WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ SPICE-МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ И ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КМОП БИС СО СТРУКТУРОЙ КНИ / КНС ...»

На правах рукописи

УДК 004.942: 621.382.323

САМБУРСКИЙ ЛЕВ МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ

SPICE-МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ

И ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КМОП БИС

СО СТРУКТУРОЙ КНИ / КНС

Специальность 05.13.12

«Системы автоматизации проектирования»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2013 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском университете «Высшая школа экономики» и Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук.

Научный руководитель: Петросянц Константин Орестович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Электроники и наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭ

Официальные оппоненты: Стенин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры Электроники НИЯУ МИФИ Савченко Евгений Матвеевич, кандидат технических наук, начальник Центра проектирования ОАО «НПП „Пульсар“»



Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук (НИИСИ РАН).

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д.002.078.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН) по адресу: Российская Федерация, 124365, г. Москва, Зеленоград, Советская ул., д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИППМ РАН, с авторефератом – на сайте ИППМ РАН www.ippm.ru.

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к. т. н., доц. М. М. Жаров

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важнейшим видом электронной компонентной базы для аэрокосмической и военной техники, устройств управления ядерной энергетикой, систем космической связи и телекоммуникаций и других специальных применений являются КМОП БИС и системы на кристалле со структурой «кремний на изоляторе»

(КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС), которые помимо высокой степени интеграции на п/п кристалле, высокого быстродействия, малого потребления мощности, обладают повышенной радиационной стойкостью.

Самостоятельным направлением КМОП-технологии являются фоточувствительные КМОП СБИС, изготовленные в ультратонком слое кремния на сапфировой подложке по технологии UTSi (фирмы Peregrine), которые используются в космических системах мониторинга и зондирования Земли, устройствах аналоговой и цифровой оптической обработки информации, специальных фотоприёмных устройствах и др.

По оценкам специалистов NASA, радиационно-стойкие КМОП БИС и фоточувствительные КМОП-ФД СБИС, изготовленные на КНИ/КНС подложках, являются перспективной электронной элементной базой современных и будущих космических систем.





Очевидно, что успешное решение задач проектирования и разработки КМОП СБИС со структурой КНИ/КНС, а также построения систем на их основе невозможно без широкого применения САПР как на элементном, так и на схемо- и системотехнических уровнях. Причём для радиационно-стойких и фоточувствительных БИС задачи существенно усложняются, т. к. в рамках традиционных этапов проектирования необходимо дополнительно учитывать воздействие радиационных и фотоэлектрических факторов, соответственно, а в ряде случаев (например, в условиях космического пространства) их совместное влияние.

Эти обстоятельства в последние годы стимулировали у нас в стране и за рубежом разработку проблемно-ориентированных подсистем САПР для радиационностойких схем (Radiation-Hardened CAD – RHCAD)* и оптоэлектронных схем (ОЭС)**.

Эти подсистемы, как правило, встраиваются в существующие промышленные САПР БИС.

Ключевая роль в таких САПР принадлежит моделям КМОП-элементов, поскольку от степени учёта влияющих факторов и их точности в первую очередь зависит достоверность результатов схемотехнического и топологического проектирования.

Таким образом, разработка новых и улучшение существующих SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/ КНС КМОП БИС является актуальной задачей.

Состояние исследований по проблеме.

1. Модели КНИ/КНС КМОП-элементов для радиационно-стойких БИС. Физические модели влияния радиационного облучения на электрические параметры элементов КНИ / КНС КМОП БИС приведены в работах отечественных авторов: Зебрева Г. И., Никифорова А. Ю., Першенкова В. С., Скоробогатова П. К., Тельца В. А., Чумакова А. И., Улимова В. Н. и др., а также зарубежных авторов: T. P. Ma, P. V.

Dressendorfer, T. R. Oldham, J. R. Schwank, V. Ferlet-Cavrois, M. R. Shaneyfelt, P. E.

Dodd и др.

* Hierarchical CAD Tools for Radiation Hardened Mixed Signal Electronic Circuits, DTIC Report No. ADA429971, 2005;

** Оптоэлектронные приборы, системы и сети. – М. : Наука, 2007;

Существенный вклад в разработку схемотехнических моделей с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких КМОП БИС внесли Волков И. С., Зебрев Г. И., Кокин С. А., Петросянц К. О., Стенин В. Я., Харитонов И. А., Ятманов А. П. и др.

Для формирования компактных моделей, учитывающих факторы радиационного влияния в промышленных схемотехнических САПР, отечественные и зарубежные специалисты используют два основных подхода.

Первый – создание набора программных функций на языке C, Verilog-AMS и др., описывающих радиационное воздействие и подключаемых к стандартным моделям. Встраиваемый модуль рассчитан на конкретную версию симулятора, что требует взаимодействия с фирмой-производителем САПР и высокой квалификации программиста.

Второй путь – формирование макромодели на основе схемотехнической модели, уже включённой в библиотеку моделей данной САПР. В этом случае модель работает быстрее, чем при подключении достаточно сложных выражений, вычисляемых с помощью модулей C, Verilog-AMS и др., но от разработчика требуется хорошее знание схемотехники и особенностей конкретного симулятора. Также макромодельный подход позволяет достаточно просто модифицировать модель для учёта дополнительных эффектов, обусловленных влиянием радиации и температуры.

Анализ известных работ показал, что стандартные схемотехнические модели МОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС, включённые в SPICE-подобные программы анализа ИС и БИС, или вообще не учитывают радиационные эффекты, или учитывают их в недостаточной степени. Для элементов радиационно-стойких КНИ/КНС КМОП БИС основная задача состоит, во-первых, в определении перечня радиационно-зависимых параметров и, во-вторых, в корректном их учёте в той или иной форме. В настоящей диссертационной работе предпочтение отдаётся макромодельному подходу.

2. Модели фоточувствительных элементов БИС. Разработке схемотехнических моделей фоточувствительных п/п приборов и элементов ИС посвящены работы Горохова В. А., Дмитриева В. П., Носова Ю. Р., Сидорова А. С., Шилина В. А. и др.

Для элементов фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС вопрос учёта внешнего светового излучения на электрические характеристики элементов слабо освещён в литературе. В SPICE-подобных программах практически отсутствуют модели фотоприёмных элементов, совместимых с технологией КНИ/КНС КМОП.

3. Определение параметров моделей. Помимо разработки собственно самих моделей МОПТ, учитывающих радиационные и фотоэлектрические эффекты, не менее важное значение имеют вопросы определения (экстракции) параметров этих моделей.

Однако, в большинстве опубликованных работ процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров для приборов, подвергнутых воздействию радиации и света, освещены крайне недостаточно. Проблема автоматизации таких процедур с использованием комплекса экстракции параметров моделей и макромоделей (например, IC-CAP или аналогичного) практически не описана.

Таким образом, настоящая диссертация посвящена разработке и исследованию схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС, а также разработке методик определения (экстракции) их параметров на основе электрических, радиационных и фотоэлектрических измерений характеристик тестовых приборов или на основе их TCADмоделирования.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование компактных SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП и КМОП-ФД БИС для анализа схемотехнических решений с помощью промышленных САПР.

Цель достигается путём решения следующих задач:

1) разработка новых и совершенствование существующих схемотехнических моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, учитывающих факторы радиационного и светового воздействия за счёт применения макромодельного подхода;

2) разработка методик определения параметров моделей КМОП-элементов со структурой КНИ/КНС по результатам измерений их электрических, радиационных и фотоэлектрических характеристик;

3) разработка полуавтоматизированного аппаратно-программного комплекса для измерения электрических характеристик и экстракции параметров разработанных моделей; в том числе программного обеспечения, предназначенного для управления комплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения процедуры идентификации параметров моделей;

4) включение разработанных и усовершенствованных моделей в существующие промышленные программы схемотехнического расчёта БИС;

5) использование всей совокупности разработанных моделей и методик в практике проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП ИС и БИС.

Методы исследования: методы экспериментального определения электрических характеристик тестовых структур, математические методы обработки результатов измерений, методы оптимизации, компьютерный анализ и моделирование, методы проведения вычислительных экспериментов.

Научная новизна работы.

1) Для построения SPICE-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подвергнутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит единый подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макромоделирования (подключения в эквивалентную схему дополнительных элементов, учитывающих соответствующий физический эффект), и введения радиационнозависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) точность описания статических ВАХ 10–15% и динамических характеристик 15–20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;

2) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L ~ 0,5–0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключения к эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработана методика определения параметров дополнительных элементов;

3) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты. В эквивалентную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитывающие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочей области транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитические зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности, предпорогового наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений характеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;

4) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элементов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-nструктур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структурах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствительный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтоматическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений электрических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.

Практическая значимость работы.

1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характеристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегарад для радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см-2 для фоточувствительных схем;

2) для пользователей в системе IC-CAP разработаны полуавтоматические процедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётом воздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD, позволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизить вероятность человеческой ошибки;

3) проведено сравнение разработанных макромоделей по затратам времени на экстракцию их параметров и даны оценки времени моделирования для различных классов схем с учётом дозовых радиационных эффектов.

Внедрение результатов работы.

1) Схемотехнические SPICE-модели SOI/SOS-MIEM, BSIMSOI-RAD и EKV-RAD, параметры которых были определены автором по результатам испытаний тестовых транзисторных структур и макетов специализированных электронных узлов (СЭУ) были использованы в ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл., в рамках ОКР «Прототип», «Таймыр» и «Угра» при проектировании твердотельных электронных полупроводниковых узлов специализированной электроники (базовых КМОПэлементов цифровой и аналоговой схемотехники) и микросистемотехники – на базе структур «кремний на изоляторе/сапфире» (КНИ/КНС) с топологической нормой 1– 3 мкм с учётом воздействия стационарного радиационного излучения и воздействия повышенной температуры;

2) библиотека схемотехнических SPICE-моделей на основе BSIMSOI-RAD для элементов КНИ КМОП СБИС с проектными топологическими нормами 0,5–0,35 мкм с учётом факторов радиационного воздействия и температуры была использована в практических работах предприятия ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС им. Ю. Е. Седакова», г. Н. Новгород (ОКР «Урал-Т», «Модель», «Защита», «Модель-С»), по созданию элементной базы радиационно-стойких КНИ КМОП СБИС: радиационно-стойких цифро-аналоговых БМК; БИС статического ОЗУ на 512 кбит; библиотеки аналоговых узлов и др.;

Положения, выносимые на защиту.

1) Использование макромодельного подхода для разработки схемотехнических SPICE-моделей радиационно-стойких и фоточувствительных элементов КНИ/КНС КМОП БИС в сочетании с использованием аппроксимирующих зависимостей параметров модели от внешних воздействующих факторов;

2) способ учёта эффекта раннего пробоя в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L ~ 0,5–0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ за счёт введения в эквивалентную схему дополнительной диодно-резистивной цепочки; методика определения параметров дополнительных элементов;

3) макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые эффекты; полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений тестовых структур или приборного TCAD-моделирования электрических характеристик необлучённых и облучённых КНИ/КНС МОПТ;

4) макромодели фоточувствительных элементов КМОП-ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-n-структур, фототранзистора, изготовленных на структурах с изолирующей подложкой (КНИ/КНС); полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей фотодиода и фототранзистора из результатов электрических и оптоэлектрических измерений характеристик реальных приборов.

5) результаты использования моделей при проектировании цифровых и аналоговых радиационно стойких и фоточувствительных КМОП-схем со структурой КНИ / КНС.

Апробация результатов работы.

Результаты данной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

НТК студентов, аспирантов и молодых спец. МИЭМ. – М., 2000 – 2013 г.г.;

10-я и 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика». – Москва–Зеленоград, 2003, 2004 г.г.;

2-я Всероссийская дистанционная НТК «Электроника». – Москва, 2003 г.;

6, 7, 11, 12 и 13-я Российская НТК «Электроника, микро- и наноэлектроника»,.

– Н. Новгород, 2004 г., 2009 г., Вологда, 2005 г., Суздаль, 2010 г. – 2013 г.г.;

Школа молодых учёных «Интеллектуальные фотоприёмные устройства и их применение». – Софрино, Моск. обл., 2004 г.;

1-я, 3-я и 5-я Всероссийская НТК «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем (МЭС)»,. – Москва, 2005 г., 2008 г., 2012 г.;

Пятый международн. аэрокосмический конгресс IAC'06. – Москва, 2006 г.;

Международн. ярмарка информационных технологий, телекоммуникаций и программного обеспечения CEBIT, г. Ганновер, Германия, 2006 г. (экспонат);

5th, 7th, 9th и 10th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). – Ереван, 2007 г., Москва 2009 г., Севастополь, 2011 г., Харьков, 2012 г.;

Российская НТК «Элементная база космических систем». – Сочи., 2008, 2009.г.;

Отраслевая НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы». – г. Королёв, МО, 2008, 2012 гг.;

10-13 Научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных рад.-стойких СБИС на основе гетероструктур». – г. Н. Новгород, 2010 – 2013 г.г.;

III Всероссийская научно-техн конф. «Актуальные проблемы ракетнокосмического приборостроения и информационных технологий». – М., 2010 г.;

Междунар. молодёжная научная школа «Приборы и методы эксперимент. ядерной физики. Электроника и автоматика эксперимент. установок». – г. Дубна, 2011 г.;

XI и XII Научно-техническая конференция «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». – г. Дубна, МО, 2012 г., Москва, 2013 г.;

3rd Intl Conf. on Adv. Measurement and Test (AMT 2013). – Xiamen, China, 2013;

VII научно-техническая конференция молодых специалистов Госкорпорации «Росатом» «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе», г. Н. Новгород, 12 - 14 сентября 2013.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 43 печатных работах (в период с 2003 по 2013 г.г.), из которых 10 [1] – [10] в изданиях, входящих в перечень ВАК; 6 работ опубликованы без соавторов.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объём работы составляет 131 страницу, в том числе 74 рисунков, 16 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбора темы, сформулированы предмет исследования, научная значимость и практическая ценность полученных результатов, отмечены положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приведён анализ современного состояния в области разработки схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС.

Компактное моделирование КНИ/КНС МОП-транзисторов с учётом радиационных эффектов. В литературе описан ряд подходов к моделированию, а также схемотехнических моделей, которые могут быть непосредственно использованы для учёта радиационных эффектов в КНИ/КНС МОП-транзисторах, либо требуют большей или меньшей адаптации.

В работах Петросянца К. О., Харитонова И. А. [42], [43] приведена модель для транзистора с учётом различных видов рад. воздействия, а также подробная методика определения параметров модели; однако сама модель не учитывает короткоканальные эффекты в транзисторе, а также кинк-эффект и эффект раннего пробоя.

В совместных работах Данилова И. А., Зебрева Г. И., Горбунова М. С., Осипенко П. Н. [44], [45] представлена модель, учитывающая возникновение паразитного тока боковой утечки в области «птичьего клюва» (для изоляции типа LOCOS) при стационарном облучении. Параметры усреднённого бокового транзистора (vth0, tox) однократно рассчитываются внутри модуля перед началом расчёта схемы по приведённым формулам, однако методика определения их коэффициентов не описана. Также в модели не учтён сдвиг параметров верхнего транзистора для МОПТ с L ~0,35 мкм.

В работе Кокина С. А. и др. [46] представлена схемотехническая модель EKVS для 0,8 мкм КНС МОПТ, учитывающая кинк-эффект, однако не приведены зависимости, учитывающие дозовые эффекты и методика определения параметров модели.

В работе Alvarado и др. [47] представлена модель транзистора с учётом воздействия ОЯЧ (с учётом электрического и температурного режима транзистора), а также стационарного рад. воздействия (без учёта электрического режима). Радиационноиндуцированные токи утечки КНИ/КНС МОПТ в данной работе не учтены; также не учтено влияние электрического режима при стационарном облучении. Конкретный способ реализации модели дозовой деградации параметров транзистора не указан.

Методика определения радиационно-зависимых параметров модели не описана.

В работе Jianhui и др. [48] представлен способ учёта в макромодели неполностью обеднённого n-канального КНИ МОП-транзистора деградации параметров модели при изменении напряжения контакта к рабочей области. Используется упрощённая линейная аппроксимация для определения набора параметров для промежуточных доз и полиномиальный источник.

Компактное моделирование фоточувствительных элементов КНИ/ КНС КМОП БИС. В библиотеках моделей популярных схемотехнических САПР (HSpice, TSpice, OrCAD и др.) присутствуют компактные SPICE-модели только дискретных промышленно выпускаемых фоточувствительных компонентов. Для моделирования фоточувствительных элементов КНИ/КНС БИС требуется существенная доработка.

SPICE-модели ФДУЗ (фотодиодов с управляющим затвором) отсутствуют как в библиотеках САПР, так и в доступной технической литературе. В работах Zeng et al.

[51], [52] представлена достаточно простая статическая физическая модель ФДУЗ без сравнения с экспериментом и процедуры определения параметров.

SPICE-модели фотодиодов различных типов без управляющего затвора, изготовленных по КМОП-технологии на изолирующей подложке или объёмном кремнии, которые могут быть адаптированы для построения модели ФДУЗ, имеются в литературе. Единственными известными автору работами, посвящёнными SPICEмоделированию КНИ ФД, являются статьи Afzalian и Flandre (например [53]), в которых представлена высокочастотная модель горизонтального КНИ pin-фотодиода, предназначенного для оптических линий связи. Однако она ограничена только случаем полностью обеднённой рабочей области прибора и не учитывает эффект насыщения фотогенерации при высоких уровнях энергии светового потока.

Процедура экстракции параметров модели достаточно полно описана только в работе [2] с участием автора данной диссертации и работе Negru et al [54].

В нескольких работах лишь в общих чертах описан способ получения параметров элементов, учитывающих паразитные эффекты.

Обобщая перечисленные выше работы и целый ряд других работ, можно сделать вывод, что в большинстве из них не описаны необходимые процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров. Проблема автоматизации таких процедур с использованием известного комплекса экстракции параметров моделей и макромоделей IC-CAP или аналогичного средства также остаётся актуальной.

Нерешёнными остаются следующие вопросы:

1) схемотехнические модели субмикронных КНИ / КНС МОПТ, учитывающие воздействие радиационных факторов, в настоящее время не удовлетворяют требованиям практики проектирования радиационно-стойких КНИ/КНС КМОП БИС и требуют существенной доработки, так как не обеспечивают достаточную точность;

2) методики и процедуры определения радиационно-зависимых параметров компактных моделей с учётом воздействия радиационных факторов описаны в литературе слабо, по-прежнему являются «узким местом» для разработчиков моделей и их пользователей.

На основании сделанных выводов сформулирована цель и задачи настоящей диссертации, направленные на решение указанных проблем и устранение имеющихся недостатков.

В главе 2 излагается описание разработанных схемотехнических SPICEмоделей для моделирования КНИ/КНС МОП-транзисторов различных поколений:

SOI /SOS-MIEM (для МОПТ микронного размера с L ~ 0,8…0,5 мкм из состава преимущественно цифровых схем), BSIMSOI-RAD и EKV-RAD (для субмикронных L = 0,5…0,1 мкм КНИ/КНС КМОП-транзисторов) – с учётом радиационных эффектов: суммарной поглощённой дозы, импульсного облучения и одиночных ядерных частиц (ОЯЧ), а также методик экстракции параметров макромоделей из результатов измерения электрических характеристик необлучённых и облучённых тестовых структур или результатов приборного моделирования. Вклад автора заключается в учёте дозовых эффектов. Импульсные эффекты и влияние ОЯЧ учитываются традиционным образом и в диссертации не исследуются. Все три модели создавались и дорабатывались с использованием комбинации двух методов: макромоделирования (включения в эквивалентную схему дополнительных элементов), а также введения в модель аппроксимирующих выражений для параметров, зависящих от внешних факторов и электрического режима. Эффективность такого подхода для учёта радиационных эффектов подтверждена практическими примерами его использования при проектировании радиационно-стойких схем [24], [25], [28], [29], [34], [39] и др.

Макромодель SOI/SOS-MIEM, разработанная ранее на основе базовых моделей MOS3 и BSIM для длинноканальных КНИ/КНС МОПТ, продолжает использоваться несмотря на тенденцию к уменьшению размеров транзисторов, поскольку длинноканальные приборы до сих пор активно используются при разработке интегральных схем для спецприменений, особенно аналоговых и датчиковых. Нами был предложен простой способ учёта двух важных для КНИ/КНС МОПТ эффектов: кинкэффекта и эффекта раннего пробоя. Из рисунка 1, на котором изображены выходные ВАХ неполностью обеднённых (НО) КНИ/КНС МОП-транзисторов, изготовленных по различным технологиям, видно, что на выходных ВАХ наблюдается сначала изгиб в пологой области (кинк-эффект), а затем, при дальнейшем увеличении VСИ, – ранний лавинный пробой стокового p–n-перехода.

Эффект «раннего пробоя» обусловлен дальнейшим повышением положительного потенциала рабочей области и, как следствие, включением диода истокового p-n-перехода. Добавочный ток в рабочую область берётся за счёт увеличения тока ударной ионизации стокового p–n-перехода.

Рисунок 1. Сравнение экспериментальных и расчётных выходных ВАХ для НО КНИ МОПТ с различными L/W ( – эксп.

, линии – расчёт) Для учёта обоих этих эффектов было предложено дополнить известную эквивалентную схему макромодели SOI/SOS-MIEM двумя диодно-резистивными цепочками (см. рисунок 2). Цепочка D1–R1 моделирует изгиб ВАХ («кинк»-эффект), D2–R2 моделирует ранний пробой стокового p–n-перехода. Значение элемента D1 определяется по стартовому напряжению пробоя, а значение элемента R1 определяется по наклону пробойной кривой.

Экспериментальное подтверждение проведено для неполностью обеднённых КНИ МОПТ. Результаты моделирования приведены на рисунке 1. Параметры диодов и резисторов, моделирующих изгиб ВАХ и ранний пробой, определённые из экспериментальных ВАХ, приведены в таблице 1.

–  –  –

Учёт эффектов плавающей подложки в макромодели EKV-RAD. Оригинальная модель EKV была разработана авторами для МОПТ на объёмном кремнии и не учитывает специфики диэлектрической подложки. Для распространения модели EKV на КНИ/КНС МОП-транзисторы автором диссертации в макромодель EKV-RAD была добавлена цепочка R1—D1—E1 (см. рисунок 3б), создающая дополнительный ток IСП из стока в подложку под совместным действием напряжений стока VСП и затвора VЗП.

Элементы D1 и R1 определяют величину и крутизну скачка тока, управляемый источник напряжения E1 определяет зависимость стартового напряжения кинкэффекта от напряжения затвора.

Величина E1 задаётся в виде зависимости от VЗП:

–  –  –

(б) (а) ты.

Паразитные транзисторы Mбок Рисунок 4. Построение экспериментальной зависимости VE1 VЗП (а); (боковая утечка) и Mнижн (утечка по нижней грани) описываются более подгонка коэффициентов (б) простой моделью MOS3 с зависимыми от дозы параметрами: VTO для порогового напряжения, UO для подвижности; NFS для предпорогового наклона. Для них также используется выражение (3) зависимости от поглощённой дозы.

Учёт эффектов воздействия радиационного импульса и ОЯЧ. Эффекты нестационарного радиационного воздействия: а) первичные фототоки в стоковом/ истоковом p–n-переходах, паразитная проводимость сапфира, обусловленные импульсным воздействием; б) импульс тока, возникающего при собирании заряда из трека частицы в результате воздействия отдельной ядерной частицы, описываются таким же образом, как в модели SOI/SOS-MIEM и других моделях.

Методика определения (экстракции) параметров [26], [6] с учётом дозовых эффектов создана и отработана для всех трёх макромоделей, предложенных в диссертации. Она является модификацией стандартной методики и основана на результатах измерения на тестовых кристаллах электрических характеристик реальных облучённых и необлучённых приборов, или результатах приборного моделирования приборов, чей маршрут проектирования и конструкция ещё только разрабатываются.

Для облучённых приборов: 1) возрастает и видоизменяется массив исходных измеренных данных; 2) увеличивается количество тестовых структур; 3) заметно увеличивается количество параметров схемотехнической модели; 4) в процедуру экстракции добавляется этап аппроксимации зависимостей параметров от уровня радиационного воздействия.

Исходными данными для процедуры экстракции являются модифицированные наборы ВАХ и ВФХ стандартных и дополнительных КНИ/КНС МОП-структур при разных дозах облучения. Для автоматизации передачи результатов реального или машинного эксперимента в IC-CAP используются разработанные автором макросы, функционирующие в среде измерительной системы и системы приборно-технологического моделирования, соответственно.

Процедура экстракции, позволяющая получить параметры модели для промежуточных доз облучения, реализована в виде полуавтоматического процесса внутри

IC-CAP и включает в себя следующие шаги:

1) определяются наборы параметров моделей паразитных, затем базового транзисторов макромодели для случая необлучённого МОПТ – с использованием стандартной процедуры (встроенной в IC-CAP) и стандартного набора измеренных характеристик; для корректного описания транзисторов с различными размерами необходимо использовать набор транзисторных, диодных и ёмкостных структур различных размеров (см. рисунок 5);

2) среди полного набора параметров моделей основного и паразитных элементов макромодели выбирается ограниченный перечень радиационно-зависимых параметров, отвечающих за пороговое напряжение Vпор, подвижность и предпороговый наклон S (в зависимости от выбранной модели);

3) для каждого уровня полученной дозы Di с использованием IC-CAP определяются соответствующие значения параметров Vпор(Di), (Di), S(Di) с учётом электрического режима транзисторов во время облучения; данная процедура повторяется для всех запланированных уровней облучения Di : i 1, n ;

4) табличные функции зависимости Vпор(D), (D), S(D) аппроксимируются аналитическими функциями вида a1 [1 – exp(–a2D)] – с помощью программы оптимизации; коэффициенты таких функций как раз и составляют набор радиационных параметров всей макромодели;

5) полученные аналитические функции включаются в описание SPICEмакромодели МОПТ;

6) макромодель МОПТ, содержащая радиационно-зависимые параметры, включается в состав библиотеки моделей.

Особенностью процедур измерения характеристик и экстракции SPICE-параметров облучённых КНИ/КНС МОП-транзисторов, является необходимость вычленения характеристик паразитных элементов, проявляющихся при воздействии излучения.

В частности, необходимо разделять радиационно-индуцированные токи утечки, возникающие по нижней и боковой границам активной области кремния, с использованием специальных тестовых транзисторов (см.

рисунок 6):

1) транзистор H-типа или кольцевой (R- или O-типа) (в которых практически отсутствует боковая утечка) используется для выделения ВАХ и определения параметров верхнего МОПТ для разных полученных доз облучения при напряжении на нижнем затворе VЗн 0 (что исключает влияние Мнижн);

2) прибор того же типа используется для выделения ВАХ и определения параметров нижнего паразитного МОПТ для ряда полученных доз облучения при напряжении на верхнем затворе VЗв 0 (что исключает влияние Мверх.);

3) линейный транзистор (F- или I-типа) или транзистор A-типа (для которых имеют место как донные, так и боковые утечки) используется для выделения ВАХ и определения параметров бокового паразитного МОП-транзистора для ряда полученных доз облучения при известных ВАХ верхнего МОПТ и при напряжении на нижнем затворе VЗн 0 (что исключает влияние Мнижн).

–  –  –

Для модели BSIMSOI-RAD на рисунке 7 приведено сравнение смоделированных и экспериментальных характеристик КНИ МОПТ с размерами L/W = 0,25/8 мкм, подвергнутых облучению гамма-квантами с различными дозами. Графики радиационнозависимых параметров макромодели от дозы радиации приведены на рисунке 8. Значения коэффициентов аппроксимации этих зависимостей сведены в таблицу 2

–  –  –

Рисунок 8. Зависимости от полной поглощённой дозы параметров VTH0, U0, VOFF модели базового транзистора Mверх Для модели EKV-RAD сравнение измеренных и смоделированных ВАХ МОПТ с размерами затвора L/W = 0,13/8 мкм с учётом эффектов дозового воздействия приведено на рисунке 9.

–  –  –

По результатам расчёта можно сделать следующие выводы:

1) при использовании любого из вариантов макромодели EKV-RAD время моделирования ВАХ КНС МОПТ на ~12% меньше, АЧХ на ~18% меньше, а переходного процесса на ~50% меньше, чем в случае аналогичного варианта макромодели BSIMSOI-RAD;

2) при использовании полных вариантов макромоделей время моделирования ВАХ КНС МОПТ увеличивается на ~20% в случае EKV-RAD и на ~10% в случае BSIMSOI-RAD по сравнению со стандартной моделью, время моделирования АЧХ увеличивается на ~10% для обеих моделей, а переходного процесса на ~50% в случае EKV-RAD и на ~30% в случае BSIMSOI-RAD.

Сравнение макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD по количеству параметров и времени их экстракции. Набор параметров макромодели складывается из параметров базовой модели, моделей паразитных элементов и радиационных коэффициентов зависимости параметров от величины радиационного воздействия.

В модели BSIMSOI 180 параметров, в модели EKV их 35 с учётом добавленного диссертантом блока учёта кинк-эффекта (см. таблицу 5). В макромодели BSIMSOI-RAD суммарно 18 радиационно-зависимых параметров, в макромодели EKV-RAD – 12; для каждого из них требуется 2 коэффициента аналитической функции зависимости от дозы. Таким образом, в макромодели BSIMSOI-RAD 36 радиационных коэффициентов, которые определяются путём экстракции из экспериментальных данных, а в макромодели EKV-RAD их 24.

Процедуры экстракции параметров с учётом стационарного радиационного воздействия с использованием данных измерений тестовых структур в обеих макромоделях одинаковы по составу. В таблице 6 показаны результаты сравнения длительности различных этапов этих процедур на примере 16 тестовых транзисторов различных размеров и 6 промежуточных доз облучения при использовании полуавтоматизированного метода с IC-CAP. Итоговые показатели длительности процедуры даны в нижней секции таблицы: для BSIMSOI-RAD с использованием полуавтоматизированого метода требуется около 166 минут, для макромодели EKV-RAD около 123 минут. Увеличение времени для случая, когда используется ручной обмен данными и не используется полуавтоматическая процедура, вызвано необходимостью вручную формировать проекты в IC-CAP, переформатировать данные измерений, передавать результаты экстракции между этапами и задавать исходные данные для аппроксимации.

Для полностью ручного метода экстракции по методикам, предложенным разработчиками моделей, требуется, по нашим оценкам, десятки-сотни часов [29].

–  –  –

Глава 3 посвящена разработке моделей элементов фоточувствительных КМОП БИС, пригодных для использования в SPICE.

Особенностями КНС КМОП фоточувствительных элементов по сравнению с элементами КМОП на объёмном кремнии являются: а) высокая прозрачность сапфировой подложки, что позволяет изготавливать фоточувствительные элементы с освещением снизу; б) использование горизонтальных структур из-за малой толщины рабочего слоя (200 нм): p-n-фотодиода, p-i-n-фотодиода, p-n-фотодиода типа p+/p–/n+ с плавающим затвором, биполярного фототранзистора (см. рисунок 11) и пикселов на их основе; фотодиода с управляющим затвором (ФДУЗ) и фотовольтаического источника питания на его основе.

P–n- и p–i–n-фотодиоды являются наиболее распространёнными фотоприёмниками в силу простоты своей конструкции. Вследствие большего вклада диффузионного тока p–n-фотодиоды обычно обладают меньшим быстродействием, чем p–i–nфотодиоды, в которых генерируемые светом носители заряда быстро рассасываются за счёт дрейфа. К недостаткам p–i–n-фотодиодов по сравнению с p–n- относят невысокое значение фотоЭДС в вентильном режиме (Uхх = 0,35…0,45 В).

По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют более высокую чувствительность за счёт внутреннего усиления фототока базы. Однако одновременно они имеют бльшую ёмкость перехода база – коллектор и меньшее быстродействие.

–  –  –

f1, f2, f3 – множители для учёта зависимости фототока от напряжений диода и затвора, светового потока.

Для учёта влияния напряжения фотодиода на величину фототока, которое возникает из-за изменения толщины обеднённой области, в выражение (4) введён множитель f1(VAC), задаваемый следующим выражением:

–  –  –

В главе 4 приведены результаты использования разработанных в диссертации моделей КНИ/КНС КМОП-элементов в практике проектирования радиационностойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ/КНС.

Радиационно-стойкие КНИ/КНС КМОП ИС и БИС.

В данном разделе приведены примеры использования разработанных моделей при выполнении ряда НИР и ОКР с предприятиями Росатома и Роскосмоса в процессе проектирования аналоговых и цифровых КНИ/КНС КМОП БИС с проектными нормами 1–3 мкм для КНС и 0,5–0,35 мкм для КНИ с учётом фактора суммарной поглощённой дозы. Исследование стойкости проектируемой элементной базы выполнялось диссертантом в несколько этапов: 1) проведение облучения и измерение электрических характеристик тестовых КНИ или КНС МОПТ для различных полученных доз;

2) определение зависимости параметров схемотехнических моделей транзисторов от величины полученной дозы; 3) экспериментальное исследование характеристик интегральной схемы в диапазоне дозы стационарного облучения; 4) схемотехническое моделирование интегральной схемы с учётом стационарного рад. воздействия.

1. Аналоговые фрагменты КНИ КМОП ИС, изготовленные по 1,0 мкм технологии XFAB (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл.). Приведены результаты схемотехнического моделирования источника тока (12 МОПТ) и операционного усилителя (45 МОПТ) с учётом поглощённой дозы. Расчёты проводились в среде HSpice с помощью модели BSIMSOI-RAD с использованием набора параметров, определённых по результатам измерения тестовых транзисторов в диапазоне дозы до 1 Мрад.

В качестве примера на рисунках 14 и 15 приведены результаты расчёта характеристик источника тока и ОУ для различных значений дозы стационарного облучения.

Погрешность моделирования не хуже 25% во всём диапазоне дозы.

Работа выполнена в рамках ОКР «Прототип».

Av Av0 Iout Iout 0 1,2 1,2 Эксперимент 1,0 1,0 Моделирование

–  –  –

2. Радиационно-стойкий прецизионный ОУ с автокоррекцией нуля, изготовленный на базе КНС КМОП-технологии (L = 3,0 мкм) (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл.). При моделировании схемы ОУ использовались макромодели для КНС КМОП-транзисторов на основе EKV-RAD с учётом радиационных и тепловых эффектов; параметры макромоделей были определены по результатам измерения характеристик тестовых КНС МОП-транзисторов. Макромодели обеспечивают погрешность моделирования ВАХ транзисторов не хуже 15% в диапазоне температуры

-40…+65 °C и суммарной дозы до 1 Мрад.

Проведённые испытания образцов усилителя на дозовое и температурное воздействие показали, что дрейф нуля не превышает 0,2 мкВ/ °C в диапазоне температуры –40…+65оС и суммарной дозы в диапазоне до 1 Мрад. Полученные параметры подтвердили корректность использованных макромоделей.

Работа выполнена в рамках ОКР «Угра-МИЭМ».

3. Цифровые фрагменты 0,5 мкм КНИ КМОП БИС статического ОЗУ (512 кбит) (ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС», г. Н. Новгород).

Проведено экспериментальное исследование характеристик тестовых 0,5 мкм КНИ КМОП транзисторов в диапазоне суммарной поглощённой дозы до 1,5·106 ед.

Определены зависимости параметров схемотехнической модели транзистора BSIMSOI-RAD от величины полной поглощённой дозы в диапазоне доз до 1,5·106 ед.

Разработана библиотека моделей, позволяющая учесть деградацию параметров КНИ КМОП транзисторов после суммарной полученной дозы. Библиотека включена в стандартные пакеты Spectre и UltraSim системы Cadence.

Проведены экспериментальные исследования электрических характеристик следующих фрагментов: схема блока управления с макросом ячеек, схема усилителя записи, схема блока ячеек памяти с мультиплексором и трактом записи – считывания, схема усилителя считывания, схема блока записи в ячейки памяти.

Проведено схемотехническое моделирование работы основных узлов и всей БИС с использованием разработанной библиотеки в пакете UltraSim с учётом суммарной поглощенной дозы до 3·105 ед. Результаты удовлетворительно совпадают с результатами эксперимента, что свидетельствует о возможности прогнозирования стойкости фрагментов цифровых схем на основании результатов их моделирования с помощью подобных библиотек. Методом моделирования выявлены наименее стойкие узлы БИС, с использованием разработанной библиотеки проведена коррекция схемотехнических решений этих узлов для повышения радиационной стойкости всей БИС ОЗУ 512 кбит.

Работа выполнена в рамках НИР «Модель-МИЭМ».

4. Аналоговые узлы 0,35 мкм КНИ КМОП БИС (ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС», г. Н. Новгород). С помощью разработанной библиотеки моделей КНИ МОПТ на основе BSIMSOI-RAD, содержащей зависимость основных параметров транзисторов от полученной дозы, проведено моделирование и определены показатели радиационной стойкости различных схемотехнических решений аналоговых узлов: операционного усилителя Rail-to-Rail, ОУ с дифференциальными входами и выходами, компаратора напряжения, источников опорного напряжения, аналогового ключа.

Для примера, на рисунке 16 приведены АЧХ и переходные процессы в ОУ Railto-Rail (35 МОПТ) для различных значений дозы. Путём моделирования было показано, что деградация характеристик ОУ сильно зависит от синфазного напряжения смещения Vсм.

(а) (б) Рисунок 16. Результаты моделирования АЧХ (при Vсм = 5 В) (а) и синусоидальной переходной характеристики (при Vсм = 0; 2,5; 5 В) (б) ОУ при различной дозе На рисунке 17,а приведены переходные процессы включения источника опорного напряжения на 1,25 В. Результаты моделирования показывают, что источник сохраняет работоспособность в диапазоне доз до 1 Мрад, однако с увеличением поглощённой дозы ухудшаются его динамические характеристики (наблюдается более длительное включение). Данная схема была скорректирована с целью уменьшения времени переходного процесса. На рисунке 17,б приведён переходной процесс в скорректированном источнике опорного напряжения при дозе 1 Мрад.

Работа выполнена в рамках НИР «Урал-Т-МИЭМ».

(а) (б) Рисунок 17. Результаты моделирования переходного процесса включения источника опорного напряжения при различной дозе: до (а) и после (б) коррекции схемы Фрагменты фоточувствительных КМОП-ФД БИС. Рассмотрены два фрагмента КНС КМОП-ФД БИС, в которых фоточувствительным элементом является фотодиод обычной конструкции и с управляющим МОП-затвором. Возможности моделей фоточувствительных элементов проиллюстрированы на двух примерах: 1) ячейки КМОП ФД пикселя на основе простого n+–p-фотодиода; 2) однобитной ячейки АЦ преобразователя «освещённость – цифровой код», изготовленных по КМОП КНСтехнологии.

1) 4Т КМОП ФД пиксель с двойной коррелированной выборкой – элемент фоточувств. матрицы (см. рис. 18а). На диаграммах (см. рис. Рисунок 18б) показаны 4 этапа, характерные для работы устройства: (1) сброс, (2) накопление, или экспозиция, (3) считывание начального уровня, (4) считывание накопленного уровня. На этапе экспозиции данный фотодиод получает сигнал, эквивалентный освещённости в 50 мВт/см2 в течение интервала времени 410 нс.

(а) (б) Рисунок 18. Схема (а) и диаграммы работы (б) 4Т КМОП ФД пикселя

2) Однобитный АЦП освещённость – цифровой код. С помощью разработанной модели фотодиода с управляющим МДП-затвором была промоделирована схема однобитного АЦП «освещённость – цифровой код», включающая линейку фотодиодов с управляющим затвором (см. рисунок 19а).

В качестве опорного напряжения в данном случае используется пороговое напряжение КМОПинвертора. Изменяя количество последовательно соединённых диодов, можно обеспечить срабатывание АЦП при заданном уровне освещённости. На рисунке 19б представлена смоделированная передаточная характеристика АЦП при Ucc=3,3 В, на которой показано необходимое количество фотоэлементов, требуемое для переключения Рисунок 19. Схема (а) и передаточная характеристика (б) 1-бит. АЦП освещённость – КМОП-инвертора при различных цифровой код, содержащего 4–16 ФДУЗ уровнях освещённости. Расчёты проведены в практически важном диапазоне освещённости, характерном для дневного света: от 0,5 мВт/см2 для слабого освещения (пасмурная погода) до 50 мВт/см2 и более для яркого освещения.

Заключение Основной результат диссертации заключается в создании двух комплектов SPICE-моделей КНИ/КНС КМОП-элементов: 1) учитывающих радиационные эффекты; 2) учитывающих фотоэлектрические эффекты. Модели обеспечивают достаточную точность (10–20%) описания характеристик элементов, изготовленных по раличным КМОП-технологиям: от длинноканальных приборов с микронными размерами до короткоканальных с субмикронными размерами (до 0,1 мкм) в диапазоне радиационных доз до 2 Мрад и светового потока до 75 мВт/см2для фоточувствительных элементов. Для всех моделей отработана методика полуавтоматизированного определения параметров на основе результатов измерения электрических и фотоэлектрических характеристик тестовых приборов, использующая универсальный экстрактор IC-CAP.

Модели включены в существующие промышленные схемотехнические САПР БИС:

Eldo (Mentor Graphics), Spectre и UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys). Применение разработанных моделей позволяет значительно расширить возможности существующих схемотехнических симуляторов, распространив их на расчёт радиационностойких и фоточувствительных БИС.

Основные научные результаты:

1) Развит макромодельный подход (подключение в эквивалентную схему дополнительных элементов) как метод создания (синтеза) новых SPICE-моделей микроэлектронных компонентов и улучшения существующих моделей за счёт учёта внутренних эффектов в структуре прибора (режимы «плавающего» потенциала, накопление заряда, активные и паразитные резистивно-ёмкостные, диодные и транзисторные структуры и др.), так и эффектов, обусловленных внешними воздействиями (радиация, световое излучение, температура и др.);

2) для построения SPICE-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подвергнутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит единый подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макромоделирования, и введения радиационно-зависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) точность описания статических ВАХ 10–15% и динамических характеристик 15–20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;

3) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L ~ 0,5–0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключения к эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработана методика определения параметров дополнительных элементов;

4) в оригинальной модели EKV, разработанной первоначально для МОПТ на объёмном кремнии, учтён режим плавающей подложки за счёт подключения в эквивалентную схему последовательной диодно-резистивной цепочки и источника напряжения, что позволило применить модель для описания МОПТ со структурой КНИ/КНС;

5) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты. В эквивалентную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитывающие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочей области транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитические зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности, предпорогового наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений характеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;

6) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элементов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-nструктур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структурах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствительный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтоматическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений электрических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.

Основные практические результаты диссертации.

1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характеристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегарад для радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см-2 для фоточувствительных схем;

2) для пользователей в системе IC-CAP разработаны полуавтоматические процедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётом воздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD, позволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизить вероятность человеческой ошибки;

3) проведены оценки разработанных макромоделей по затратам времени на экстракцию параметров и моделирование различных видов электрических характеристик для различных классов схем с учётом дозовых эффектов. При сравнении макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD показано, что при совпадающем наборе учитываемых эффектов и меньшем количестве радиационно-зависимых параметров EKV-RAD имеет более простую процедуру экстракции параметров и требует в среднем меньшее время для моделирования: статических ВАХ на 12%, АЧХ на 18%, переходных процессов на 50%.

Внедрение результатов работы.

1) Схемотехнические SPICE-модели SOI/SOS-MIEM, BSIMSOI-RAD и EKV-RAD были использованы в ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл., в рамках ОКР «Прототип», «Таймыр» и «Угра» при проектировании твердотельных электронных полупроводниковых узлов специализированной электроники (базовых КМОПэлементов цифровой и аналоговой схемотехники) и микросистемотехники – на базе структур «кремний на изоляторе/сапфире» (КНИ/КНС) с учётом воздействия стационарного радиационного излучения и воздействия повышенной температуры;

2) библиотека схемотехнических SPICE-моделей на основе BSIMSOI-RAD для элементов КНИ КМОП СБИС с проектными топологическими нормами 0,5–0,35 мкм с учётом факторов радиационного воздействия и температуры была использована в практических работах предприятия ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС им. Ю. Е. Седакова», г. Н. Новгород (ОКР «Урал-Т», «Модель», «Защита», «Модель-С»), по созданию элементной базы радиационно-стойких КНИ КМОП СБИС: радиационно-стойких цифро-аналоговых БМК; БИС статического ОЗУ на 512 кбит; библиотеки аналоговых узлов и др.;

3) модели МОП-транзисторов и интегральных фотодиодов и методики экстракции их параметров использованы на предприятии ОАО «НПП Пульсар» в работах по моделированию и оптимизации выходных устройств матричных ФПЗС, а также при создании фоточувствительной ячейки матричного КМОП-ФД фотоприёмника.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

– в изданиях, включённых в перечень ВАК:

[1]. Самбурский Л. М. SPICE-модели оптоэлектронных элементов для расчёта фоточувствительных КМОП-ФД БИС // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем» – 2005.– М.: ИППМ, 2005 г. – стр. 196–203;

[2]. K. O. Petrosjanc, L. M. Sambursky Models of optoelectronic devices for simulation with SPICE // Proceedings of SPIE. – 2005. – Vol. 5944. – P. 115–123;

[3]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В., Самбурский Л. М. и др.

Приборно-технологическое моделирование элементной базы КМОП КНИ БИС с учётом факторов радиационного воздействия // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2008». – М.: ИППМ, 2008 г. – стр. 266–271;

[4]. Трёхмерное моделирование радиационных токов утечки в субмикронных МОП-транзисторах со структурой «кремний на изоляторе» / К. О. Петросянц, Е. В.

Орехов, Л. М. Самбурский и др. // Известия вузов. Электроника. – 2010 – № 2(82) – с.

81-83;

[5]. BSIMSOI RAD – макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора для схемотехнического расчёта КМОП БИС с учётом радиационных эффектов / К. О. Петросянц, Л. М. Самбурский и др. // Известия вузов. Электроника. – 2010. – № 5(85). – с. 81-83;

[6]. Компактная макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора, учитывающая радиационные эффекты / Петросянц К. О., Самбурский Л. М., Харитонов И. А., Ятманов А. П. // Известия вузов. Электроника. – 2011. – № 87. – С. 20-28;

[7]. K. O. Petrosyants, L. M. Sambursky, I. A. Kharitonov, A. P. Yatmanov SOI/SOS MOSFET compact macromodel taking into account radiation effects // Russian Microelectronics. – 2011. – Т. 40. – № 7. – с. 457–462;

[8]. K. O. Petrosjanc, E. V. Orekhov, D. A. Popov, I. A. Kharitonov, L. M. Sambursky et al. TCAD-SPICE simulation of MOSFET switch delay time for different CMOS technologies // Proc. of 9th IEEE East-West Design & Test Intl. Symp. (EWDTS'11), Sevastopol, Ukraine, Sept. 2011. — p. 188–190;

[9]. К. О. Петросянц, И. А. Харитонов, Е. В. Орехов, Л. М. Самбурский и др.

Исследование стойкости к воздействию ОЯЧ ячеек КНИ КМОП ОЗУ методами смешанного 3D TCAD-SPICE моделирования // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2012. – С. 413-418;

[10]. K. O. Petrosyants, I. A. Kharitonov, L. M. Sambursky Hardware-Software Subsystem for MOSFETs Characteristic Measurement and Parameter Extraction with Account for Radiation Effects // Adv. Materials Research. – 2013. – Vol. 718–720. – p. 750-755;

– в изданиях, не входящих в перечень ВАК:

[11]. Самбурский Л. М. Проектирование блоков АЦП спец-ЭВМ на базе КМОП КНС БИС // «Микроэлектроника и информатика – 2003», 10-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов. Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2003 г. – стр. 90;

[12]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Компактные модели МОПТ со структурой КНИ для схемотехнических расчётов // Тезисы докладов II-ой Всероссийской дистанционной НТК «Электроника». – М., МИЭТ, 2003. – С. 69–70;

[13]. Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Определение параметров моделей МОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2004 г. – стр. 447-449;

[14]. Самбурский Л. М. Моделирование КНИ/КНС КМОП БИС с учётом воздействия радиации // «Микроэлектроника и информатика – 2004», 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов. Тез. докл.. – М.: МИЭТ, 2004 г. – стр. 95;

[15]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Модель КНС МОПтранзистора, учитывающая воздействие радиации // «Электроника, микро- и наноэлектроника». Сб. научн. трудов. – М.: МИФИ, 2004 г. – стр. 267-272;

[16]. Петросянц К. О., Самбурский Л. М. Учёт статических эффектов плавающей рабочей области в неполностью обеднённых КНИ/КНС МОПТ // Электроника, микро- и наноэлектроника. Тр. конф. – М.: МИФИ, 2005. – С. 59–62;

[17]. Самбурский Л. М. Обзор методов экстракции параметров моделей МОПтранзисторов, изготовленных по технологии КНИ/КНС // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2006 г. – стр. 34–35;

[18]. Petrosjanc K. O., Sambursky L. M., Yatmanov A. P. Comparison of Commercial Parameter Extraction Tools for Spice SOI MOSFET Models // Proc. of 5th IEEE EastWest Design & Test Intl. Symp. (EWDTS'07), Yerevan, Armenia, Sept. 2007, p. 69–72;

[19]. Petrosjanc K. O., Kharitonov I. A., Orekhov E. V., Sambursky L. M, et al. A Compact SOI/SOS MOSFET Macromodel Accounting for Radiation Effects // там же, p. 360;

[20]. Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Использование комплекса ICCAP для экстракции параметров КНИ/КНС МОПТ // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2008 г. – стр. 378-379;

[21]. Прокофьев Г. В., Богатырёв В. Н., Поварницына З. М., Чёрный А. И., Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. Исследование радиационной стойкости к накопленной дозе рентгеновского излучения интегральных датчиков Холла на структурах «кремний на изоляторе» // Российская НТК «Элементная база космических систем». Сб. тр., 2008, Сочи, с. 132;

[22]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В., Самбурский Л. М. и др.

Комплексное исследование радиационной стойкости интегральных схем космического назначения // Отраслевая НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы – 2008». Тез докл., г. Королёв Моск. обл., 2008, с. 41;

[23]. Прокофьев Г. В., Богатырёв В. Н., Поварницына З. М., Чёрный А. И., Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Исследование рад. стойкости интегральных датчиков Холла на структурах «кремний на изоляторе» // там же, с. 42;

[24]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Исследование характеристик элементной базы аналоговых КНИ КМОП схем, изготовленных по технологии XFAB, с учётом суммарной поглощённой дозы // «Электроника, микро- и наноэлектроника». Сб. научных трудов – М.: МИФИ, 2009 г. – с. 57–66;

[25]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Влияние суммарной поглощённой дозы на характеристики элементной базы КНИ КМОП БИС ОЗУ // Российская НТК «Элементная база космических систем». Сб. тр.. 2009. – с. ;

[26]. Simulation of Radiation Effects in SOI CMOS Circuits with BSIMSOI-RAD macromodel / Petrosjanc K. O., Kharitonov I. A., Orekhov E. V., Sambursky L.. M, Yatmanov A. P. // Proc. of 7th IEEE East-West Design & Test Intl. Symposium (EWDTS'09), Moscow, Russia, Sept. 2009. – p. 243–246;

[27]. К. О. Петросянц, Е. В. Орехов, Л. М. Самбурский и др. Трехмерное моделирование радиационных токов утечки в субмикронных КНИ МОП-транзисторах c различной топологией // «Электроника, микро- и наноэлектроника». Сб. научных трудов. – М.: МИФИ, 2010 г. – с. 84–89;

[28]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Анализ влияния суммарной поглощённой дозы на характеристики элементной базы КНИ КМОП БИС ОЗУ // там же – с. 90–95;

[29]. З.М. Поварницына, В.П. Яромский, Е.С. Сельков, О.А. Хотькова, В.Н. Богатырев, Г.В. Прокофьев, Д.Г. Крылов, А.И. Черный, К.О. Петросянц, И.А. Харитонов, Е.В. Орехов, Л.М. Самбурский Разработка конструктивно-технологических решений, моделирование и испытания образцов базовых элементов АЦ схемотехники на КМОП КНС-структурах // III Всероссийская НТК «Актуальные проблемы ракетнокосмического приборостроения и информационных технологий» – Сб. тр. –г. Москва, 2010;

[30]. Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. и др. Определение параметров электрической подсхемы, подключаемой к SPICE модели МОП транзистора для учета влияния отдельных ядерных частиц // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научных трудов. – М.: МИФИ, 2011. – С. 8-15;

[31]. К. Консбаев, Л. М. Самбурский Разработка системы автоматизации измерений характеристик и экстракции радиационных параметров макромодели КНИ/КНС МОП-транзисторов // Научно-техническая конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – 2012. – С. 358-359;

[32]. Е. С. Дрозденко, Л. М. Самбурский Аппаратно-программный комплекс для параметрического и функционального контроля фрагментов АЦ/ЦА БИС // там же – С. 348-349;

[33]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Макромодель EKV-RAD для КНИ/КНС МОП-транзисторов, учитывающая радиационные эффекты // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. науч. тр. – М.: МИФИ, 2012. – С. 8–20;

[34]. Simulation of Total Dose Influence on Analog-Digital SOI/SOS CMOS Circuits with EKV-RAD macromodel / K. O. Petrosyants, I. A. Kharitonov, L. M. Sambursky et al.

// Proc. of 10th IEEE East-West Design & Test Intl. Symposium (EWDTS'12), Kharkov, Ukraine, Sept. 2012. – P. 60–65;

[35]. Определение параметров SPICE-модели КНС МОП-транзисторов для проектирования аналоговых и цифро-аналоговых специализированных интегральных схем для радиационно-стойкой аппаратуры / К. О. Петросянц, И. А. Харитонов, Л. М.

Самбурский и др. // Тезисы докладов Отраслевой НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы – 2012», г. Королёв, Моск. обл., 20–21 сентября 2012 г. – С. 54–56;

[36]. Петросянц К. О., Самбурский Л. М. SPICE-модели фотодиодов и фототранзисторов для расчёта КНС КМОП фоточувствительных ячеек // «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». Материалы XI научнотехнической конф., г. Дубна, Моск. обл., окт. 2012 г. – С. 116–121.

[37]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В, Самбурский Л. М., Ятманов А. П. Моделирование влияния паразитного биполярного транзистора на механизм одиночных сбоев ячейки памяти КНИ КМОП ОЗУ // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научных трудов. – М.: МИФИ, 2012. – С. 21–32;

[38]. Самбурский Л. М. Моделирование перекрёстных электрических помех в КМОП-ФД матрице // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. Тезисы докладов., М. МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013, с. 261-262;

[39]. Проектирование рад.-стойкого прецизионного усилителя на базе КНС КМОП технологии / Петросянц К.О., Богатырев В.Н., Гоманилова Н.Б., Поварницына З.М., Щёкин А.А., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. науч. тр. / Под ред. В.Я. Стенина. – М.: НИЯУ МИФИ, 2013. – с. 296-302;

[40]. Сравнительный анализ SPICE-моделей КНИ/КНС МОПТ для учёта рад.

эффектов / Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. // там же – с. 303-309;

[41]. Л. М. Самбурский, А. С. Мокеев, А. Н. Мансуров Схемотехническое моделирование элементной базы КМОП КНИ БИС // Сб. трудов VII научно-технической конференции «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» (принято в печать);

Список цитируемой литературы [42]. Petrosjanc K. O., Adonin A. S., Kharitonov I. A., Sicheva M. V. SOI Device Parameter Investigation and Extraction for VLSI Radiation Hardness Modeling with SPICE // Proc. IEEE Intl. Conf. on Microelectronic Test Structures. – 1994. – Т. 7. – С. 126–129;

[43]. Петросянц К. О., Харитонов И. А. Модели МДП и биполярных транзисторов для схемотехнических расчётов БИС с учётом радиационного воздействия // Микроэлектроника РАН. – 1994. – Т. 23. – №. 1. – С. 21-34.

[44]. Данилов И. А. и др. Разработка программных средств моделирования ИМС с повышенной стойкостью к внешним воздействующим факторам космического пространства //Информационные. системы и технологии. – 2011. – Т. 63. – №. 1;

[45]. Gorbunov M. S. et al. Verilog-A Modeling of Radiation-Induced Mismatch Enhancement // IEEE Transactions. on Nuclear. Science. – 2011. – Т. 58. – №. 3. – С. 785Кокин С.А. и др. Разработка математической и программной модели транзистора для радиационно-стойкой технологии 0.8 КНС // Материалы Научнопрактического семинара «Проблемы создания специализированных рад.-стойких СБИС на основе гетероструктур». – г. Н. Новгород, 2012 г.;

[47]. J. Alvarado, E. Boufouss, V. Kilchytska, D. Flandre Compact model for single event transients and total dose effects at high temperatures for partially depleted SOI MOSFETs // Microelectronics. Reliability. – 2010. – Т. 50. – С. 1852–1856;

[48]. Bu Jianhui, Bi Jinshun, Liu Mengxin, Han Zhengsheng A total dose radiation model for deep submicron PDSOI NMOS // Journal of Semiconductors. – 2011. – Т. 32. – № 1. – С. 014002-1 – 014002-3;

[49]. Afzalian A. et al. Design of Thin-Film Lateral SOI PIN Photodiodes with up to Tens of GHz Bandwidth /Adv. in Photodiodes, Ed. G. F. Dalla Betta. – InTech Press, 2011;

[50]. Andreou A. G. et al. Silicon on sapphire CMOS for optoelectronic microsystems //Circuits and Systems Magazine, IEEE. – 2001. – Т. 1. – №. 3. – С. 22-30;

[51]. Zheng Y. et al. Phys. model of lateral PIN photodiode gated by a transparent electrode fabr. on SOI film //Optics and Photonics Letters 2009. – Т. 2. – №. 01. – С. 15-20;

[52]. Xie H. et al. Analysis and simulation of lateral PIN photodiode gated by transparent electrode fabricated on fully-depleted SOI film //Journal of Central South University of Technology. – 2011. – Т. 18. – С. 744-748;

[53]. Afzalian A. et al. Physical modeling and design of thin-film SOI lateral PIN photodiodes // IEEE Trans. on Electron Devices,. – 2005. – Т. 52. – №. 6. – С. 1116-1122;

Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра радиотехнических устройств А.И.Конойко УСТРОЙСТВА ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Часть 1 Учебное пособие для студентов специа...»

«1. ТАБЛИЦЫ СООТВЕТСТВИЯ СВИНЦОВЫХ МУФТ 1.1. МУФТЫ СВИНЦОВЫЕ ПРЯМЫЕ (СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ) ДЛЯ БРОНИРОВАННЫХ КАБЕЛЕЙ Источники: справочники издания 1967 и 1968 годов; "Указания по строительству междугородных кабельных линий связи", утверждённые 27.07.1970 года. Таблица...»

«ВСЕМИРНЫЙ ФОНД ПРИРОДЫ УДК 91.504 № госрегистрации 01201280731 Инв. № 3 "УТВЕРЖДАЮ" Директор к.б.н., академик РАЕН И. Е. Честин "18" октября 2013 г. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ В рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогическ...»

«ISSN 2074-7888, Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія: "Проблеми моделювання та автоматизації проектування" № 1 (10)-2(11), 2012 УДК 004.274 А.А. Баркалов1(д-р. тех. наук., проф.), Л.А. Титаренко1 (д-р. тех. наук., проф.), К.Н. Ефим...»

«Основные термины и понятия.• Очистка – процесс, предполагающий удаление всех посторонних материалов (загрязнений органической и неорганической природы) с обрабатываемой поверхности. Достигается при помощи вод...»

«Источник публикации М., Стандартинформ, 2008 Примечание к документу Введен в действие с 1 января 2009 года с правом досрочного применения Приказом Ростехрегулирования от 27.12.2007 N 424-ст Текст документа Утвержден Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. N...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" ПРОГРАММА ПРОФИЛЬНОЙ ДОПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ П...»

«2.  Иванов В.В., Петров Б.И., Плетнев К.И.  Территории  высокой  концентрации  научно-технического  потенциала  в  странах  ЕС.  –  М.:  СКАНРУС, 2001. – 179 с.  3. Семенидо Т.В. Региональная инновационная ...»

«ISSN 2075-9908 Историческая и социально-образовательная мысль. 2012. № 5 (15) УДК 81’371 Климентьева Амина Даниловна Klimentyeva Amina Danilovna преподаватель кафедры английского языка Lecturer of the Departmen...»

«МЕТОДИКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ УПРАВЛЯЕМЫХ ДТЭК 1 Назначение и цели процесса Производственные испытания СИЗ – экспериментальное определение качественных характеристик средств индивидуальной защиты в условиях производства...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Кафедра физики ФИЗИКА Методические указания и контрольные задания по физике для студентов заочного отделения всех специальностей. Механика. Молекулярная физик...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.