Investigation of the Stability of CMOS VLSI to the "Latch up" Effect

В связи с малым потреблением мощности КМОП структуры являются предпочтительными для создания больших и сверхбольших интегральных схем ^[1-2]. Однако надежность схем в значительной степени ограничивается возникающим в КМОП структурах явлением защелки ^[3-6]. Электрическая характеристика явления защелки в КМОП интегральных схема характерна наличием ряда аномальных явлений ^[7]:

1. гистерезисом вольтамперных характеристик, снимаемых при постоянном напряжении и токе;

2. вариацией установившихся токовых характеристик защелки из-за увеличения пульсирующего тока, инжектируемого входными/выходными выводами;

3. наличием для значений напряжения питания определенных интервалов пульсирующего инжектируемого тока с нижним и верхним пределом, обеспечивающим защелки.

Эти эффекты искажают и делают неоднозначными результаты измерения электрической чувствительности схем к защелке.

Защелка, ведущая к практическому отказу интегральных схем, часто начинается с инжекции тока в подложки или в карман. Этот ток, в связи с падением напряжения в подложке или в кармане, ведет к смещению р-n перехода. При этом очень важно, каково сопротивление обоих областей и при большом сопротивлении, вероятность перехода схемы на работу в режим защелки повышается.

Развитие микроэлектроники неуклонно стремится к уменьшению размеров элементов интегральных схем, в частности транзисторов. Уменьшение размеров интегральных схем, приводит к усилению короткоканальных эффектов в МОП- транзисторах. При уменьшении размеров интегральных элементов рассматриваются различные варианты масштабирования МОП приборов. Среди них можно выделить три основных ^[8]:

1. концепция постоянного поля, когда напряжение и ток питания уменьшаются в n- раз;

2. концепция постоянного напряжения связана с решением проблемы генерации горячих дырок, что особенно существенно для СБИС;

3. пропорциональное уменьшение размеров, он является компромиссным по отношению к двум предыдущим.

Уменьшение размеров элементов интегральных схем, ведет к развитию короткоканальных эффектов в МОП- транзисторах. Один из этих эффектов это - умножение стокового тока. В зависимости от шунтирующего сопротивления этот ток может вызывать появление защелки, создавая смешение истокового перехода. Защелка возникает, если паразитный вертикальный биполярный транзистор смещен током, протекающим через паразитный резистор. В зависимости от длины затвора и от величины сопротивления определяется максимально допустимое рабочее напряжение, при котором еще не возникает защелка.

Если транзистор находится в режиме насыщения, большие напряженности поля на стоковом переходе вызывают генерацию электронно-дырочных пар. Большая часть генерируемых электронов течет к стоковому переходу, генерируемые дырки перемещаются к истоку. При оценке распределения потенциалов по поверхности площадь между истоком и стоком может быть распределена на две части. В первой, которая расположена поблизости от истока, может быть принято постепенное нарастание. Во второй части, в истощения между истоком и стоком, и воздействие продольного электрического поля становится более существенным, чем воздействие вертикального электрического поля. Ток умножения присутствует в МОП- транзисторах, которые работают в режиме насыщения. Этот ток может, без воздействия дополнительных "срывающих" в защелку факторов, вызвать переход схемы в режим работы вызывающем отказ схемы. Это видно из зависимости (рис. 1) тока сток-исток от напряжения сток-исток, для различных значений напряжения затвор- исток. Для исследуемых структур и средних значений сигнала, 2- 3 В, защелка возникает при напряжениях сток-исток порядка 6.3 В, т.е. задолго до достижения напряжения пробоя перехода, которое имеет порядок 10 В. Напряжение в 6.3 В является максимально допустимым рабочим напряжением для этого транзистора, при более высоких напряжениях возникает защелка.

Рис. 1. Зависимость тока сток-исток от напряжения сток-исток, для различных значений напряжения затвор-исток.

Сопротивление кармана имеет особенно большое значение для характеристик приборов, так как сопротивление влияет на смещение вертикального паразитного n-р-n транзистора. Сопротивление зависит от конфигурации. Суммарное сопротивление кармана может быть подсчитано как сумма сопротивлений участков.

На рис. 2 показана зависимость максимально допустимого рабочего на­пряжения от величины сопротивления кармана при разных рабочих напряжениях.

Уменьшение длины затвора при постоянном сопротивлении кармана снижает допустимое по условиям возникновения защелки максимальное рабочее напряжение.

Уменьшение размеров элементов снижает потребление схем, понижает задержки, а значит, повышает быстродействие схем, увеличивает функциональные возможности схем. Уменьшение размеров транзисторов влечет за собой изменение других параметров и характеристик, в частности, сопротивления кармана, формы перехода и др. Все это неминуемо влечет за собой изменение критических значений напряжений питания, при которых возникает защелка. Все эти влияния были оценены моделированием и экспериментами.

Рис. 2. Зависимость максимально допустимого рабочего напряжения от величины сопротивления кармана при разных рабочих напряжениях затвор-исток.

В результате была получена зависимость максимального напря­жения питания, являющегося критическим фактором в отношении перехода схем в режим защелки, от параметров, характеризующих типовые размеры элементов схем (рис. 3). Видно, что по мере совершенствования схем, величина критического напряжения питания уменьшается.

Рис. 3. График зависимости максимального напряжения питания от ширины металлизации.

Восприимчивость к эффекту «защелкивания» исследовали на КМОП схемах с n-карманами. Известно, что в КМОП схемах, которые питаются от источника постоянного тока, между подложкой и карманом образуется обедненная область. Основные носители (электроны для n-кармана и дырки для р- кармана) движутся к соответствующим контактам, что приводит к падению напряжения и тем самым – смещению р-n перехода. При достаточном прямом напряжении смещения возникает «защелкивание». Эквивалентные схемы использованных КМОП схем приведены на рис. 4- 6. Они соответствуют схемам, в которых карман находится под плавающим потенциалом обратносмещенной подложки (рис. 4), стандартной логической схемы с заземленной р- подложкой и n-карманом, подсоединенным к положительному источнику напряжения (рис. 5), и логической схемы с генератором напряжения положительного смещения на подложке и n-карманом, подсоединенным к источнику положительного напряжения (рис. 6).

Рис.4. Схема, в которых карман находится под плавающим потенциалом обратносмещенной подложки.

Схема на рис. 4 состоит из вертикального и горизонтального паразитного биполярных транзисторов и емкости подложка - карман Cпк. Определяющими защелкивание параметров является заряд базы р-n-р транзистора одного из биполярных транзисторов и зарядом обусловленный емкостью Cпк. Любое изменение соотношения этих зарядов критично при различных концепциях масштабирования.

Рис.5. Схема с заземленной р- подложкой и n-карманом, подсоединенным к положительному источнику напряжения.

Для стандартных логических КМОП ИС (рис. 5) важными параметрами являются Rи, Rпк и Cпк. При всех концепциях масштабирования сопротивления в первом приближении можно считать постоянными.

Рис. 6. Схема с напряжением положительного смещения на подложке и n-карманом, подсоединенным к источнику положительного напряжения.

Для схемы на рис. 6 наиболее важными параметрами является коэффициент усиления по току горизонтального транзистора n-р-n транзистора и емкость С1. Опасность возникновения защелкивания снижена только для стандартных логических схем, а все схемы, имеющие источник напряжения смещена на подложке, особенно динамические ПЗУ, весьма, подвержены защелкиванию. В таких случаях необходимо предусматривать схемы защиты, которые ограничивают скорость роста напряжения внутри прибора ^[9]. Применение сильнолегированной подложки с эпитаксиальным слоем не решает задачу борьбы с защелкиванием данного вида, поскольку из-за более высокого коэффициента усиления по току горизонтального биполярного транзистора такие схемы вдвое более чувствительны к защелкиванию, чем схемы на объемного кремнии.

КМОП схемы рассмотренных вариантов исследовали на подверженность эффекту защелкивания, обусловленного воздействием импульсов (например, положительным или отрицательным выбросом на фронте импульса, сбоями), которая связана не только с уменьшением заряда базы р-n-р транзистор, но и снижением длительности переходных процессов в базе паразитных биполярных транзисторов. Защелкивание могут вызвать даже кратковременные (менее 1 нс) сбои. В качестве методов предотвращения защелкивания данного типа предлагаются следующие: использование диодов с барьером Шоттки или специальных поликремниевых р+- n+ - диодов вместо омических контактов подложки и кармана; применение сильнолегированной подложки с изоляцией щелевидными канавками, которые распространяются на большую глубину в область с высоким уровнем легирования.

Следует также отметить, что представленные результаты справедливы и для структур с р-карманами, так как механизмы, вызывающие появления защелкивания, не зависит от типа проводимости области кармана.