Автореферат (Разработка и исследование моделей радиационных воздействий для расчета характеристик кремниевых и кремний-германиевых биполярных транзисторов с помощью системы TCAD), страница 2

Модель включает в себячастные модели для нейтронного (п. 1) и гамма-излучений (п. 2) в сочетании с методикой определения для них флюенса и дозы, эквивалентных воздействию протонов сопределенной энергией. Предложенная модель впервые позволяет с достаточной точностью оценить воздействие протонов на электрические характеристики Si БТ и SiGeГБТ.Погрешность моделирования ВАХ и частотных характеристик для всех трехмоделей, учитывающих действие нейтронов, гамма-квантов и протонов в диапазонахвоздействий, представляющих практический интерес, составляет 15-20%. для систем схемотехнического проектирования на базе платформы SPICE:4) Предложена и развита унифицированная SPICE-макромодель Si БТ иSiGe ГБТ, которая имеет одну и ту же эквивалентную схему и систему уравнений дляразных видов радиационного воздействия (электронного, протонного, нейтронного игамма-излучений). По сравнению с существующим набором разнородных версийSPICE-RAD-моделей, значительно сокращается количество параметров, описываю-6щих радиационно-зависимые элементы модели, упрощается методика их определения, сокращается трудоемкость подготовки и обработки данных до и после расчета.5) По сравнению с ранее известными SPICE-моделями, в предложенной макромодели дополнительно учтены эффект усиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих» носителей и эффект сдвига выходных коллекторных характеристик в области насыщения и лавинного пробоя, что существенно повышаетточность моделирования аналоговых и аналого-цифровых схем.Погрешность моделирования электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТБИС, подвергнутых воздействию электронов, нейтронов, протонов и гамма-квантовсоставляет: 10–15% для статических ВАХ и 15–20% для динамических характеристикв широком диапазоне доз и потоков радиации.Практическая значимость работы.1) Разработанные радиационные модели электрофизических эффектов встроены в промышленный вариант TCAD Sentaurus Synopsys и могут быть использованыдля проектирования радиационно-стойких Si БТ и SiGe ГБТ, позволяя прогнозироватьих электрические характеристики при воздействии нейтронного, протонного и гаммаизлучений.2) Унифицированная SPICE-модель может быть использована в промышленных схемотехнических САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence),HSpice (Synopsys) для проектирования радиационно-стойких ИС, позволяя рассчитывать электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ БИС при воздействии различных видов радиации в широком диапазоне действующего фактора.

По сравнению сиспользуемым в существующих симуляторах набором отдельных SPICE-моделей длякаждого вида воздействия, унифицированная модель, общая для всех видов воздействий, описывается значительно меньшим количеством параметров, имеет более простую методику их определения, что позволяет сократить трудоемкость и время подготовки и обработки данных до и после расчета.3) Для пользователей разработаны полуавтоматические процедуры определения параметров биполярных транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборно-технологического моделирования в системе TCAD.Внедрение результатов работы.Результаты диссертационной работы были использованы в НИОКР следующихпредприятий: ОАО «НПП «Пульсар», АО «Корпорация «ВНИИЭМ», ФГБНУ «НИИПМТ», что подтверждено актами внедрения:1) НИР «Стойкость-ТЗЧ» и ОКР «Высотка-26».2) НИР «Исследование и разработка радиационных моделей элементов кремний-германиевых аналого-цифровых БиКМОП СБИС для проектирования космической радио- и телекоммуникационной аппаратуры».3) НИОКР «Создание системы управления поворотами БС КА»,а также при выполнении госбюджетных НИР по программам РФФИ, КЦП и научногофонда НИУ ВШЭ:4) Создание модулей контроля параметров потоков космических излучений набазе широкозонных полупроводниковых сенсоров для перспективных транспортныхкосмических систем с длительным сроком функционирования.5) Разработка методов многоуровневого исследования и моделирования элементов перспективных изделий микроэлектроники: от уровня материала до уровнясхем с повышенной стойкостью к температурным и радиационным воздействиям.Шифр: ТЗ-108.76) «Разработка методов, моделей и баз данных для проектирования электронных компонентов ЭВМ и РЭА космического назначения (полупроводниковых приборов, микросхем, СБИС, печатных плат) с учётом радиации и температуры».7) «Исследования характеристик субмикронных и глубоко субмикронныхкремний-германиевых биполярных и МОП гетероструктурных транзисторов аналогоцифровых Би-КМОП СБИС для радио- и телекоммуникационных систем».8) «Поисковые исследования в области СВЧ БИС на основе кремнийгерманиевых гетероструктур для систем беспроводной связи и радарной техники».Положения, выносимые на защиту.1) Математическая модель, встроенная в систему TCAD, учитывающая деградацию электрофизических параметров (S, Nit, Qoх) и электрических характеристиксубмикронных Si БТ и SiGe ГБТ, обусловленную эффектами ионизации при воздействии гамма-излучения.2) Математическая модель, встроенная в систему TCAD, учитывающая деградацию электрофизических параметров (τp, τn) и электрических характеристик субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ, обусловленную структурными нарушениями при воздействии нейтронного излучения.3) Математическая модель, встроенная в систему TCAD, учитывающая деградацию электрофизических и электрических характеристик субмикронных Si БТ иSiGe ГБТ, обусловленную совместным влиянием ионизационных и структурных эффектов при воздействии протонного излучения.4) Схемотехническая унифицированная SPICE-макромодель для субмикронныхSi БТ и SiGe ГБТ, учитывающая дозовые эффекты от воздействия различных видоврадиации, эффект усиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих» носителей, эффекты сдвига коллекторных характеристик в области насыщения илавинного пробоя.5) Результаты использования разработанных TCAD и SPICE моделей при проектировании радиационно-стойких субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ и схем на их основе.Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывалисьи обсуждались на следующих научных мероприятиях:• Конференции RADECS-2015, Москва, Россия, сентябрь 2015.• Научной сессии НИЯУ МИФИ-2015, Москва, Россия, апрель 2015.• Международном симпозиуме «Компьютерные измерительные технологии» –2015, Москва, апрель 2015.• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского, НИУ ВШЭ, Москва, Россия, 2012-2015.• 4th International Conference on Advanced Measurement and Test, (AMT 2014),November, 2014, Wuhan, China• X и XII научно-технической конференции "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА" ОАО «НПП «Пульсар», г.

Дубна, Октябрь 2011;г. Москва, Октябрь 2013.• Международной научно-практической конференции "International Scientific –Practical Conference" Innovative Information Technologies", Prague, 2013, 2014.• IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), 2011, 2012, 2013.• 2-й Международной молодёжной научной школе «Приборы и методы экспериментальной ядерной физики.

Электроника и автоматика экспериментальных установок», г. Дубна, Моск. обл., Объединенный институт ядерных исследований, ноябрь2011.8Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах (впериод с 2011 по 2015 г.г.), из которых 4 [1]-[4] в изданиях, входящих в переченьВАК; 4 – в систему цитирования SCOPUS; 2 работы опубликованы без соавторов.Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав,заключения, списка цитируемой литературы. Объём работы составляет 149 страниц, втом числе 107 рисунков, 6 таблиц.Основное содержание работыВо введении обоснована актуальность выбора темы, сформулированы предметисследования, научная значимость и практическая ценность полученных результатов,отмечены положения, выносимые на защиту.В главе 1 приведён анализ современного состояния работ в области приборнотехнологического моделирования структур Si и SiGe биполярных транзисторов и разработки компактных схемотехнических SPICE-моделей этих транзисторов с учетомразличных видов стационарного радиационного воздействия.Приборно-технологическое моделирование радиационных эффектов в Si иSiGe биполярных транзисторах.В настоящее время для приборно-технологического проектирования широкоприменяются промышленные программы Sentaurus фирмы Synopsys [20] и TCADфирмы SILVACO [21], в которые включены модели для учета стационарного гаммаизлучения и воздействия ОЯЧ2.

Учет влияния гамма-излучения в Sentaurus Synopsysосуществляется с помощью модели генерации электронно-дырочных пар в объемеSiO2. Однако, этого не достаточно для моделирования электрических характеристикSi БТ и SiGe ГБТ с учетом гамма-излучения, так как не учитываются два основныхэффекта: 1) образование поверхностных состояний; 2) изменение скорости поверхностной рекомбинации.В TCAD фирмы SILVACO [21] в 2014 году были добавлены механизмы влияния структурных и ионизационных эффектов с учетом концентрации ловушек в объеме и на поверхности.

Однако, данные механизмы были адаптированы только дляструктуры МОП-транзистора.Применению системы TCAD для расчета полупроводниковых приборов и элементов БИС с учетом различных физических эффектов посвящены работы отечественных авторов Д.Г. Дроздова, В.В. Лавлинского, Е.М. Савченко, Т.Ю. Крупкиной,Н.А. Шелепина и др.В работе Т.Ю.