Автореферат (Разработка и исследование моделей радиационных воздействий для расчета характеристик кремниевых и кремний-германиевых биполярных транзисторов с помощью системы TCAD)

На правах рукописиУДК 004.942: 621.382.33КОЖУХОВ МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ РАДИАЦИОННЫХВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВЫХ ИКРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ СПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ TCADСпециальность 05.13.12«Системы автоматизации проектирования»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква – 20162Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики». (НИУ ВШЭ)Научный руководитель:Петросянц Константин Орестович,доктор технических наук, профессор,профессор Департамента электронной инженерииМИЭМ НИУ ВШЭОфициальные оппоненты:Першенков Вячеслав Сергеевич,доктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой«Микро- и наноэлектроника»НИЯУ «МИФИ»Макарчук Владимир Васильевич,кандидат технических наук, доцент, доценткафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры»МГТУ им.

Н.Э. БауманаВедущая организация:Федеральное государственное учреждение«Федеральный научный центр Научноисследовательский институт системных исследований Российской академии наук»(г. Москва)Защита состоится 16 июня 2016 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д.002.078.01 на базе ФГБУН Института проблем проектирования вмикроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН) по адресу: 124365,г. Москва, Зеленоград, ул. Советская, д. 3.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИППМ РАН и на сайте:http://www.ippm.ru/data/dissrt/Kozhuhov/text.pdfОтзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный гербовой печатью организации иоформленный согласно «Положению о порядке присуждения ученых степеней»(п. 28), просим направлять в ИППМ РАН по адресу: 124365, г.

Москва, Зеленоград,ул. Советская, д. 3.Автореферат разослан __ мая 2016 г.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 002.078.01,кандидат технических наук, доцентЖаров Михаил Михайлович3Общая характеристика работыАктуальность темы. К электронным устройствам систем глобальной космической связи и телекоммуникаций, систем управления ядерными энергетическими установками, ракетно-космической, военной техники и др. предъявляются повышенныетребования по радиационной стойкости к воздействию стационарных видов излучения и влиянию одиночных заряженных частиц (ОЯЧ).

По оценкам зарубежных и отечественных специалистов, перспективной элементной базой для таких систем являются современные кремниевые и кремний-германиевые СВЧ транзисторы, которыепомимо хороших усилительных свойств, обладают высокой радиационной стойкостью к воздействию различных видов излучения.Очевидно, что успешное решение задач проектирования и разработки радиационно-стойких кремниевых и кремний-германиевых биполярных транзисторов, а также интегральных схем и систем на их основе невозможно без широкого применениясистем автоматизированного проектирования (САПР).

Важность такой проблемы ещёболее возрастает в связи с имеющей место тенденцией к уменьшению размеров элементов, которые становятся все более чувствительными к факторам внешних воздействий, в частности, различных видов радиации1.К сожалению, только экспериментальные подходы не позволяют оценить влияние радиационных эффектов до изготовления – на стадии разработки полупроводниковых приборов.

В этой связи, важное значение приобретают методы моделированияи проектирования с использованием САПР, которые могут использоваться на двухуровнях: приборно-технологическом и схемотехническом.Таким образом, одной из важнейших задач приборно-технологического(TCAD) и схемотехнического (SPICE) проектирования является создание математических моделей, учитывающих влияние стационарных видов излучений и импульсных, в том числе и влияние ОЯЧ, на характеристики субмикронных кремниевых икремний-германиевых биполярных транзисторов. Основные требования, предъявляемые к этим моделям – адекватность физического описания и достаточная точность,так как от этого зависит достоверность приборно-технологического и схемотехнического проектирования.Состояние исследований по проблеме.1.Модели для приборно-технологического проектирования. Существенныйвклад в разработку математических моделей для приборно-технологического проектирования с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких БТ и ГБТ внесли Д.Г.

Дроздов, Т.Ю. Крупкина, В.С. Першенков,К.О. Петросянц, Е.М. Савченко, А.И. Чумаков, Н.А. Шелепин и др., также зарубежные авторы: R. J. Milanowski, A.K. Sutton, J. D. Cressler, M. Bellini, K. A. Moen, M.Benoit и др.Однако, в существующих сегодня коммерческих системах приборнотехнологического моделирования используются встроенные физические модели радиационных эффектов с рядом существенных ограничений, учитывающие влияниетолько одного стационарного вида радиации – гамма-излучения, либо обобщенныемодели ионизационных и структурных эффектов, не учитывающие специфики структур современных биполярных приборов. Работы по моделированию с помощьюTCAD радиационной стойкости Si БТ и SiGe ГБТ после облучения нейтронами и про1Стемпковский А.Л.

О некоторых проблемах при проектировании СБИС с наноразмерными компонентами. Нанотехнологии в электронике, вып. 3, 2015, с. 290-317.4тонами не публиковались. Наряду с этим, в TCAD достаточно хорошо развиты модели учета влияния ОЯЧ на переходные характеристики полупроводниковых приборов.Таким образом, в промышленных приборно-технологических САПР сегодняотсутствуют математические модели радиационных эффектов, которые бы полностьюудовлетворяли потребности разработчиков полупроводниковых приборов и схем вчасти учёта влияния стационарного нейтронного, протонного и гамма-излучений нахарактеристики Si БТ и SiGe ГБТ.2.

SPICE-модели Si БТ и SiGe ГБТ для радиационно-стойких БИС. Существенный вклад в разработку математических моделей для схемотехнического проектирования с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких БИС на БТ внесли Ю.Ф. Адамов, В.Н. Гришков, О.В. Дворников,А.И.

Титов, К. О. Петросянц, В.В. Репин, П.К. Скоробогатов, И. А. Харитонов, а также ряд зарубежных авторов: M. Van Uffelen, T.A Deng Yanqing, T. Zimmer, R.W.Dutton, H. Barnaby и др.Для учёта влияния радиационных эффектов используются два подхода: 1) введение в SPICE-модель зависимости параметров модели биполярного транзистора отпоглощенной дозы; 2) макромодельный подход, который заключается в добавлении косновному транзистору, описываемому одной из известных стандартныхSPICE-моделей Si БТ или SiGe ГБТ, дополнительных схемных элементов, учитывающих влияние разных видов радиационных излучений.Анализ существующих работ показал, что стандартные схемотехнические модели субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ, включённые в SPICE-подобные программыанализа ИС и БИС, или вообще не учитывают радиационные эффекты, или имеют ряднедостатков, а именно: низкая точность моделирования деградации характеристиктранзисторов, обусловленной влиянием радиации; использование различных эквивалентных схем, систем уравнений и параметров для учёта влияния разных типов излучений, существенно отличающихся от стандартных и поэтому мало знакомых разработчикам приборов и схем; слишком сложные системы измерений дополнительныххарактеристик, необходимых для учёта радиационных эффектов и др.Кроме разработки самих компактных моделей БТ, учитывающих радиационныеэффекты, необходимо решать вопросы по экстракции радиационно-зависимых параметров этих моделей.

Однако, в большинстве опубликованных работ процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров приборов, подвергнутых воздействию радиации, освещены крайне недостаточно.Поэтому одной из задач настоящей диссертация является разработка и исследование универсальной схемотехнической SPICE-модели субмикронных Si БТ и SiGeГБТ, а также разработка методики экстракции ее параметров на основе измеренныхэлектрических характеристик до и после облучения тестовых приборов или на основерезультатов их моделирования с помощью TCAD.Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей для приборнотехнологического и схемотехнического моделирования субмикронных Si БТ и SiGeГБТ с учетом различных видов радиации (нейтронов, протонов, электронов и гаммаквантов).Цель достигается путем решения следующих задач:1) Разработка математических моделей физических эффектов, встроенных всистему TCAD и учитывающих влияние различных видов радиационного воздействия: нейтронного, протонного и гамма-излучения на электрофизические и электрические характеристики биполярных Si и SiGe транзисторных структур.52) Разработка унифицированной SPICE-модели для Si БТ и SiGe ГБТ, имеющей единую эквивалентную схему и систему уравнений для учета различных видовстационарного радиационного воздействия (электронного, нейтронного, протонного игамма-излучения).3) Включение разработанных моделей физических эффектов и компактнойSPICE-модели Si БТ и SiGe ГБТ в существующие промышленные системы приборнотехнологического и схемотехнического проектирования с целью расчета приборов исхем с учетом радиационных эффектов.4) Использование всей совокупности разработанных моделей в практике проектирования радиационно-стойких Si и SiGe биполярных структур и БИС на их основе.Методы исследования: методы экспериментального определения электрических характеристик полупроводниковых структур, математические методы обработкирезультатов измерений, компьютерный анализ и моделирование, методы проведениявычислительных экспериментов.Научная новизна работы состоит в том, что разработаны и встроены в средупромышленных приборно-технологических и схемотехнических САПР модели длярасчета электрофизических и электрических характеристик Si и SiGe биполярныхтранзисторов с учетом влияния нейтронного, протонного, электронного и гаммаизлучений, в частности: для систем приборно-технологического моделирования:1) Предложена модель, учитывающая воздействие нейтронов на основнойэлектрофизический параметр структуры БТ – время жизни неосновных носителей заряда, для которого введены зависимости от величины флюенса, уровня инжекции илегирования активной области прибора, что впервые позволило с достаточной точностью расчетным путем оценить воздействие нейтронов на электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.2) Предложена модель для учета воздействия гамма-излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ, которая помимо ранее известной зависимости скорости генерации электронно-дырочных пар в SiO2 от поглощённой дозы, дополнительно учитывает изменение скорости поверхностной рекомбинации и накопление ловушек на границе раздела Si/SiO2 от поглощённой дозы, что существенно повышает точность моделирования.3) Предложена модель, учитывающая совместное влияние структурных иионизационных эффектов, обусловленных действием протонов, на электрофизические и электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.