Автореферат (Разработка и исследование моделей радиационных воздействий для расчета характеристик кремниевых и кремний-германиевых биполярных транзисторов с помощью системы TCAD), страница 5

Облучение БТ проводилось для дискретного набора потоковнейтронов Фni в диапазоне от 1011 до 1015 см–2.Облучение БТ электронами проводилось на линейном ускорителе электроновЛЭУТ-10-10ТМ, расположенном в Институте физической химии и электрохимииим. А.Н. Фрумкина («ИФХиЭ») РАН. Средняя энергия пучка электронов ускорителяЛЭУТ-10-10ТМ равна 7,5 МэВ. Облучение БТ электронами проводилось для дискретного набора доз Dei в диапазоне от 104 до 107 рад.Облучение БТ гамма-квантами проводилось на установке ГОИС-5 (гамма облучатель интегральных схем) в ОАО «НПП «Пульсар». Облучение образцов проводилось с мощностью дозы 42 рад/с (Н2О) и энергией гамма-квантов 0,661 МэВ (изотопCs).

Облучение БТ гамма-квантами проводилось для дискретного набора доз Dγi вдиапазоне от 103 до 107 рад.Результаты реального или машинного эксперимента обрабатываются в комплексе математических расчетов MathCAD. Процедура экстракции реализуется пометодике, приведенной в 3-ей главе диссертации или с помощью полуавтоматическойпроцедуры с использованием универсального экстрактора IC-CAP. Результатом экстракции является набор параметров, входящих в выражения (6)-(13).При схемотехническом моделировании в программах Eldo, Spectre, UltraSim идр.

величина поглощённой дозы D или интегрального потока Ф задаётся для всейсхемы в целом.В главе 4 приведены результаты использования разработанных в диссертациимоделей для приборно-технологического и схемотехнического моделирования Si БТ иSiGe ГБТ и фрагментов радиационно-стойких БИС на их основе, полученные при выполнении ряда НИОКР с предприятиями Росэлектроники и Роскосмоса, а также проектов по ФЦП и грантам РФФИ и НИУ ВШЭ.1.

Совокупность разработанных в диссертации TCAD и SPICE моделей, учитывающих влияние различных радиационных воздействий, использована вФГБНУ “НИИ МПТ” в процессе выполнения прикладной НИР гос. рез.№ 0120.0713.098 в частности:- TCAD-RAD модели использовались для оценки радиационной деградацииэлектрофизических параметров (τn, τp, S и др.) и электрических характеристик структур Si БТ и SiGe ГБТ с учетом разброса параметров технологии изготовления;- SPICE-RAD-модели Si БТ, входящих в состав Би-КМОП-ДМОП ИС силовойэлектроники, и модели SiGe ГБТ, входящих в состав 0,35-0,13 мкм БиКМОП БИС длярадио- и телекоммуникационной аппаратуры, использовались для оценки радиационной стойкости цифровых и аналоговых узлов этих схем в диапазоне воздействия протонов, электронов (гамма) и нейтронов, характерных для космических условий.2.

С помощью системы TCAD со встроенной моделью учета гамма-излученияполучены прогнозные оценки влияния радиационно-индуцированных поверхностныхэффектов в структуре эпитаксиально-планарного n-p-n Si БТ 2Т391 транзистора, разрабатываемого и изготавливаемого ОАО “НПП “Пульсар” и предназначенного дляприменения во входных и последующих каскадах усилителей сверхвысоких частот в20составе гибридных интегральных микросхем, которые входят в аппаратуру специального назначения.

Результаты были использованы для выработки рекомендаций с целью оптимизации технологического процесса и повышения радиационной стойкости.3. Совместно со специалистами ОАО “НПП “Пульсар” исследовались, предназначенные для ГИС телеметрических систем, эпитаксиально-планарные структурыn-p-n Si БТ 2Т378. С помощью системы TCAD со встроенной моделью (3)-(5) рассчитаны изменения времени жизни основных и неосновных носителей заряда в базе привоздействии нейтронов и даны оценки деградации статических и частотных параметров транзистора, а также проведено сравнение математических моделей для двух типов выражений Кτ.4. Разработанная универсальная SPICE-модель Si БТ, использовалась в рамкахНИОКР «Создание системы управления поворотами БС КА» на предприятииАО “Корпорация “ВНИИЭМ” для оптимизации аналоговой схемы управления модуля электроники и оценки его радиационной стойкости при воздействии электронного и протонного излучений.

Были выявлены критические узлы и элементы этогомодуля.5. С помощью унифицированной SPICE-модели исследовались статические параметрыоперационныхусилителей,изготовленныхнапредприятииОАО “НПП “Пульсар” по комплементарной биполярной технологии с ширинойэмиттерной промывки 0,6 мкм.

Были изготовлены тестовые кристаллы, содержащиенаборы n-p-n и p-n-p биполярных транзисторов с граничными частотами 8,5/8 ГГц,соответственно. По результатам измерений ВАХ тестовых приборов были определены параметры унифицированной SPICE-RAD-модели, которая затем использоваласьдля проектирования ряда радиационно-стойких операционных усилителей, изготавливаемых на предприятии.Все приведенные выше в п.п. 1-5 результаты подтверждены актами внедрениясоответствующих предприятий.ЗаключениеРазработаны и встроены в промышленные версии приборно-технологических исхемотехнических САПР модели для расчета электрофизических и электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТ биполярных транзисторов с учетом влияния нейтронного, протонного, электронного и гамма-излучений.

Применение разработанных моделей позволяет значительно расширить возможности существующих приборнотехнологических и схемотехнических САПР, распространив их на расчёт радиационно-стойких БИС.Основные научные результаты: для систем приборно-технологического моделирования:1) Предложена модель, учитывающая воздействия нейтронов на основнойэлектрофизический параметр структуры БТ – время жизни неосновных носителей заряда, для которого введены зависимости от величины флюенса и 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.213) Предложена модель, учитывающая совместное влияние структурных иионизационных эффектов, обусловленных действием протонов, на электрофизические и электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.

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. Модель предложена впервые и позволяет с достаточной точностью оценить влияние протонов на электрические характеристики Si БТ и SiGeГБТ.4) Погрешность моделирования ВАХ и частотных характеристик для всехтрех моделей, учитывающих действие нейтронов, гамма-квантов и протонов в диапазонах воздействий, представляющих практический интерес, составляет 15-20%. для систем схемотехнического проектирования на базе платформы SPICE:5) Предложена и развита унифицированная SPICE-RAD-макромодель Si БТ иSiGe ГБТ, которая имеет одну и ту же эквивалентную схему и систему уравнений длявсех видов воздействия (электронного, протонного, нейтронного и гамма-излучений).По сравнению с существующим набором разнородных версий SPICE-RAD-моделейзначительно сокращается количество параметров, описывающих радиационные эффекты, упрощается методика их определения.6) По сравнению с ранее известными SPICE-моделями в унифицированноймодели дополнительно учтены эффект усиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих» носителей и эффекты сдвига выходных коллекторных характеристик в области насыщения и лавинного пробоя, что существенно повышаетточность моделирования аналоговых и аналого-цифровых схем.7) Погрешность моделирования электрических характеристик фрагментов биполярных ИС и БИС, состоящих из Si БТ и/или SiGe ГБТ, подвергнутых воздействиюэлектронного, нейтронного, протонного и гамма-излучения, составляет: 10–15% длястатических ВАХ и 15–20% для динамических характеристик в широком диапазонедоз и потоков радиации.Основные практические результаты диссертации:1) Разработанные радиационные модели электрофизических эффектов встроены в промышленную САПР Sentaurus Synopsys и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких Si БТ и SiGe ГБТ, позволяя прогнозировать ихэлектрические характеристики при воздействии нейтронного, протонного и гаммаизлучений.2) Унифицированная SPICE-RAD-макромодель встроена в промышленныесхемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice(Synopsys) и может быть использована 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 с используемым в существующих симуляторах набором отдельныхSPICE-моделей для каждого вида воздействия, унифицированная модель, общая длявсех 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 приборов по стандартным методикам или результатов приборного-технологического моделирования всистеме TCAD.22Внедрение результатов работы.Результаты диссертации были использованы на предприятиях ОАО «НПП«Пульсар», АО «Корпорация «ВНИИЭМ», ФГБНУ «НИИ ПМТ» в следующихНИОКР: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 5-ти госбюджетных НИР по программам ФЦП и грантамРФФИ и научного фонда НИУ ВШЭ.Ряд результатов по использованию TCAD и SPICE моделей, имеющих методический характер, и примеры расчета Si БТ и SiGe ГБТ структур и схемных фрагментов на их основе, внедрены в учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ при изучении дисциплин “Микросхемотехника”, “Основы проектирования и технологии электроннойкомпонентной базы” и “Проектирование электронной компонентной базы”.Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:– в изданиях, включённых в перечень ВАК:[1].Математические модели, встроенные в систему TCAD, для учета влияниягамма- и нейтронного излучения на полупроводниковые приборы / ПетросянцК.О., Кожухов М.В., Попов Д.А., Орехов Е.В.

// Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. № 6 (131). С. 77-82.[2].Влияние изохронного и изотермического отжига на процесс восстановлениякоэффициента усиления по току кремниевого биполярного транзистора, подвергнутого воздействию радиации / Петросянц К.О., Кожухов М.В., СмирновД.С. // Известия вузов. Электроника. 2013. № 6 (104). С. 86-88.[3].Влияние параметров слоя кремний-германиевой базы на эффект саморазогрева в структуре гетеропереходного биполярного транзистора/ Петросянц К.О.,Кожухов М.В. // Известия вузов. Электроника. 2015.