автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование схемотехнических моделей элементов радиационно стойких МДП БИС

Для служ. польз. Экз. N _

На правах рукописи

ХАРИТОНОВ Игорь Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИАЦИОННО СТОЙКИХ

МДП БИС.

05. 27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -

1998 г

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете).

Научный руководитель: д. т. н., профессор

Петросянц Константин Орестович

Официальные оппоненты: Зав. кафедрой "Электроники" МИФИ

д.т.н., профессор Першенков Вячеслав Сергеевич

Нач. отдела 22 Центрального научно-исследовательского испытательного ' института Министерства Обороны России к.т.н., с.н.с. Телец Виталий Арсеньвнч

Ведущая организация: АОНПП "Сапфир"

Защита состоится ¡Ц 1998 г. в Ю час. — мин. на

заседании диссертационного совета Д0636806 в Московском

государственном институте электроники и математики

(техническом университете) по адресу 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер. 3/12, тел. 916-88-09.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан " " ^ЛЛ-СмД 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета / И. Жуков

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 I03-10s рад; к импульсному воздействию 1010-10п рад/с; уровень бессбойной работы под действием космического излучения 109 сбой/битв 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, Medí 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 (Цп>0.25мкм), выполненных по КНИ технологии, разработан вариант модели с использованием модели В81М2. 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.

2. 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.

3. 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/ч35533.

"Методы

искусственного

по тестовым

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:

1. Всесоюзном совещании молодых ученых и специалистов "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем" .Москва 1987;

2. Всесоюзной школе-семинаре интеллекта в САПР" (Москва 1990),

3. Международной конференции ЮМТБ, Барселона, Испания, март 1993;

4. Международной конференции 1СМТБ Сан-Диего, США, март 1994;

5. Международной конференции ЮМТБ, Нара, Япония, март 1995;

6. Российской конференции с "МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 94", Звенигород 1994,

7. IX научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, май 1997;

8. Конференции "Электроника и информатика 97", Зеленоград, ноябрь

1997.

9. Научной сессии "МИФИ-98", Москва, январь 1998.

а также были представлены на выставке ЕсН1'96 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.

по тестовым

по тестовым

участием

структурам IEEE структурам IEEE структурам IEEE зарубежных ученых

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения , пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 117 наименований. Общий объем работы составляет 155 страниц, в том числе 41 страниц иллюстраций и 11 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена разработке моделей МДП элементов, изготовленных по КНС/КНИ технологиям, для схемотехнического проектирования радиационно стойких БИС с учетом стационарного облучения.

Для расчета статических и динамических характеристик МДП-схем, подвергнутых воздействию стационарного облучения необходимо обеспечить высокую точность расчета характеристик транзисторов во всех режимах расчета, включая переход от слабой к сильной инверсии. Связано это со значительной деформацией (сдвигом порогового напряжения и уменьшением крутизны в предпороговой области) ВАХ транзистора после облучения. К сожалению большинство распространенных моделей МДП транзисторов (МОБЗ, ВБ1М) не обеспечивают достаточной гладкости сопряжения предпорогового и надпорогового режимов, что создает проблемы при расчете характеристик облученных схем, особенно работающих в области небольших напряжений.

Характерной особенностью МДП транзисторов, применяемых для радиационно стойких схем и изготовленных на диэлектрической подложке, является плавающий потенциал подложки, что приводит к следующим эффектам, отсутствующим у "объемных" МДП приборов:

- паразитный биполярный эффект;

- статический кинк-эффект на выходных характеристиках;

- накопление заряда в подложке и изменение ее потенциала во время

переходных процессов.

Схемотехнические модели для данного класса транзисторв в распространенных системах схемотехнического проектирования отсутствуют.

В диссертации на основе использования стандартных схемотехнических моделей МДП транзисторов разработана библиотека моделей КНС/КНИ МДП транзисторов, учитывающих их основные особенности (рис. 1). Основной МДП транзистор модели имеет непрерывность ВАХ при переходе от сильной к слабой инверсии за счет использования модифицированных выражений для тока стока, состоящих из дрейфовой и диффузионной составляющих:

1с = 1дрейф 1днфф (1)

1дршф = ц' У//Ь ((V - Ос2) / (2 Сох) 1дифф = |1' \У/Ь (0„ - Ое)

(2) (3)

^с'апф. подложка - сапфир

(б)

Рис. 1. Схемотехнические модели КНИ (а) и КНС (б) МОП-транзисторов с паразитными элементами, учитывающими переходные ионизационные эффекты.

где эффективные заряды на стоке и истоке, соответственно:

Сох У, эфф и

Ос = Сох V, эфф с

эффективные напряжения на стоке и истоке, соответственно:

2пкТ q ... 1 + ИЬ эффс = 1°Я(1 + ехр(^р (У3 „ - --— V, „)))

^з эффи:

Я " " 2пкТ 2пкТ1ой1 + ехр(-^-(УзИ-У,)))

(4)

(5)

(6) (7)

Я " " 2пкТ

Параметры разработанных моделей зависят от наведенных облучением зарядов в окисле Оси и на границе раздела БьБЮ: Ои. Предлагаемое в данной работе выражение для подвижности

НО

К

1+|Уси/ЕЬ| + 9(У3 И У+

(8)

учитывает ее зависимость от полученной дозы облучения через плотность

<2й

поверхностных состояний Njt =-

(9)

Выражение для порогового напряжения VI описывает эффекты малой геометрии канала с учетом особенностей объемных и КНС/КНИ МДП транзисторов и учитывает его сдвиг за счет зарядов в окисле и на границе рздела после облучения через напряжение плоских зон

AVfb = ■

(10)

В предпороговой области работы используемые в модели уравнения (2)- (7) дают экспоненциальную зависимость тока стока от напряжения на затворе с коэффициентом наклона кривой 1п(1си)=Г(Узи) равным "п", и учитывающим влияние заряда наведенных облучением поверхностных состояний:

„ '-ох

где

Со

Сох - емкость подзатворного окисла;

Со - емкость обедненного слоя под каналом;

OD

Си =ч

2<Pf

емкость поверхностных состоянии.

Использованные зависимости зарядов в окисле <3<,1 и на границе раздела БиБЮг С^л от дозы облучения О учитывают влияние толщины окисла 1ох и напряжения на затворе Узн во время облучения:

. ЗИЛ

Qot(D.V3H) = aot(L)tox

1+b,

ot

^Узи+Фмп^ !^Узи + Фмп

+ d

ot

De°t

Qit(D,V3H) = ait(L)t0X

1 + b,t| Узи^Фмп^ V3H + cpMn|+d

l0x j v.4 l0x

3/2

De't

(12)

(13)

где a0t(L), ait(L), b0t, bit, dot, d,t, eot, ей - подгоночные коэффициенты, определяемые из измерений ВАХ тестовых транзисторов (см. главу 2.)

Это дает возможность оценивать влияние технологических особенностей изготовления транзисторов на их радиационную стойкость.

Введенные в схему дополнительные элементы позволяют учесть

упомянутые выше эффекты в транзисторе, связанные с плавающим

потенциалом подложки, а паразитный n-канальный транзистор в КНИ приборах учитывает протекание тока по нижней и боковой поверхностям островка кремния вследствие накопления заряда под толстым окислом и соответствующей инверсии проводимости.

Для моделирования радиационно стойких схем, изготовленных по субмикронной технологии (L>0.25mkm), с использованием системы Mentor Graphics в диссертации разработан вариант модели, в которой основной МДП транзистор описывается с помощью модели BSIM2 с радиационно зависимыми параметрами: напряжение плоских зон Vfb .подвижность при слабом поле цо .коэффициент учета зависимости подвижности от поперечного поля Ubo , коэффициент наклона в предпороговой области работы п0.

Адекватность разработанных моделей проиллюстрирована во второй главе на характеристиках тестовых структур изготовленных по различным вариантам технологии объемного кремния и КНС/КНИ технологиям ряда отечественных предприятий. Показано, что модели обеспечивают точность расчета статических характеристик 15-20%, а динамических 20-30% в диапазоне доз до единиц мегарад.

Результаты анализа схемных фрагментов . различной сложности показывают, что введение в эквивалентные схемы дополнительных элементов ухудшает скорость счета примерно на 40%, обеспечивая более корректное олисание статических и динамических характеристик КНС/КНИ схем по сравнению со стандартными моделями.

Разработанные модели МДП-транзисторов были использованы для схемотехнических расчетов и повышения радиационной стойкости ряда специализированных МДП БИС, в частности: цифровых КМДП КНС БМК на 2300 и 3000 вентилей; схем микропроцессорного набора Б1825; ЦАП и АЦП Б606, Б605, Б618,

Вторая глава посвящена разработке методик определения параметров моделей МДП транзисторов радиационно стойких БИС с учетом стационарного облучения.

Анализ существующих методов определения параметров схемотехнических моделей МДП-транзисторов радиационно стойких схем

показывает, что для связи параметров модели транзистора с физическими механизмами деградации параметров его структуры в процессе облучения, целесообразно использовать его ВАХ во всем диапазоне токов, от слабой к сильной инверсии, снятые при различных дозах.

Разработана методика определения параметров моделей по результатам электрических измерений на тестовых структурах и данных радиационных испытаний с использованием математического аппарата параметрической идентификации. Использующая метод предпороговых ВАХ методика позволяет провести разделение наведенных облучением зарядов на окисный и заряд поверхностных состояний и выделить паразитные токи утечки по нижней и боковой граням кремниевого островка в КНИ транзисторах.

Параметры схемотехнических моделей необлученных транзисторов определяются методами параметрической оптимизации по измереннным ВАХ транзисторов обычным образом.

Для облученных транзисторов плотность заряда поверхностных состояний на границе раздела 51-5102 определяется из наклона

измеренных предпороговых вольт-амперных характеристик облученного транзистора, а величина наведенных облучением зарядов в окисле С>о1(0) - по сдвигу порогового напряжения и известному заряду поверхностных состояний после ряда доз. По полученым данным методами оптимизации определяются соответствующие коэффициенты выражений, описывающих зависимости зарядов (^си и С>|1 от дозы облучения Э.

Параметры паразитного МДП-транзистора, описывающего токи утечки в облученном п-канальном КНИ транзисторе, находятся методами оптимизации из вольт-амперных характеристик тестовых структур с различной геометрией, снятых при подаче на затвор максимального отрицательного напряжения, при котором током под верхним затвором можно пренебречь. В качестве иллюстрации на рис. 2 (а) приведены измеренные и смоделированные входные ВАХ п-канального КНИ транзистора после ряда полученных доз, а на рис. 2 (б) - обработанные выходные ВАХ паразитных п-канальных транзисторов после 1Мрад.

Для реализации предлагаемых методик разработана программа автоматизированной идентификации параметров моделей облученных МДП транзисторв, изготовленных по различным технологиям,

Проведено подробное исследование и приведены результаты моделирования характеристик подвергнутых у-облучению (доза до 3 Мрад) транзисторов тестовых модулей, изготовленных по объемной, КНС технологиям с толщинами слоя кремния 0.6 и 0.3 мкм и КНИ 0.4 мкм технологиям (длина канала 2 и 4 мкм), а также транзисторов, выполненных по КНС технологии (слой кремния 0.6 мкм) со слабо легированными областями стока и истока ("спенсерами") и эффективной длиной канала 1.3 мкм.

а) б)

Рис. 2. Входные ВАХ п-канальных МДП транзисторов (а) и выходные ВАХ паразитных п-канальных транзисторов (б), изготовленных по КНИ технологии с толщиной слоя кремния 0.4 мкм. Значки- экспериментальные значения, сплошная линия- расчет по предлагаемой модели. Данные приведены для полученной дозы 1 Мрад.

Полученные в главе результаты показывают корректность разработанных методик идентификации параметров облученных транзисторов в диапазоне доз до единиц мегарад.

На основании полученных данных сделан вывод о меньшей радиационной стойкости исследованных КНИ МДП схем по сравнению с КНС приборами вследствие значительных (порядка десятков микроампер) токов утечки по нижней границе кремниевого островка.

Разработанные методика, программа идентификации и база данных по параметрам моделей МДП элементов радиационно стойких схем,

изготовленных по различным технологиям, внедрены и используются на ряде отечественных предприятий: АОНПП "Сапфир", ГУНТП "Пульсар" и др.

В третье»"! главе разработаны модели МДП элементов схем на объемном кремнии, кремнии на изоляторе (КНИ) и на сапфире (КНС), для схемотехнических расчетов ИС и БИС с учетом импульсного ионизирующего излучения. Испытание схем на устойчивость к импульсному воздействию является важной составной частью программы радиационных испытаний схем поэтому использование разработанных в главе моделей позволяет уменьшить число необходимых экспериментов и отработать схемотехнические решения, повышающие устойчивость схем к данному виду воздействия.

За счет введенных в эквивалентные схемы дополнительных генераторов фототока и паразитного биполярного транзистора с плавающей базой разработанные схемотехнические модели КНС/КНИ МДП транзисторов, (рис. 1) учитывают следующие особенности фотооткликов:

- возникновение первичных ионизационных фототоков;

- усиление первичных фототоков за счет паразитного биполярного эффекта;

- динамическое изменение потенциала плавающей подложки.

- возникновение паразитной фотопроводимости сапфировой подложки в МДП КНС приборах.

Для КМДП схем, выполненных в "объемном" кремнии, разработанная схемотехническая модель учитывает влияние паразитных биполярных транзисторов и распределенных сопротивлений. Для определения величин распределенных сопротивлений разработана программа их численного расчета на основе полученных экспериментально данных об удельных сопротивлениях и топологии структуры.

Параметры генераторов фототока рассчитываются с использованием выражений, учитывающих как "мгновенные", так и "задержанные" составляющие по известным параметрам воздействия и параметрам структуры транзистора, полученным из конструктивно-технологических данных и результатов лазерных имитационных испытаний.

Приведены результаты моделирования и лазерных имитационных испытаний тестовых элементов МДП БИС, изготовленных по

технологиям объемного кремния и кремния на диэлектрической подложке. На основании сравнения результатов испытаний и схемотехнического моделирования переходных ионизационных процессов в схемных фрагментах различной сложности сделан вывод об адекватность разработанных моделей в диапазоне доз до 1012 рад/сек. Полученные данные показывают, что технология "кремний на сапфире" обеспечивает стойкость к импульсному воздействию порядка 10м рад/сек (по критерию сбоя в схеме) , в то время, как "объемная" КМДП-технология лишь 107 рад/сек. КНС технология с уменьшенной толщиной слоя кремния (0.3 мкм вместо 0.6) обеспечивает примерно на 40% большую стойкость и поэтому более перспективна для создания КМДП БИС с повышенной устойчивостью к импульсному радиационному воздействию.

На основе данных испытаний тестовых структур и результатов моделирования для тестовых образцов объемной КМДП технологии определена мощность дозы излучения 2...3 10ю рад/сек, приводящая к включению паразитной тиристорной структуры, и пороговая мощность дозы, вызывающая сбои в ячейках памяти и фрагментах схем, равная 2...5 107 рад/сек. Большое различие в полученных значениях мощности дозы, вызывающей сбой в схеме и приводящей к защелкиванию, позволяет при оценке стойкости данного класса схем пренебречь влиянием паразитных тиристорных структур.

Комплексный учет различных факторов радиационного воздействия в рамках одной схемотехнической модели позволил исследовать устойчивость к импульсному воздействию фрагментов различных схем (памяти, логических и др.), изготовленных с различными топологическими нормами, а также после воздействия на них стационарного ионизирующего излучения. Полученные результаты моделирования показывают существенное (примерно на порядок) уменьшение стойкости к импульсному излучению схем памяти ОЗУ после полученной дозы 1 Мрад.

Разработанные в главе модели и база данных по параметрам внедрены на ряде отечественных предприятий, а также были использованы для исследования схемотехнических решений ячеек памяти с повышенной

устойчивостью к импульсному воздействию. Полученные результаты приведены в пятой главе настоящей диссертации.

Четвертая глава посвящена разработке моделей для схемотехнического анализа эффекта прохождения одиночных тяжелых частиц через КМДП структуры БИС ("случайные сбои") , изготовленные по объемной и КНС/КНИ технологиям. Уменьшение размеров транзисторов, сопровождающееся снижением напряжения питания и узловых емкостей повышает чувствительность МДП схем к воздействию одиночных частиц.

В диссертации разработаны модели МДП-элементов БИС, которые для КНС/КНИ технологии учитывают усиление первичного тока 1пона , вызванного зарядом трека частицы (^трека. (рис. 3 (а))

Отр

(ека транзистора —

с1Е„

<1х_

\Ve_hgj соэе

(14 )

паразитным биполярным транзистором с плавающей базой (рис. 3 (б)). В выражении ( 14) с1Е/с!х - линейная генерация заряда в треке частицы, \¥е-ь -энергия образования электронно-дырочной пары.

'приб

И1и

(а)

подложка - сапфир

(б)

Рис. 3 Структура (а) и эквивалентная электрическая схема (б) КНС МДП структуры с учетом воздействия отдельной частицы.

Для "объемной" КМДП технологии модели учитывают особенности прохождении частицы как через один, так и через несколько р-п-переходов (эффект "щунтирования"), а также влияние паразитных биполярных структур.

По сравнению с существующими предлагаемые модели дополнительно учитывают сдвиг порогового напряжения, вызываемый зарядом трека в слоях

подзатворного QipeKa окисла и нижнего окислов (для КНИ), при прохождении частицы через затвор транзистора с субмикронными размерами (LdT < 1 мкм):

dE„,

Qn»

ека окисла —

'dX

wc-hnx cose

(15)

Для расчета плотности плазмы вдоль трека частицы в диссертации разработаны алгоритм и программа, позволяющие учесть нелинейные эффекты, возникающие при торможении частицы. Это дает возможность моделировать воздействие частиц с произвольной энергией.

Использование в качестве основы моделей BSIM, BSIM2 для субмикронных транзисторов и системы проектирования Mentor Graphics позволяет прогнозировать устойчивость к "случайным" сбоям схем с длинами каналов транзисторов до 0.3 мкм. В частности, проведенное в главе исследование стойкости схем с различными размерами транзисторов показало уменьшение порогового значения линейной генерации заряда G0 в треке частицы, вызывающей сбой ячейки памяти, при уменьшении (масштабировании) размеров транзисторов (рис. 4 (а)) и после воздействия стационарного облучения (рис. 4 (б)) для "объемной" и КНИ технологий.

Ю1

.12

10a

Go, ем

КНИ технология^ tgpO.lMKM

10'

.,12

,10

"объемная" КМДП технология

L, мкм

10

103--

Go, см

КНС технология

"объемная" КМДП технология

Доза. МРзд

-Н-

(а)

(б)

Рис. 4. Зависимость порогового значения линейной генерации заряда Со в треке частицы, вызывающей сбой ячейки памяти, при уменьшении (масштабировании) размеров транзисторов (а) и после воздействия стационарного облучения (б) для "объемной" и КНИ технологий.

Экспериментальное исследование устойчивости схемных фрагментов к воздействию одиночной частицы и эффективности схемотехнических и конструктивно-технологических решении по ее повышению достаточно сложно, поэтому использование разработанных в данной главе моделей представляет эффективное средство для решения указанных задач. Разработанные в главе модели были использованы в разработках АОНПП "Сапфир", ГУПНТП "Пульсар", предприятия в/ч 10555 схем специального назначения с повышенной устойчивостью к "случайным" сбоям.

Пятая глава посвящена применению разработанных моделей в практике проектирования БИС с повышенной радиационной стойкостью.

Разработан и аппробирован на реальных разработках подход к оценке радиационной стойкости фрагментов КМДП БИС, сочетающий результаты моделирования с использованием разработанных моделей и данных натурных радиационных испытаний и состоящий из нескольких этапов:

- определение параметров схемотехнических моделей транзисторов с учетом облучения по результатам измерений на тестовых структурах;

- схемотехническое моделирование и оценка радиационной стойкости простейших фрагментов: инверторов, схем И, ИЛИ и т.д.;

- оценка радиационной стойкости более сложных схемных фрагментов: триггеров, регистров, схем памяти и др. или всей схемы в целом.

Оценка радиационной стойкости проиллюстрирована на наиболее типичном примере - специализированном цифровом БМК с проектными нормами 4 мкм, изготовленном по КНС технологии с толщиной слоя кремния 0.6 мкм. С использованием разработанных автором моделей проведено схемотехническое моделирование ряда схемных фрагментов различной сложности, входящих в библиотеку данного БМК: инверторов, простейших логических схем, триггеров и др. и определены наиболее слабые с точки зрения радиационной стойкости фрагменты, ограничивающие стойкость всей схемы. Результаты моделирования подтверждены результатами натурных испытаний на реальных образцах.

Проведена оценка радиационной стойкости более сложных (порядка ста транзисторов) фрагментов БИС АЦП Б606: селектора входного сигнала и сумматора.

Использование разработанных моделей МДП транзисторов совместно с библиотекой их параметров, полученных на тестовых кристаллах, дало возможность оценить радиационную стойкость схемных фрагментов различной сложности вновь разрабатываемых КМДП БИС при их изготовлении по перспективным технологиям. В частности, был проведен анализ и сравнение следующих конструктивно-технологических вариантов:

- стандартная КНС технология с толщиной слоя кремния 0.6 мкм;

- КНС технология с уменьшенной до 0.3 мкм толщиной слоя кремния;

- КНИ технология с толщиной слоя кремния 0.4 мкм;

- КНС технология со слоем кремния 0.6 мкм и транзисторами со слабо легированными областями стока и истока ("спейсеры").

Показано, что КНС 0.3 мкм и КНИ 0.4 мкм технологии обеспечивают меньшие (приблизительно на 30-40%) времена задержек по сравнению со стандартной КНС 0.6 мкм технологией вследствие уменьшенных истоковых и стоковых емкостей МДП транзисторов. Перспективный ариант схем со "спенсерами" обеспечивает значительный выигрыш в быстродействии за счет меньшей длины канала и, соответственно, большей крутизны транзисторов. При заданных допусках на времена задержек в облученных схемах указанный перспективный вариант технологии со "спенсерами" обеспечивает приблизительно в 2.5 раза большую радиационную стойкость по сравнению со стандартным тех. процессом. Использование разработанной в рамках данной работы библиотеки элементов БМК, выполненных по перспективному варианту КНС технологии, дало возможность оценить радиационную стойкость БМК, оптимизировать его построение до изготовления.

Разработанные в диссертации модели были использованы для оценки

А

радиационной стойкости перспективных 0.5 мкм КНИ технологий,

•T. Ipposhi, Y. Yamaguchi,... "An advanced 0.5 цт CMOS/SOI technology for practical ultrahigh-speed and low-power circuits",// Proc. 1995 IEEE International SOI Conference, Oct. 1995, pp. 1-3.

используемых для сверхскоростных и микромощных логических схем и схем гигабитной памяти.

Применение разработанных моделей и методик оценки радиационной стойкости позволило снизить стоимость разработки узлов радиационно стойких БИС примерно на 20%, и время разработки - на ..У/п при одновременном повышении стойкости схем.

С использованием разработанной подсистемы проведено исследование эффективности схемотехнических решений ячеек памяти ОЗУ с повышенной устойчивостью к импульсному воздействию (рис. 5) . Основываясь на полученных результатах показано, что включение дополнительной ЯС-цепи между выходами ячейки (рис. 5 (ж)) повышает устойчивость к импульсному излучению более, чем на порядок, а дополнительных КС-элементов в цепях обратной связи (рис. 5 (е)) - в 6-8 раз. Повышение устойчивости объясняется тем, что на время действия импульса излучения разряд емкости дополнительной КС-цепи удерживает потенциалы на выходах ячейки.

х

Д е ж з

Рис. 5. Исследованные схемотехнические решения ячеек памяти ОЗУ с повышенной устойчивостью к импульсному воздействию.

Результаты моделирования согласуются с данными испытаний, полученными авторами предложенных схемотехнических решений. Полученные в главе

2 A.Y. Nikolaev, I.V. Poljakov, "Test CMOS/SOS RAM for transient radiation upset comparative research and failure analysis", // IEEE Trans, on Nucl. Science, vol NS-42, N6, 1995, pp.2138-2142.

результаты были использованы АО НПП "Сапфир" при отработке схем памяти ОЗУ, и позволили повысить устойчивость схем к импульсному излучению более, чем на порядок.

В приложениях приведены акты внедрения результатов работы в различных организациях.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

]. 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 (Ьсгг>0.25мкм), выполненных по КНИ технологии, разработан вариант модели с использованием модели ВБ1М2. Введенные в модели дополнительные схемные элементы обеспечивают учет в аналитическом виде плавающего потенциала подложки и ряда других основных физических эффектов в МДП транзисторах на диэлектрической подложке. Добавленные в модели зависимости основных параметров: порогового напряжения, подвижности, коэффициента наклона ВАХ в предпороговой области от полученной дозы стационарного облучения и дополнительные схемные элементы, обеспечивают комплексный учет основных радиационных эффектов, возникающих при стационарном и импульсном облучении, воздействии отдельных ядерных частиц.

2. Разработана методика определения параметров предложенных моделей по результатам электрических измерений на тестовых структурах и данных радиационных испытаний с использованием математического аппарата параметрической идентификации. Методика позволяет провести разделение наведенных облучением зарядов на окисный и заряд поверхностных состояний и выделить токи утечки по нижней и боковой граням кремниевого островка в КНИ транзисторах.

3. Результаты экспериментального исследования и моделирования характеристик элементной базы радиационно стойких МДП БИС,

выпускаемой и разрабатываемой рядом отечественных предприятий, показали, что разработанные в диссертации модели и методики определения их параметров обеспечивают точность описания статических характеристик МДП-элементов схем не хуже 20% и динамических - не хуже 30% в диапозоне доз до единиц мегарад и мощности дозы до 1012 рад/сек.

4. 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 фрагментов сверхскоростных и микромощных КМДП КНИ БЙС, а также схем гигабитной памяти при уменьшении размеров их элементов до 0.5 мкм.

5. Разработанная в диссертации функционально полная библиотека моделей МДП элементов радиационно стойких объемных и КНС/КНИ КМДП схем включена в стандартные системы схемотехнического проектирования БИС на основе PSPICE и Mentor Graphics и совместно с разработанными алгоритмами расчета, программными средствами и базами данных по параметрам элементной базы позволяют эффективно решать широкий спектр задач, связанных с разработкой радиационно стойких МДП БИС, в том числе задачи расчета характеристик радиационной стойкости различных схемотехнических вариантов ИС и БИС и предсказания электрических характеристик и характеристик радиационной стойкости фрагментов КМДП ИС и БИС, изготовленных по перспективным технологиям. С использованием разработанных в диссертации моделей и методик исследована радиационная стойкость серийно выпускаемых и перспективных цифровых и аналого-цифровых КНС/КНИ МДП БИС, выполненных по различным технологиям, что позволило выделить наиболее слабые с точки зрения стойкости элементы схем и дать рекомендации по ее повышению.

6. Использование разработанных в диссертации моделей дало возможность исследовать характеристики новых схемотехнических решений ячеек памяти КМДП КНС/КНИ ОЗУ, обеспечивающих повышенную

радиационную стойкость и дать рекомендации по их применению в перспективных разработках. Показано, что включение RC-цепи с постоянной времени, большей длительности импульса излучения, между выходами ячейки повышает устойчивость к импульсному излучению более, чем на порядок, а дополнительных RC-элементов в цепях обратной связи - в 6-8 раз.

7. Разработанные модели и методики реализованы в практических разработках серийно выпускаемых и разрабатываемых радиационно стойких КМДП КНС/КНИ БИС, в частности:

- цифрового КНС БМК на 2300 и перспективного БМК на 3000 вентилей;

- КМДП КНС ОЗУ Б1620;

- схем микропроцессорного набора Б1825

- ЦАП и АЦП Б606, Б605, Б618,

Внедрение на предприятиях АОНПП "Сапфир", ГУП НТП "Пульсар", в/ч 10555, в/ч 35533 разработанных моделей, методик, баз данных и их использование при проектировании КНС/КНИ КМДП БИС специального назначения позволило оптимизировать ряд схемотехнических решений и повысить их радиационную стойкость.

Полученные результаты опубликованы в следующих работах:

1. А.И. Гуров, К.О. Петросянц, И.А. Харитонов, "Программное обеспечение для расчета электрических характеристик элементов БИС с учетом воздействия внешних факторов",//Всесоюзное совещание молодых ученых и специалистов "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем", тезисы докладов, Москва, 1987, стр. 33.

2. A.A. Пугачев, И.А. Харитонов "Математическое моделирование влияния ионизирующего излучения на характеристики МДП-транзистора в области малых токов",// Сборник статей "Системы автоматизированного проектирования БИС и РЭА", Москва, Наука, 1991, стр.102.

3. И.А. Харитонов "Математическое моделирование влияния ионизирующего излучения на полупроводниковые приборы и элементы интегральных схем",// Сборник статей "Системы автоматизированного проектирования БИС и РЭА", Москва, Наука, 1991, стр.109.

4. К.О. Petrosjanc, I.A. Kharitonov, "VLSI device parameter extraction for radiation hardness modeling with SPICE",// IEEE Proc. on Microelectr. Test Structures, vol. 6, pp.9-14, 1993.

5. K.O. Petrosjanc, A.S. Adonin, I.A. Kharitonov, M.V. Sicheva, "SOI device parameter investigation and extraction for radiation hardness modeling with SPICE",// IEEE Proc. on Microelectr. Test Structures, vol. 7, pp. 126-129, 1994.