ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КНИ КМОП СБИС С ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТЬЮ К ДОЗОВЫМ ЭФФЕКТАМ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Горбунов Максим Сергеевич НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ» НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН – «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» Научный руководитель: к.т.н. Осипенко Павел Николаевич, зав. ОРВТ НИИСИ РАН – «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

2(20) Введение К ИМС, предназначенным для функционирования в условиях действия факторов космического пространства, предъявляется ряд специфических требований: малое энергопотребление, малые габаритные размеры, широкий диапазон рабочих температур, высокая радиационная стойкость Можно выделить несколько фундаментальных задач радиационной стойкости к воздействию стационарного ионизирующего излучения, характерных для современных КМОП технологий: сдвиг порогового напряжения; деградация крутизны (подвижности) и подпорогового размаха передаточной характеристики; токи утечки; Эти явления известны как эффекты полной дозы (Total Ionizing Dose (TID) Effects), имеют кумулятивный характер и связаны с накоплением заряда в изолирующих оксидах и поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO 2 Для смешанных (аналого-цифровых) ИМС растёт роль разброса параметров элементов, усиленного воздействием ионизирующего излучения Существуют технологические и конструктивно-топологические методы повышения радиационной стойкости Одним из перспективных технологических направлений является развитие технологии «кремний на изоляторе» (КНИ) Необходимо исследовать эффективность существующих технологических и конструктивно-топологических методов и, при необходимости, разработать новые Разработчику требуется удобный инструмент моделирования, встроенный в стандартный маршрут проектирования и совместимый со стандартными коммерческими средствами САПР

3(20) Цель диссертации Разработка методов и средств физического и схемотехнического моделирования работы ИМС, выполненных по современным КНИ КМОП технологиям, в условиях воздействия ИИ для различных электрических режимов

4(20) Основные задачи Разделение составляющих радиационно-индуцированной утечки, позволяющее на основе анализа экспериментальных данных определить направление оптимизации с целью подавления этого эффекта. Разработка аналитической модели, позволяющей определить SPICE- параметры КНИ транзисторов, с учётом влияния контакта к телу. Исследование эффективности различных топологических вариантов реализации КНИ МОП-транзисторов в зависимости от геометрии канала и электрического режима при облучении. Разработка схемотехнических методов моделирования дозовых эффектов, в том числе радиационно-индуцированных токов утечки, в КНИ транзисторах и ИМС, изготовленных по КНИ КМОП технологии, с учётом электрического режима при облучении. Моделирование усиления разброса параметров транзисторов воздействием ионизирующего излучения. Разработка программных средств, интегрированных в стандартный маршрут проектирования и совместимых с современными коммерческими средствами САПР, позволяющих учитывать дозовые эффекты на этапе схемотехнического проектирования.

5(20) Основные положения, выносимые на защиту Разделение боковой и донной составляющих радиационно- индуцированных токов утечки в транзисторах показывает, что при разработке КНИ КМОП ИМС с повышенной стойкостью к дозовым эффектам необходимо использовать транзисторы A- и H-типа, при этом от других топологических вариантов можно полностью отказаться Аналитическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры КНИ транзисторов A- и H-типа и учесть влияние контактов к телу на характеристики. Метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов в цифровых и аналоговых КМОП ИМС.

6(20) Разделение составляющих токов утечки в КНИ транзисторах Радиационно-индуцированные токи утечки, обусловленные встраиванием положительного заряда в слоях изоляции, являются наиболее значимой проблемой повышения радиационной стойкости современных субмикронных КМОП ИМС Для определения направления оптимизации техпроцесса и/или топологии, а также для получения параметров для моделирования необходимо разделить боковую и донную составляющие радиационно-индуцированных токов утечки в КМОП КНИ ИМС. Ток утечки (как боковой, так и донный) сильно зависит от электрического режима при облучении и от геометрии канала

7(20) Сравнение с экспериментом Физическая модель верифицирована по экспериментальным данным 0,5 мкм КНИ КМОП технологии. Исследования проводились в НИИСИ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», НИИП, ЭНПО «СПЭЛС» Моделирование в САПР фирмы Cadence:

8(20) КНИ транзисторы с контактом к телу 2 основных варианта топологической реализации контактов к телу: с жёсткой привязкой тела (A-тип) к истоку и с возможностью произвольной коммутации тела (H- тип) A-тип: H-тип:

9(20) Преобладание боковой утечки На рисунке представлены экспериментальные ВАХ n-канальных 0,5 мкм КНИ транзисторов (технологическая линия НИИСИ РАН) F-типа до и после облучения. Излом присутствует как на ВАХ верхнего транзистора, так и на ВАХ нижнего, что свидетельствует о том, что доминирует боковая утечка

10(20) Преобладание донной утечки Для А-транзисторов результаты аналогичные. На рисунке представлены экспериментальные ВАХ n-канальных 0,5 мкм КНИ транзисторов (технологическая линия НИИСИ РАН) H-типа до и после облучения. Излом присутствует только на ВАХ верхнего транзистора, что свидетельствует о том, что доминирует донная утечка

11(20) Анализ влияния режима при облучении на стойкость приборов с различными вариантами топологической реализации В транзисторах с плавающим телом преобладает боковая утечка. Донная утечка преобладает в A-, H- и кольцевых транзисторах и проявляется при значениях накопленной дозы 1-2 Мрад (Si) В тестовых транзисторах с коротким каналом донная утечка появляется раньше, чем в транзисторах с длинным каналом При проектировании определение длины канала транзистора обуславливается компромиссом между радиационной стойкостью (увеличение длины канала препятствует возникновению донной утечки), занимаемой площадью и производительностью ИМС Транзисторы A-типа являются наиболее предпочтительным топологическим вариантом при проектировании радиационно-стойких ИМС Применение транзисторов H-типа ограничено случаями, когда тело должно быть независимо от истока (ключи, схемы ввода/вывода и т.п.)

12(20) Сравнение с другими топологическими вариантами В транзисторах нестандартной топологии возникают проблемы определения эффективной ширины и длины канала Наиболее эффективными методами борьбы с радиационно-индуцированной утечкой являются кольцевая топология и топология транзистора с окружённым истоком/стоком. Топологические варианты, используемые в объёмной КМОП технологии, не имеют преимущества перед топологическими вариантами, используемыми в КНИ КМОП технологии. Кольцевая топология занимает большую площадь при малых соотношениях W/L В КНИ КМОП ИМС от этих топологических вариантов можно полностью отказаться в пользу A- и H-транзисторов Кольцевая топология «Окружённый исток» «Собачья кость»

13(20) Эффективная ширина канала транзистора H-типа Существуют «паразитные» пути протекания тока Эффективная ширина канала Weff отличается от ширины задаваемой «средней» частью H-образного затвора Различие между Weff и W можно учесть с помощью сравнения крутизны (подвижности) H-транзисторов с одинаковой длиной и разной шириной. При этом транзистор с наибольшей шириной является «опорным», т.к. при значениях ширины канала много большей суммарной ширины «боковых затворов» (W>>1 мкм) влиянием паразитных областей можно пренебречь: Крутизна Поправка: W, g mH – ширина и крутизна транзистора, для которого считается поправка; W 0, g mH0 – ширина и крутизна «опорного» транзистора Для нахождения зависимости поправки от длины канала производится усреднения величины поправки для транзисторов с одинаковой длиной.

14(20) Эффективная ширина канала транзистора А-типа W, gmА - ширины и крутизна транзистора, для которого считается поправка W 0, g mА0 - ширина и крутизна «опорного» транзистора Зависимость поправки от длины канала: Активные области H- и A-транзисторов практически не отличаются друг от друга, поэтому для модели А-транзисторов можно использовать некоторые параметры, полученные для H-транзисторов Эффективная ширина канала отличается от топологических значений ширины затвора, причём вносимые поправки в эффективную ширину зависят от длины канала: чем больше длина, тем меньше значение поправки Поправка для А-транзистора находится по формуле:

15(20) Апробация модели Предложенный метод был успешно опробован на технологиях 0,35 мкм и 0,5 мкм КНИ КМОП технологической линии НИИСИ РАН. Результаты сравнения измеренной частоты кольцевых генераторов (на транзисторах A- и H-типа) с результатами моделирования показывают, что ошибка при моделировании не превышает 10-15%, что является достаточным для большинства цифровых ИМС. H-тип: длинный канал большая ширина H-тип: короткий канал малая ширина А-тип: длинный канал большая ширина А-тип: короткий канал малая ширина

16(20) Схемотехническое моделирование дозовых эффектов в цифровых и аналоговых КМОП ИМС Дозовые зависимости обычно получаются из данных по радиационным испытаниям чипа в целом. Главным недостатком этих инструментов является практическая невозможность учёта зависимости радиационной деградации от электрического режима при облучении Требуется перенести дозовые зависимости в SPICE-модели Встраивание физической модели в стандартную программу-симулятор невозможно Ключевым пунктом предлагаемой методологии является интеграция физической модели со SPICE-моделью, реализованной на языке описания аппаратуры HDL Метод предполагает использование физической модели, встроенной в описание компактной модели транзистора BSIM3v3, описанной на языке Verilog-A Создано программное средство, встроенное в САПР Методика успешно применена для источника опорного напряжения, кольцевых генераторов и операционного усилителя

17(20) Режимы моделирования Предусмотрено 2 режима моделирования: 1) Полагается, что все транзисторы в схеме облучаются в одном режиме, устанавливаемом параметром vgirr. 2) Для каждого транзистора электрический режим при облучении устанавливается первой точкой анализа: начальным значением напряжения при анализе по постоянному току (DC-анализе), значением напряжения при t=0 при анализе во временной области (transient) или значением рабочей точки в малосигнальном анализе (AC-анализе). Первый режим используется при калибровке параметров физической модели по экспериментальным дозовым зависимостям и ВАХ. Рекомендуется для проведения DC-анализа Второй режим является основным и используется для оценки радиационной стойкости ИМС различной сложности Важным преимуществом данного метода является то, что в схеме не производится никаких изменений inline subckt nmos_tn ( d g s b ) parameters w=1E-7 l=1E-7 as=0 ad=0 ps=0 pd=0 nrd=0 nrs=0 … nmos_tn (d g s b) bsim3mos_rad W=w L=l AD=ad AS=as PD=pd PS=ps NRD=nrd NRS=nrs DOSE=dose RADMODE=radmode VGIRR=vgirr + TYPE=1 + LMIN=1.8E-007 LMAX=3.5E-007 WMIN=2.2E WMAX=6E-007 VERSION=3.3 MOBMOD=1 … ends nmos_tn

18(20) Радиационно-индуцированный разброс параметров 2 транзистора (0,18 мкм КМОП, толстый оксид) в разных электрических режимах при облучении (доза 2,5 Мрад (Si)) Значения медианы распределения порогового напряжения отличаются на 170 мВ («номинальный» сдвиг порогового напряжения) Из-за технологического разброса параметров и различных режимов разность пороговых напряжений может достигать до 250 мВ (радиационно-индуцированный разброс параметров)

19(20) Научная новизна и практическая значимость Определены наиболее эффективные (с точки зрения функционального назначения элемента) топологические методы борьбы с дозовыми эффектами в КНИ КМОП СБИС Выявлены наихудшие электрические режимы при облучении, в зависимости от геометрии канала и от особенностей создания контактов к телу КНИ транзистора Предложен новый метод экстракции SPICE-параметров КНИ транзисторов A- и H- типа Предложен метод и разработано программное средство для схемотехнического моделирования эффектов полной дозы на уровне ИМС, учитывающий электрический режим при облучении каждого составляющего ИМС транзистора в широком диапазоне значений накопленной дозы. Учёт электрического режима для каждого составляющего ИМС элемента позволяет выявлять входные вектора «наихудшего случая» для библиотеки элементов и проводить моделирование усиления разброса параметров элементов, вызванного радиационным воздействием В работе рассмотрены результаты моделирования эффектов полной дозы для кольцевых генераторов, операционного усилителя и источника опорного напряжения Предложенные методы позволяют проводить сравнение эффективности схемотехнических решений Все предложенные методы и программные средства интегрированы в стандартный маршрут проектирования и поддерживаются современными коммерческими САПР

20(20) Внедрение результатов Спасибо за внимание! Результаты работы использованы при выполнении ОКР «Стойкость», «Квартал» и «Перга» в НИИСИ РАН