ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КНИ КМОП СБИС С ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТЬЮ К ДОЗОВЫМ ЭФФЕКТАМКОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Введение
К ИМС, предназначенным для функционирования в условиях действия факторов космического пространства, предъявляется ряд специфических требований: малое энергопотребление, малые габаритные размеры, широкий диапазон рабочих температур, высокая радиационная стойкость
Можно выделить несколько фундаментальных задач радиационной стойкости к воздействию стационарного ионизирующего излучения, характерных для современных КМОП технологий:
сдвиг порогового напряжения;
деградация крутизны (подвижности) и подпорогового размаха передаточной характеристики;
токи утечки;
Эти явления известны как эффекты полной дозы (Total Ionizing Dose (TID) Effects), имеют кумулятивный характер и связаны с накоплением заряда в изолирующих оксидах и поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2
Для смешанных (аналого-цифровых) ИМС растёт роль разброса параметров элементов, усиленного воздействием ионизирующего излучения
Существуют технологические и конструктивно-топологические методы повышения радиационной стойкости
Одним из перспективных технологических направлений является развитие технологии «кремний на изоляторе» (КНИ)
Необходимо исследовать эффективность существующих технологических и конструктивно-топологических методов и, при необходимости, разработать новые
Разработчику требуется удобный инструмент моделирования, встроенный в стандартный маршрут проектирования и совместимый со стандартными коммерческими средствами САПР

Цель диссертации
Разработка методов и средств физического и схемотехнического моделирования работы ИМС, выполненных по современным КНИ КМОП технологиям, в условиях воздействия ИИ для различных электрических режимов

Основные задачи
Разделение составляющих радиационно-индуцированной утечки, позволяющее на основе анализа экспериментальных данных определить направление оптимизации с целью подавления этого эффекта.
Разработка аналитической модели, позволяющей определить SPICE-параметры КНИ транзисторов, с учётом влияния контакта к телу.
Исследование эффективности различных топологических вариантов реализации КНИ МОП-транзисторов в зависимости от геометрии канала и электрического режима при облучении.
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.
Моделирование усиления разброса параметров транзисторов воздействием ионизирующего излучения.
Разработка программных средств, интегрированных в стандартный маршрут проектирования и совместимых с современными коммерческими средствами САПР, позволяющих учитывать дозовые эффекты на этапе схемотехнического проектирования.

Основные положения, выносимые на защиту
Разделение боковой и донной составляющих радиационно-индуцированных токов утечки в транзисторах показывает, что при разработке КНИ КМОП ИМС с повышенной стойкостью к дозовым эффектам необходимо использовать транзисторы A- и H-типа, при этом от других топологических вариантов можно полностью отказаться
Аналитическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры КНИ транзисторов A- и H-типа и учесть влияние контактов к телу на характеристики.
Метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов в цифровых и аналоговых КМОП ИМС.

Разделение составляющих токов утечки
в КНИ транзисторах
Радиационно-индуцированные токи утечки, обусловленные встраиванием положительного заряда в слоях изоляции, являются наиболее значимой проблемой повышения радиационной стойкости современных субмикронных КМОП ИМС
Для определения направления оптимизации техпроцесса и/или топологии, а также для получения параметров для моделирования необходимо разделить боковую и донную составляющие радиационно-индуцированных токов утечки в КМОП КНИ ИМС.
Ток утечки (как боковой, так и донный) сильно зависит от электрического режима при облучении и от геометрии канала

Сравнение с экспериментом
Физическая модель верифицирована по экспериментальным данным 0,5 мкм КНИ КМОП технологии. Исследования проводились в НИИСИ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», НИИП, ЭНПО «СПЭЛС»
Моделирование в САПР фирмы Cadence:

КНИ транзисторы с контактом к телу
2 основных варианта топологической реализации контактов к телу: с жёсткой привязкой тела (A-тип) к истоку и с возможностью произвольной коммутации тела (H-тип)
A-тип:
H-тип:

Преобладание боковой утечки
На рисунке представлены экспериментальные ВАХ n-канальных 0,5 мкм КНИ транзисторов (технологическая линия НИИСИ РАН) F-типа до и после облучения.
Излом присутствует как на ВАХ верхнего транзистора, так и на ВАХ нижнего, что свидетельствует о том, что доминирует боковая утечка

Преобладание донной утечки
Для А-транзисторов результаты аналогичные.
На рисунке представлены экспериментальные ВАХ n-канальных 0,5 мкм КНИ транзисторов (технологическая линия НИИСИ РАН) H-типа до и после облучения.
Излом присутствует только на ВАХ верхнего транзистора, что свидетельствует о том, что доминирует донная утечка

Анализ влияния режима при облучении на стойкость приборов с различными вариантами топологической реализации
В транзисторах с плавающим телом преобладает боковая утечка. Донная утечка преобладает в A-, H- и кольцевых транзисторах и проявляется при значениях накопленной дозы 1-2 Мрад (Si)
В тестовых транзисторах с коротким каналом донная утечка появляется раньше, чем в транзисторах с длинным каналом
При проектировании определение длины канала транзистора обуславливается компромиссом между радиационной стойкостью (увеличение длины канала препятствует возникновению донной утечки), занимаемой площадью и производительностью ИМС
Транзисторы A-типа являются наиболее предпочтительным топологическим вариантом при проектировании радиационно-стойких ИМС
Применение транзисторов H-типа ограничено случаями, когда тело должно быть независимо от истока (ключи, схемы ввода/вывода и т.п.)

Сравнение с другими топологическими вариантами
В транзисторах нестандартной топологии возникают проблемы определения эффективной ширины и длины канала
Наиболее эффективными методами борьбы с радиационно-индуцированной утечкой являются кольцевая топология и топология транзистора с окружённым истоком/стоком.
Топологические варианты, используемые в объёмной КМОП технологии, не имеют преимущества перед топологическими вариантами, используемыми в КНИ КМОП технологии.
Кольцевая топология занимает большую площадь при малых соотношениях W/L
В КНИ КМОП ИМС от этих топологических вариантов можно полностью отказаться в пользу A- и H-транзисторов
Кольцевая топология
«Окружённый исток»
«Собачья кость»

Эффективная ширина канала транзистора H-типа
Существуют «паразитные» пути протекания тока
Эффективная ширина канала Weff отличается от ширины задаваемой «средней» частью H-образного затвора
Различие между Weff и W можно учесть с помощью сравнения крутизны (подвижности) H-транзисторов с одинаковой длиной и разной шириной. При этом транзистор с наибольшей шириной является «опорным», т.к. при значениях ширины канала много большей суммарной ширины «боковых затворов» (W>>1 мкм) влиянием паразитных областей можно пренебречь:
Крутизна
Поправка:
W, gmH – ширина и крутизна транзистора, для которого считается поправка;
W0, gmH0 – ширина и крутизна «опорного» транзистора
Для нахождения зависимости поправки от длины канала производится усреднения величины поправки для транзисторов с одинаковой длиной.

Эффективная ширина канала транзистора А-типа
W, gmА - ширины и крутизна транзистора, для которого считается поправка
W0, gmА0 - ширина и крутизна «опорного» транзистора
Зависимость поправки от длины канала:
Активные области H- и A-транзисторов практически не отличаются друг от друга, поэтому для модели А-транзисторов можно использовать некоторые параметры, полученные для H-транзисторов
Эффективная ширина канала отличается от топологических значений ширины затвора, причём вносимые поправки в эффективную ширину зависят от длины канала: чем больше длина, тем меньше значение поправки
Поправка для А-транзистора находится по формуле:

Апробация модели
Предложенный метод был успешно опробован на технологиях 0,35 мкм и 0,5 мкм КНИ КМОП технологической линии НИИСИ РАН. Результаты сравнения измеренной частоты кольцевых генераторов (на транзисторах A- и H-типа) с результатами моделирования показывают, что ошибка при моделировании не превышает 10-15%, что является достаточным для большинства цифровых ИМС.
H-тип:
длинный канал
большая ширина
H-тип:
короткий канал
малая ширина
А-тип:
длинный канал
большая ширина
А-тип:
короткий канал
малая ширина

Схемотехническое моделирование дозовых эффектов в цифровых и аналоговых КМОП ИМС
Дозовые 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
Требуется перенести дозовые зависимости в SPICE-модели
Встраивание физической модели в стандартную программу-симулятор невозможно
Ключевым пунктом предлагаемой методологии является интеграция физической модели со SPICE-моделью, реализованной на языке описания аппаратуры HDL
Метод предполагает использование физической модели, встроенной в описание компактной модели транзистора BSIM3v3, описанной на языке Verilog-A
Создано программное средство, встроенное в САПР
Методика успешно применена для источника опорного напряжения, кольцевых генераторов и операционного усилителя

Режимы моделирования
Предусмотрено 2 режима моделирования:
1) Полагается, что все транзисторы в схеме облучаются в одном режиме, устанавливаемом параметром “vgirr”.
2) Для каждого транзистора электрический режим при облучении устанавливается первой точкой анализа: начальным значением напряжения при анализе по постоянному току (DC-анализе), значением напряжения при t=0 при анализе во временной области (transient) или значением рабочей точки в малосигнальном анализе (AC-анализе).
Первый режим используется при калибровке параметров физической модели по экспериментальным дозовым зависимостям и ВАХ. Рекомендуется для проведения DC-анализа
Второй режим является основным и используется для оценки радиационной стойкости ИМС различной сложности
Важным преимуществом данного метода является то, что в схеме не производится никаких изменений
inline subckt nmos_tn ( d g s b )
parameters w=1E-7 l=1E-7 as=0 ad=0 ps=0 pd=0 nrd=0 nrs=0
…
nmos_tn (d g s b) bsim3mos_rad W=w L=l AD=ad AS=as PD=pd PS=ps NRD=nrd NRS=nrs DOSE=dose RADMODE=radmode VGIRR=vgirr
+ TYPE=1
+ LMIN=1.8E-007 LMAX=3.5E-007 WMIN=2.2E-007
+ WMAX=6E-007 VERSION=3.3 MOBMOD=1
…
ends nmos_tn

Радиационно-индуцированный разброс параметров
2 транзистора (0,18 мкм КМОП, толстый оксид) в разных электрических режимах при облучении (доза 2,5 Мрад (Si))
Значения медианы распределения порогового напряжения отличаются на 170 мВ («номинальный» сдвиг порогового напряжения)
Из-за технологического разброса параметров и различных режимов разность пороговых напряжений может достигать до 250 мВ (радиационно-индуцированный разброс параметров)

Научная новизна и практическая значимость
Определены наиболее эффективные (с точки зрения функционального назначения элемента) топологические методы борьбы с дозовыми эффектами в КНИ КМОП СБИС
Выявлены наихудшие электрические режимы при облучении, в зависимости от геометрии канала и от особенностей создания контактов к телу КНИ транзистора Предложен новый метод экстракции SPICE-параметров КНИ транзисторов A- и H-типа
Предложен метод и разработано программное средство для схемотехнического моделирования эффектов полной дозы на уровне ИМС, учитывающий электрический режим при облучении каждого составляющего ИМС транзистора в широком диапазоне значений накопленной дозы.
Учёт электрического режима для каждого составляющего ИМС элемента позволяет выявлять входные вектора «наихудшего случая» для библиотеки элементов и проводить моделирование усиления разброса параметров элементов, вызванного радиационным воздействием
В работе рассмотрены результаты моделирования эффектов полной дозы для кольцевых генераторов, операционного усилителя и источника опорного напряжения
Предложенные методы позволяют проводить сравнение эффективности схемотехнических решений
Все предложенные методы и программные средства интегрированы в стандартный маршрут проектирования и поддерживаются современными коммерческими САПР