1 10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» Моделирование эффектов полной дозы на схемотехническом уровне с использованием языка описания аппаратуры Verilog-A М.С. Горбунов, П.Н. Осипенко Научно-исследовательский институт системных исследований РАН

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 2 Введение Субмикронные КМОП ИМС широко используются в среде, где они подвергаются воздействию стационарного ионизирующего излучения (ИИ). Высокая радиационная стойкость может быть достигнута конструктивно-топологическими методами (Radiation- Hardening-by-Design, RHBD) [1] Эффекты полной дозы (ЭПД, TID) приводят к сдвигу порогового напряжения, деградации крутизны (подвижности) и росту токов утечки В субмикронных КМОП технологиях в тонких подзатворных оксидах не происходит значительного накопления заряда и, следовательно, не возникает заметного сдвига порогового напряжения [2]. Радиационно-индуцированные токи утечки являются одной из наиболее важных проблем, которая может быть решена конструктивно-топологическими методами. С другой стороны, оборудование, применяемое в области физики высоких энергий, требует уровня стойкости до 100 Мрад (Si), и в этом случае сдвиг порогового напряжения и деградация подвижности всё ещё являются проблемой [3] Радиационно-индуцированное увеличение разброса параметров из-за различия в электрических режимах при облучении является серьёзной проблемой для разработчиков аналоговых и аналого-цифровых ИМС. Несмотря на то, что эффект рассогласования параметров достаточно хорошо изучен, на сегодняшний день опубликовано малое количество работ по влиянию ИИ на рассогласование параметров [4] Разработчику ИМС требуется инструмент для сравнения различных методов Испытание чипа в целом позволяет оценить рад. стойкость, но задача определения стойкости отдельных компонентов является гораздо более сложной Многоуровневое моделирование является неотъемлемой частью проектирования радиационно-стойкой ИМС. 3 основных уровня: физический, схемотехемческий (SPICE) и системный. Стандартные SPICE модели (BSIM, BSIMSOI, EKV, PSP и др.) не включают радиационные эффекты. Разработчикам требуется эффективный инструмент моделирования, встроенный в стандартный маршрут проектирования.

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 3 Многоуровневое моделирование DesignKit Параметры техпроцесса Физическая (2D, 3D) модель приборов и эффектов SPICE-параметры (до и после облучения) Параметры блоков (схемы управления, ОУ и др.) (до и после облучения) Физический уровень Системный уровень Моделирование элемента Моделирование схемы Моделирование схемы и системы Verilog (Verilog AMS) TCAD, Сложное 2D и 3D моделирование Эксперимент Рекомендуемый подход Схемотехнический уровень Стандартный подход Параметры физической модели Предлагаемый подход (для RHBD) Статистический анализ (Монте- Карло) Verilog-A (Verilog AMS)

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 4 Verilog-A: мотивация и проблемы Verilog-A поддерживается всеми современными программами-симуляторами Значительное время между появлением новой компактной модели (или появлением новой версии) и встраиванием этой модели в программы-симуляторы Более быстрая реализация по сравнению с C (или FORTRAN)*: Введение эффекта саморазогрева в BSIM3: 1-2 дня на Verilog-A против 2-3 недель на C [5] Все коммерческие симуляторы поддерживают Verilog-A, однако не все положения стандарта реализованы: Поддержка анализа шума (noise analysis) Не везде есть поддержка биннинга и таблицы параметров Не везде реализовано разграничение модельных параметров и параметров элемента (instance) и др. Возникают конфликты синтаксиса SPICE-симулятора и Verilog-A. На примере Cadence ® Spectre ® : Конфликт с опцией insensitive=yes Не всегда корректно понимается множитель m (multiplier) Различие в интерпретации в DC анализе, в зависимости от версии симулятора Встроенные компактные модели обычно имеют нестандартные параметры, общие для класса приборов в данном симуляторе (Common MOSFET equations в Spectre), что затрудняет создание универсального Verilog-A описания компактной модели для всех симуляторов Времена расчёта одной и той же схемы одним и тем же симулятором при использовании встроенных SPICE-моделей и тех же моделей на Verilog-A отличаются до 10 раз, в зависимости от версии симулятора (Verilog-A - медленнее). Это недостаток симулятора, а не языка. Между выходом нового стандарта языка и реализации этого стандарта в программе-симуляторе проходит ~ 3 лет: Spectre 6.2.1, вышедший в 2007 году, поддерживает (ограниченно!) Accellera Verilog-AMS Version 2.2 (ноябрь 2004).

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 5 Физическая модель: сравнение с экспериментом Физическая модель верифицирована по экспериментальным данным 0,5 мкм КНИ КМОП технологии. Исследования проводились в НИИСИ РАН, НИИП и ЭНПО «СПЭЛС» DesignKit для коммерческих КМОП технологии редко содержит информацию по статистической вариации параметров, которая может быть использована для анализа методом Монте-Карло. В используемом DesignKit Chartered 0,18 мкм КМОП технологии есть данные для стандартных (с тонким оксидом, TN) транзисторов и транзисторов с толстым оксидом (TK) Толщина транзисторов TK примерно равна толщине подзатворного оксида в транзисторах 0,35 мкм технологии Использованы экспериментальные данные по UMC 0,18 мкм КМОП технологии. Максимальный сдвиг порога при 2,2 Мрад (Si) составил около 90 мВ. Деградации подвижности не наблюдалось [6] Сделано предположение, что все транзисторы имеют кольцевую топологию (отсутствует радиационно-индуцированный ток утечки)

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 6 Моделирование дозовых эффектов Моделирование радиационно-индуцированного рассогласования параметров: Один из транзисторов облучается при напряжении затвор-исток, равном vdd, другой – при нулевом напряжении Пороговое напряжение рассчитывается из полученных в результате моделирования передаточных ВАХ Первая точка передаточной ВАХ – электрический режим при облучении Методика успешно применена для более сложных ИМС: источника опорного напряжения, кольцевых генераторов и операционного усилителя [Gorbunov-2009] `include "constants.vams" `include "disciplines.vams module diff_source (outp, outn, in, vdd); input in; output outp, outn; inout vdd; electrical in, outn, outp, vdd; analog begin V(outp)

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 7 Разброс значений порогового напряжения Толстый оксид: 0 крад (Si) Толстый оксид: 2,5 Мрад (Si) (низкое Vgs при облучении) Толстый оксид: 2,5 Мрад (Si) (высокое Vgs при облучении) Тонкий оксид: 0 крад (Si) Тонкий оксид: 2,5 Мрад (Si) (низкое Vgs при облучении) Тонкий оксид: 2,5 Мрад (Si) (высокое Vgs при облучении)

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 8 Результаты до облучения (толстый оксид) Разностью пороговых напряжений транзисторов до облучения можно пренебречь

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 9 После набора дозы 2,5 Мрад (Si) (толстый оксид) Значения медианы распределения порогового напряжения отличаются на 170 мВ Стандартные отклонения распределений пороговых напряжений, соответствующих дозе 2,5 Мрад (Si), практически не отличаются от стандартных отклонений, соответствующих ситуации «до облучения»

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 10 Кольцевые генераторы Кольцевой генератор состоит из 120 инверторов + 1 управляющего элемента (2И-НЕ) Промоделированы 2 типа кольцевых генераторов: на транзисторах с тонким (TN) и толстым (TK) подзатворными оксидами Тип транзисторовДоза, Мрад (Si)Частота, МГцСкважность TK043,442,000 TK2,52,543,392,019 TK10033,382,416 TN073,442,037 TN2,52,573,832,057 TN10069,672,155 Деградация частоты при 2,5 Мрад (Si) несущественна При дозе ~ 100 Мрад (Si) (значение, получаемое в физических экспериментах) деградация частоты и скважности значительна даже для TN транзисторов ПРИМЕЧАНИЕ: необходимы дополнительные исследования деградации подвижности для высоких значений накопленной дозы (свыше 10 Мрад (Si))

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 11 Заключение Физическая модель эффектов полной дозы [7] встроена в модель BSIM3v3, реализованную на языке описания аппаратуры Verilog-A. Полученный инструмент совместим со стандарными SPICE симуляторами (Spectre, UltraSim, HSPICE, ELDO, etc.) и позволяет на этапе схемотехнического проектирования учитывать влияние электрических режимов при облучении Проведено моделирование эффекта радиационно-индуцированного усиления разброса параметров транзисторов для 0,18 мкм КМОП технологии (тонких и толстых подзатворных оксидов). Продемонстрирована зависимость от электрического режима при облучении Эффект может усиливаться в транзисторах с нестандартной топологией (кольцевых, с окружённым истоком, H-транзисторах (КНИ) и др.) Предложенная методика применима к различным цифровым и аналоговым ИМС Полученная информация для транзисторов с толстым оксидом может быть использована для оценки стойкости ИМС, выполненных по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии

10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» 12 Литература Контакты: Горбунов М.С., НИИСИ РАН, м.н.с. Осипенко П.Н., к.т.н., зав. ОРВТ НИИСИ РАН. [1] R.C. Lacoe, Improving Integrated Circuit Performance Through the Application of Hardness-by-Design Methodology, IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. 55, no. 4, August [2] H. J. Barnaby, Total-Ionizing-Dose Effects in Modern CMOS Technologies, IEEE Tran. Nucl. Sci., vol. 53, no. 6, pp , [3] D. Bertini, E. Paulova CBM radiation levels studies, CBM Progress Report 2008, p.73. [4] F.Faccio, Radiation Issues in the New Generation of High Energy Physics Experiments. International Journal of High Speed Electronics and Systems, vol. 14, no. 2 (2004) pp [5] Geoffrey Coram. Tutorial: How to (and How NOT to) Write a Compact Model in Verilog-A. BMAS-2004 [6] S. Löchner, H. Deppe, Radiation Studies on the UMC 180 nm CMOS Process at GSI. RADECS-2009 Proceedings. [7] G.I. Zebrev, M.S. Gorbunov, Modeling of Radiation-Induced Leakage and Low Dose-Rate Effects in Thick Edge Isolation of Modern MOSFETs, IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. 56, no. 4, August [8] E.O. Mikkola, B. Vermeire, et al., VHDL-AMS Modeling of Total Ionizing Dose Radiation Effects on CMOS Mixed Signal Circuits, IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. 54, no. 4, August [9] M.S. Gorbunov, G.I. Zebrev, P.N. Osipenko, Radiation-Hardening-by-Design with Circuit-Level Modeling of Total Ionizing Dose Effects in Modern CMOS Technologies. Presented at ICMNE Accepted to Proceedings of SPIE.