Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Многоуровневое моделирование дозовых эффектов в приборах кни КМОП технологии 16
1.1. Постановка задачи 16
1.2. Технология «кремнии на изоляторе» (КНИ) 17
1.2.1. Изготовление пластин КНИ 20
1.2.2. Особенности технологии 0,5 мкм КНИ КМОП технологической линии НИИСИ РАН 25
1.2.3. Основные топологические варианты реализации КНИ транзисторов 25
1.3. Изоляция элементов субмикронных ИМС 27
1.3.1. Диэлектрическая изоляция типа LOCOS 30
1.3.2. STI (Shallow Trench Isolation, диэлектрическая изоляция мелкими канавками) 31
1.4. Дозовые эффекты 33
1.4.1. Деградация подвижности и подпорогового размаха характеристики 34
1.4.2. Сдвиг порогового напряжения 35
1.4.3. Радиационно-индуцированные токи утечки 37
1.4.4. Влияние электрического поля в оксидах и геометрии канала на образование токов утечки
1.5. Разделение боковой и донной составляющей токов утечки 45
1.5.1. Разработка тестовых структур и определение режимов измерения 45
1.5.2. Анализ ВАХ 48
1.6. Физическое моделирование радиационно-индуцнрованных токов утечки 53
1.7. Получение параметров для SPTCE моделирования токов утечки 60
1.8. Схемотехническое моделирование радиационно-индуцированных токов утечки на основе подсхем 63
1.9. Выводы 66
ГЛАВА 2. Конструктивно-топологические решения для ИМС, применяемых в условиях воздействия ионизирующего излучения 67
2.1. Постановка задачи 67
2.2. Обзор .методов борьбы с раднационно-нндуцированными токами утечки 69
2.2.1. Технологические методы борьбы с токами утечки. Влияние разброса пара техпроцесса 70
2.2.2. Топологические методы, используемые в объёмной КМОП технологии 74
2.3. Особенности транзисторов с контактом к телу Л- и Н-типа 86
2.4. Математическая модель для получения SPICE-иарамегров транзисторов Л- и Н-типов 91
2.4.1. Коррекция эффективной ширины канала Н-транзистора 91
2.4.2. Коррекция эффективной ширины канала А-транзистора 94
2.4.3. Получение SPICE-параметров, определяющих статические ВАХ А- и Н транзисторов...96
2.4.4. Получение SPICE-параметров, определяющих динамические характеристики А- и Н-транзисторов 97
2.5. Выводы 102
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование чувствительности элементов кни кмоп имс к дозовым эффектам 103
3.1. Постановка задачи 103
3.2. Методика измерения порогового напряжения и крутизны 103
3.3. Испытания тестовых структур на дозовое воздействие 107
3.4. Результаты испытаний транзисторов : 109
3.4.1. Кольцевые транзисторы 109
3.4.2. Транзисторы с плавающим телом (F-типа) 113
3.4.3. Транзисторы А-типа 113
3.4.4. Транзисторы Н-типа 114
3.5. Обсуждение результатов испытаний 116
3.6. Выводы 117
ГЛАВА 4. Схемотехническое моделирование дозовых эффектов в КНИ КМОП ИМС 119
4.1. Постановка задачи 119
4.2. Концепция многоуровневого моделирования 120
4.3. Метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов 123
4.4. Результаты моделирования 125
4.4.1. DC анализ: разброс значений порогового напряжения 126
4.4.2. DC анализ: источник опорного напряжения типа Bandgap 135
4.4.3. Анализ во временной области: кольцевые генераторы 136
4.4.4. АС анализ: операционный усилитель 137
4.5. Выводы 139
Заключение 141
Литература 143
- Влияние электрического поля в оксидах и геометрии канала на образование токов утечки
- Технологические методы борьбы с токами утечки. Влияние разброса пара техпроцесса
- Получение SPICE-параметров, определяющих динамические характеристики А- и Н-транзисторов
- Метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
К микроэлектронным изделиям с длительным сроком функционирования в условиях действия ионизирующего излучения (ИИ) предъявляется ряд специфических требований, к числу наиболее значимых из которых можно отнести малое энергопотребление, малые габаритные размеры, широкий диапазон рабочих температур, высокая радиационная стойкость. В сочетании со сложностью (числом элементов) современных СБИС и их рабочими частотами выполнение указанных требований накладывает жесткие ограничения на схемотехнические, конструкционные и технологические решения таких изделий. Одним из перспективных технологических направлений является развитие технологии «кремний на изоляторе» (КНИ).
Можно выделить несколько основных дозовых эффектов, характерных для современных КМОП технологий [1,2]:
• радиационно-индуцированные токи утечки;
• радиационно-индуцированный сдвиг порогового напряжения;
• радиационно-индуцированная деградация крутизны (подвижности) и подпо-рогового размаха передаточной характеристики.
Эти явления известны как эффекты полной дозы (Total Ionizing Dose (TID) Effects) и связаны с накоплением заряда в изолирующих оксидах и поверхностных состояний на границе раздела Si-SiCb [1-3].
В современных транзисторах с толщиной подзатворного оксида несколько нанометров накопление зарядов и поверхностных состояний даже при облучении с дозами 1 Мрад (S1O2) незначительно. Ыадпороговая вольтамперная характеристика (ВАХ) таких транзисторов практически не изменяется при таких дозах, а основной эффект дозовой деградации выражается в увеличении на несколько порядков подпороговых токов утечки. Радиационно-индуцированные токи утечки вызываются зарядом, захваченным в толстых слоях оксидов боковой и донной изоляции современных транзисторов КНИ КМОП технологии. Существуют технологические и конструктивно-топологические методы повышения стойкости интегральных микросхем (ИМС) к дозовым эффектам. Технологические методы предполагают внесение изменений в техпроцесс, а конструктивно-топологические методы позволяют повысить радиационную стойкость в рамках существующей коммерческой технологии. Неотъемлемой частью процесса создания таких методов является моделирование, которое, в силу сложности объекта, имеет многоуровневый характер и базируется на физическом и схемотехническом уровнях описания. Физический уровень моделирования описывает процессы деградации в материалах, структурах и приборах, поставляя выходные данные, которые могут использоваться как входные параметры для схемотехнического моделирования с использованием стандартных систем автоматического проектирования (САПР).
Кроме того, при проектировании радиационно-стойких ИМС разработчику требуется удобный инструмент, встроенный в стандартный маршрут проектирования и совместимый со стандартными коммерческими средствами САПР. Остаётся ряд нерешенных задач, к главным из которых относятся: . Задача физического и схемотехнического моделирования радиационно-индуцированных токов утечки в транзисторах КНИ КМОП технологии и связанных с ними механизмов накопления и отжига захваченного заряда в толстых слоях краевой и донной изоляции. . Разработка и развитие конструктивно-топологических методов повышения радиационной стойкости КНИ КМОП ИМС. . Определение параметров чувствительности КНИ КМОП ИМС к воздействию стационарного ионизирующего излучения в реальных условиях космического пространства, основываясь на результатах наземных испытаний. Для смешанных (аналого-цифровых) ИМС растёт роль разброса параметров элементов, усиленного воздействием ионизирующего излучения [4]. Основной материал предлагаемой диссертации посвящен разработке и развитию методов схемотехнического моделирования и экспериментального исследования дозовых эффектов в транзисторах КНИ КМОП технологии различной топологической реализации.
Цель диссертации заключается в развитии методов и создании средств физического и схемотехнического моделирования работы КНИ КМОП ИМС в условиях воздействия ионизирующего излучения (ИИ) в различных электрических режимах.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
. Разделение составляющих радиационно-индуцированной утечки, позволяющее на основе анализа экспериментальных данных определить направление оптимизации с целью подавления этого эффекта. . Разработка математической модели, позволяющей определить SPICE параметры КНИ транзисторов, с учётом влияния контакта к телу. . Анализ эффективности различных топологических вариантов реализации КНИ МОП-транзисторов в зависимости от геометрии канала и электрического режима при облучении и выбор на основе анализа оптимального с точки зрения функционального назначения и радиационной стойкости топологического варианта. . Разработка схемотехнических методов моделирования дозовых эффектов, в том числе радиационно-индуцированных токов утечки, в КНИ транзисторах и ИМС, изготовленных по КНИ КМОП технологии, с учётом электрического режима при облучении. . Разработка программных средств, интегрированных в стандартный маршрут проектирования и совместимых с современными коммерческими средствами САПР, позволяющих учитывать дозовые эффекты на этапе схемотехнического проектирования. Методы проведенных исследований. При разработке предложенных в диссертации моделей использовались методы физики приборов, полупроводников и диэлектриков, физические и схемотехнические методы моделирования.
Научная новизна диссертации:
1. Выявлены наихудшие электрические режимы при облучении, в зависимости от геометрии канала и от особенностей создания контактов к телу КНИ транзистора.
2. Определены наиболее эффективные (с точки зрения функционального назначения элемента) топологические методы борьбы с дозовыми эффектами в КНИ КМОП ИМС.
3. Предложена математическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры КНИ транзисторов А- и Н-типа, наиболее широко используемых при проектировании КНИ КМОП ИМС. Модель позволяет учесть влияние контактов к телу КНИ транзистора на статические и динамические характеристики транзистора.
4. Предложен способ схемотехнического моделирования дозовых эффектов на уровне ИМС, учитывающий электрический режим при облучении каждого составляющего ИМС транзистора в широком диапазоне значений накопленной дозы.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
1. Выработаны конкретные рекомендации по оптимизации технологического процесса и топологии; определен наихудший электрический режим при облучении для различных компонентов тока утечки.
2. Проведённое экспериментальное исследование чувствительности к до-зовым эффектам элементов КНИ КМОП ИМС с различной топологической реализацией позволило при разработке ИМС выбрать наиболее эффективное топологическое решение, в зависимости от функционального назначения элемента или блока. 3. С помощью предложенной математической модели получены SPICE-параметры А- и Н-транзисторов 0,5 мкм и 0,35 мкм КНИ КМОП технологии. Ошибка при моделировании не превышает 15%. Достигаемая точность расчёта является удовлетворительной для цифровых ИМС.
4. Разработанное программное средство схемотехнического моделирования позволяет учесть дозовые эффекты на этапе схемотехнического проектирования устройства, с учётом технологических особенностей и электрического режима при облучении в широком диапазоне значений накопленной дозы.
5. Учёт электрического режима для каждого составляющего ИМС элемента позволяет выявить входные вектора «наихудшего случая» и проводить моделирование усиления разброса параметров элементов, вызванного радиационным воздействием.
6. Предложенные методы схемотехнического моделирования дозовых эффектов позволяют проводить сравнение эффективности схемотехнических решений, призванных повысить радиационную стойкость.
7. Все предложенные методы и программные средства интегрированы в стандартный маршрут проектирования и поддерживаются современными коммерческими САПР.
Результаты диссертации внедрены в НИИ системных исследований РАН при разработке СБИС микропроцессора «КОМДИВ32-Р» и системы на кристалле «РЕЗЕРВ-32», выполненных по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии. Предложенное программное средство для моделирования дозовых эффектов принято к регистрации в ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1. Математическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры КНИ транзисторов А- и Н-типа и учесть влияние контактов к телу на характеристики.
2. Расчетно-экспериментальный метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов в КНИ КМОП ИМС, пригодный для включения в стандартный маршрут проектирования.
3. При разработке КНИ КМОП ИМС с повышенной стойкостью к дозо-вым эффектам достаточно использовать транзисторы А-типа в качестве основного топологического варианта, транзисторы Н-типа — в случаях, когда требуется наличие независимого контакта к телу, при этом от других топологических вариантов можно полностью отказаться.
Личный вклад соискателя.
Все теоретические результаты, методы расчетов и интерпретации экспериментальных данных, приведенные в диссертации, получены и предложены лично соискателем. Модели, программные коды и расчеты разрабатывались и выполнялись совместно с коллегами и соавторами соискателя. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, получены специалистами НИИ системных исследований РАН в сотрудничестве с НИЯУ «МИФИ», ФГУП «НИИ приборов», ЭНПО «СПЭЛС» и РНЦ «Курчатовский институт».
Связь работы с крупными научными программами и темами.
Работа проводилась в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» и НИИ системных исследований РАН и в рамках следующих государственных отраслевых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:
1) Разработка СБИС сбоеустойчивого микропроцессора с повышенной стойкостью к специальным внешним воздействиям «КОМДИВ32-Р» (ОКР «Квартал») по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии.
2) Разработка «системы на кристалле» для построения резервируемых отказоустойчивых вычислительных систем с повышенной стойкостыо к специальным внешним воздействиям и повышенной температуре «РЕЗЕРВ-32» (ОКР «Перга-СК») по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии.
Апробация результатов диссертации.
Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных Научных сессиях МИФИ (2006-2010); ежегодных всероссийских конференциях «Радиационная стойкость» (Лыткарипо, 2006, 2009); Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (ММПСН-2008); Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Зеленоград, 2006); Международной конференции "International Conference on Micro- and Nanoelectronics" (ICMNE, 2007, 2009); Европейской конференции по микроэлектронике MIEL (2008); ежегодных Европейских конференциях RADECS (2006, 2008).
Опубликованные результаты.
По теме диссертации опубликовано 2 статьи в российских научно-технических журналах, сертифицированных ВАК; 1 статья в международном журнале; 5 статей в рецензируемых научно-технических сборниках трудов международных конференций (Proceedings of SPIE, MIEL, RADECS); 16 тезисов докладов в сборниках российских научных конференций.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 151 страница. Диссертация содержит ПО рисунков. Список литературы содержит 85 наименований.
Диссертация организована следующим образом. Глава 1 посвящена многоуровневому моделированию дозовых эффектов в приборах КНИ КМОП технологии, описаны технологические аспекты создания транзисторов, основные механизмы деградации, описана процедура разделения боковой и донной составляющих радиационно-индуцированных токов утечки в транзисторах КЕШ КМОП технологии. Также в Главе 1 описана процедура схемотехнического моделирования радиационно-индуцированных токов утечки с помощью элементарных подсхем. Глава 2 посвящена конструктивно-топологическим решениям для СБИС, применяемых в условиях воздействия ионизирующего излучения. Рассмотрены технологические и топологические методы борьбы с дозовыми эффектами, преимущества и недостатки этих методов, а также основные подходы к моделированию транзисторов нестандартной топологии. Описывается предложенная соискателем математическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры КНИ транзисторов А- и Н-типа, с учётом влияния контактов к телу на характеристики. Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям чувствительности элементов КНИ КМОП СБИС к дозовым эффектам, описана процедура, позволяющая осуществить выбор эффективной топологической реализации элементов, с учётом функционального назначения и электрических режимов при облучении. Глава 4 посвящена схемотехническому моделированию дозовых эффектов. Описан предложенный соискателем метод схемотехнического моделирования этих эффектов в цифровых и аналоговых КМОП ИМС.
Влияние электрического поля в оксидах и геометрии канала на образование токов утечки
Проектирование СБИС является многоуровневым процессом, каждый уровень характеризуется своим математическим обеспечением, используемым для моделирования и анализа схем. Выделяют уровни системный, регистровый (RTL - Register Transfer Level), называемый также уровнем регистровых передач, логический, схемотехнический, приборно-технологический (компонентный, физический). Общее название для регистрового и логического уровней — уровень функционально-логический [5].
Для каждого уровня существует своя система моделирования. Так, для схемотехнического моделирования широко используется SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). В полупроводниковой индустрии используется несколько десятков программ схемотехнического моделирования, базирующихся на решении систем дифференциальных уравнений и не использующих допущений, снижающих достоверность получаемого результата. Обзор, выполненный ассоциацией полупроводниковых компаний FSA (Fabless Semiconductor Association) [6], показывает, что наиболее широко используемой программой моделирования на тот момент была программа HSpice, разработанная Meta-Software, Inc. и продвигаемая фирмой Avanti Corporation (его используют 57% компаний ассоциации FSA); за ним следует Spectre (Cadence), затем Eldo (Mentor Graphics), далее идут SmartSpice (Silvaco), PSpice (Cadence), Saber, ADS, Berkeley Spice, Dr.Spice, SMASFI, Spice3. Область применения программ зависит не только от их функциональных возможностей, но, в большей степени, от коммерческого интереса продвигающей его компании [7].
На приборно-технологическом (физическом) уровне моделируются характеристики отдельных приборов и структур: профили легирования, электрические характеристики и их зависимость от вариаций технологического процесса. Эти задачи обычно решаются с помощью двух- и трёхмерного моделирования, осуществляемого программами типа TCAD [8, 9]. Такой подход даёт точный результат, однако является требовательным к временным затратам и вычислительным ресурсам, а также требует специальных навыков от оператора.
Исследовать влияние радиационных эффектов на характеристики прибора можно с помощью трёхмерного моделирования, однако проблема передачи полученных данных на схемотехнический уровень остаётся нерешённой. В то же время, ни одна из существующих моделей схемотехнического уровня, поддерживаемых коммерческими симуляторами, не имеет встроенных средств моделирования радиационных эффектов. Таким образом, разработчику необходимы методы и инструменты для адекватного прогнозирования деградации характеристик, вызванной воздействием ионизирующего излучения, позволяющий сохранять приемлемую точность расчётов на схемотехническом уровне и не требующий от разработчика специальных навыков в области радиационной стойкости ИМС.
Радиационно-индуцированные токи утечки, обусловленные встраиванием положительного заряда в слоях изоляции, являются наиболее значимой проблемой повышения радиационной стойкости современных субмикронных КМОП ИМС [10]. Для исследования и получения параметров для моделирования радиационно-индуцированной утечки в КМОП ЮТИ ИМС необходимо разделить боковую и донную составляющие токов утечки.
Особенность КНИ КМОП технологии состоит в том, что пленка монокристаллического кремния формируется на диэлектрической подложке, благодаря чему уменьшаются паразитные емкости, приводящие к снижению быстродействия в стандартной (объемной) КМОП технологии. В КНИ технологии в качестве диэлектрической подложки используется слой Si02.
Сегодня КНИ технология уже достаточно хорошо отработана и занимает прочные позиции на рынке: IBM начала разрабатывать ее 12 лет назад, первый КЫИ микропроцессор появился в 1994 году, а в 1999-м началось серийное производство КМОП КНИ СБИС (PowerPC 750).
По разным оценкам, применение КНИ материала позволяет увеличить быстродействие от 20% до 30% без изменения топологии. Так, по данным фирмы IBM микропроцессор, рассчитанный на рабочую частоту 400МГц, благодаря использованию КИИ технологии может работать на частоте свыше 500МГц. Компания AMD заявляет о 30-35% выигрыше в скорости для своего процессора Athlon. Для специализированных СБИС статической памяти (изготовитель Honeywell) выигрыш по быстродействию может достигать до 40% по сравнению с традиционным материалом.
Выполнение требований к степени интеграции планируемых к разработке СБИС (более 1 млн. элементов на кристалле) с учетом уровня отечественной технологической базы возможно только в рамках объемной или КИИ технологии. Отечественные КМОП КНС, обладая целым рядом неоспоримых достоинств, в настоящее время не обеспечивают возможности изготовления СБИС с субмикронными проектными нормами и, следовательно, не способны удовлетворить требования к степени интеграции.
Сравнение параметров СБИС, реализованных на объемном кремнии и КЫИ структурах, показывает, что последние имеют ряд преимуществ.
Особенности конструкции КНИ схем позволяют повысить плотность упаковки и существенно уменьшают влияние паразитных элементов на работу схемы, в частности, из-за полной диэлектрической изоляции активных элементов исключается опасность возникновения тиристорного эффекта: (Рисунки 1.1а, б)
Приведенные данные показывают, что, но совокупности таких свойств как плотность упаковки, быстродействие и энергопотребление, предпочтение должно быть отдано КИИ технологии.
В части радиационной стойкости преимущество КИИ не столь однозначно и сильно зависит от особенностей конкретной технологии. Для уточнения показателей радиационной стойкости необходимо провести сравнительный анализ влияния специальных воздействующих факторов па параметры типовых структур КМОП микросхем, выполненных по имеющейся технологии.
Характерной особенностью КНИ технологии является наличие скрытого оксида и связанных с ним эффектов. Каждый КНИ транзистор представляет собой небольшой изолированный со всех сторон объем кремния. В связи с этим встает вопрос обеспечения контактов к областям транзистора. В коммерческих технологиях тело транзистора обычно не заземляется и остается изолированным, так как заземление тела транзистора приводит к потере до 30 % площади ИМС. Транзисторы с «плавающим» телом несколько быстрее, но имеют меньшее напряжение пробоя и значительные утечки в закрытом состоянии. При больших напряжениях на стоке происходит накопление заряда в теле транзистора и приоткрывание истокового р-n перехода. В результате включается паразитный биполярный транзистор и происходит значительный подброс тока («кинк-эффект»). Кроме того, транзисторы с плавающим телом очень чувствительны к одиночным сбоям (за счет биполярного эффекта).
Вышеперечисленные особенности заставляют отказаться от применения КНИ транзисторов с «плавающим» телом при проектировании радиационно-стойких ИМС. Тем не менее, эти транзисторы необходимы для получения некоторых параметров моделей и уточнения влияния контакта к телу транзистора на характеристики прибора.
Технологические методы борьбы с токами утечки. Влияние разброса пара техпроцесса
Для исследования и моделирования токов утечки в приборах КНИ КМОП технологии необходимо разделить боковую (связанную со встраиванием заряда в боковых изолирующих оксидах) и донную (связанную со встраиванием заряда в скрытом оксиде) утечку. Т.к. ток утечки сильно зависит от электрического режима при облучении и от геометрии канала, необходимо разработать специализированные тестовые структуры, позволяющие в значительной мере подавить или полностью исключить ту или иную составляющие тока утечки.
Встраивание положительного заряда в боковой изоляции сильно зависит от распределения электрического поля при облучении, следовательно, боковая утечка зависит от особенностей изолирующего оксида и профиля границы раздела Si/Si02. Поэтому целесообразно исследовать боковую утечку в транзисторах стандартной топологии. Потенциал КНИ транзисторов стандартной топологии не фиксирован, поэтому для изучения утечки следует проводить измерения при режимах, исключающих эффекты плавающего тела.
Ток утечки можно определить как ток стока транзистора в закрытом состоянии. Однако в реальных цифровых схемах напряжение сток-исток закрытого транзистора равно напряжению питания (Vdd) (режим "OFF"). Это значение тока может быть использовано для оценки тока потребления сложных схем или тестовых ИМС (кольцевых генераторов и др.). Однако при повышенном напряжении на стоке в КНИ транзисторах проявляются так называемые подпорого-вые кинк-эффекты [11].
Подпороговый кинк-эффект состоит в резком уменьшении подпорогового размаха передаточной вольтампернои характеристики, вызванном процессом ударной ионизации при повышенном напряжении сток-исток. Дырки, сгенери-рованріьіе в процессе ударной ионизации накапливаются вблизи дна кремниевого островка, обуславливая увеличение потенциала тела. Потенциал тела увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут баланс между током рп-перехода исток-тело и током, вызванным ударной ионизацией. Повышенный потенциал тела увеличивает также поверхностный потенциал в области канала и, следовательно, растёт диффузионный ток. С другой стороны, большее напряжение на затворе увеличивает дырочный ток, вызываемый ударной ионизацией от большего тока вблизи поверхности, что вызывает дальнейший рост потенциала тела. Таким образом, подпороговый размах S уменьшается с ростом напряжения на стоке.
На рис. 1.19. показаны подпороговые характеристики частично обеднённого п-канального КНИ транзистора [11]. Из рис. видно, что с уменьшением длины канала подпороговые кинк-эффекты происходят при меньшем напряжении на затворе: при одном и том же напряжении на стоке с уменьшением длины канала растёт внутреннее электрическое поле и, следовательно, сильнее ударная ионизация.
При этом подпороговые характеристики сильно зависят от времени жизни носителей (коэффициента усиления паразитного биполярного транзистора). На рис. 1.20 показаны передаточные В АХ КНИ транзисторов с разными временами жизни носителей. Видно, что при больших временах жизни (большем усилении тока базы) происходит резкое увеличение тока утечки [43].
Ясно, что значения токов утечки, измеренные при повышенном напряжении на стоке, могут иметь значительный разброс как от чипа к чипу, так и в пределах одного чипа (см. также Раздел 2.2.1). Следовательно, для приборов КНИ технологии наиболее эффективным является исследование утечки с помощью измерения передаточных характеристик при малых напряжениях на стоке (VDS — 0,1 В), т.е. в условиях, когда эффекты плавающего тела подавлены.
Таким образом, радиационно-индуцированный ток утечки следует определить как ток стока, измеренный при напряэ/сении затвор-исток VGs = 0 В и на-пряжетш сток-исток VDS = 0,1 В . Далее в работе под током утечки будем понимать именно это значение.
Для изучения боковой радиационно-индуцированной утечки в транзисторах КЬШ КМОП технологии необходимо, чтобы донная утечка была много меньше боковой. В разделе 1.4.4 показано, что встраивание положительного заряда в скрытом оксиде лучше всего происходит в режимах "OFF" и "TG" при соотношении длины канала к толщине скрытого оксида L/tBOx l и L/tBox :l- Следовательно, можно выработать следующие требования к тестовым структурам КНИ для изучения боковой утечки: 1) L/tBox : l- Для случая технологии с проектными нормами 0,5 мкм использовались транзисторы с длиной канала L = 10 мкм. При этом исключаются эффекты короткого канала, что удобно для получения параметров моделирования; 2) для исключения влияния контактов к телу на области вблизи боковой изоляции следует использовать транзисторы с плавающим телом; 3) для исключения возможного влияния ширины канала на процесс встраивания положительного заряда в изолирующем и подзатворном оксидах следует использовать транзисторы с большой шириной канала. Для случая технологии с проектными нормами 0,5 мкм использовались транзисторы с шириной канала W = 20,4 мкм. Для изучения влияния ширины канала на образование боковой утечки в транзисторах 0,5 мкм технологии использовался массив параллельно соединённых транзисторов с суммарной эффективной шириной 20,4 мкм (17 транзисторов с шириной канала 1,2 мкм каждый).
Очевидно, что для изучения радиационно-индуцированной утечки необходимо испытывать все используемые при проектировании топологические варианты реализации транзисторов. Для детального изучения донной утечки необходимо наличие тестовых транзисторов, топология которых исключает или подавляет образование боковой утечки (см. Главу 2). Также желательно в набор тестовых структур включить тестовые транзисторы с разными длиной и шириной канала для исследования зависимости встраивания положительного заряда от электрического режима и геометрии канала.
Получение SPICE-параметров, определяющих динамические характеристики А- и Н-транзисторов
С точки зрения образования утечки транзисторы А-типа являются наиболее предпочтительным топологическим вариантом при проектировании радиаци-онно-стойких ИМС. Стойкость транзисторов Н-типа к дозовым эффектам не ниже стойкости транзисторов А-типа, однако наличие значительных паразитных емкостей ограничивает применение транзисторов Н-типа случаями, когда тело должно быть независимо от истока (ключи, схемы ввода/вывода и т.п.). Для применений в условиях больших значений накопленной дозы (более 1 Мрад (Si)) n-канальные Н-транзисторы по возможности должны заменяться р-канальными.
Ввиду такого недостатка кольцевой топологии, как большая площадь при малых соотношениях W/L, в КНИ КМОП ИМС от этого топологического варианта можно полностью отказаться в пользу А- и Н-транзисторов. 1. Вследствие влияния радиационно-индуцированного тока утечки, измеренный сдвиг порогового напряжения транзистора с утечкой оказывается больше сдвига порогового напряжения транзистора без утечки для того же значения накопленной дозы. 2. Определение величины порогового напряжения следует проводить методом линейной экстраполяции. 3. Для вычисления величины накопленного заряда по сдвиїу порогового напряжения следует произвести предварительное вычитание значения тока утечки из измеренных значений тока стока либо использовать для этой цели топологию транзисторов, исключающую появление боковой утечки (кольцевые транзисторы и транзисторы А- и Н-типа). 4. Состав тестовых структур, предназначенных для испытаний на стойкость к дозовым эффектам, должен обеспечивать наличие, по крайней мере, минимального набора транзисторов для получения SPICE-параметров. Этот набор также позволяет исследовать влияние геометрии канала на стойкость. 5. Для каждого типа топологической реализации транзистора определены наихудшие электрические режимы при облучении. Режим "ON" является наихудшим для всех типов, однако донная утечка в других режимах может проявляться при меньших значениях накопленной дозы, чем утечка в режиме "ON". 6. Подложка микросхемы должна быть заземлена. 7. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что основным топологическим вариантом реализации транзисторов в специализированных КНИ КМОП ИМС должен являться транзистор А-типа. 8. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что транзисторы Н-типа должны использоваться исключительно в тех случаях, когда требуется обеспечить независимость тела от истока: в ключах, элементах схем ввода/вывода и т.п. В ИМС, предназначенных для применения в условиях больших значений накопленной дозы (свыше 1 Мрад (Si)), необходимо по возможности отказаться от п-канальных транзисторов Н-типа, ограничившись р-канальными. 9. От других топологических вариантов, ввиду свойственных им недостатков, в КНИ КМОП ИМС можно полностью отказаться.
Для разработки радиационно-стойких ИМС требуется либо специальная технология [73J, либо специализированные методы проектирования [74]. Во всех случаях на этапе разработки необходимо учитывать влияние воздействия ионизирующего излучения.
Ввиду того, что большинство программ схемотехнического моделирования являются коммерческими, дизайн-центры выбирают для проектирования один или несколько симуляторов, подходящих по цене, точности и производительности. К сожалению, различные программы схемотехнического моделирования поддерживают далеко не все существующие физические модели (рис. 4.1а), поэтому важно, чтобы программа-симулятор поддерживала языки проектирования аппаратуры (IIDL), версии для аналоговых применений которых могут стать «интерфейсом моделирования» между симулятором и физической моделью (рис. 4.16).
Стандартные SPICE модели (BSIM, BSIMSOI, EKV и др.) не учитывают радиационные эффекты, и интеграция физических моделей в процесс схемотехнического моделирования всё ещё остаётся нерешённой проблемой. Разработчиком специализированных ИМС часто требуется эффективный инструмент, встроенный в стандартный маршрут проектирования.
В течение прошедших нескольких лет было предложено несколько концепций моделирования радиационных эффектов (см. [76, 77, 78]). В большинстве случаев такие концепции базируются на VHDL-AMS или другом HDL моделировании радиационно-индуцированной деградации характеристик путём включения в модель дозовых зависимостей основных параметров подсистем. Дозо-вые зависимости обычно получаются из данных по радиационным испытаниям чипа в целом. Главным недостатком этих инструментов является практическая невозможность учёта зависимости радиационной деградации от электрического режима при облучении, т.к. используемые полуэмпирические зависимости не обладают должной гибкостью: тестовые структуры не могут быть испытаны во всех возможных электрических режимах.
Другой важной проблемой разработки радиационно-стойкой аппаратуры является увеличение рассогласования параметров, обусловленное различием электрических режимов при воздействии ИИ. Явления рассогласования и технологического разброса параметров хорошо изучено, однако в настоящее время опубликовано мало работ по проблеме радиационно-индуцированного рассогласования [79].
Таким образом, необходимо разработать метод и программное средство схемотехнического моделирования дозовых эффектов в КНИ КМОП ИМС, с учётом электрического режима.
Метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов
Проведён анализ во временной области двух типов кольцевых генераторов (КГ): на основе транзисторов с тонким (TN) и толстым (ТК) оксидом. Каждый КГ содержит 120 инверторов и 1 управляющий элемент «2И-НЕ».
Моделирование проводилось следующим образом. Начальное условие управляющего элемента задавалось так, чтобы исключить генерацию. В этом случае примерно половина всех транзисторов находится в режиме "ON", а другая половина - в режиме "OFF".
Приведённые результаты демонстрируют незначительную деградацию частоты при 2,5 Мрад. Тем не менее, деградация частоты и скважности при значении накопленной дозы, характерном для применений в области физики высоких энергий ( 100 Мрад (Si)), значительна даже для транзисторов с тонким подзатворным оксидом.
На рис. 4.15 показана принципиальная схема двухкаскадного операционного усилителя [85], построенного на транзисторах с толстым оксидом и работающего при напряжении питания 3,3 В. Ёмкости «металл-изолятор-металл» (МІМ) использованы для коррекции частотной характеристики и в качестве нагрузки.
Электрический режим при облучении рассчитывается в начальной точке ЛС анализа для каждого транзистора в отдельности. На оба входа при ЛС анализе подаются сигналы с одинаковой постоянной составляющей (1.21 В). В результате моделирования получены следующие величины: собственный коэффициент усиления, произведение усиления на частоту (gain-bandwidth product) и запас по фазе. Результаты приведены на рис. 4.16-4.17. 1. Предложен метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов, базирующийся на моделировании элементов и блоков ИМС на уровне транзисторов с помощью описания компактной модели прибора и физической модели эффектов на Verilog-A. 2. Полученный инструмент полностью совместим со стандартными SPICE-симуляторами (Spectre, UltraSim, HSPICE, ELDO и др.) и позволяет учитывать электрический режим при облучении для каждого транзистора в отдельности. 3. С помощью разработанного программного средства проведено моделирование эффекта радиационно-индуцированного увеличения рассогласования параметров транзисторов. Рассмотрены МОП-транзисторы с толстым и тонким подзатворным оксидом, выполненные по 0,18 мкм КМОП технологии. Продемонстрирована зависимость разброса параметров при облучении от электрического режима. Различия в электрическом режиме при облучении транзисторов 0,35 мкм КИИ КМОП технологии приводят к разности пороговых напряжений порядка 250 мВ. 4. Получены результаты моделирования дозовых эффектов для различных «цифровых» и «аналоговых» приборов 0,18 мкм КМОП технологии (кольцевых генераторов, источника опорного напряжения и операционного усилителя) для больших значений накопленной дозы. Для уровня накопленной дозы 1 Мрад (Si) частота и скважность кольцевых генераторов на транзисторах с тонким оксидом, температурный дрейф выходного напряжения ИОН и основные характеристики операционного усилителя деградируют незначительно, что связано с относительно малой толщиной подзатвориого диэлектрика, а также тем, что транзисторы при облучении находятся в «промежуточном» электрическом режиме: VGS ;VDD. 5. Полученная информация по дозовой деградации параметров транзисторов с толстым оксидом 0,18 мкм КМОП технологии и ИМС на их основе может быть использована для оценки чувствительности элементов и ИМС, выполненных по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии. Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от объёмной КМОП технологии, в КНИ КМОП технологии при значениях накопленной дозы свыше 1 Мрад (Si) существенную роль играет радиацион-но-индуцированыая донная утечка, которая обусловлена накоплением положительного заряда в скрытом оксиде и которая не может быть исключена топологическими методами. Эта проблема может существенно снизить радиационную стойкость ИМС, разрабатываемых на основе КНИ КМОП технологии. 6. Предложенный метод схемотехнического моделирования дозовых эф фектов позволяют проводить сравнение эффективности схемотехнических ре шений, призванных повысить радиационную стойкость. Основной научный результат диссертации заключается в создании и развитии методов моделирования КНИ КМОП ИМС с повышенной стойкостью к до-зовым эффектам. Основной теоретический результат: Разработан метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов па уровне ИМС, учитывающий электрический режим при облучении каждого составляющего ИМС транзистора в широком диапазоне значений накопленной дозы и позволивший на этапе проектирования рассчитывать деградацию характеристик в условиях воздействия ионизирующего излучения. Частные теоретические результаты: 1. Разделение боковой и донной составляющих токов утечки позволило локализовать утечку, выработать рекомендации по оптимизации топологии и определить наихудший электрический режим при облучении для различных компонентов тока утечки. 2. Обосновано применение МОП транзисторов А- и Н-типа, в зависимости от функционального назначения элемента, при проектировании ра-диационно-стойких КНИ КМОП ИМС. 3. Предложена математическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры транзисторов А- и Н-типа, наиболее широко используемых при проектировании КНИ КМОП ИМС.
Разработано полностью интегрированное в стандартный маршрут проектирования и полностью совместимое с современными коммерческими САПР программное средство, позволяющее учитывать влияние дозовых эффектов на этапе схемотехнического проектирования, переходя от моделирования отдельного прибора к моделированию характеристик ИМС. Предложенное программное средство для моделирования дозовых эффектов принято к регистрации в ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам».
