CC BY
20МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.382.32
Компактная макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора, учитывающая радиационные эффекты
К.О.Петросянц, Л.М.Самбурский, И.А.Харитонов
Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)
А.П.Ятманов НИИ измерительных систем (г. Нижний Новгород)
Разработана компактная макромодель BSIMSOI-RAD для КНИ/КНС КМОП-транзисторов, учитывающая факторы радиационного воздействия. Описана автоматизированная процедура определения параметров макромодели, показаны возможности ее использования для анализа радиационной стойкости схемных фрагментов КМОП БИС в зависимости от суммарной поглощенной дозы. Приведены оценки затрат времени на моделирование.
Ключевые слова: радиационное воздействие, радиационная стойкость, КНИ/КНС КМОП-технология, макромоделирование, экстракция параметров.
КМОП-приборы со структурой кремний-на-изоляторе/сапфире (КНИ/КНС КМОП) являются перспективной элементной базой для создания радиационно стойких схем для аэрокосмических систем, электронных устройств атомной энергетики, военной техники и других специальных применений. Для сокращения сроков и затрат при проектировании таких схем в дополнение к экспериментальным методам широко применяются методы моделирования на разных уровнях проектирования аппаратуры: на уровне транзисторных структур используются системы приборно-технологического проектирования (TCAD); на уровне простейших схемных фрагментов - системы схемотехнического проектирования (SPICE); на уровне сложных фрагментов или БИС в целом используются системы схемотехнического (SPICE) или логического проектирования.
Схемотехнические модели являются принципиально важным элементом в процессе проектирования, связующим звеном между уровнем отдельных транзисторов и схемных фрагментов. Использование схемотехнических моделей дает возможность учесть влияние радиационных эффектов в транзисторах на функционирование всей схемы.
Схемы специального применения могут подвергаться воздействию различных факторов радиационного влияния: суммарной поглощенной дозы, импульсного радиационного воздействия и воздействия одиночных заряженных частиц. Известно, что с уменьшением проектных норм (в частности, толщины подзатворного диэлектрика) основным ограничивающим фактором стойкости к суммарной поглощенной дозе стано-
© К.О.Петросянц, Л.М.Самбурский, И.А.Харитонов, А.П.Ятманов, 2011
вятся радиационные утечки по границе раздела нижнего и бокового оксидов с рабочей областью и-канальных КНИ/КНС МОП-транзисторов [1].
Стандартные схемотехнические модели, включенные в SPICE-подобные программы анализа ИС и БИС, не учитывают радиационные эффекты. Для формирования компактных моделей, учитывающих факторы радиационного влияния, в промышленных схемотехнических САПР существует несколько путей.
Первый - создание набора программных функций на языке ^ Verilog-AMS и др., описывающих радиационное воздействие, динамически (во время исполнения программы) или статически подключаемых к стандартным моделям [2, 3]. Статическое подключение исполняемого кода модели подразумевает включение модели в официальную версию симулятора и требует взаимодействия с фирмой-производителем САПР. Такая модель обычно создается в расчете на конкретную версию симулятора; при обновлении версии программы может потребоваться изменить код модели. Модель, подключаемая динамически, обычно создается в виде, пригодном для подключения к любой версии симулятора и любой версии САПР, поддерживающей механизм динамического подключения. Эту процедуру может выполнить квалифицированный программист. Статически подключаемые функции обычно выполняются существенно быстрее динамических.
Второй путь - формирование макромодели на основе какой-либо схемотехнической модели, уже включенной в библиотеку моделей данной САПР [4]. При таком подходе базовая модель дополняется стандартными схемотехническими элементами и достаточно простыми математическими выражениями, учитывающими особенности поведения моделируемой полупроводниковой структуры. В этом случае модель работает быстрее, чем при подключении достаточно сложных выражений, вычисляемых с помощью модулей ^ Verilog-AMS и др. [4], но от разработчика требуется хорошее знание схемотехники и особенностей конкретного симулятора. Не всегда оказывается возможным создать универсальную макромодель, пригодную для использования в любой версии симулятора, так как различные симуляторы часто имеют отличия в синтаксисе входного файла и в возможностях управления моделируемой схемой. Однако во многих практических случаях необходимые модификации может внести квалифицированный пользователь целевой САПР.
В работе выбран макромодельный подход на основе использования стандартных моделей, так как он позволяет работать с подавляющим большинством симуляторов и легко модифицировать макромодель при необходимости. Кроме того, учет радиационных эффектов с помощью макромодели имеет и дополнительные преимущества: простота учета любого необходимого набора эффектов при достаточном для практических применений уровне точности, понятность процедуры экстракции параметров моделей и возможность использования любой базовой модели МОП-транзистора в зависимости от проектных норм и режимов работы схемы.
Макромодель BSIMSOI-RAD разработана для описания субмикронных КНИ/КНС КМОП-транзисторов с учетом радиационных эффектов суммарной поглощенной дозы, импульсного облучения и одиночных ядерных частиц (ОЯЧ). Она предназначена для оценки эффективности предлагаемых конструктивно-технологических и схемотехнических решений, выявления «слабых» схемных узлов. Предшествующие варианты макромодели - SOI/SOS-MIEM на основе MOS3 и BSIM3 [5] в течение долгого времени были единственными SPICE-моделями КНИ/КНС КМОП-транзистора, учитывающими
эффекты радиационного воздействия и имеющими открытую структуру, уравнения и процедуру экстракции параметров.
Состав макромодели Б81М801-КЛВ. Эквивалентная электрическая схема макромодели приведена на рис. 1. Ее основная часть - верхний МОП-транзистор Мверх - описывается стандартной моделью ВЗГМБОВ у3.2 с радиационно зависимыми параметрами. Модель В8ГМ8О1 достаточно физична, универсальна, учитывает эффекты малых размеров и все режимы обеднения КНИ/КНС МОПТ (полное, неполное и частичное), поэтому наиболее широко используется для проектирования КНИ/КНС КМОП БИС. Для проектирования радиационно стойких схем модель BSIMSOI дополняется элементами, учитывающими возникающие токи утечки при различных видах радиационного воздействия.
Рис. 1. Эквивалентная схема макромодели В81М8О1-КЛО
Эффекты полной поглощенной дозы. Для основного (верхнего) транзистора радиационно зависимыми являются параметры ¥ТИ0 и др. - для порогового напряжения, и0, иА и др. - для подвижности, С1Т, УО¥¥ и др. - для предпорогового наклона ВАХ /с = ХУЗи). Их значения зависят от суммарной полученной дозы и определяются выражениями, основанными на классических зависимостях и учитывающими увеличение дырочного заряда в подзатворном окисле и плотности поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2 под воздействием дозы.
Для параметров модели УТИ0, УО¥¥ используются выражения, описывающие абсолютные сдвиги от полученной дозы
Уф) - У(0) = ах + а2 ехр(-аэ^). (1)
Для параметров модели, имеющих смысл подвижности и0, ее коэффициентов иА, иВ и параметра С/Т, учитывающего наклон предпороговой ВАХ, используются выражения, описывающие относительные изменения от полученной дозы
ЩБ) / и(0) = а1 + а2 ехр(-аэ^). (2)
Здесь а1, а2, а3 - подгоночные коэффициенты, зависящие от дозы и электрического режима работы транзистора во время облучения.
Возникающие в и-канальных КНИ/КНС МОП-транзисторах токи утечки по нижней и боковым граням кремниевого островка, вклад которых в радиационную деградацию КНИ/КНС МОПТ возрастает с уменьшением проектных норм [6], учитываются включением дополнительных МОП-транзисторов Мбок (боковая утечка) и Мнижн (утечка по
нижней грани) (см. рис.1). Так как для описания токов утечки можно использовать более простые выражения, чем для основного транзистора, то эти токи описываются более простой моделью MOS3 (что ускоряет расчет) с зависимыми от дозы параметрами: VTO - для порогового напряжения, UO - для подвижности; NFS - для предпорогового наклона ВАХ IC = XV3h). Для них используются выражения, аналогичные (1) и (2).
Эффекты импульсного воздействия. Первичные фототоки в стоковом и истоко-вом р-и-переходах, возникающие при импульсном облучении, описываются генераторами тока 1фи(0, !фс(0 •
Первичные фототоки в КНИКНС-структурах, возникающие в обедненных областях р-и-переходод сток-рабочая область и исток-рабочая область, содержат только «мгновенную» составляющую и рассчитываются с помощью выражения:
мгнов
(t) = g{XdSkvkw,
-3 — 1
где g = qK - константа генерации, Клсм рад ; q - заряд электрона; K - степень гене-
13 -3 -1 2
рации (410 см рад ); y(t) - мощность дозы, рад/с; S - площадь р-и-перехода, м ; kV - коэффициент, учитывающий смещение на р-и-переходе; kW - коэффициент, учитывающий ширину канала транзистора.
«Задержанные» составляющие фототока в КНИ/КНС МОП-структурах практически отсутствуют вследствие малого объема собирания носителей.
Паразитная проводимость сапфира (для МОП-транзистора, изготовленного по технологии кремний-на-сапфире) при воздействии импульсного излучения описывается сопротивлением ^сапф(0, зависящим от мощности дозы y(t):
i \ Rai O L
R^(t )=wdO(t)' (3)
где Kai2o3 = 6,810-14, Омсмрад/с; L - длина; W- ширина канала транзистора; d- эффективная толщина проводящего участка сапфира.
Эффекты воздействия ОЯЧ. Диффузионная и дрейфовая составляющие тока, возникающего при собирании заряда из трека частицы электрическим полем р-и-перехода стока, описываются генератором тока 1ион(0. Макромодель автоматически учитывает усиление первичного тока паразитным биполярным транзистором, имеющимся в модели BSIMSOI базового КНИ/КНС МОП-транзистора Мверх (в случае плавающей рабочей области).
Величина источника тока !ион(0 аппроксимируется классическим выражением с помощью двух экспонент:
г,
гф (t ) = "
Qтp i tл ( t )
exp -- - exp --
V Тн J V Тр J
kv,
где тн и тр - постоянные времени процессов накопления и рассасывания заряда; Qтр - полный сгенерированный в треке заряд, рассчитываемый:
_др4р •LET
тр" E '
Eeh
бтр
где q - заряд электрона; р - плотность вещества рабочей области (2,33 г/см для Si); Lip = tSi/cos9 - длина трека частицы в слое кремния; 0 - угол падения частицы; LET -потери энергии частицы на торможение, МэВ-см2/мг; Eeh - энергия образования элек-
тронно-дырочной пары (3,6 эВ для Si); - коэффициент, учитывающий смещение на р-и-переходе с учетом встроенного потенциала р-и-перехода кг = Урп + ф*.
Макромодельный подход позволяет достаточно просто модифицировать модель за счет учета дополнительных эффектов, например электрического смещения [7-9] и температуры [10] при дозовом облучении, растяжение радиационно-индуцированных импульсов в цифровых схемах [11] и др.
Экстракция параметров модели. Вопросы автоматизации экстракции параметров КНИ/КНС МОПТ в условиях внешних воздействий в литературе рассмотрены не достаточно полно. В настоящей работе подробно описана пошаговая полуавтоматизированная процедура экстракции радиационно зависимых параметров макромодели BSIMSOI-RAD для случая суммарной поглощенной дозы с использованием автоматизированного комплекса 1С-СЛР [12], позволяющего экстрагировать параметры макромоделей.
Описанная ниже методика проиллюстрирована с использованием экспериментальных характеристик облученных КНИ МОПТ с размерами L/W = 0,25/8 мкм [6].
Процедура экстракции параметров для суммарной поглощенной дозы. Определение набора параметров макромодели проводится с помощью стандартного пакета экстракции SPICE-моделей и макромоделей 1С-САР с модулем AdMOS с использованием модифицированной процедуры экстракции [13-14]. Исходными данными являются наборы ВАХ и ВФХ стандартных КНИ/КНС МОП-структур при разных полученных дозах облучения, передаваемые в 1С-САР с помощью собственного программного интерфейса. Процедура экстракции, позволяющая учесть эффекты суммарной дозы, содержит следующие шаги.
Шаг 1. Определение набора параметров модели BSIMSOI основного (верхнего на рис. 1) транзистора для случая необлученного МОПТ (используется стандартная процедура экстракции параметров данной модели и стандартный набор измеренных характеристик необлученного транзистора [1 2]).
Шаг 2. Разделение радиационно-индуцированных токов утечки, возникающих по нижней и боковой границе активной области кремния, с использованием специальных тестовых транзисторов:
- кольцевой транзистор (Я- или O-типа) или транзистор H-типа (в которых практически отсутствует боковая утечка) используется для выделения ВАХ и определения параметров верхнего МОП-транзистора для разных полученных доз облучения (рис.2,г) при напряжении на нижнем затворе УЗн < 0 (что исключает влияние Мнижн);
- прибор того же типа используется для выделения ВАХ и определения параметров нижнего паразитного МОП-транзистора для ряда полученных доз облучения (рис.2,б) при напряжении на верхнем затворе УЗв < 0 (что исключает влияние Мверхн.);
- линейный транзистор (Р- или /-типа) или транзистор А-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 (рис.2,в) при известных ВАХ верхнего МОПТ и при напряжении на нижнем затворе УЗн < 0 (что исключает влияние Мнижн).
Шаг 3. Определение коэффициентов аппроксимирующих зависимостей вида (1) и (2) радиационно зависимых параметров моделей BSIMSOI (верхнего) и MOS3 (паразитных МОПТ) от полученной дозы путем подгонки смоделированных и экспериментальных характеристик МОПТ.
Рис.2. Сравнение экспериментальных [6] (значки) и смоделированных (линии) с помощью В81М801-ЯЛБ сток-затворных характеристик КНИ МОПТ с размерами Ь/Ж = 0,25/8 мкм для ряда полученных доз облучения: а - всей макромодели; б - паразитного нижнего транзистора Мнижн; в - паразитного бокового транзистора Мбок; г - базового верхнего транзистора Мверх
Значения подгоночных коэффициентов для параметров макромодели КНИ МОПТ с Ь/Ж = 0,25/8 мкм, имеющего ВАХ, показанную на рис.2,г, приведены в табл.1. Соответствующие графики показаны на рис.3.
Таблица 1
Значения радиационных коэффициентов макромодели В81М801-КАБ, полученные с использованием экспериментальных данных [6]
Коэффициент -^^верх
VTH0 U0 CIT VOFF UA UB
ai -0,5 0,7 1-10-3 -0,1 1,8 7
a2 0,5 0,3 -110-3 0,1 -0,8 -6
аз 1,110-6 1,210-6 210-6 210-6 210-6 110-6
Коэффициент -^^нижн Мбок
VTO UO NFS VTO UO NFS
ai -10 0,75 1,6 -30 0,5 1
a2 10 0,25 -0,6 30 0,5 0
аз 3 10-6 2,5 10-6 1,410-6 5010-9 110-6 1,410-6
При схемотехническом моделировании в программах Eldo, Spectre, UltraSim и др. величина полной дозы D и параметры радиационного импульса задаются для всей схемы в целом, параметры генератора тока /ион на рис.1 задаются для конкретного МОПТ, на который воздействует ОЯЧ.
Рис.3. Графики зависимости от полной поглощенной дозы параметров VTH0, U0, VOFF модели BSIMSOI базового транзистора макромодели BSIMSOI-RAD для данных [6]
Сравнение затрат времени на моделирование с использованием макромодели BSIMSOI-RAD и стандартной модели BSIMSOI. Сравнение приведено для трех тестовых элементов:
1) сток-затворной ВАХ (3300 точек) КНИ и-МОПТ (L/W=0,35/1,1 мкм );
2) передаточной характеристики инвертора (L/W = 0,35/1,1 мкм для и-МОПТ и L/W = 0,35/3,1 мкм для р-МОПТ) (3300 точек) с напряжением питания Vdd = 3,3 В;
3) переходной характеристики того же инвертора (25 периодов при частоте трапецеидального импульса 1,2 ГГц), входная и нагрузочная схема - идентичные инверторы.
Использованы три варианта модели КНИ МОПТ с контактом к рабочей области: BSIMSOI; BSIMSOI с радиационно зависимыми параметрами; макромодель BSIMSOI-RAD с дополнительными транзисторами и радиационно зависимыми параметрами. Моделирование проводилось с использованием ЭВМ на основе процессора Intel Core2 2 ГГц и 1 Гб ОЗУ с помощью пакета Cadence Spectre 5.1. В табл.2 приведены усредненные затраты времени счета для каждого теста.
Таблица 2
Сравнительные оценки времени счета (в мс) макромодели BSIMSOI-RAD и стандартной модели BSIMSOI
Вариант модели
BSIMSOI +
Параметр BSIMSOI + радиац ионные
BSIMSOI радиационные коэффициенты коэффициенты + дополнительные
транзисторы
Доза, рад Не учитывается 0 1106 0 1-106
ВАХ КНИ МОПТ 183,429 183,714 185,429 203,714 203,714
Передаточная характеристика инвертора 249,714 250,571 251,429 275,429 277,714
Переходная характеристика инвертора 256,857 256,571 263,714 278,857 279,429
Как видно из таблицы, использование полного варианта макромодели увеличивает время моделирования на ~10% по сравнению со стандартной моделью BSIMSOI.
Разработанная макромодель BSIMSOI-RAD успешно использовалась для анализа характеристик цифровых и аналоговых фрагментов КНИ КМОП БИС с учетом суммарной поглощенной дозы и одиночных ядерных частиц [13-16]. Опыт использования
макромодели показывает, что погрешность описания статических ВАХ КНИ/КНС МОПТ не превышает 10-15% в диапазоне доз до 1,5-106 ед., динамических характеристик фрагментов - 20-25% в том же диапазоне доз. Увеличение времени моделирования с использованием макромодели по сравнению со стандартной моделью BSIMSOI составляет не более 10%, что практически не вносит дополнительных ограничений на выполнение схемотехнических расчетов.
Литература
1. Tavernier C., Belhaddad K., Penzin O. Impact of technology scaling in SOI back-channel total dose tolerance. A 2-D numerical study using self-consistent oxide code // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2000. - Т. 47. -№ 3. - С. 620-627.
2. Mavis D. G., Eaton P.H. SEU and SET modeling and mitigation in deep submicron technologies // Proc. 45-th IEEE International Reliability Physivs Symposium. - 2007. - P. 293-305.
3. A bias-dependent single-event compact model implemented into BSIM4 and a 90 nm CMOS process design kit / J.S.Kaluppa, A.L.Sternberg, M.L.Alles et al.// IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2009. - Т. 56. - № 6. -С. 3152-3157.
4. Francis A.M., Turowski M., Holmes J.A., Mantooth H.A. Efficient modeling of single event transients directly in compact device models // Proc. IEEE International Behavioral Modeling and Simulation Conf. -2007. - Sep. 2007. - P. 73-77.
5. 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. Int. Conf. on Microelectronic Test Structures. - 1994. - P. 126-129.
6. New Insights into Fully-Depleted SOI Transistor Response after Total-Dose Irradiation / J.R.Schwank, M.R.Shaneyfelt, P.E.Dodd et al. // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2000. - Т. 47. - № 7. - С. 604-612.
7. Barnaby H.J. Total ionizing doze effects in modern CMOS technologies // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2006. - Т. 53. - № 6. - С. 3103-3121.
8. Radiation effects in MOS oxides technologies / J.R. Schwank, M.R. Shaneyfelt, D.M. Fleetwood et al.// IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2008. - Т. 55. - № 4. - С. 1833-1853.
9. Worst-case bias during total dose irradiation of SOI transistors code / V.Ferlet-Cavrois, T.Colladant, P.Paillet, et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2000. - Т. 47. - № 6. - С. 2183-2188.
10. Alvarado J., Boufouss E., Kilchytska V., Flandre D. Compact model for single event transients and total dose effects at high temperatures for partially depleted SOI MOSFETs // Microelectronics Reliability. - 2010. -Т. 50. - № 9-11. - С. 1852-1856.
11. Tuinenga P.W., Massengill L.W. Circuit modeling of signle-event transient pulse stretching in digital CMOS // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2009. - Т. 56. - № 6. - С. 3165-3171.
12. Agilent 85190A, IC-CAP 2006 User's Guide.
13. Simulation of Radiation Effects in SOI CMOS Circuits with BSIMSOI-RAD macromodel / K.O.Petrosjanc, I.A.Kharitonov, E. V.Orekhov et al. // Proc. of 7-th IEEE East-West Design & Test Intl. Symposium (EWDTS'09) (Moscow, Russia, 18-21 Sept. 2009). - 2009. - P. 243-246.
14. Kharitonov I. A. Multi-level methodology for CMOS SOI/SOS MOSFET parametrization for IC radiation hardness simulation with SPICE // Proc. of 8th IEEE EWDTS Symposium. - 2010. - P. 358-361.
15. К.О.Петросянц, И.А.Харитонов, Л.М. Самбурский и др. Исследование характеристик элементной базы аналоговых КНИ КМОП схем, изготовленных по технологии XFAB, с учетом суммарной поглощенной дозы // Электроника, микро- и наноэлектроника: c6. науч. тр. - М.: МИФИ, 2009. - C. 57-66.
16. Анализ влияния суммарной поглощенной дозы на характеристики элементной базы КНИ КМОП БИС ОЗУ / К.О.Петросянц, И.А.Харитонов, Л.М.Самбурский и др. // Электроника, микро- и наноэлектроника: c6. науч. тр. - М.: МИФИ, 2010. - C. 90-95.
Статья поступила 14 сентября 2010 г.
Петросянц Константин Орестович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроники и электротехники, декан факультета автоматики и вычислительной техники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС, САПР элементной базы ЭВА и РЭА.
Самбурский Лев Михайлович - старший преподаватель кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование элементной базы радиационно стойких БИС. E-mail: eande@miem.edu.ru
Харитонов Игорь Анатольевич - кандидат технических наук, профессор кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование и проектирование элементной базы электроники специального назначения, ПЛМ, системы-на-кристалле.
Ятманов Александр Павлович - начальник отдела НИИ измерительных систем (г. Нижний Новгород). Область научных интересов: разработка и моделирование технологических процессов и интегральных приборов, моделирование элементной базы радиационно стойких БИС.
Издательско-полиграфический комплекс Московского государственного института электронной техники
информирует
Вышло в свет учебное пособие Голишников A.A., Путря М.Г.
Вакуумные плазменные технологии в производстве СБИС. Часть 1: Получение и измерение вакуума. Основные понятия физики плазмы
Вакуумные плазменные технологии в производстве СБИС
П атлет it- it шч.реши вшууш. Оснпкнмс шиш пш фишки if.mtMhi
■53
ISBN 987-5-7256-0607-2 Формат 60 * 84 1/16, объем 164 е.: ил.
Рассматриваются вопросы, касающиеся вакуума, способов и средств его получения. Представлено современное состояние средств откачки. Приводятся классификация средств измерения вакуума и принципы работы вакуумметров. Даются основные понятия физики плазмы. Описываются термодинамические свойства плазмы, элементарные процессы, протекающие в плазме, методы диагностики плазмы. Приводится классификация газовых разрядов. Особое внимание уделяется высокочастотным емкостному и индукционному разрядам, а также СВЧ-разряду.
Предназначено для студентов, специализирующихся в области технологии изготовления полупроводниковых интегральных схем: бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Электроника и микроэлектроника».
