автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка и исследование схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС

На правах рукописи УДК 004.942: 621.382.323

САМБУРСКИЙ ЛЕВ МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ 8Р1СЕ-МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ И ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КМОП БИС СО СТРУКТУРОЙ КНИ / КНС

Специальность 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

005543829

Москва 2013 г.

005543829

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском университете «Высшая школа экономики» и Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук.

Научный руководитель: Петросянц Константин Орестович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Электроники и наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭ

Официальные оппоненты: Стенин Владимир Яковлевич,

доктор технических наук, профессор кафедры Электроники НИЯУ МИФИ

Савченко Евгений Матвеевич, кандидат технических наук, начальник Центра проектирования ОАО «НЛП „Пульсар"»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное уч-

реждение науки Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук (НИИСИ РАН).

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д.002.078.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН) по адресу: Российская Федерация, 124365, г. Москва, Зеленоград, Советская ул., д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИППМ РАН, с авторефератом - на сайте ИППМ РАН www.ippm.ru.

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к. т. н., доц.

М. М. Жаров

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важнейшим видом электронной компонентной базы для аэрокосмической и военной техники, устройств управления ядерной энергетикой, систем космической связи и телекоммуникаций и других специальных применений являются КМОП БИС и системы на кристалле со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС), которые помимо высокой степени интеграции на п/п кристалле, высокого быстродействия, малого потребления мощности, обладают повышенной радиационной стойкостью.

Самостоятельным направлением КМОП-технологии являются фоточувствительные КМОП СБИС, изготовленные в ультратонком слое кремния на сапфировой подложке по технологии UTSi (фирмы Peregrine), которые используются в космических системах мониторинга и зондирования Земли, устройствах аналоговой и цифровой оптической обработки информации, специальных фотоприёмных устройствах и др.

По оценкам специалистов NASA, радиационно-стойкие КМОП БИС и фоточувствительные КМОП-ФД СБИС, изготовленные на КНИ/КНС подложках, являются перспективной электронной элементной базой современных и будущих космических систем.

Очевидно, что успешное решение задач проектирования и разработки КМОП СБИС со структурой КНИ/КНС, а также построения систем на их основе невозможно без широкого применения САПР как на элементном, так и на схемо- и системотехнических уровнях. Причём для радиационно-стойких и фоточувствительных БИС задачи существенно усложняются, т. к. в рамках традиционных этапов проектирования необходимо дополнительно учитывать воздействие радиационных и фотоэлектрических факторов, соответственно, а в ряде случаев (например, в условиях космического пространства) их совместное влияние.

Эти обстоятельства в последние годы стимулировали у нас в стране и за рубежом разработку проблемно-ориентированных подсистем САПР для радиационно-стойких схем (Radiation-Hardened CAD - RHCAD)* и оптоэлектронных схем (ОЭС) . Эти подсистемы, как правило, встраиваются в существующие промышленные САПР БИС.

Ключевая роль в таких САПР принадлежит моделям КМОП-элементов, поскольку от степени учёта влияющих факторов и их точности в первую очередь зависит достоверность результатов схемотехнического и топологического проектирования.

Таким образом, разработка новых и улучшение существующих SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/ КНС КМОП БИС является актуальной задачей.

Состояние исследований по проблеме.

1. Модели КНИ/КНС КМОП-элементов для радиационно-стойких БИС. Физические модели влияния радиационного облучения на электрические параметры элементов КНИ / КНС КМОП БИС приведены в работах отечественных авторов: Зебрева Г. И., Никифорова А. Ю., Першенкова В. С., Скоробогатова П. К., Тельца В. А., Чумакова А. И., Улимова В. Н. и др., а также зарубежных авторов: Т. P. Ma, P. V. Dressendorfer, Т. R. Oldham, J. R. Schwank, V. Ferlet-Cavrois, M. R. Shaneyfelt, P. E. Dodd и др.

■ Hierarchical CAD Tools for Radiation Hardened Mixed Signal Electronic Circuits, DT1C Report No. ADA429971, 2005,

" Оптоэлектронные приборы, системы и сети. - М. : Наука, 2007;

Существенный вклад в разработку схемотехнических моделей с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких КМОП БИС внесли Волков И. С., Зебрев Г. И., Кокин С. А., Петросянц К. О., Стенин В. Я., Харитонов И. А., Ятманов А. П. и др.

Для формирования компактных моделей, учитывающих факторы радиационного влияния в промышленных схемотехнических САПР, отечественные и зарубежные специалисты используют два основных подхода.

Первый - создание набора программных функций на языке С, Уепк^-АМв и др., описывающих радиационное воздействие и подключаемых к стандартным моделям. Встраиваемый модуль рассчитан на конкретную версию симулятора, что требует взаимодействия с фирмой-производителем САПР и высокой квалификации программиста.

Второй путь - формирование макромодели на основе схемотехнической модели, уже включённой в библиотеку моделей данной САПР. В этом случае модель работает быстрее, чем при подключении достаточно сложных выражений, вычисляемых с помощью модулей С, Уеп1од-АМ8 и др., но от разработчика требуется хорошее знание схемотехники и особенностей конкретного симулятора. Также макромодельный подход позволяет достаточно просто модифицировать модель для учёта дополнительных эффектов, обусловленных влиянием радиации и температуры.

Анализ известных работ показал, что стандартные схемотехнические модели МОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС, включённые в БРГСЕ-подобные программы анализа ИС и БИС, или вообще не учитывают радиационные эффекты, или учитывают их в недостаточной степени. Для элементов радиационно-стойких КНИ/КНС КМОП БИС основная задача состоет, во-первых, в определении перечня радиационно-зависимых параметров и, во-вторых, в корректном их учёте в той или иной форме. В настоящей диссертационной работе предпочтение отдаётся макромо-дельному подходу.

2. Модели фоточувствительных элементов БИС. Разработке схемотехнических моделей фоточувствительных п/п приборов и элементов ИС посвящены работы Горохова В. А., Дмитриева В. П., Носова Ю. Р., Сидорова А. С., Шилина В. А. и др.

Для элементов фоточувствителъных КНИ/КНС КМОП БИС вопрос учёта внешнего светового излучения на электрические характеристики элементов слабо освещен в литературе. В БРЮЕ-подобных программах практически отсутствуют модели фотоприёмных элементов, совместимых с технологией КНИ/КНС КМОП.

3. Определение параметров моделей. Помимо разработки собственно самих моделей МОПТ, учитывающих радиационные и фотоэлектрические эффекты, не менее важное значение имеют вопросы определения (экстракции) параметров этих моделей.

Однако, в большинстве опубликованных работ процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров для приборов, подвергнутых воздействию радиации и света, освещены крайне недостаточно. Проблема автоматизации таких процедур с использованием комплекса экстракции параметров моделей и макромоделей (например, 1С-САР или аналогичного) практически не описана

Таким образом, настоящая диссертация посвящена разработке и исследованию схемотехнических БРЮЕ-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС, а также разработке методик определения (экстракции) их параметров на основе электрических, радиационных и фотоэлектрических измерений характеристик тестовых приборов или на основе их ТСАБ-моделирования.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование компактных 5Р1СЕ-моделей элемен-

тов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП и КМОП-ФД БИС для анализа схемотехнических решений с помощью промышленных САПР.

Цель достигается путём решения следующих задач:

1) разработка новых и совершенствование существующих схемотехнических моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, учитывающих факторы радиационного и светового воздействия за счёт применения макромодельного подхода;

2) разработка методик определения параметров моделей КМОП-элементов со структурой КНИ/КНС по результатам измерений их электрических, радиационных и фотоэлектрических характеристик;

3) разработка полуавтоматизированного аппаратно-программного комплекса для измерения электрических характеристик и экстракции параметров разработанных моделей; в том числе программного обеспечения, предназначенного для управления комплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения процедуры идентификации параметров моделей;

4) включение разработанных и усовершенствованных моделей в существующие промышленные программы схемотехнического расчёта БИС;

5) использование всей совокупности разработанных моделей и методик в практике проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП ИС и БИС.

Методы исследования: методы экспериментального определения электрических характеристик тестовых структур, математические методы обработки результатов измерений, методы оптимизации, компьютерный анализ и моделирование, методы проведения вычислительных экспериментов.

Научная новизна работы.

1) Для построения SPJCE-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подвергнутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит единый подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макромоделирования (подключения в эквивалентную схему дополнительных элементов, учитывающих соответствующий физический эффект), и введения радиационно-зависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмик-ронпых (до 0,1 мкм) точность описания статических ВАХ 10-15% и динамических характеристик 15-20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;

2) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > ~ 0,5-0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключения к эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработана методика определения параметров дополнительных элементов;

3) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты. В эквивалентную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитывающие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочей области транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитические зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности, предпорогового наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений характеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;

4) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элементов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе р-n- и p-i-n-структур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структурах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствитель-

ный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтоматическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений электрических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.

Практическая значимость работы.

1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характеристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегарад для радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см"2 для фоточувствительных схем;

2) для пользователей в системе 1С-САР разработаны полуавтоматические процедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётом воздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD, позволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизить вероятность человеческой ошибки;

3) проведено сравнение разработанных макромоделей по затратам времени на экстракцию их параметров и даны оценки времени моделирования для различных классов схем с учётом дозовых радиационных эффектов.

Внедренне результатов работы.

1) Схемотехнические SPICE-модели SOI/SOS-MIEM, BSIMSOI-RAD и EKV-RAD, параметры которых были определены автором по результатам испытаний тестовых транзисторных структур и макетов специализированных электронных узлов (СЭУ) были использованы в ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл., в рамках ОКР «Прототип», «Таймыр» и «Угра» при проектировании твердотельных электронных полупроводниковых узлов специализированной электроники (базовых КМОП-элементов цифровой и аналоговой схемотехники) и микросистемотехники - на базе структур «кремний на изоляторе/сапфире» (КНИ/КНС) с топологической нормой 13 мкм с учётом воздействия стационарного радиационного излучения и воздействия повышенной температуры;

2) библиотека схемотехнических SPICE-моделей на основе BSIMSOI-RAD для элементов КНИ КМОП СБИС с проектными топологическими нормами 0,5-0,35 мкм с учётом факторов радиационного воздействия и температуры была использована в практических работах предприятия ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС им. Ю. Е. Седакова», г. Н. Новгород (ОКР «Урал-Т», «Модель», «Защита», «Модель-С»), по созданию элементной базы радиационно-стойких КНИ КМОП СБИС: радиационно-стойких цифро-аналоговых БМК; БИС статического ОЗУ на 512 кбит; библиотеки аналоговых узлов и др.;

Положеиня. выносимые на защиту.

1) Использование макромодельного подхода для разработки схемотехнических SPICE-моделей радиационно-стойких и фоточувствительных элементов КНИ/КНС КМОП БИС в сочетании с использованием аппроксимирующих зависимостей параметров модели от внешних воздействующих факторов;

2) способ учёта эффекта раннего пробоя в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > ~ 0,5-0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ за счёт введения в эквивалентную схему дополнительной диодно-резистивной цепочки; методика определения параметров дополнительных элементов;

3) макромодели BSIMSOI-RAD и EK.V-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые эффекты; полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений тестовых структур или приборного TCAD-моделирования электрических характеристик необлучённых и облучённых КНИ/КНС МОПТ;

4) макромодели фоточувствительных элементов КМОП-ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе р-n- и p-i-n-структур, фототранзистора, изготовленных на структурах с изолирующей подложкой (КНИ/КНС); полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей фотодиода и фототранзистора из результатов электрических и оптоэлектрических измерений характеристик реальных приборов.

5) результаты использования моделей при проектировании цифровых и аналоговых радиационно стойких и фоточувствительных КМОП-схем со структурой КНИ / КНС.

Апробация результатов работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

• НТК студентов, аспирантов и молодых спец. МИЭМ. - М., 2000 - 2013 г.г.;

• 10-я и 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика». - Москва-Зеленоград, 2003, 2004 г.г.;

• 2-я Всероссийская дистанционная НТК «Электроника». - Москва, 2003 г.;

• б, 7, 11, 12 и 13-я Российская НТК «Электроника, микро- и наноэлектроника»,. - Н. Новгород, 2004 г., 2009 г., Вологда, 2005 г., Суздаль, 2010 г. - 2013 г.г.;

• Школа молодых учёных «Интеллектуальные фотоприёмные устройства и их применение». - Софрино, Моск. обл., 2004 г.;

• 1 -я, 3-я и 5-я Всероссийская НТК «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем (МЭС)»,. - Москва, 2005 г., 2008 г., 2012 г.;

• Пятый международн. аэрокосмический конгресс IAC'06. - Москва, 2006 г.;

• Международн. ярмарка информационных технологий, телекоммуникаций и программного обеспечения CEBIT, г. Ганновер, Германия, 2006 г. (экспонат);

• 5th, 7th, 9th и 10th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). -Ереван, 2007 г., Москва 2009 г., Севастополь, 2011 г., Харьков, 2012 г.;

• Российская НТК «Элементная база космических систем». - Сочи., 2008, 2009.Г.;

• Отраслевая НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы». - г. Королёв, МО, 2008, 2012 гг.;

• 10-13 Научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных рад.-стойких СБИС на основе гетероструктур». - г. Н. Новгород, 2010-2013 г.г.;

• III Всероссийская научно-техн конф. «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». - М., 2010 г.;

• Междунар. молодёжная научная школа «Приборы и методы эксперимент, ядерной физики. Электроника и автоматика эксперимент, установок». - г. Дубна, 2011 г.;

• XI и XII Научно-техническая конференция «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». - г. Дубна, МО, 2012 г., Москва, 2013 г.;

• 3rd Intl Conf. on Adv. Measurement and Test (AMT 2013). - Xiamen, China, 2013;

• VII научно-техническая конференция молодых специалистов Госкорпорации «Росатом» «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе», г. Н. Новгород, 12 - 14 сентября 2013.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 43 печатных работах (в период с 2003 по 2013 г.г.), из которых 10 [1] - [10] в изданиях, входящих в перечень ВАК; 6 работ опубликованы без соавторов.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объём работы составляет 131 страницу, в том числе 74 рисунков, 16 таблиц.

Основное содержание работы

|Во введении! обоснована актуальность выбора темы, сформулированы предмет исследования, научная значимость и практическая ценность полученных результатов, отмечены положения, выносимые на защиту.

|В главе l| приведён анализ современного состояния в области разработки схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС.

Компактное моделирование КНИ/КНС МОП-транзисторов с учётом радиационных эффектов. В литературе описан ряд подходов к моделированию, а также схемотехнических моделей, которые могут быть непосредственно использованы для учёта радиационных эффектов в КНИ/КНС МОП-транзисторах, либо требуют большей или меньшей адаптации.

В работах Петросяпип К. О., Харитонова И. А. [42], [43] приведена модель для транзистора с учётом различных видов рад. воздействия, а также подробная методика определения параметров модели; однако сама модель не учитывает короткоканальные эффекты в транзисторе, а также кинк-эффект и эффект раннего пробоя.

В совместных работах Панилова И. А., Зебрева Г. И., Горбунова М. С, Осипенко П. Н. [44], [45] представлена модель, учитывающая возникновение паразитного тока боковой утечки в области «птичьего клюва» (для изоляции типа LOCOS) при стационарном облучении. Параметры усреднённого бокового транзистора (vthO, tox) однократно рассчитываются внутри модуля перед началом расчёта схемы по приведённым формулам, однако методика определения их коэффициентов не описана. Также в модели не учтён сдвиг параметров верхнего транзистора для МОПТ с L > -0,35 мкм.

В работе Южина С. А. и др. [46] представлена схемотехническая модель EKVS для 0,8 мкм КНС МОПТ, учитывающая кинк-эффект, однако не приведены зависимости, учитывающие дозовые эффекты и методика определения параметров модели.

В работе Alvarado и др. [47] представлена модель транзистора с учётом воздействия ОЯЧ (с учётом электрического и температурного режима транзистора), а также стационарного рад. воздействия (без учёта электрического режима). Радиационно-индуцированные токи утечки КНИ/КНС МОПТ в данной работе не учтены; также не учтено влияние электрического режима при стационарном облучении. Конкретный способ реализации модели дозовой деградации параметров транзистора не указан. Методика определения радиационно-зависимых параметров модели не описана.

В работе Jianhui и др. [48] представлен способ учёта в макромодели неполностью обеднённого n-канального КНИ МОП-транзистора деградации параметров модели при изменении напряжения контакта к рабочей области. Используется упрощённая линейная аппроксимация для определения набора параметров для промежуточных доз и полиномиальный источник.

Компактное моделирование фоточувствнтельпых элемептов КНИ/ КНС КМОП БИС. И библиотеках моделей популярных схемотехнических САПР (HSpice, TSpice, OrCAD и др.) присутствуют компактные SPICE-модели только дискретных промышленно выпускаемых фоточувствительных компонентов. Для моделирования фоточувствительных элементов КНИ/КНС БИС требуется существенная доработка.

SPICE-модели ФЦУЗ (фотодиодов с управляющим затвором) отсутствуют как в библиотеках САПР, так и в доступной технической литературе. В работах Zeng ct al.

[51], [52] представлена достаточно простая статическая физическая модель ФДУЗ без сравнения с экспериментом и процедуры определения параметров.

SPICE-модели фотодиодов различных типов без управляющего затвора, изготовленных по КМОП-технологии на изолирующей подложке или объёмном кремнии, которые могут быть адаптированы для построения модели ФДУЗ, имеются в литературе. Единственными известными автору работами, посвященными SP1CE-моделированию КНИ ФД, являются статьи Afzalian и Flandre (например [53]), в которых представлена высокочастотная модель горизонтального КНИ pin-фотодиода, предназначенного для оптических линий связи. Однако она ограничена только случаем полностью обеднённой рабочей области прибора и не учитывает эффект насыщения фотогенерации при высоких уровнях энергии светового потока.

Процедура экстракции параметров модели достаточно полно описана только в работе [2] с участием автора данной диссертации и работе Negru et al [54]. В нескольких работах лишь в общих чертах описан способ получения параметров элементов, учитывающих паразитные эффекты.

Обобщая перечисленные выше работы и целый ряд других работ, можно сделать вывод, что в большинстве из них не описаны необходимые процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров. Проблема автоматизации таких процедур с использованием известного комплекса экстракции параметров моделей и макромоделей IC-CAP или аналогичного средства также остаётся актуальной.

Нерешёнными остаются следующие вопросы:

1) схемотехнические модели субмикронных КНИ / КНС МОПТ, учитывающие воздействие радиационных факторов, в настоящее время не удовлетворяют требованиям практики проектирования радиационно-стойких КНИ/КНС КМОП БИС и требуют существенной доработки, так как не обеспечивают достаточную точность;

2) методики и процедуры определения радиационно-зависимых параметров компактных моделей с учётом воздействия радиационных факторов описаны в литературе слабо, по-прежнему являются «узким местом» для разработчиков моделей и их пользователей.

На основании сделанных выводов сформулирована цель и задачи настоящей диссертации, направленные на решение указанных проблем и устранение имеющихся недостатков.

|В главе~~2| излагается описание разработанных схемотехнических SPICE-моделей для моделирования КНИ/КНС МОП-транзисторов различных поколений: SOI/SOS-MIEM (для МОПТ микронного размера с L >-0,8...0,5 мкм из состава преимущественно цифровых схем), BSIMSOI-RAD и EKV-RAD (для субмикронных L = 0,5...0,1 мкм КНИ/КНС КМОП-транзисторов) - с учётом радиационных эффектов: суммарной поглощённой дозы, импульсного облучения и одиночных ядерных частиц (ОЯЧ), а также методик экстракции параметров макромоделей из результатов измерения электрических характеристик необлучённых и облучённых тестовых структур или результатов приборного моделирования. Вклад автора заключается в учёте дозовых эффектов. Импульсные эффекты и влияние ОЯЧ учитываются традиционным образом и в диссертации не исследуются. Все три модели создавались и дорабатывались с использованием комбинации двух методов: макромоделирования (включения в эквивалентную схему дополнительных элементов), а также введения в модель аппроксимирующих выражении для параметров, зависящих от внешних факторов и электрического режима. Эффективность такого подхода для учёта радиационных эффектов подтверждена практическими примерами его использования при проектировании радиационно-стойких схем [24], [25], [28], [29], [34], [39] и др.

Макромодель 501/808-М1ЕМ, разработанная ранее на основе базовых моделей МОЭЗ и ВБ1М для длинноканальных КНИ/КНС МОПТ, продолжает использоваться несмотря на тенденцию к уменьшению размеров транзисторов, поскольку длинноканальные приборы до сих пор активно используются при разработке интегральных схем для спецприменений, особенно аналоговых и датчиковых. Нами был предложен простой способ учёта двух важных для КНИ/КНС МОПТ эффектов: кинк-эффекта и эффекта раннего пробоя. Из рисунка 1, на котором изображены выходные ВАХ неполностью обеднённых (НО) КНИ/КНС МОП-транзисторов, изготовленных по различным технологиям, видно, что на выходных ВАХ наблюдается сначала изгиб в пологой области (кинк-эффект), а затем, при дальнейшем увеличении УСи, - ранний лавинный пробой стокового р-п-перехода.

Эффект ((раннего пробоя» обусловлен дальнейшим повышением положительного потенциала рабочей области и, как следствие, включением диода истокового р-п-перехода. Добавочный ток в рабочую область берётся за счёт увеличения тока ударной ионизации стокового р-п-перехода.

Рисунок 1. Сравнение экспериментальных и расчётных выходных ВАХ для НО КНИ МОПТ с различными ЬЛУ (о - эксп., линии - расчёт)

Для учёта обоих этих эффектов было предложено дополнить известную эквивалентную схему макромодели ЗОУБОБ-МШМ двумя диодно-резистивными цепочками (см. рисунок 2). Цепочка моделирует изгиб ВАХ («кинк»-эффект), Э2-Я2 мо-

делирует ранний пробой стокового р-п-перехода. Значение элемента 01 определяется по стартовому напряжению пробоя, а значение элемента Ш определяется по наклону пробойной кривой.

Экспериментальное подтверждение проведено для неполностью обеднённых КНИ МОПТ. Результаты моделирования приведены на рисунке 1. Параметры диодов и резисторов, моделирующих изгиб ВАХ и ранний пробой, определённые из экспериментальных ВАХ, приведены в таблице ].

Таблица 1 Параметры дополнительных элементов на рис. 2

(а) (б)

Рисунок 2. Эквивалентная схема макромодели SOI /SOS-MJEM для КНИ МОПТ (а) и КНС МОПТ (б) (выделен фрагмент для учёта эффекта раннего пробоя)

L, m H VI. Rh m 1С.

МКМ Мкм В Ом В Ом

0.5 10 1,3 1,0е+4 3,0 7

0,7 40 3,0 1,0е+7 8,0 2800

2 25 2,0 5,0е+3 4,0 1400

5 25 2,0 1,0е+4 5,0 1400

Макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAP разработаны для субмикронных Kite МОПТ (до 0,18 мкм) и субмикронных КИИ МОПТ (до 0,1 мкм). Эквивалентные электрические схемы обеих макромоделей приведены на рисунке 3. Основная часть -верхний МОП-транзистор Мжрх - описывается стандартной моделью BSIMSOI3 v3.2 или EKV v2.64, соответственно, с радиацнонно-зависимыми параметрами. Для учёта токов утечки, возникающих при стационарном радиационном воздействии модель дополняется паразитными нижним Мш„„ и боковым транзисторами; при импульсном воздействии - источниками тока /фс|,(') и /фш,(0 и сопротивлением сапфира Лсапф('); ПРИ воздействии ОЯЧ - источником тока /„„„(/).

Рисунок 3. Эквивалентные схемы макромоделей ВвМЗОГ-ЯЛО и ЕКУ-ЯАО: а. в - основной верхний МОПТ Л/„,тх с радиацнонно-зависимыми параметрами; б - подсхема, учитывающая эффекты плавающей подложки в EK.V-R.AD; г - элементы, учитывающие статические токи утечки и динамические токи под воздействием импульса радиации и ОЯЧ

Учет эффектов плавающей подложки в макромодели ККУ-КАР. Оригинальная модель ЕКУ была разработана авторами для МОПТ на объёмном кремнии и не учитывает специфики диэлектрической подложки. Для распространения модели ЕКУ на КНИ/КНС МОП-транзисторы автором диссертации в макромоделт. ЕКУ-ИАО была добавлена цепочка ——Е1 (см. рисунок 36), создающая дополнительный ток /сп из стока в подложку под совместным действием напряжений стока Ксп и затвора Узп-

Элементы и Я1 определяют величину и крутизну скачка тока, управляемый источник напряжения Е1 определяет зависимость стартового напряжения кинк-эффекта от напряжения затвора. Величина Е1 задаётся в виде зависимости от Г-ш'-

('',„ ) = К,„ -К-Pi- Vm - Р, ■ К, • (1)

Коэффициенты р/,р2,Рз определяются из выходной характеристики МОПТ по сдвигу стартового напряжения кинк-эффекта в зависимости от напряжения затвора (см. рисунок 4).

Для ограничения проявления кинк-эффекта в предпороговой области величина R1 задаётся в виде сглаживающей функции (тангенциальной сигмоиды) между рабочим значением и значением 10 ГОм:

Kl = R + maxÄ~(l + th[5(-Kjn +/Л')]), (2)

где Ii, I)V, 5 - подгоночные параметры.

Учёт эффектов воздействия стационарного радиационного излучения. Для модели BSIMSOI основного (верхнего) транзистора АУвсрх радиационно-зависимыми являются параметры VTH0 и др. для порогового напряжения, НО, UA и др. для подвижности, СП] VOi'F и др. - для предпо-рогового наклона.

Для модели EKV это параметры VTO, KP, ПО и GAMMA.

Изменение всех перечисленных параметров от поглощённой дозы описывается общим выражениями вида:

а, [1 -cxp(-a2/J)] (3),

где: <7|, аг - подгоночные коэффициенты.

Паразитные транзисторы Л/бок (боковая утечка) и Л/„1Г„, (утечка по нижней грани) описываются более простой моделью MOS3 с зависимыми от дозы параметрами: WO для порогового напряжения, UO для подвижности; NFS для предпорогового наклона. Для них также используется выражение (3) зависимости от поглощённой дозы .

Учет эффектов воздействия радиационного импульса и ОЯЧ. Эффекты нестационарного радиационного воздействия: а) первичные фототоки в стоковом/ истоко-вом р-п-переходах, паразитная проводимость сапфира, обусловленные импульсным воздействием; б) импульс тока, возникающего при собирании заряда из трека частицы в результате воздействия отдельной ядерной частицы, описываются таким же образом, как в модели SOI/SOS-MIEM и других моделях.

Методика определения (экстракции) параметров [26], [6] с учётом дозовых эффектов создана и отработана для всех трёх макромоделей, предложенных в диссертации. Она является модификацией стандартной методики и основана на результатах измерения на тестовых кристаллах электрических характеристик реальных облучённых и необлучённых приборов, или результатах приборного моделирования приборов, чей маршрут проектирования и конструкция ещё только разрабатываются.

Для облучённых приборов: 1) возрастает и видоизменяется массив исходных измеренных данных: 2) увеличивается количество тестовых структур; 3) заметно увеличивается количество параметров схемотехнической модели-, 4) в процедуру экстракции добавляется этап аппроксимации зависимостей параметров от уровня радиационного воздействия.

Рисунок 4. Построение экспериментальной зависимости (а);

подгонка коэффициентов (б)

Исходными данными для процедуры экстракции являются модифицированные наборы ВАХ и ВФХ стандартных и дополнительных КНИ/КНС МОП-структур при разных дозах облучения. Для автоматизации передачи результатов реального или машинного эксперимента в!С-САР используются разработанные автором макросы, функционирующие в среде измерительной системы и системы приборно-технологи-ческого моделирования, соответственно.

Процедура экстракции, позволяющая получить параметры модели для промежуточных доз облучения, реализована в виде полуавтоматического процесса внутри 1С-САР и включает в себя следующие шаг и:

1) определяются наборы параметров моделей паразитных, затем базового транзисторов макромодели для случая необлучённого МОПТ - с использованием стандартной процедуры (встроенной в 1С-САР) и стандартного набора измеренных характеристик; для корректного описания транзисторов с различными размерами необходимо использовать набор транзисторных, диодных и ёмкостных структур различных размеров (см. рисунок 5);

2) среди полного набора параметров моделей основного и паразитных элементов макромодели выбирается ограниченный перечень радиационно-зависимых параметров, отвечающих за пороговое напряжение Кпо|„ подвижность ц и предпороговый наклон Л' (в зависимости от выбранной модели);

3) для каждого уровня полученной дозы Д с использованием 1С-САР определяются соответствующие значения параметров У„„р(0,), р(Д), S(D,) с учётом электрического режима транзисторов во время облучения; данная процедура повторяется для всех запланированных уровней облучения Л),:/ = 1,»;

4) табличные функции зависимости Кпор(0), (ТУ), Х{Т)) аппроксимируются аналитическими функциями вида [1 - ехр(-а2/->)] - с помощью программы оптимизации; коэффициенты таких функций как раз и составляют набор радиационных параметров всей макромодели;

5) полученные аналитические функции включаются в описание БРГСЕ-макромодели МОПТ;

6) макромодель МОПТ, содержащая радиационно-зависимые параметры, включается в состав библиотеки моделей.

Особенностью процедур измерения характеристик и экстракции БРГСЕ-парамет-ров облучённых КНИ/КНС МОП-транзисторов, является необходимость вычленения характеристик паразитных элементов, проявляющихся при воздействии излучения. В частности, необходимо разделять радиационно-индуцированные токи утечки, возникающие по нижней и боковой границам активной области кремния, с использованием специальных тестовых транзисторов (см. рисунок 6):

!) транзистор Н-типа или кольцевой (К- или О-типа) (в которых практически отсутствует боковая утечка) используется для выделения ВАХ и определения параметров верхнего МОПТ для разных полученных доз облучения при напряжении на нижнем затворе У1и < О (что исключает влияние ЭДтм1);

2) прибор того же типа используется для выделения ВАХ и определения параметров нижнего паразитного МОПТ для ряда полученных доз облучения при напряжении на верхнем затворе К3„ < 0 (что исключает влияние Л/ве|1Х.);

3) линейный транзистор (Р- или /-типа) или транзистор Л-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 при известных ВАХ верхнего МОПТ и при напряжении на нижнем затворе V-},, < 0 (что исключает влияние Л/„иж|1).

W

С М^^й^^ИЭЙ r

дамой ^^

ö ö

\Qöö -OIQ-Q

(a)

{

к

Drain

Beuna»

(6)

|«\име>«ЫШ*Н

-а ,

узкий L —:—>-

Рисунок 5. Набор тестовых транзисторных структур с различной геометрией для определения параметров моделей субмикронных КНИ/КНС МОП-транзисторов

p*

IV» K" "1

j Drain |

Sgum

(в)

Drabi r>»

(г)

Рисунок 6. Линейная (I-типа) (а) и специальные (О-, R- и Н-типа) (б, в, г) тестовые транзисторные структуры

Jim модели BS1MSOI-RAD на рисунке 7 приведено сравнение смоделированных и экспериментальных характеристик КНИ МОПТ с размерами L/W= 0,25/8 мкм, подвергнутых облучению гамма-квантами с различными дозами. Графики радиационно-зависимых параметров макромодели от дозы радиации приведены на рисунке 8. Значения коэффициентов аппроксимации этих зависимостей сведены в таблицу 2

/с. А

кг»! 10"' КГ*

кг7 кг' 10-'' t 10'1,1 10"

1.5 (1 и, 5 I 1.5 {-¡и. 1} В

J^H"''

* tijf" D=l),

j! i: MI к

ff4 15» к

/ ! 301) к

1 i" тп.к

,... ... J ....

-0.5 а 0.5 1 1.5 I j||.

1.5 0 0.5 1 1,5 I •„,. В

I 5 10 15 1-3,,. I)

(а) (б) (п) (г)

Рисунок 7. Сравнение экспериментальных (значки) и смоделированных с помощью

ПЯГМБОТ-РЛГ) (линии) сток-затворных характеристик КНИ МОПТ с размерами ЬЛ1'= 0,25/8 мкм: а - всей макромодели; б - паразитного нижнего транзистора Л/„ижк; в - паразитного бокового транзистора М-„к (только линии); г - базового верхнего транзистора Л/„п,х

Таблица 2 Значения радиационных коэффициентов макромодели BSIMSOI-RAD

Коэффициент :

кто Ü0 VOFF •XUAvr' ив

а l -0,5 -0,3 МО J -0,1 0,8 6

<ь 1.110'' 1,2-КГ* 2-10" 2-10" 210" 1-10 "

¡йпф-фициеит • ' - • Ма^

по NFS ПО ио NFS

«1 -10 -0.25 0,6 -30 -0,5 0

Ht 3-10 6 2,5-10 4 1,4-10 6 50-10 9 1-10 6 1,4-10 6

(1.0 о.*

1Х'Ы

Рисунок 8. Зависимости от полной поглощённой дозы параметров УТНО, 110, У()1Г1' модели базового транзистора А/Я(.,„

Пля модели ЕКУ-ИАР сравнение измеренных и смоделированных ВАХ МОПТ с размерами затвора ¡../IV = 0,13/8мкм с учётом эффектов лозового воздействия приведено на рисунке 9.

Г /.';„ /1 /

_ s о g

¡1111»; ««

.6» J

HÍ . 7K:

; un- , , ; ic'o / j

-ut e« s! i,a

(а) (б) (в)

Рисунок 9. Сравнение измеренных (символы) и смоделированных (линии) сток-затворных характеристик КНИ МОПТ с размерами //И7 = 0,13/8 мкм с учётом полученной дозы: а - всей макромодели; б - паразитного бокового транзистора Мцок (только линии); в - базового верхнего транзистора Мвегх

Зависимости параметров макромодели от полученной дозы приведены на рисунке 10. Значения коэффициентов аппроксимации приведены в таблице 3.

MUiat 4VTOIDI

«ШГДУТООТ

«яз* юиоц

-0,4

5С0 1«М D, кред

»1 D.KPM

в0"9*' •■05« 0-5И-

51»

(а) (б) (в) (г)

Рисунок 10. Зависимости изменения параметров моделей элементов макромодели ЕКУ-ЯАО от величины полученной дозы: основного МОПТ Мвфх (а, б), паразитного бокового МОПТ М<-кж (в, г)

Таблица 3. Значения радиационных коэффициентов макромодели ЕКУ-КАО

Коэффициент М, М Зих ■ .-.;.. :-„■;:

tro КР ПО ио

"i -0,9 -0,03 -2,8 -0,06

а-> 0,7-10 " 1,4-10" 2,1-10"'' 2,4-10 <'

Iis приведённых примеров (на рисунках 7 и 9) видно, что для обеих макромоделей погрешность моделирования ВАХ КНИ/КНС МОПТ в диапазоне суммарной дозы до 1 Мрад составляет 10-15%.

Для оценки затрат времени на схемотехническое моделирование была проведена серия машинных экспериментов с КНИ/КНС КМОП-схемами различной сложности, по результатам чего определялась величина процессорного времени счёта. Моделирование проводилось с использованием ЭВМ на основе процессора Intel i5-243ОМ 2,4 ГГц и 4 ГБ ОЗУ с помощью HSpice А-2008.03.

Сравнение проводилось для следующих режимов расчёта:

1) статические ВАХ КНС. МОПТ с W/L =12/3 мкм (10 ООО точек).

2) ЛЧХ ОУ (10 МОПТ, 800 точек).

3) полный цикл работы 4-разр. счётчика (250 МОПТ, 1800 точек).

4) полный цикл работы 8-разр. АЦП (1060 МОПТ, 24000 точек).

Для частично обедненных КНС КМОП-транзисторов с заземлённой рабочей областью были использованы два варианта обеих макромоделей: 1) стандартная модель EKV или BSTMSOI; 2) полный вариант макромодели с паразитными элементами и ра-диационно-зависимыми параметрами. Расчёты по моделям п. 2 проводились с учётом дозы 1 Мрад. Результаты приведены таблице 4.

Таблица 4. Время расчёта КМОП схем (с.) с EKV-RAD и BSIMSOl-RAD

Вариант модели dilti. BSIMSOI ami. EKV BSIMSOI-RAD ¡•КУ-НМ)

Лоза, pat) — — 0 МО6 0 МО"

ПАХ КНС МОПТ 2,33 1,76 2,63 2,50 2,12 2,20

АЧХОУ 3,32 2,88 3,68 3,87 3,16 3,20

Перех. процесс C.NT4 34,6 10,4 46,5 44,4 20,4 21,5

Перех. процесс ADCS 337 118 441 425 233 243

По результатам расчёта можно сделать следующие выводы:

1) при использовании любого из вариантов макромодели EKV-RAD время моделирования ВАХ КНС. МОПТ на -12% меньше, АЧХ на-18% меньше, а переходного процесса на -50% меньше, чем в случае аналогичного варианта макромодели BSIMSOI-RAD;

2) при использовании полных вариантов ыакромоделей время моделирования ВАХ КНС МОПТ увеличивается на-20% в случае EKV-RAD и на-10% в случае BSIMSOI-RAD по сравнению со стандартной моделью, время моделирования АЧХ увеличивается на -10% для обеих моделей, а переходного процесса на -50% в случае EKV-RAD и на -30% в случае BSIMSOI-RAD.

Сравнение макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD по количеству параметров и времен» их экстракции. Набор параметров макромодели складывается из параметров базовой модели, моделей паразитных элементов и радиационных коэффициентов зависимости параметров от величины радиационного воздействия. В модели BSIMSOI 180 параметров, в модели EKV их 35 с учётом добавленного диссертантом блока учёта кинк-эффекта (см. таблицу 5). В макромодели BSIMSOI-RAD суммарно 18 радиационно-зависнмых параметров, в макромодели EKV-RAD - 12; для каждого из них требуется 2 коэффициента аналитической функции зависимости от дозы. Таким образом, в макромодели BSIMSOI-RAD 36 радиационных коэффициентов, которые определяются путём экстракции из экспериментальных данных, а в макромодели EKV-RAD их 24.

Процедуры экстракции параметров с учётом стационарного радиационного воздействия с использованием данных измерений тестовых структур в обеих макромоделях одинаковы по составу. В таблице 6 показаны результаты сравнения длительности различных этапов этих процедур на примере 16 тестовых транзисторов различных размеров и 6 промежуточных доз облучения при использовании полуавтоматизированного метода с 1С-САР. Итоговые показатели длительности процедуры даны в нижней секции таблицы: для ВЗШБОЬЯАО с использованием полуавтоматизирова-иого метода требуется около 166 минут, для макромодели ЕКУ-ЯЛО около 123 минут. Увеличение времени для случая, когда используется ручной обмен данными и не используется полуавтоматическая процедура, вызвано необходимостью вручную формировать проекты в 1С-САР, переформатировать данные измерений, передавать результаты экстракции между этапами и задавать исходные данные для аппроксимации. Для полностью ручного метода экстракции по методикам, предложенным разработчиками моделей, требуется, по нашим оценкам, десятки-сотни часов [29].

Таблица 5. Сравнение количества параметров двух макромоделей

1 Группа параметров . 1ISIMSOI-лл/> EKV-R.-1U

Количество параметром базовой модели (без рад. эфф.) 180 27

Дополнительные параметры: • для биннинга • для учёта эффекта плавающей подложки • для паразитных элементов макромодели 264 32 8 32

Радиаиионио-зависимые параметры: • базовой модели • моделей паразитных элементов • коэф. зависимостей параметров от дозы 10 8 36 4 8 24

Таблица 6. Сравнение длительности процедур экстракции параметров (в мин.)

Этап процедуры (полчавтоматшированиый метод) nsmsoi-RAD EKV-RAD

/. Параметризация моделей исоОлучёиных МОП 1': 16 40 16 15

• моделей двух паразитных транзисторов • базовой модели

2. Экстракция радиаиноино-зависимых параметров: (6 доз) 10 * 6 = 60 8 * 6 = 48 (6 доз) 10* 6 = 60 5 * 6 = 30

• моделей двух паразитных транзисторов • базовой модели

3. Аппроксимация зависимостей параметров от дозы: 2 2

ИТОГО: • полуавтоматизированный метод • с ручным обменом данными 166 448 123 393

[Глава 3| посвящена разработке моделей элементов фоточувствительпых КМОП БИС, пригодных для использования в SPICE.

Особенностями КНС КМОП фоточувствительных элементов по сравнению с элементами КМОП на объёмном кремнии являются: а) высокая прозрачность сапфировой подложки, что позволяет изготавливать фоточувствительные элементы с освещением снизу; б) использование горизонтальных структур из-за малой толщины рабочего слоя (<200 нм): р-п-фотодиода, p-i-n-фотодиода, p-n-фотодиода типа р+/р-/п+ с плавающим затвором, биполярного фототранзистора (см. рисунок 11)

и пикселов на их основе; фотодиода с управляющим затвором (ФДУЗ) и фотовольтапческого источника питания на его основе.

Р-11- и р-1-п-фото диоды являются наиболее распространёнными фотоприёмниками в силу простоты своей конструкции. Вследствие большего вклада диффузионного тока р-п-фотодиоды обычно обладают меньшим быстродействием, чем р-Цп-фотодиоды, в которых генерируемые светом носители заряда быстро рассасываются за счёт дрейфа. К недостаткам р-1-н-фотодиодов по сравнению с р-п- относят невысокое значение фотоЭДС в вентильном режиме (Шх = 0,35...0,45 В).

По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют более высокую чувствительность за счёт внутреннего усиления фототока базы. Однако одновременно они имеют большую ёмкость перехода база - коллектор и меньшее быстродействие.

Рисунок 11. Топология (вид сверху) КНИ/КНС структур ФЭ: р-п-фотодиода (а), р-нп-фотодиода (б), р-п-фотодиода с плавающим затвором (в), биполярного фототранзистора с плавающим затвором (г), фотодиода с упр. затвором (д)

Преимущество фотодиодов с управляющим МДП-затвором (ФДУЗ) связано с тем, что в них у поверхности полупроводника под затвором создаётся сильное электрическое поле, направленное так, что оно помогает собиранию носителей, генерированных коротковолновым светом; кроме того, в активной области таких элементов нет внутренних дефектов, возникающих при диффузии или ионной имплантации примесей в структурах с р-п-переходами. При напряжении на затворе, превышающем пороговое напряжение МОП-структуры на достаточную величину, происходит полное обеднение слоя кремния под затвором на всю глубину, что существенно повышает эффективность фотоэлектрического преобразования.

Схемотехническая модель ФДУЗ, разработанная автором, приведена на рисунке 12.

Выражение для фототока Тф основного генератора (ОРН) имеет вид:

^(^•,ф.»/1) = /Ф0-у;(клк)./2(Ф)-/,(Кз), (4)

гле 'фо = Л* •(Л-)" ¿"о (~ фототок к. з. при единичном освещении, Л;

Ф - плотность мощности светового потока, Вт/см2;

Ац - площадь фоточувствительной поверхности, см2;

// (Я) - внутренний квантовый выход фотоэффекта;

Я - длина волны света, нм;

Л'„(Л) — фоточувствительность, А/Вт (в случае монохроматического источника излучения) или интегральная фоточувствительность Л'0' (в случае излучения с широ-

ким спектром) - в обоих случаях определяется на основе характеристики спектральной фоточувствителыюсти фотодиода:

Sjxfa-xj (5)

/ь Уз, /i - множители для учёта зависимости фототока от напряжений диода и затвора, светового потока.

Для учёта влияния напряжения фотодиода на величину фототока, которое возникает из-за изменения толщины обеднённой области, в выражение (4) введён множитель МУЛС), задаваемый следующим выражением:

/(^И^+^-^г), (6)

где с0, с,, с2— подгоночные коэффициенты.

Зависимость фототока от светового потока может быть представлена в виде линейной функции с подгоночным коэффициентом

/2(Ф) = к,Ф. (7)

Темновой ток р-п-перехода (элементы Df и пара Dr-Vr) при прямом и обратном включении в зависимости от напряжения Упо (см. рисунок 12) определяется выражением

1пЛУпо) = 1пГ{Ут)-1п,{У1ю), (8)

где слагаемые //>/Ущ) и /;>(V/ю) задаются обычными диодными выражениями:

¡п, {Ут) = In* - (вф[(^л. - ^)/(игРг)]-1).

где: 1[>р, loro, mf, mr - подгоночные коэффициенты; ipT = kT/q - температурный потенциал.

Для учёта влияния напряжения затвора на работу прибора, в отсутствие чётко сформулированной физико-математической теории его работы, в выражения для токов /пМ> и /<]> и сопротивления Rp„ введены аппроксимирующие зависимости их параметров от Уз. Вектор темновых параметров IDp, Inr0, nij, mr. Rp„ как функция У3 описывается квадратическим выражением:

^ + (10)

Аппроксимирующая функция/¡(Кэ) имеет вид:

= (П)

Остальные элементы на рисунке 12 имеют следующий смысл: Rieat - сопротивление утечки, Rcor,t - сопротивление контактов, Ср„ и f '(.u/(, — ёмкости р-п-перехода и МОП-затвора.

Модели для других типов фотодиодов, гге содержащих МДП-затвор, могут быть легко получены из рассмотренной модели путём соответствующих упрощений.

Рисунок 12. Эквивалентная схема модели фотодиода с управляющим

МДП-затвором (а); варианты обозначения ФДУЗ на схемах (б)

Процедура определения параметров модели рассмотрена на конкретном примере ФДУЗ, изготовленного по КНС-технологии и имеющего следующие параметры: толщина подзатворного диэлектрика 45 нм, толщина слоя кремния 0,6 мкм, ширина базы 20 мкм, длина затвора 800 мкм, концентрация примеси в базе 1015 см'3.

Для нахождения параметров о,, а2, аъ использовалось экспериментальное семейство темновых ВАХ /д(Кд) при К3 = const с напряжениями затвора 0; 5; 15 В (рисунок LVf). Для каждой ветви ВАХ (рисунок 13о) значения т, /д0 определялись по точкам в области малых токов /д, где влияние сопротивления Rp„ пренебрежимо мало; сопротивление К,„, определялось по точкам в области больших токов. В результате были найдены зависимости параметров т/-, Inp, Rpn (10) от напряжения на затворе V-i (см. таблицу 7).

Величину сопротивления утечки йы- нетрудно найти по наклону обратной ветви ВАХ для темпового тока. В данном случае Л/„Л = 2,8 МОм.

Для нахождения коэффициентов 6/ - bj, входящих в выражение для к (11), использовалась экспериментальная кривая тока короткого замыкания (т. е. фототока Лт>) от напряжения на затворе (Кз) при Ф = const при освещённости Е = 75 клк (ф к 40 мВт/см2) (рисунок 13,6). В результате аппроксимации были получены следующие значения коэффициентов: Ь, = 29-10°; Ь2 = 0,52; />3 = 0,104; Ь4 = -0,046.

Для оценки точности полученной модели сравнивались измеренные и смоделированные энергетические характеристики (зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от освещённости) (см. рисунок 13,в). Точность совпадения расчётных и экспериментальных характеристик составила 5...8 %.

Таблица 7 Коэффициенты зависимости (10) параметров ФДУЗ от Vj

■КоЭф: lllfi h>0h ftpix

i-д нА мОм

"1 2,4 10.71 10

"2 0,03 2,74 -0,7

i'l -0,002 -0,07 0,02

Т« fororiifyo SAiJbiKawn. 14А

52.5 12S 167.5 250 312.5 -'В

(а)

n.-vMHDcrv млачосги потсчсэ. иЕ-f.W

(в)

Няпгжлт««; мте&ря. В (б)

Рисунок 13 Характеристики ФДУЗ: а) темновые ВАХ при К3=0; 5; 15 В; б) ток короткого замыкания при Е=75 000 лк (Ф ~ 40 мВт/см'); в) энергетические характеристики при Рз=8 В (□ - эксперимент, линии - расчёт по модели)

[В главе~4| приведены результаты использования разработанных в диссертации моделей КНИ/КНС КМОП-элементов в практике проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ/КНС.

Радиацнонно-стойкие КНИ/КНС КМОП ИС и БИС.

В дампом разделе приведены примеры использования разработанных моделей при выполнении ряда НИР и ОКР с предприятиями Росатома и Роскосмоса в процессе проектирования аналоговых и цифровых КНИ/КНС КМОП БИС с проектными нормами 1-3 мкм для КНС и 0,5-0,35 мкм для КНИ с учётом фактора суммарной поглощённой дозы. Исследование стойкости проектируемой элементной базы выполнялось диссертантом в несколько этапов: 1) проведение облучения и измерение электрических характеристик тестовых КНИ или КНС МОПТ для различных полученных доз; 2) определение зависимости параметров схемотехнических моделей транзисторов от величины полученной дозы; 3) экспериментальное исследование характеристик интегральной схемы в диапазоне дозы стационарного облучения; 4) схемотехническое моделирование интегральной схемы с учётом стационарного рад. воздействия.

1. Аналоговые фрагменты КНИ КМОП ИС. изготовленные по 1,0 мкм технологии ХИЛ В (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл.). Приведены результаты схемотехнического моделирования источника тока (12 МОПТ) и операционного усилителя (45 МОПТ) с учётом поглощённой дозы. Расчёты проводились в среде НЭрюе с помощью модели ВХ1\№01-1{Л1) с использованием набора параметров, определённых по результатам измерения тестовых транзисторов в диапазоне дозы до 1 Мрад.

В качестве примера на рисунках 14 и 15 приведены результаты расчёта характеристик источника тока и ОУ для различных значений дозы стационарного облучения.

Погрешность моделирования не хуже 25% во всём диапазоне дозы.

Работа выполнена в рамках ОКР «Прототип».

1.3

1,0

0.«

0.8

0.«

0.2

1ош/]ом0

Ь'/ЛИ)

;унок 14. Деградация тока потреб-[ия /„„/¡„„о источника тока для раз-гных доз стационарного облучения

/, Пг 1е*6

Рисунок 15. Деградация коэффициента усиления А>/Аъо ОУ для различных доз стационарного облучения

2. Радианиоинп-стоикий прецизионный ОУ с автокоррекцией нуля, изготовленный на базе КНС КМОП-технологии (£ = 3,0 мкм) (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл.). При моделировании схемы ОУ использовались макромодели для КНС КМОП-транзисторов на основе ККУ-ЯАВ с учётом радиационных и тепловых эффектов; параметры макромоделей были определены по результатам измерения характеристик тестовых КНС МОП-транзисторов. Макромодели обеспечивают погрешность моделирования ВАХ транзисторов не хуже 15% в диапазоне температуры -40...+65 °С и суммарной дозы до 1 Мрад.

Проведённые испытания образцов усилителя на дозовое и температурное воздействие показали, что дрейф нуля не превышает 0,2 мкВ/ °С в диапазоне температуры -40...4 65"С и суммарной дозы в диапазоне до 1 Мрад. Полученные параметры подтвердили корректность использованных макромоделей.

Работа выполнена в рамках ОКР «Угра-МИЭМ».

3. Цифровые фрагменты 0.5 мкм КНИ КМОП БИС статического ОЗУ (512 кбит) (ФГУП «ФНПЦ ПИИ ИС», г. Н. Новгород).

Проведено экспериментальное исследование характеристик тестовых 0,5 мкм КНИ КМОП транзисторов в диапазоне суммарной поглощённой дозы до 1,5- 10б ед.

Определены зависимости параметров схемотехнической модели транзистора JiSIMSOl-RAl) от величины полной поглощённой дозы в диапазоне доз до 1,5 • 106 ед.

Разработана библиотека моделей, позволяющая учесть деградацию параметров КНИ КМОП транзисторов после суммарной полученной дозы. Библиотека включена в стандартные пакеты Spectre и UltraSim системы Cadence.

Проведены экспериментальные исследования электрических характеристик следующих фрагментов: схема блока управления с макросом ячеек, схема усилителя записи, схема блока ячеек памяти с мультиплексором и трактом записи — считывания, схема усилителя считывания, схема блока записи в ячейки памяти.

Проведено схемотехническое моделирование работы основных узлов и всей БИС с использованием разработанной библиотеки в пакете UltraSim с учётом суммарной поглощенной дозы до .1105 сл. Результаты удовлетворительно совпадают с результатами эксперимента, что свидетельствует о возможности прогнозирования стойкости фрагментов цифровых схем на основании результатов их моделирования с помощью подобных библиотек. Методом моделирования выявлены наименее стойкие узлы БИС, с использованием разработанной библиотеки проведена коррекция схемотехнических решений этих узлов для повышения радиационной стойкости всей БИС ОЗУ 512 кбит.

Работа выполнена в рамках НИР «Модель-МИЭМ».

4. Аналоговые узлы 0,35 мкм КНИ КМОП БИС (ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС», г. Н. Новгород). С помощью разработанной библиотеки моделей КНИ МОПТ на основе BSIMSOI-RAT), содержащей зависимость основных параметров транзисторов от полученной дозы, проведено моделирование и определены показатели радиационной стойкости различных схемотехнических решений аналоговых узлов: операционного усилителя Kail-to-Rail, ОУ с дифференциальными входами и выходами, компаратора напряжения, источников опорного напряжения, аналогового ключа.

Для примера, на рисунке 16 приведены АЧХ и переходные процессы в ОУ Rail-to-Rail (35 МОПТ) для различных значений дозы. Путём моделирования было показано, что деградация характеристик ОУ сильно зависит от синфазного напряжения смещения К„,.

; ^i.ii'i :

(а)

Рисунок- 16. Результаты моделирования АЧХ (при К„, = 5 В) (а) и синусоидальной переходной характеристики (при = 0; 2,5; 5 В) (б) ОУ при различной дозе

На рисунке 17,я приведены переходные процессы включения источника опорного напряжения на 1,25 В. Результаты моделирования показывают, что источник сохраняет работоспособность в диапазоне доз до 1 Мрад, однако с увеличением поглощённой дозы ухудшаются его динамические характеристики (наблюдается более дли-

тельное включение). Данная схема была скорректирована с целью уменьшения времени переходного процесса. На рисунке 17,6 приведён переходной процесс в скорректированном источнике опорного напряжения при дозе 1 Мрад. Работа выполнена в рамках НИР «Урал-Т-МИЭМ».

шт

(а) (б)

Рисунок 17. Результаты моделирования переходного процесса включения источника опорного напряжения при различной дозе: до (а) и после (б) коррекции схемы

Фрагменты фоточувствительных КМОП-ФД БИС. Рассмотрены два фрагмента КНС КМОП-ФД БИС, в которых фоточувствительным элементом является фотодиод обычной конструкции и с управляющим МОП-затвором. Возможности моделей фоточувствительных элементов проиллюстрированы на двух примерах: 1) ячейки КМОП ФД пикселя на основе простого п+-р-фотодиода; 2) однобитной ячейки АЦ преобразователя «освещённость - цифровой код», изготовленных по КМОП КНС-технологии.

1) 4Т КМОП ФП пиксель с двойной коррелированной выборкой - элемент фоточувств. матрицы (см. рис. 18аг). На диаграммах (см. рис. Рисунок 186) показаны 4 этапа, характерные для работы устройства: (1) сброс, (2) накопление, или экспозиция, (3) считывание начального уровня, (4) считывание накопленного уровня. На этапе экспозиции данный фотодиод получает сигнал, эквивалентный освещённости в 50 мВт/см2 в течение интервала времени 410 не.

Пнотность МОЩНОСТИ ГЙЯТОЙОГО Потока •.'Вт'СМ

Сброс В

Сброс _jr

ВыГюр сгрси

ÍÁ.

ВыСор ]( сюпбця

\

Си^каг выбора сфоки, В

■ ВЫХОДНОЙ напряжение, В •

300 400 Время, «с

(а) (б)

Рисунок 18. Схема (а) и диаграммы работы (б) 4Т КМОП ФД пикселя

2) Однобитный АЦП освещённость - цифровой код. С помощью разработанной модели фотодиода с управляющим МДП-затвором была промоделирована схема однобитного АЦП «освещённость — цифровой код», включающая линейку фотодиодов с управляющим затвором (см. рисунок 19а).

В качестве опорного напряжения в данном случае используется пороговое напряжение КМОП-инвертора. Изменяя количество последовательно соединённых диодов, можно обеспечить срабатывание АЦП ири заданном уровне освещённости. На рисунке 196 представлена смоделированная передаточная характеристика АЦП при Ucc=3,3 В, на которой показано необходимое количество фотоэлементов, требуемое для переключения КМОП-инвертора при различных уровнях освещённости. Расчёты проведены в практически важном диапазоне освещённости, характерном для дневного света: от 0,5 мВт/см2 для слабого освещения (пасмурная погода) до 50 мВт/см2 и более для яркого освещения.

Заключение

Основной результат диссертации заключается в создании двух комплектов SPlCE-моделей КНИ/КНС КМОП-элементов: 1) учитывающих радиационные эффекты; 2) учитывающих фотоэлектрические эффекты. Модели обеспечивают достаточную точность (10-20%) описания характеристик элементов, изготовленных по ралич-ным КМОП-технологиям: от длинноканальных приборов с микронными размерами до короткоканальных с субмикронными размерами (до 0,1 мкм) в диапазоне радиационных доз до 2 Мрад и светового потока до 75 мВт/см2для фоточувствительных элементов. Для всех моделей отработана методика полуавтоматизированного определения параметров на основе результатов измерения электрических и фотоэлектрических характеристик тестовых приборов, использующая универсальный экстрактор IC-CAP. Модели включены в существующие промышленные схемотехнические САПР БИС: Eldo (Mentor Graphics), Spectre и UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys). Применение разработанных моделей позволяет значительно расширить возможности существующих схемотехнических симуляторов, распространив их на расчёт радиационно-стойких и фоточувствительных БИС.

Основные научные результаты:

1) Развит макромодельный подход (подключение в эквивалентную схему дополнительных элементов) как метод создания (синтеза) новых SPlCE-моделей микроэлектронных компонентов и улучшения существующих моделей за счёт учёта внутренних эффектов в структуре прибора (режимы «плавающего» потенциала, накопление заряда, активные и паразитные резистивно-ёмкостные, диодные и транзисторные структуры и др.), так и эффектов, обусловленных внешними воздействиями (радиация, световое излучение, температура и др.);

2) для построения SPlCE-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подвергнутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит единый подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макромоделирования, и введения радиационно-зависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) точность описания статических ВАХ 10-15% и динамических характеристик 15-20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;

Напряжение нл выходе АЦП, 8

lies Выход

J

[1

20 40 ^ 60

Рисунок 19. Схема (а) и передаточная характеристика (б) 1-бит. АЦП освещённость -цифровой код, содержащего 4-16 ФДУЗ

3) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > - 0,5-0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключения к эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработана методика определения параметров дополнительных элементов;

4) в оригинальной модели EKV, разработанной первоначально для МОПТ на объёмном кремнии, учтён режим плавающей подложки за счёт подключения в эквивалентную схему последовательной диодно-резистивной цепочки и источника напряжения, что позволило применить модель для описания МОПТ со структурой КНИ/КНС;

5) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты. В эквивалентную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитывающие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочей области транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитические зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности, предпорогового наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений характеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;

6) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элементов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе р-n- и p-i-n-структур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структурах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствительный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтоматическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений электрических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.

Основные практические результаты диссертации.

1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характеристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегарад для радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см"2 для фоточувствительных схем;

2) для пользователей в системе IC-CAP разработаны полуавтоматические процедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётом воздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD, позволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизить вероятность человеческой ошибки;

3) проведены оценки разработанных макромоделей по затратам времени на экстракцию параметров и моделирование различных видов электрических характеристик для различных классов схем с учётом дозовых эффектов. При сравнении макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD показано, что при совпадающем наборе учитываемых эффектов и меньшем количестве радиационно-зависимых параметров EKV-RAD имеет более простую процедуру экстракции параметров и требует в среднем меньшее время для моделирования: статических ВАХ на 12%, АЧХ на 18%, переходных процессов на 50%.

Внедрение результатов работы.

1) Схемотехнические SPICE-модели SOI/SOS-MIEM, BSIMSOI-RAD и EKV-RAD были использованы в ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл., в рамках ОКР «Прототип», «Таймыр» и «Угра» при проектировании твердотельных электронных полупроводниковых узлов специализированной электроники (базовых КМОП-элементов цифровой и аналоговой схемотехники) и микросистемотехники — на базе структур «кремний на изоляторе/сапфире» (КНИ/КНС) с учётом воздействия стационарного радиационного излучения и воздействия повышенной температуры;

2) библиотека схемотехнических SPICE-моделей на основе BSIMSOI-RAD для элементов КИИ КМОП СБИС с проектными топологическими кормами 0,5-0,35 мкм с учётом факторов радиационного воздействия и температуры была использована в практических работах предприятия ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС им. Ю. Е. Седакова», г. Н. Новгород (ОКР «Урал-Т», «Модель», «Защита», «Модель-С»), по созданию элементной базы радиационно-стойких КНИ КМОП СБИС: радиационно-стойких цифро-аналоговых БМК; БИС статического ОЗУ на 512 кбит; библиотеки аналоговых узлов и др.;

3) модели МОП-транзисторов и интегральных фотодиодов и методики экстракции их параметров использованы на предприятии ОАО «НПП Пульсар» в работах по моделированию и оптимизации выходных устройств матричных ФПЗС, а также при создании фоточувствительной ячейки матричного КМОП-ФД фотоприёмника.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

- в изданиях, включённых в перечень ВАК:

[]]. Самбурский Л. М. SPICE-модели оптоэлектронньтх элементов для расчёта фоточувствительных КМОП-ФД БИС // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем» - 2005.- М.: ИППМ, 2005 г. - стр. 196-203;

[2J. К. О. Pelrosjanc, L, М. Sambursky Models of optoelectronic devices for simulation with SPICE // Proceedings of SPIE. - 2005. - Vol. 5944. - P. И 5-123;

[3]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В., Самбурский Л. М. и др. Приборно-технологическое моделирование элементной базы КМОП КНИ БИС с учётом факторов радиационного воздействия // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2008». — М.: ИППМ, 2008 г. - стр. 266-271;

[4]. Трёхмерное моделирование радиационных токов утечки в субмикронных МОП-транзисторах со структурой «кремний на изоляторе» / К. О. Петросянц, Е. В. Орехов, Л. М. Самбурский и др. // Известия вузов. Электроника. - 2010 - № 2(82) - с. 81-83:

[5]. BSIMSOI RAD - макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора для схемотехнического расчёта КМОП БИС с учётом радиационных эффектов / К. О. Петросянц, Л. М. Самбурский и др. // Известия вузов. Электроника. - 2010. 5(85). - с. 81-83;

[6]. Компактная макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора, учитывающая радиационные эффекты / Петросянц К. О., Самбурский Л. М., Харитонов И. А., Ятма-нов А. П. // Известия вузов. Электроника. - 20И. -№ 87. — С. 20-28;

[7]. К. О. Petrosyants, L. М. Sambursky, I.A. Kharitonov, А. P. Yatmanov SOI/SOS MOSFET compact macromodel taking into account radiation effects // Russian Microelectronics. - 2011. - T. 40. - № 7. - c. 457^162;

[8]. К. O. Petrosjanc, E. V. Orekhov, D. A. Popov, I. A. Kharitonov, L. M. Sambursky et al. TCAD-SPICE simulation of MOSFET switch delay time for different CMOS technologies // Proc. of 9th IEEE East-West Design & Test Intl. Symp. (EWDTS'll), Sevastopol, Ukraine, Sept. 2011. — p. 188-190;

[9]. К. О. Петросянц, И. А. Харитонов, Е. В. Орехов, Л. М. Самбурский и др. Исследование стойкости к воздействию ОЯЧ ячеек КНИ КМОП ОЗУ методами смешанного 3D TCAD-SPICE моделирования // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2012. - С. 413-418;

[10]. К. О. Petrosyants, I. A. Kharitonov, L. М. Sambursky Hardware-Software Subsystem for MOSFETs Characteristic Measurement and Parameter Extraction with Account for Radiation Effects // Adv. Materials Research. - 2013. - Vol. 718-720. - p. 750-755;

— в изданиях, не входящих в перечень ВАК:

[11]. Самбурский JI. М. Проектирование блоков АЦП спец-ЭВМ на базе КМОП КНС БИС // «Микроэлектроника и информатика — 2003», 10-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2003 г. - стр. 90;

[12]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Компактные модели МОПТ со структурой КНИ для схемотехнических расчётов // Тезисы докладов П-ой Всероссийской дистанционной НТК «Электроника». - М., МИЭТ, 2003. - С. 69-70;

[13]. Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Определение параметров моделей МОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2004 г. - стр. 447-449;

[14]. Самбурский Л. М. Моделирование КНИ/КНС КМОП БИС с учётом воздействия радиации // «Микроэлектроника и информатика - 2004», 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов. Тез. докл.. - М.: МИЭТ, 2004 г. - стр. 95;

[15]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Модель КНС МОП-транзистора, учитывающая воздействие радиации // «Электроника, микро- и нано-электроника». Сб. научн. трудов. — М.: МИФИ, 2004 г. - стр. 267-272;

[16]. Петросянц К. О., Самбурский Л. М. Учёт статических эффектов плавающей рабочей области в неполностью обеднённых КНИ/КНС МОГ1Т // Электроника, микро- и наноэлектроника. Тр. конф. - М.: МИФИ, 2005. - С. 59-62;

[17]. Самбурский Л. М. Обзор методов этсстракции параметров моделей МОП-транзисторов, изготовленных по технологии КНИ/КНС // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2006 г. - стр. 34-35;

[18]. Petrosjanc К. О., Sambursky L. М., Yatmanov А. P. Comparison of Commercial Parameter Extraction Tools for Spice SOI MOSFET Models // Proc. of 5th IEEE East-West Design & Test Intl. Symp. (EWDTS'07), Yerevan, Armenia, Sept. 2007, p. 69-72;

[19]. Petrosjanc К. O., Kharitonov I. A., Orekhov E. V., Sambursky L. M, etal. A Compact SOr/SOS MOSFET Macromodel Accounting for Radiation Effects // там же, p. 360;

[20]. Харитонов И. А., Самбурский Л. M. и др. Использование комплекса IC-САР для экстракции параметров КНИ/КНС МОПТ // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2008 г. - стр. 378-379;

[21]. Прокофьев Г. В., Богатырёв В. Н., Поварницына 3. М., Чёрный А. И., Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. Исследование радиационной стойкости к накопленной дозе рентгеновского излучения интегральных датчиков Холла на структурах «кремний на изоляторе» // Российская НТК «Элементная база космических систем». Сб. тр., 2008, Сочи, с. 132;

[22]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В., Самбурский Л. М. и др. Комплексное исследование радиационной стойкости интегральных схем космического назначения // Отраслевая НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2008». Тез докл., г. Королёв Моск. обл., 2008, с. 41;

[23]. Прокофьев Г. В., Богатырёв В. Н., Поварницына 3. М., Чёрный А. И., Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Исследование рад. стойкости интегральных датчиков Холла на структурах «кремний на изоляторе» //там же, с. 42;

[24]. Петросянц К, О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Исследование характеристик элементной базы аналоговых КНИ КМОП схем, изготовленных по технологии XFAB, с учётом суммарной поглощённой дозы // «Электроника, микро- и наноэлектроника». Сб. научных трудов - М.: МИФИ, 2009 г. - с. 57-66;

[25]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Влияние суммарной поглощённой дозы на характеристики элементной базы КНИ КМОП БИС ОЗУ // Российская НТК «Элементная база космических систем». Сб. тр.. 2009. — с. ;

[26]. Simulation of Radiation Effects in SOI CMOS Circuits with BSIMSOI-RAD inacromodel / Petrosjanc К. O., Kharitonov I. A., Orekhov E. V., Sambursky L.. M, Yat-manov A. P. // Proc. of 7th IEEE East-West Design & Test Intl. Symposium (EWDTS'09), Moscow, Russia, Sept. 2009. - p. 243-246;

[27]. К. О. Петросянц, E. В. Орехов, Л. M. Самбурский и др. Трехмерное моделирование радиационных токов утечки в субмикронных КНИ МОП-транзисторах с различной топологией // «Электроника, микро- и наноэлектроника». Сб. научных трудов. - М.: МИФИ, 2010 г. - с. 84-89;

[28]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Анализ влияния суммарной поглощённой дозы на характеристики элементной базы КНИ КМОП БИС ОЗУ//там же-с. 90-95;

[29]. З.М. Поварницына, В.П. Яромский, Е.С. Сельков, O.A. Хотькова, В.Н. Богатырев, Г.В. Прокофьев, Д.Г. Крылов, А.И. Черный, К.О. Петросянц, И.А. Харитонов, Е.В. Орехов, Л.М. Самбурский Разработка конструктивно-технологических решений, моделирование и испытания образцов базовых элементов АЦ схемотехники на КМОП КНС-структурах // III Всероссийская НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» - Сб. тр. -г. Москва, 2010:

[30]. Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. и др. Определение параметров электрической подсхемы, подключаемой к SPICE модели МОП транзистора для учета влияния отдельных ядерных частиц // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научных трудов. - М.: МИФИ, 2011. - С. 8-15;

[31]. К. Консбаев, Л. М. Самбурский Разработка системы автоматизации измерений характеристик и экстракции радиационных параметров макромодели КНИ/КНС МОП-транзисторов // Научно-техническая конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - 2012. - С. 358-359;

[32]. Е. С. Дрозденко, Л. М. Самбурский Аппаратно-программный комплекс для параметрического и функционального контроля фрагментов АЦ/ЦА БИС // там же -С. 348-349;

[33]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Макромодель EKV-RAD для КНИ/КНС МОП-транзисторов, учитывающая радиационные эффекты // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. науч. тр. - М.: МИФИ, 2012. - С. 8-20;

[34]. Simulation of Total Dose Influence on Analog-Digital SOI/SOS CMOS Circuits with EK.V-RAD macromodel / К. O. Petrosyants, I. A. Kharitonov, L. M. Sambursky et al. // Proc. of 10th IEEE East-West Design & Test Intl. Symposium (EWDTS'12), Kharkov, Ukraine, Sept. 2012. - P. 60-65;

[35]. Определение параметров SPICE-модели KHC МОП-транзисторов для проектирования аналоговых и цифро-аналоговых специализированных интегральных схем для радиационно-стойкой аппаратуры / К. О. Петросянц, И. А. Харитонов, Л. М. Самбурский и др. // Тезисы докладов Отраслевой НТК приборостроительных органи-

заций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы - 2012», г. Королёв, Моск. обл., 20-21 сентября 2012 г. - С. 54-56;

[36]. Петросянц К. О., Самбурский JI. М. SPICE-модели фотодиодов и фототранзисторов для расчёта КНС КМОП фоточувствительных ячеек // «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». Материалы XI научно-технической конф., г. Дубна, Моск. обл., окт. 2012 г. - С. 116-121.

[37]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В, Самбурский Л. М., Ятма-нов А. П. Моделирование влияния паразитного биполярного транзистора на механизм одиночных сбоев ячейки памяти КНИ КМОП ОЗУ // Электроника, микро- и нано-электроника. Сб. научных трудов. - М.: МИФИ, 2012. - С. 21-32;

[38]. Самбурский JI. М. Моделирование перекрёстных электрических помех в КМОП-ФД матрице // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. Тезисы докладов., М. МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013, с. 261-262;

[39]. Проектирование рад.-стойкого прецизионного усилителя на базе КНС КМОП технологии / Петросянц К.О., Богатырев В.Н., Гоманилова Н.Б., Поварницына З.М., Щёкин А.А., Харитонов И. А., Самбурский Л.М. // Электроника, микро- и нано-электроника. Сб. науч. тр. / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: НИЯУ МИФИ, 2013. -с. 296-302;

[40]. Сравнительный анализ SPICE-моделей КНИ/КНС МОПТ для учёта рад. эффектов / Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. // там же - с. 303-309;

[41]. Л. М. Самбурский, А. С. Мокеев, А. Н. Мансуров Схемотехническое моделирование элементной базы КМОП КНИ БИС // Сб. трудов VII научно-технической конференции «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» (принято в печать);

Список цитируемой литературы

[42]. Petrosjanc К. О., Adonin A. S., Kharitonov I. A., Sicheva М. У. SOI Device Parameter Investigation and Extraction for VLSI Radiation Hardness Modeling with SPICE // Proc. IEEE Intl. Conf. on Microelectronic Test Structures. - 1994. - T. 7. - C. 126-129;

[43]. Петросянц К. О., Харитонов И. А. Модели МДП и биполярных транзисторов для схемотехнических расчётов БИС с учётом радиационного воздействия // Микроэлектроника РАН. - 1994. - Т. 23. - №. 1. - С. 21-34.

[44]. Данилов И. А. и др. Разработка программных средств моделирования ИМС с повышенной стойкостью к внешним воздействующим факторам космического пространства //Информационные, системы и технологии. - 2011. — Т. 63. - №. 1;

[45]. Gorbunov М. S. et al. Verilog-A Modeling of Radiation-Induced Mismatch Enhancement // IEEE Transactions, on Nuclear. Science. - 2011. - T. 58. - №. 3. - C. 785792;

[46]. Кокин C.A. и др. Разработка математической и программной модели транзистора для радиационно-стойкой технологии 0.8 КНС // Материалы Научно-практического семинара «Проблемы создания специализированных рад.-стойких СБИС на основе гетерострукгур». - г. Н. Новгород, 2012 г.;

[47]. J. Alvarado, Е. Boufouss, V. Kilchytska, D. Flandre Compact model for single event transients and total dose effects at high temperatures for partially depleted SOI MOS-FETs // Microelectronics. Reliability. - 2010. - T. 50. - C. 1852-1856;

[48]. Bu Jianhui, Bi Jinshun, Liu Mengxin, Han Zhengsheng A total dose radiation model for deep submicron PDSOI NMOS // Journal of Semiconductors. - 2011. - T. 32. -№ 1. - C. 014002-1 -014002-3;

[49]. Afzalian A. et al. Design of Thin-Film Lateral SOI PIN Photodiodes with up to Tens of GHz Bandwidth /Adv. in Photodiodes, Ed. G. F. Dalla Betta. - InTech Press, 2011;

[50]. Andreou A. G. et al. Silicon on sapphire CMOS for optoelectronic microsystems //Circuits and Systems Magazine, IEEE. - 2001. - T. 1. - №. 3. - C. 22-30;

[51]. Zheng Y. et al. Phys. model of lateral PIN photodiode gated by a transparent electrode fabr. on SOI film //Optics and Photonics Letters 2009. - T. 2. - №. 01. - C. 15-20;

[52]. Xie H. et al. Analysis and simulation of lateral PIN photodiode gated by transparent electrode fabricated on fully-depleted SOI film //Journal of Central South University of Technology. - 2011. - T. 18. - C. 744-748;

[53]. Afzalian A. et al. Physical modeling and design of thin-film SOI lateral PIN photodiodes // IEEE Trans, on Electron Devices. - 2005. - T. 52. - №. 6. - C. 1116-1122;

[54]. Negru R. et al. A new p-in photodiode SPICE model for CMOS pixel applications //Eur. Phys. J. Appl. Phys. - 2008. - T. 41. - C. 205-213.

Подписано в печать 25.11.2013 г. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №3.

Издательство ФГБНУ «НИИ ПМТ» 115054. г. Москва, ул. М. Пионерская, 12

Отпечатано ФГБНУ «НИИ ПМТ» 115054. г. Москва, ул. М. Пионерская, 12

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Разработка I технических

8Р1СЕ-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Петросянц Константин Орестович

На правах рукописи

04201452336

г. Москва, 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................................................3

Глава 1 Анализ современного состояния в области разработки

схемотехнических SPlCE-моделей элементов КНИ / КНС КМОП БИС....................................................................................................................13

1.1 Анализ современного состояния исследований в области компактного

моделирования радиационных эффектов в структуре КНИ / КНС МОПТ....................13

1.2 Обзор современного состояния в области компактного моделирования

фоточувствительных элементов КНИ / КНС КМОП БИС..............................................17

1.3 Выводы по главе 1..........................................................................................................................20

Глава 2 Схемотехнические SPICE-модели МОП-транзисторов

со структурой КНИ/КНС с учётом радиационных эффектов................21

2.1 Общая характеристика разработанных макромоделей...............................................................21

2.2 Макромодель SOI /SOS-MIEM для длинноканальных МОП-транзисторов

со структурой КНИ / КНС....................................................................................................25

2.3 Макромодели BS1MSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных МОП-транзисторов

со структурой КНИ / КНС....................................................................................................33

2.4 Процедуры экстракции параметров разработанных макромоделей.........................................40

2.5 Сравнение разработанных моделей..............................................................................................60

2.6 Выводы по главе 2..........................................................................................................................67

Глава 3 Модели элементов фоточувствительных КНИ/КНС КМОП

БИС....................................................................................................................69

3.1 КМОП ФД БИС со структурой КНС............................................................................................69

3.2 Схемотехническая модель фотодиода с управляющим затвором (ФДУЗ)..............................74

3.3 Схемотехническая модель фототрашистора...............................................................................79

3.4 Выводы по главе 3..........................................................................................................................80

Глава 4 Использование разработанных макромоделей в практике

проектирования...............................................................................................81

4.1 Введение..........................................................................................................................................81

4.2 Использование разработанных моделей для расчёта узлов радиационно-стойких

БИС........................................................................................................................................82

4.3 Использование разработанных моделей для расчёта узлов фотоприёмных БИС..................104

Заключение.............................................................................................................112

Список использованной литературы................................................................117

Введение

Актуальность темы. Важнейшим видом электронной компонентной базы для аэрокосмической и военной техники, устройств управления ядерной энергетикой, систем космической связи и телекоммуникаций и других специальных применений являются КМОП БИС и системы на кристалле со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС), которые помимо высокой степени интеграции на п/п кристалле, высокого быстродействия, малого потребления мощности, обладают повышенной радиационной стойкостью.

Самостоятельным направлением КМОП-технологии являются фото чувствительные КМОП СБИС, изготовленные в ультратонком слое кремния на сапфировой подложке по технологии UTSi (фирмы Peregrine), которые используются в космических системах мониторинга и зондирования Земли, устройствах аналоговой и цифровой оптической обработки информации, специальных фотоприёмных устройствах и др.

По оценкам специалистов NASA, радиационно-стойкие КМОП БИС и фоточувствительные КМОП-ФД СБИС, изготовленные на КНИ/КНС подложках, являются перспективной электронной элементной базой современных и будущих космических систем.

Очевидно, что успешное решение задач проектирования и разработки КМОП СБИС со структурой КНИ/КНС, а также построения систем на их основе невозможно без широкого применения САПР как на элементном, так и на схемо- и системотехнических уровнях. Причём для радиационно-стойких и фоточувствительных БИС задачи существенно усложняются, т. к. в рамках традиционных этапов проектирования необходимо дополнительно учитывать воздействие радиационных и фотоэлектрических факторов, соответственно, а в ряде случаев (например, в условиях космического пространства) их совместное влияние.

Эти обстоятельства в последние годы стимулировали у нас в стране и за рубежом разработку проблемно-ориентированных подсистем САПР для радиационно-стойких

схем (Radiation-Hardened CAD - RHCAD)* и оптоэлектронных схем (ОЭС)**. Эти подсистемы, как правило, встраиваются в существующие промышленные САПР БИС.

Ключевая роль в таких САПР принадлежит моделям КМОП-элементов, поскольку от степени учёта влияющих факторов и их точности в первую очередь зависит достоверность результатов схемотехнического и топологического проектирования.

Таким образом, разработка новых и улучшение существующих SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/ КНС КМОП БИС является актуальной задачей.

Состояние исследований по проблеме.

1. Модели КНИ/КНС КМОП-элементов для радиациоино-стойких БИС. Физические модели влияния радиационного облучения на электрические параметры элементов КНИ / КНС КМОП БИС приведены в работах отечественных авторов: Зебрева Г. И., Никифорова А. Ю., Першенкова В. С., Скоробогатова П. К., Тельца В. А., Чумакова А. И., Улимова В. Н. и др., а также зарубежных авторов: Т. P. Ma, P. V. Dressendorfer, Т. R. Oldham, J. R. Schwank, V. Ferlet-Cavrois, M. R. Shaneyfelt, P. E. Dodd и др.

Существенный вклад в разработку схемотехнических моделей с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких КМОП БИС внесли Волков И. С., Зебрев Г. И., Кокин С. А., Петросянц К. О., Стенин В. Я., Харитонов И. А., Ятманов А. П. и др.

Для формирования компактных моделей, учитывающих факторы радиационного влияния в промышленных схемотехнических САПР, отечественные и зарубежные специалисты используют два основных подхода.

Первый - создание набора программных функций на языке С, Verilog-AMS и др., описывающих радиационное воздействие и подключаемых к стандартным моделям. Встраиваемый модуль рассчитан на конкретную версию симулятора, что требует взаимодействия с фирмой-производителем САПР и высокой квалификации программиста.

Второй путь — формирование макромодели на основе схемотехнической модели, уже включённой в библиотеку моделей данной САПР. В этом случае модель работает быстрее, чем при подключении достаточно сложных выражений, вычисляемых с помо-

Hierarchical CAD Tools for Radiation Hardened Mixed Signal Electronic Circuits, DTIC Report No. ADA429971,2005;

** Оптоэлектронные приборы, системы и сети. - М. : Наука, 2007;

щью модулей С, Уеп1оц-АМ8 и др., но от разработчика требуется хорошее знание схемотехники и особенностей конкретного симулятора. Также макромодельный подход позволяет достаточно просто модифицировать модель для учёта дополнительных эффектов, обусловленных влиянием радиации и температуры.

Анализ известных работ показал, что стандартные схемотехнические модели МОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС, включённые в БРЮЕ-подобные программы анализа ИС и БИС, или вообще не учитывают радиационные эффекты, или учитывают их в недостаточной степени. Для элементов радиациопио-стойких КНИ/КНС КМОП БИС основная задача состоит, во-первых, в определении перечня радиационно-зависимых параметров и, во-вторых, в корректном их учёте в той или иной форме. В настоящей диссертационной работе предпочтение отдаётся макромодельному подходу.

2. Модели фоточувствительных элементов БИС. Разработке схемотехнических моделей фоточувствительных п/п приборов и элементов ИС посвящены работы Горохова В. А., Дмитриева В. П., Носова Ю. Р., Сидорова А. С., Шилина В. А. и др.

Для элементов фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС вопрос учёта внешнего светового излучения на электрические характеристики элементов слабо освещён в литературе. В ЭРГСЕ-подобных программах практически отсутствуют модели фотоприёмных элементов, совместимых с технологией КНИ/КНС КМОП.

3. Определение параметров моделей. Помимо разработки собственно самих моделей МОПТ, учитывающих радиационные и фотоэлектрические эффекты, не менее важное значение имеют вопросы определения (экстракции) параметров этих моделей. Однако, в большинстве опубликованных работ процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров для приборов, подвергнутых воздействию радиации и света, освещены крайне недостаточно. Проблема автоматизации таких процедур с использованием комплекса экстракции параметров моделей и макромоделей (например, 1С-САР или аналогичного) практически не описана.

Таким образом, настоящая диссертация посвящена разработке и исследованию схемотехнических ЭРГСЕ-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС, а также разработке методик определения (экстракции) их параметров на основе электрических, радиационных и фотоэлектрических измерений характеристик тестовых приборов или на основе их ТСАЭ-моделирования.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование компактных ЭРЮЕ-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП и КМОП-ФД БИС для анализа схемотехнических решений с помощью промышленных САПР.

Цель достигается путём решения следующих задач:

1) разработка новых и совершенствование существующих схемотехнических моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, учитывающих факторы радиационного и светового воздействия за счёт применения макромодельного подхода;

2) разработка методик определения параметров моделей КМОП-элементов со структурой КНИ/КНС по результатам измерений их электрических, радиационных и фотоэлектрических характеристик;

3) разработка автоматизированного аппаратно-программного комплекса для измерения электрических характеристик и экстракции параметров разработанных моделей; в том числе программного обеспечения, предназначенного для управления комплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения процедуры идентификации параметров моделей;

4) включение разработанных и усовершенствованных моделей в существующие промышленные программы схемотехнического расчёта БИС;

5) использование всей совокупности разработанных моделей и методик в практике проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП ИС и БИС.

Методы исследования: методы экспериментального определения электрических характеристик тестовых структур, математические методы обработки результатов измерений, методы оптимизации, компьютерный анализ и моделирование, методы проведения вычислительных экспериментов.

Научная новизна работы.

1) Для построения 8Р1СЕ-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подвергнутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит единый подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макромоделирования (подключения в эквивалентную схему дополнительных элементов, учитывающих соответствующий физический эффект), и введения радиационно-зависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм)

точность описания статических ВАХ 10-15% и динамических характеристик 15—20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;

2) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > ~ 0,5-0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключения к эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработана методика определения параметров дополнительных элементов;

3) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты. В эквивалентную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитывающие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочей области транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитические зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности, предпорогово-го наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений характеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;

4) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элементов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе р-n- и p-i-n-структур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структурах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствительный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтоматическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений электрических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.

Практическая значимость работы.

1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характеристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегарад для радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см2 для фоточувствительных схем;

2) для пользователей в системе IC-CAP разработаны полуавтоматические процедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стационарного

радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётом воздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе ТСАБ, позволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизить вероятность человеческой ошибки;

3) проведено сравнение разработанных макромоделей по затратам времени на экстракцию их параметров и даны оценки времени моделирования для различных классов схем с учётом дозовых радиационных эффектов.

Положения, выносимые на защиту.

1) Использование макромодельного подхода для разработки схемотехнических БРГСЕ-моделей радиационно-стойких и фоточувствительных элементов КНИ/КНС КМОП БИС в сочетании с использованием аппроксимирующих зависимостей параметров модели от внешних воздействующих факторов;

2) способ учёта эффекта раннего пробоя в макромодели ЗСЛ/БОБ-ГуПЕМ для длинноканальных (Ь > ~ 0,5-0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ за счёт введения в эквивалентную схему дополнительной диодно-резистивной цепочки; методика определения параметров дополнительных элементов;

3) макромодели В81М801-11А0 и ЕКУ-ЯАВ для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые эффекты; полу автоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений тестовых структур или приборного ТСАО-моделирования электрических характеристик необлучённых и облучённых КНИ/КНС МОПТ;

4) макромодели фоточувствительных элементов КМОП-ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе р-п- и р-1-п-структур, фототранзистора, изготовленных на структурах с изолирующей подложкой (КНИ/КНС); полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей фотодиода и фототранзистора из результатов электрических и оптоэлектрических измерений характеристик реальных приборов.

5) результаты использования моделей при проектировании цифровых и аналоговых радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП-схем со структурой КНИ / КНС.

Апробация результатов работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

• НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. — М., 2000 — 2013 г.г.;

• 10-я и 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика». - Москва-Зеленоград, 2003, 2004 г.г.;

• 2-я Всероссийская дистанционная НТК «Электроника». — Москва, 2003 г.;

• 6, 7, 11, 12 и 13-я Российская НТК «Электроника, микро- и наноэлектроника»,. — Н. Новгород, 2004 г., 2009 г., Вологда, 2005 г., Суздаль, 2010 г. - 2013 г.г.;

• Школа молодых учёных «Интеллектуальные фотоприёмные устройства и их применение». - Софрино, Моск. обл., 2004 г.;

• 1-я, 3-я и 5-я Всероссийская НТК «Проблемы разработки перспективны�