Введение к работе
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 фото приёмных 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 радиационно-стойких 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: Т. Р. Ма, Р. V. Dressendorfer, Т. 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 С, 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 С, 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 макромо-дельному подходу.
2. Модели фоточувствительных элементов БИС. Разработке схемотехнических
моделей фоточувствительных п/п приборов и элементов ИС посвящены работы Горо
хова 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 освещен 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 мо
делей 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 TCAD-моделирования.
Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование компактных SPICE-моделей элемен-
тов 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:
-
разработка новых и совершенствование существующих схемотехнических моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, учитывающих факторы радиационного и светового воздействия за счёт применения макромодельного подхода;
-
разработка методик определения параметров моделей КМОП-элементов со структурой КНИ/КНС по результатам измерений их электрических, радиационных и фотоэлектрических характеристик;
-
разработка полу автоматизированного 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;
-
включение разработанных и усовершенствованных моделей в существующие промышленные программы схемотехнического расчёта БИС;
-
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.
-
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 радиапионно-зависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) точность описания статических В АХ 10-15% и динамических характеристик 15-20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;
-
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;
-
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;
-
разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элементов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе р-n- и p-i-n-структур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структурах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствитель-
ный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтоматическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений электрических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов. Практическая значимость работы.
-
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" для фоточувствительных схем;
-
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;
-
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.
-
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 КМОП-элементов 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;
-
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.
-
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;
-
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;
-
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;
-
макромодели фоточувствительных элементов КМОП-ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе р-n- и р-і-п-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.
-
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 ІАС06. - 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 ракетно-космического 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.
