Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

THE EFFECT OF LATCH-UP IN INTEGRATED MICROCIRCUITS IN WIDE RANGE OF TEMPERA – TURES

Gadoev S.M.
В работе сформулированы требования к модели защелкивания в комплементарных металл – окисел – полупроводник интегральных микросхем (кмдп) различных технологий, пригодных для использования в широком диапазоне температур. Показана возможность использования двухтранзисторной эквивалентной схемы в качестве модели для адекватного описания изменения параметров защелкивания в широком диапазоне температур для различных технологий и способов возбуждения.
Calculations on model predict character of temperature change of parameters of effect latch-up complimentary threw-oxide-semiconductor(cmos is). By means of this model it is possible to predict adequately enough temperature dependences of parameters of effect in structure complementary threw-oxide-semiconductors (cmos is). Structures that allows to recommend them for research in structure of SAPR complimentary threw-oxide-themiconductor(cmos is). Keywords: ctructure – olding carrent – the effect – CVR – microshema

Одним из основных паразитных эффектов в КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МЕТАЛ - ОКИСЕЛ - ПОЛУПРОВОДНИК ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ является срабатывание четырехслойных структур, происходящее под действием электрического перенапряжения или ионизации [1].

Существенное влияние температуры на этот эффект требует разработки модели защелкивания, адекватной при высоких температурах. В качестве основы для разработки модели электрического уровня взята двухтранзисторная эквивалентная схема [2, 3]. Она представляет собой два паразитных транзистора: п-р-п и р-п-р и их шунтирующие сопротивления, эмиттер-базу, RS, RW.

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

При этом время жизни в диапазоне температур 210...400 К изменяется по закону τ ~ Т, однако при более высоких температурах 360...420К, как τ ~ Т1/4.

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

Для определения температурной зависимости таких параметров электрического уровня, как βст, Iфк, R, необходимо также знать поведение диффузионной длины, зависящей от времени жизни и коэффициента диффузии (подвижности) [5] и учитывать,что коэффициент передачи тока базы зависит от коэффициента переноса носителей и коэффициента инжекции эммитерного перехода (рис. 2).

1

Рис. 1. График экспериментальной зависимости времени жизни носителей от температуры
в переходе «карман - подложка» тестовой схемы (- - - эксперимент, - расчет)

2 

Рис. 2. График экспериментальной зависимости коэффициента передачи
тока базы транзистора от температуры в тестовой схеме:
200 К = 12,5; 300 К = 35; 400 К = 58

Из рис. 2 видно, что коэффициент передачи тока базы транзистора растет в диапазоне температур 210-400 К от 10 до 57. Измерение проводилось в тестовой схеме в статистическом режиме.

Аналогично должен вести себя и ионизационный ток, определяемый диффузионной длиной, что подтверждает график на рис. 3, измеренный для перехода «карман-подложка» тестовой структуры. На температурную зависимость напряжения отпирания р-п перехода наиболее сильно влияет изменение теплового тока [5].

На рис. 4 приведена зависимость напряжения отпирания р-п перехода «карман-подложка» от температуры тестовой схемы при двух значениях тока (0,1 и 0,3 мА). Напряжение отпирания заметно падает с ростом температуры. Температурное изменение ширины обедненного слоя р-п перехода определяется в основном изменением контактной разности потенциала Uобщ [6].

3

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

 4

Рис. 4. Зависимости напряжения отпирания от температур для перехода
тестовой схемы ( ‒ эксперимент, ‒ расчет)

С целью экспериментальной проверки адекватности разработанной модели была проведена серия экспериментов по измерениям температурной зависимости тока и напряжения удержания ИС К176ЛПI и К564ПУ4.

Для всех этих ИС наблюдается уменьшение при росте температуры удерживающего тока при ΔТ = 400 К составило 40 %.

Расчеты по модели [7] верно предсказывают характер температурного изменения параметров защелкивания паразитных структур КМОП ИС.

Таким образом, с помощью разработанной модели можно достаточно адекватно прогнозировать температурные зависимости параметров защелкивания паразитных КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МЕТАЛЛ - ОКИСЕЛ - ПОЛУПРОВОДНИК (КМДП) структур, что позволяет рекомендовать их для использования в составе СИСТЕМЕ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МЕТАЛЛ - ОКИСЕЛ -
ПОЛУПРОВДНИК ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ (САПР КМДП ИС). Упрощенный в вариант модели, учитывающий только изменение напряжения отпирания р-п переходов, может быть использован для оценочных расчетов.

Список литературы

  1. Dressendorfer P.V. Ochoa Jr // IEEE Transactions on nuclear science. - 1981. - Vol. Ns-28, №6. - P. 4292-4294.
  2. Baze M.P., Johnston A.H. // IEEE Transactions on nuclear science. - 1981. - Vol. Ns-34, №6. - P. 1730-1735.
  3. Troutman R.R. Latch-up in CMOS Technology. The problem and it´s cure. - Boston, 1986. - P. 47-48.
  4. Федотов Я.А. Кремниевые планарные транзисторы. - М.: Советское радио, 1973. - 335 с.
  5. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио, 1970. - 591 с.
  6. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы. - М.: Мир, 1985. - 504 с.
  7. ing -Jer Chen, Chins-Yuan Mv. Solid-State Electronics. - Vol. 29, №4. - Р. 395-407.