瑞萨电子全新时变(RTN)分析方法,助先进系统LSI更稳定更可靠

2011年01月05日

  瑞萨电子株式会社(TSE:6723,以下简称瑞萨电子),于2011年1月5日正式宣布全新名为“随机电报噪声(RTN,注1)”的时变现象分析方法现已完成研发。该方法可对陷阱的数据情况进行详细分析 (注 1) ,以实现预测模拟,是设计高度可靠的下一代系统LSI所必需的。

 

  RTN 是一种因晶体管载流子被栅极绝缘膜等中的陷阱捕获或释放,而使晶体管阈值电压随时间随机变动的现象。由于这种现象所产生的影响将随着晶体管尺寸的减小而增 加,因此随机电报噪声可能导致系统LSI出现故障的问题早已成为业界共识。同时,事实表明仅通过制造工艺的改善并不能完全排除随机电报噪声(RTN)产 生,因此,要使系统LSI实现更高的可靠性,就必须研发出不受随机电报噪声影响的设计。而实现该设计的前提,则是必须对随机电报噪声(RTN)特性、数量 的随机变动现象进行正确的统计分析。

 

  针对上述统计分析 需求,瑞萨电子展开并成功完成了全新模拟方法的研发。该方法可准确计算出产品是否会在其生命周期内发生由RTN引起的故障。此外,通过新的模拟方法,我们 还可以清楚得到陷阱的统计分布以及由每个陷阱引起的电流变化(振幅)等详细信息,而这些信息的获取也正是实现这个模拟的首要前提。然而,本次瑞萨电子研发 的方式在对陷阱时间常数 (注 2) 分布信息的统计方面仍存在不足。时间常数较短的陷阱会持续、频繁地捕捉或释放电荷,时间常数较长的陷阱则很少捕捉和释放电荷。而对时间常数分布信息的统计不足,使本次的模拟方法只能对一部分参数进行假定,因而可能会在一定程度上降低预测的精度。

 

  时间常数的变化取决于每个陷阱的能量水平和位置(硅基表面的距离)的变化。就目前的技术而言,尽管已可通过测量来获取陷阱位置和其能量水平,但由于该过程异 常复杂,因此到目前为止我们能够看到的案例报告都只是针对少部分陷阱数据进行的应用。而瑞萨电子本次所研发的数据处理程序,使上述复杂过程可实现自动处理 执行,从而提高测量的效率,完成对大多数陷阱的测量,从而统计出晶体管的能量水平和位置的分布信息。

 

新技术具有以下主要优势:

(1) 适用于已选,并适合的晶体管(陷阱数量不多的晶体管),通过测量多个栅极电压条件下的电流波形,确定能级、振幅和陷阱的位置。

 

(2) 对多种晶体管自动执行上述程序,并通过统计方式获取能量关系、分布、电流变化幅度及陷阱位置等信息。

 

  这种新方法可使我们了解陷阱的能量水平(及相应的时间常数)所存在的范围。

 

  此外,瑞萨电子也已证实时间常数的变化不依赖于陷阱的位置。这推翻了原先时间常数与陷阱位置之间关系的多种不同理论。原先的一种理论认为,由于速度取决于陷 阱到表面的距离,因此接近硅基底面的陷阱会导致更快的随机电报噪声(时间常数变小);而另一种理论则认为时间常数与位置没有关系,因为速度取决于陷阱的化 学性质。根据第一种理论,电流的波动幅度应该与时间常数相关联;而根据第二种理论,则与时间常数无关。瑞萨电子通过实验数据证实了第二种理论,同时得出时 间常数和电流变化幅度是互相独立变化的这一结论。

 

  目前,瑞萨电子已将本次研究中得出的确切数据信息纳入了现有的模拟技术中,从而使今后的电路设计在对应RTN测量上,实现精度更高更可靠。

 

  今后,瑞萨电子将继续针对包括RTN在内的现象,进行相关的变异性研发,以使产品的性能与品质也得到持续提升。

 

  同时,在2010年12月6日在旧金山举行的“2010年国际电子设备(IEDM2010)”会议上,瑞萨电子已对这一新的研究成果进行了展示。

 

(注1)RTN(随机电报噪声),陷阱
陷阱指的是,在栅介质层的微观陷阱,它可以捕捉和释放单一电荷。该陷阱的状态是交替变化的,即捕捉和释放:电荷捕捉(陷阱填充)或释放(陷阱放空)。其结果是造成晶体管传导性变化,这种现象被称为“随机电报噪声RTN陷阱”。由于每个晶体管存在的陷阱数、晶体管电流变化幅度、以及变化状态(时间常数)的时间间隔等均为随机出现,因此对RTN影响的发生只能以统计形式测量。

(注2)时间常数
对陷阱在捕捉状态及释放状态实时变化的滞留时间进行计算,所得出的平均值称为时间常数。时间常数分为释放状态时间常数和捕捉状态时间常数2种。时间常数越小,一定时间内切换到其他状态的概率就越高。

 

(注)
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