Введение к работе
Актуальность темы: Радиационно стойкие схемы широко применяются в средствах связи, телекоммуникаций, космической и ядерной технике, оборудовании АЭС. Источниками радиации являются: космическое излучение, излучение земной поверхности, ускорители, рентгеновские и другие установки.
В настоящее время для создания радиационно стойких схем наиболее широко используются МДП схемы, выполненные на диэлектрической подложке - кремний на монокристаллическом сапфире ("КНС") и кремний на двуокиси кремния ("КНИ"). Их использование в технике специального назначения связано с целым рядом уникальных свойств таких приборов, отсутствующих у традиционных устройств аналогичного класса, выполненных на объемном кремнии:
уменьшенные токи утечки и паразитные емкости;
уменьшенные эффекты короткого канала и горячих носителей;
возможность создания на их основе трехмерных ИМС;
большая скорость переключения;
- стойкость к воздействию импульсного излучения и "одиночных сбоев",
вызываемых прохождением тяжелых заряженных частиц;
- отсутствие "защелкивания" в КМДП структурах.
В настоящее время над промышленным освоением КНИ-технологии работают десятки ведущих зарубежных фирм. Среди них - Canon, Fujitsu, Hitachi, Matsushita, NEC, NTT, Toshiba, Mitsubishi, AT&T, Hewlett-Packard, IBM, Motorola, RCA, Texas Instruments, Harris Semiconductor, British Telecom и др. Лучшие образцы таких схем имеют стойкость к общей дозе облучения 105-10е рад; к импульсному воздействию 1010-10п рад/с; уровень бессбойной работы под действием космического излучения 109 сбой/бит в сутки.
Производством радиационно стойких схем на сапфировой подложке занимается ряд крупных фирм: GEC Pleassey Semiconductor, GE/RCA Solid State, Rockwell (США), Harris Semiconductor, MEDL (Великобритания) и др. Например, семейства HCS/HCTS схем фирмы GE/RCA имеют гарантированный уровень стойкости к общей дозе облучения 2 105 рад, а отдельные типы ИС имеют стойкость до 106 рад. Стандартные и заказные схемы серии MACROSOS фирмы MEDL работают
на частоте до 70 МГц, имеют задержку на вентиль 1.2 не и имеют стойкость к суммарной дозе до 106 рад, стойкость к импульсному излучению более 1010 рад/сек и уровень сбоев при воздействии космического излучения менее 10"9 сбой/бит в сутки.
Традиционные методы разработки и испытания радиационно стойких схем сложны, дороги, громоздки вследствие большого числа дорогостоящих экспериментов. Использование средств САПР и математического моделирования чрезвычайно важно для упрощения и удешевления процесса разработки. Анализ на ЭВМ позволяет сократить сроки и затраты при проектировании, обеспечить расчет схемы при различных уровнях радиационного воздействия и при различных параметрах схемы.
Применительно к обычным схемам, выполненным в "объемном" кремнии, разработаны методы проектирования и существуют эфективные системы САПР, способные решать очень широкий круг задач, возникающих при проектировании электронной аппаратуры, в частности, хорошо известны такие мощные универсальные системы проектирования, как MENTOR GRAPHICS, CADENCE, SYNOPSYS и др. Попытки учесть влияние радиационных эффектов на работу ИС сделаны в различных версиях известной программы схемотехнического проектирования PSPICE . К сожалению, полученные в упомянутых примерах результаты являются пока единичными и имеют крайне ограниченное применение.
В ряде ведущих мировых фирм, таких как Rockwell, Harris, RCA, Medl и др. интенсивно ведутся работы по созданию специализированных систем проектирования радиационно стойких ИС. Однако, эффективность их применения при создании ИС и БИС с повышенной радиационной стойкостью в настоящее время достаточно низка из-за отсутствия точных и экономичных с точки зрения вычислительных затрат радиационных моделей МДП-транзисторов, в том числе, со структурой КНС/КНИ. Публикации по этому вопросу малочисленны и часто носят противоречивый характер. Поэтому создание специализированных схемотехнических моделей для разработки радиационно стойких ИС и БИС, вообще, и на диэлектрической подложке, в частности, является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы - разработка и исследование схемотехнических моделей элементов радиационно стойких МДП БИС. Цель достигается путем решения следующих задач:
разработка новых и совершенствование существующих схемотехнических моделей элементов МДП схем, изготовленных на диэлектрической подложке, с учетом важнейших факторов радиационного воздействия;
разработка методик и программ определения параметров предлагаемых моделей по результатам измерений на тестовых структурах и данных радиационных испытаний;
внедрение всей совокупности разработанных моделей и методик в практику
проектирования для разработки радиационно стойких схем, выпускаемых ведущими отечественными фирмами;
- поиск новых схемотехнических решений, обеспечивающих повышение
стойкости разрабатываемых схем без дорогостоящих изменений в
технологии изготовления.
Научная новизна работы:
1. Разработаны схемотехнические модели МДП транзисторов со структурой КНС/КНИ. В уравнениях модели используются модифицированные выражения для дрейфовой и диффузионной составляющих тока стока, обеспечивающие непрерывное описание ВАХ транзисторов в предпороговой области работы, что повышает точность и эффективность расчетов. Для анализа перспективных МДП транзисторов с субмикронными размерами (Цл>0.25мкм), выполненных по КНИ технологии, разработан вариант модели с использованием модели BSIM2. Введенные в модели дополнительные схемные элементы обеспечивают учет в аналитическом виде основных физических эффектов в МДП транзисторах на диэлектрической подложке:
плавающий потенциал подложки;
статический кинк-эффект на выходных характеристиках;
биполярный эффект;
накопление заряда в подложке и изменение ее потенциала во время переходных процессов.
Разработана методика определения параметров моделей КНС/КНИ МДП транзисторов по результатам измерений на тестовых структурах.
-
Получены и введены в модели зависимости порогового напряжения, подвижности, коэффициента наклона ВАХ в предпороговой области от дозы стационарного облучения. Модели дополнены схемными элементами, учитывающими паразитные токи утечки при стационарном облучении, фотоотклики при импульсном облучении, отклики при воздействии отдельных ядерных частиц. Разработана методика определения параметров моделей по результатам электрических измерений на тестовых структурах и данных радиационных испытаний с использованием математического аппарата параметрической идентификации.
-
С помощью разработанных моделей исследован сдвиг порогового напряжения и уменьшение крутизны МДП транзисторов при облучении в зависимости от уменьшения длины канала, толщины подзатворного окисла, увеличения концентрации примеси в подложке, что позволило по сравнению с ранее известными работами дать более точные оценки радиационной стойкости элементов КМДП БИС при уменьшении их размеров до 0.25 мкм.
4. С использованием разработанных моделей исследованы
характеристики новых схемотехнических решений ячеек памяти КМДП
КНС/КНИ ОЗУ, обеспечивающие повышенную радиационную стойкость.
Показано, что включение дополнительной RC-цепи между выходами ячейки
повышает устойчивость к импульсному излучению более, чем на порядок, а
дополнительных RC-элементов в цепи обратной связи - в 6-8 раз.
Практическая значимость результатов работы.
1. Разработанная в диссертации функционально полная библиотека моделей МДП элементов радиационно стойких "объемных" и КНС/КНИ КМДП схем, выпускаемых и разрабатываемых отечественными предприятиями, включена в стандартные системы схемотехнического проектирования БИС на основе PSPICE и Mentor Graphics и совместно с разработанными алгоритмами расчета и программными средствами позволяют эффективно решать широкий спектр задач, связанных с разработкой радиационно стойких МДП БИС, в том числе:
- идентификации параметров схемотехнических моделей МДП-элементов схем, изготовленных по различным технологиям, по результатам измерений их характеристик на тестовых структурах и радиационных испытаний;
расчета характеристик радиационной стойкости различных схемотехнических вариантов ИС и БИС;
предсказания электрических характеристик и характеристик радиационной стойкости фрагментов КМДП ИС и БИС, изготовленных по перспективным технологиям.
2. Проанализирован ряд конструктивно-технологических вариантов
элементной базы и фрагментов МДП-схем с повышенной радиационной
стойкостью, выпускаемых и разрабатываемых отечественной
промышленностью, и даны рекомендации по улучшению их радиационной
стойкости, в частности, для:
цифровых КМДП КНС БМК на 2300 вентилей;
КМДП КНС ОЗУ Б1620;
схем микропроцессорного набора Б1825;
ЦАП и АЦП Б606, Б605, Б618,
Проведены оценки возможностей новых перспективных конструкций, в частности: перспективного КНС БМК на 3000 вентилей и схем памяти ОЗУ с повышенной стойкостью к импульсному воздействию.
3. Использование разработанных моделей и баз данных по параметрам
МДП- элементов в составе специализированных подсистем проектирования
радиационно стойких схем позволяет оптимизировать схемотехнические
решения фрагментов МДП ИС и БИС, повышающие их радиационную
стойкость, на стадии проектирования.
В итоге это приводит к существенному уменьшению числа дорогостоящих экспериментов, к сокращению сроков и стоимости и повышению качества проектирования радиационно стойких МДП ИС и БИС.
Реализация результатов работы.
Внедрение всей совокупности научных и практических результатов диссертации осуществлено в АОНПП "Сапфир".
Отдельные результаты работы использованы в ГУП НТП "Пульсар", в/ч 10555, в/4 35533.
Апробация работы.
Результаты, полученные в диссертации, прошли всестороннее обсуждение
и получили положительную оценку научных работников вузов и
учреждений РАН и специалистов промышленности, занимающихся
разработкой, производством и применением элементной базы
радиационно стойкойкой аппаратуры.
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и научно-технических совещаниях:
-
Всесоюзном совещании молодых ученых и специалистов "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем" .Москва 1987;
-
Всесоюзной школе-семинаре "Методы искусственного интеллекта в САПР" (Москва 1990),
-
Международной конференции по тестовым структурам ШЕЕ ICMTS, Барселона, Испания, март 1993;
-
Международной конференции по тестовым структурам IEEE ICMTS Сан-Диего, США, март 1994;
-
Международной конференции по тестовым структурам IEEE ICMTS, Нара, Япония, март 1995;
-
Российской конференции с участием зарубежных ученых "МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 94", Звенигород 1994,
-
IX научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, май 1997;
-
Конференции "Электроника и информатика 97", Зеленоград, ноябрь 1997.
-
Научной сессии "МИФИ-98", Москва, январь 1998.
а также были представлены на выставке Edit'96 II Международного конгресса Юнеско "Информатика и образование", Москва, 1996. Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из которых 8 статей в научных журналах и 7 тезисов докладов научно-технических конференций.
Структура и объем работы.
