP. 1083–1089.
Алексеев Р.П., Семейкин И.В., Цоцорин А.Н., Куршев П.Л. LDMOS: новые разработки АО «НИИЭТ» // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2023. №2. С. 92–96.
Mahapatra S., Kumar P.B. On the Generation and Recovery of Interface Traps
in mosfets Subjected to NBTI, FN, and HCI Stress // IEEE Transactions On Electron Devices. 2006. Vol. 5. № 7. PP. 1583–1592.
Р. Алексеев, В. Мальцев
САПР приборно-технологического уровня позволяют разработчикам прогнозировать надежность полевых транзисторов. Актуальной задачей является повышение надежности мощных СВЧ LDMOS-транзисторов, которые находят широкое применение в станциях сотовой радиосвязи, передатчиках телевизионных сигналов DVB-T/DVB-T2, РЛС и другой
СВЧ-аппаратуре. В статье рассмотрены методы прогнозирования процессов деградации LDMOS-транзисторов во время эксплуатации при различных температурных режимах.
Моделирование LDMOS-транзистора в САПР Sentaurus TCAD показало, что изменение температурных условий приводит к различной скорости деградации характеристик транзистора, таких как пороговое напряжение и ток утечки. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации конструкции и повышения надежности LDMOS-транзисторов.
Как показали многолетние исследования, атомы водорода оказывают значительное влияние на свойства кремния, проникая в объем кристалла и воздействуя на границы раздела Si–SiO2 [1–3]. Водород пассивирует межзонные (интерфейсные) ловушки на границе Si–SiO₂, что вызывает модификацию энергетических и оптических свойств кремния, а также изменение его кристаллической структуры. Свойства водорода в кремнии зависят от температуры диффузии, концентрации примесей и наличия кристаллических дефектов.
На стабильность характеристик LDMOS-транзисторов в процессе эксплуатации оказывает влияние ряд явлений:
- случайный телеграфный шум (RTS) [4];
- временно-зависимый пробой диэлектрика (TDDB) [5];
- нестабильность, вызываемая комбинацией подачи напряжения на затор и повышения температуры (NBTI) [6];
- деградация, вызываемая горячими носителями заряда (HCI) [7].
Нестабильность электрических параметров, наблюдаемая при приложении напряжения к затвору, обусловлена разрывом связей кремний-водород (SiH) на границе разделов Si–SiO2. Это приводит к увеличению подвижности атомов водорода и генерации межзонных ловушек.
Оборванные связи кремния вызывают изменение электрофизических характеристик из-за захвата носителей заряда (Pb-центрами) [8]. Кроме того, захват носителей заряда на ловушки в подзатворном диэлектрике способствует постепенной деградации характеристик прибора.
САПР Sentaurus TCAD от Synopsys позволяет прогнозировать деградационные эффекты в структуре LDMOS-транзистора с течением времени при различных условиях эксплуатации [11, 12].
Выбор модели процесса депассивации границы раздела Si–SiO2
Моделирование разрыва связей SiH на границе раздела Si–SiO2 было проведено на модели СВЧ LDMOS-транзистора, спроектированной в модуле Sentaurus Process (SProcess) на основе технологии АО «НИИЭТ» [13]. Фрагмент модели структуры показан на рис. 1. Для моделирования использовался программный модуль Sentaurus Device, в котором реализованы две модели депассивации границы разделов: кинетическая модель (1) и статическая модель (2).
Кинетическая модель представляет собой комплексное уравнение, учитывающее ряд факторов, включая вероятность повторного захвата водорода, депассивированного с границы разделов Si–SiO2, и другие параметры:
= –vNhb + γ(N – Nhb ),
γ = γ0 [NH /NH0 + Ω(Nhb0 – Nhb )], (1)
γ0 = . v0,
где dt – время работы устройства при рабочих напряжениях;
N – общее количество связей Si на границе раздела;
Nhb – оставшееся количество связей SiH на границе раздела после напряжения;
Nhb0 – начальная концентрация водорода на связях Si;
NH – концентрация водорода в оксиде;
NH0 – равновесная (начальная) концентрация водорода в оксиде;
γ – коэффициент пассивации;
γ0 – константа пассивации;
Ω – объем пассивации;
v – скорость водородной депассивации;
v0 – константа скорости реакции при равновесии.
Статическая модель является упрощенным подходом, что позволяет снизить вычислительные затраты на моделирование:
Nhb = , (2)
α = 0,5 + ϐ,
где α – коэффициент мощности реакции депассивации водорода (варьируется в диапазоне от 0 до 1);
ϐ – коэффициент влияния химического потенциала под действием электрического поля.
Для расчета скорости реакции депассивации границ разделов используется уравнение (3), разработанное
на основе исследований индийских ученых, представленных в работе [14]:
v = v0 exp ( – ) kFN kHC kSHE ,
εT = kT + δ// |F//| p// , (3)
∆εA = –δ⊥ |F⊥|p⊥ + (1 + ϐ) εT ln ,
где k – постоянная Больцмана (≈8,6˙10–5 эВ˙K–1);
T – температура;
T0 – температура пассивации;
F⊥, F// – перпендикулярные и параллельные компоненты электрического поля F на границе раздела, на которой расположены ловушки;
εT – энергия водорода на связях SiH;
∆εA – изменение энергии активации из-за растяжения связей SiH;
εA0 – начальная энергия активации;
δ⊥, p⊥, δ//, p// – параметры модели, зависящие от параллельной и перпендикулярной составляющих электрического поля.
Коэффициенты kHC, kSHE, kFN – параметры, описывающие модель поведения водорода в кремнии:
- коэффициент горячих носителей заряда kHC описывает влияние инжекции горячих носителей заряда. Горячие носители заряда воздействуют на процесс депассивации водорода на границе раздела;
- коэффициент разложения сферических гармоник kSHE учитывает влияние сферических гармоник на распределение электрического поля в окрестности водородных атомов;
- коэффициент тунелирования Фаулера - Нордхейма kFN описывает влияние туннельного эффекта на поведение водорода в полупроводниковых структурах. Туннелирование Фаулера - Нордхейма связано с переносом электронов через потенциальный барьер, что может существенно влиять на эффективность процессов пассивации и депассивации водорода.
Каждый из этих коэффициентов оказывает влияние на точность моделирования и описание поведения водорода в полупроводниковых устройствах.
В данной статье была использована кинетическая модель для описания процесса депассивации границ разделов. Основные аспекты модели включают временную зависимость пассивации водорода, кинетические параметры и другие параметры. Таким образом, кинетическая модель позволяет комплексно оценить процесс депассивации водорода, учитывая временную динамику и влияние различных факторов, что способствует более точному прогнозированию надежности. Кинетическая модель дает возможность предсказать поведение водорода в полупроводниковых системах, что позволяет оценить долговечность таких устройств в различных эксплуатационных условиях.
Результаты моделирования
Моделирование разрыва связей SiH проводилось при температуре 25 °C в течение 720 ч. Результаты моделирования вольт-амперной характеристики (ВАХ) LDMOS-транзистора представлены на рис. 2 и 3.
Депассивация границ разделов Si–SiO2 приводит к увеличению концентрации интерфейсных ловушек в области подзатворного диэлектрика в процессе испытаний (рис. 4). С увеличением концентрации ловушек происходит постепенное увеличение порогового напряжения (см. рис. 2 и 3). Скорость разрыва связей SiH зависит от константы скорости реакции v0 согласно уравнению (3).
При увеличении температуры насыщение образования ловушек происходит при большей концентрации интерфейсных ловушек (рис. 5). Влияние повышения температуры окружающей среды на ВАХ продемонстрировано на рис. 6.
Увеличение температуры окружающей среды приводит к увеличению подвижности зарядов, что вызывает более глубокие разрывы связей SiH (см. рис. 5). Пороговое напряжение слабо меняется при увеличении температуры, в основном происходит уменьшение тока насыщения (см. рис. 6).
Заключение
В работе рассмотрено влияния разрыва связей SiH и атомов водорода на границе раздела Si–SiO2 на электрофизические характеристики LDMOS-транзистора. Разрыв связей водорода с кремнием может происходить под воздействием различных факторов, включая горячие носители заряда и туннельный эффект. Как показало моделирование с использованием САПР Sentaurus TCAD, депассивация происходит постепенно в процессе работы устройства, что приводит к увеличению концентрации интерфейсных ловушек и деградации характеристик транзистора, таких как пороговое напряжение
и ток насыщения.
ЛИТЕРАТУРА
Manzoor S., Karim M., Soin N. Analyzing p-MOSFET Lifetime by Employing R-D Model & MOS Device Theory // Applied Mechanics And Materials. 2012. Vol. 229–231. PP. 1626–1629.
Davis E.A. Hydrogen in silicon // Journal of Non-Crystalline Solids. 1996. Vol. 198–200.
PP. 1–10.
Cartier E., Stathis J.H., Buchanan D.A. Passivation and depassivation of silicon dangling bonds at the Si/SiO2 interface by atomic hydrogen // Applied Physics Letters. 1993. Vol. 63. PP. 1510–1512.
Zhongming S., Mieville J.-P., Dutoit M. Random Telegraph signals in deep submicrons n-MOSFET’s // IEEE Transactions On Electron Devices. 1994. Vol. 41. №7. PP. 1161–1168.
Haggag A., McMahon W., Hess K., Cheng K., Lee J., Lyding J. High-Performance
Chip Reliability from Short-Time-Tests Statastacal Models for Optacal Interconnect and HCI/TDDB/NBTI Deep-Submicron Transistor Failures // IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. 2001. PP. 271–279.
Chen G., Li M.F., Ang C.H., Zheng J.Z., Kwong D.L. Dynamic NBTI of p-MOS Transistors and Its Impact on MOSFET Scaling // IEEE Electron Device Letters. 2002. Vol. 23. № 12. PP. 734–736.
Doyle B.S., Mistry K.R., Jackson D.B. Examination of Gradual-Junction p-MOS Structures
for Hot Carrier Control Using a New Lifetime Extraction Method // IEEE Transactions On Electron Devices. 1992. Vol. 39 № 10. PP. 2290–2297.
Daniel M. Evolution of Total Ionizing Dose Effects in MOS Devices with Moore’s Law Scaling // I
EEE Transactions on Nuclear Science. 2017. Vol. 65. №8. PP. 1465–1481.
Токмолдин С.Ж. Пассивация атомарным водородом дефектов в кристаллическом кремнии:
автореф. дис. д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07 // Физико-технический институт Министерства науки Академии наук Республики Казахстан. Алматы, 1998. 37 с.
Строгонов А., Белых М., Пермяков Д., Полковников В. Методы проектирования БИС
с учетом надежности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. №3.
С. 46–56.
Pfäffli P., Tikhomirov P., Xu X., Avci I., Oh Y.-S., Balasingam P., Krishnamoorthy S., Ma T.
TCAD for reliability // Microelectronics Reliability. 2012. Vol. 52. PP. 1761–1768.
Pfäffli P., Wong H.Y., Xu X., Silvestri L., Lin X.W., Yang T., Tiwari R., Mahapatra S.,
Motzny S., Moroz V., Ma T. TCAD modeling for reliability // Microelectronics Reliability. 2018.
Vol. 88–90. PP. 1083–1089.
Алексеев Р.П., Семейкин И.В., Цоцорин А.Н., Куршев П.Л. LDMOS: новые разработки АО «НИИЭТ» // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2023. №2. С. 92–96.
Mahapatra S., Kumar P.B. On the Generation and Recovery of Interface Traps
in mosfets Subjected to NBTI, FN, and HCI Stress // IEEE Transactions On Electron Devices. 2006. Vol. 5. № 7. PP. 1583–1592.
Отзывы читателей
