Автореферат (Разработка и исследование схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ КНС)

На правах рукописиУДК 004.942: 621.382.323САМБУРСКИЙ ЛЕВ МИХАЙЛОВИЧРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХSPICE-МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХИ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КМОП БИССО СТРУКТУРОЙ КНИ / КНССпециальность 05.13.12«Системы автоматизации проектирования»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква 2013 г.2Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском университете «Высшая школа экономики» и Федеральном государственномбюджетном учреждении науки Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук.Научный руководитель:Петросянц Константин Орестовичдоктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой Электроникии наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭОфициальные оппоненты:Стенин Владимир Яковлевич,доктор технических наук, профессоркафедры Электроники НИЯУ МИФИСавченко Евгений Матвеевич,кандидат технических наук,начальник Центра проектированияОАО «НПП „Пульсар“»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-исследовательскийинститут системных исследований Российскойакадемии наук (НИИСИ РАН).Защита состоится 26 декабря 2013 г.

в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д.002.078.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российскойакадемии наук (ИППМ РАН) по адресу: Российская Федерация, 124365, г. Москва,Зеленоград, Советская ул., д.

3.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИППМ РАН, с авторефератом – на сайте ИППМ РАН www.ippm.ru.Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.Учёный секретарьдиссертационного совета,к. т. н., доц.М. М. Жаров3Общая характеристика работыАктуальность темы. Важнейшим видом электронной компонентной базы дляаэрокосмической и военной техники, устройств управления ядерной энергетикой,систем космической связи и телекоммуникаций и других специальных примененийявляются КМОП БИС и системы на кристалле со структурой «кремний на изоляторе»(КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС), которые помимо высокой степени интеграциина п/п кристалле, высокого быстродействия, малого потребления мощности, обладаютповышенной радиационной стойкостью.Самостоятельным направлением КМОП-технологии являются фоточувствительные КМОП СБИС, изготовленные в ультратонком слое кремния на сапфировой подложке по технологии UTSi (фирмы Peregrine), которые используются в космическихсистемах мониторинга и зондирования Земли, устройствах аналоговой и цифровойоптической обработки информации, специальных фотоприёмных устройствах и др.По оценкам специалистов NASA, радиационно-стойкие КМОП БИС и фоточувствительные КМОП-ФД СБИС, изготовленные на КНИ/КНС подложках, являютсяперспективной электронной элементной базой современных и будущих космическихсистем.Очевидно, что успешное решение задач проектирования и разработки КМОПСБИС со структурой КНИ/КНС, а также построения систем на их основе невозможнобез широкого применения САПР как на элементном, так и на схемо- и системотехнических уровнях.

Причём для радиационно-стойких и фоточувствительных БИС задачи существенно усложняются, т. к. в рамках традиционных этапов проектированиянеобходимо дополнительно учитывать воздействие радиационных и фотоэлектрических факторов, соответственно, а в ряде случаев (например, в условиях космическогопространства) их совместное влияние.Эти обстоятельства в последние годы стимулировали у нас в стране и за рубежом разработку проблемно-ориентированных подсистем САПР для радиационностойких схем (Radiation-Hardened CAD – RHCAD)* и оптоэлектронных схем (ОЭС)**.Эти подсистемы, как правило, встраиваются в существующие промышленные САПРБИС.Ключевая роль в таких САПР принадлежит моделям КМОП-элементов, поскольку от степени учёта влияющих факторов и их точности в первую очередь зависит достоверность результатов схемотехнического и топологического проектирования.Таким образом, разработка новых и улучшение существующих SPICE-моделейэлементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/ КНС КМОП БИС является актуальной задачей.Состояние исследований по проблеме.1.

Модели КНИ/КНС КМОП-элементов для радиационно-стойких БИС. Физические модели влияния радиационного облучения на электрические параметры элементов КНИ / КНС КМОП БИС приведены в работах отечественных авторов: ЗебреваГ. И., Никифорова А. Ю., Першенкова В. С., Скоробогатова П. К., Тельца В. А.,Чумакова А.

И., Улимова В. Н. и др., а также зарубежных авторов: T. P. Ma, P. V.Dressendorfer, T. R. Oldham, J. R. Schwank, V. Ferlet-Cavrois, M. R. Shaneyfelt, P. E.Dodd и др.*Hierarchical CAD Tools for Radiation Hardened Mixed Signal Electronic Circuits, DTIC ReportNo. ADA429971, 2005;**Оптоэлектронные приборы, системы и сети. – М. : Наука, 2007;4Существенный вклад в разработку схемотехнических моделей с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких КМОПБИС внесли Волков И.

С., Зебрев Г. И., Кокин С. А., Петросянц К. О., Стенин В. Я.,Харитонов И. А., Ятманов А. П. и др.Для формирования компактных моделей, учитывающих факторы радиационноговлияния в промышленных схемотехнических САПР, отечественные и зарубежныеспециалисты используют два основных подхода.Первый – создание набора программных функций на языке C, Verilog-AMSи др., описывающих радиационное воздействие и подключаемых к стандартным моделям. Встраиваемый модуль рассчитан на конкретную версию симулятора, что требует взаимодействия с фирмой-производителем САПР и высокой квалификации программиста.Второй путь – формирование макромодели на основе схемотехнической модели,уже включённой в библиотеку моделей данной САПР.

В этом случае модель работаетбыстрее, чем при подключении достаточно сложных выражений, вычисляемых с помощью модулей C, Verilog-AMS и др., но от разработчика требуется хорошее знаниесхемотехники и особенностей конкретного симулятора. Также макромодельный подход позволяет достаточно просто модифицировать модель для учёта дополнительныхэффектов, обусловленных влиянием радиации и температуры.Анализ известных работ показал, что стандартные схемотехнические моделиМОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС, включённые в SPICE-подобные программы анализа ИС и БИС, или вообще не учитывают радиационные эффекты, илиучитывают их в недостаточной степени.

Для элементов радиационно-стойкихКНИ/КНС КМОП БИС основная задача состоит, во-первых, в определении перечнярадиационно-зависимых параметров и, во-вторых, в корректном их учёте в той илииной форме. В настоящей диссертационной работе предпочтение отдаётся макромодельному подходу.2. Модели фоточувствительных элементов БИС. Разработке схемотехническихмоделей фоточувствительных п/п приборов и элементов ИС посвящены работы Горохова В. А., Дмитриева В. П., Носова Ю.

Р., Сидорова А. С., Шилина В. А. и др.Для элементов фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС вопрос учётавнешнего светового излучения на электрические характеристики элементов слабо освещён в литературе. В SPICE-подобных программах практически отсутствуют моделифотоприёмных элементов, совместимых с технологией КНИ/КНС КМОП.3. Определение параметров моделей. Помимо разработки собственно самих моделей МОПТ, учитывающих радиационные и фотоэлектрические эффекты, не менееважное значение имеют вопросы определения (экстракции) параметров этих моделей.Однако, в большинстве опубликованных работ процедуры измерения тестовыхструктур и процедуры экстракции параметров для приборов, подвергнутых воздействию радиации и света, освещены крайне недостаточно. Проблема автоматизации таких процедур с использованием комплекса экстракции параметров моделей и макромоделей (например, IC-CAP или аналогичного) практически не описана.Таким образом, настоящая диссертация посвящена разработке и исследованиюсхемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС, а также разработке методик определения (экстракции) их параметров на основе электрических, радиационных и фотоэлектрических измерений характеристик тестовых приборов или на основе их TCADмоделирования.Цель диссертационной работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование компактных SPICE-моделей элемен-5тов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП и КМОП-ФД БИСдля анализа схемотехнических решений с помощью промышленных САПР.Цель достигается путём решения следующих задач:1) разработка новых и совершенствование существующих схемотехническихмоделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, учитывающих факторы радиационногои светового воздействия за счёт применения макромодельного подхода;2) разработка методик определения параметров моделей КМОП-элементовсо структурой КНИ/КНС по результатам измерений их электрических, радиационныхи фотоэлектрических характеристик;3) разработка полуавтоматизированного аппаратно-программного комплексадля измерения электрических характеристик и экстракции параметров разработанныхмоделей; в том числе программного обеспечения, предназначенного для управлениякомплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения процедурыидентификации параметров моделей;4) включение разработанных и усовершенствованных моделей в существующие промышленные программы схемотехнического расчёта БИС;5) использование всей совокупности разработанных моделей и методикв практике проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНСКМОП ИС и БИС.Методы исследования: методы экспериментального определения электрических характеристик тестовых структур, математические методы обработки результатов измерений, методы оптимизации, компьютерный анализ и моделирование, методы проведения вычислительных экспериментов.Научная новизна работы.1) Для построения SPICE-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подвергнутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит единый подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макромоделирования (подключения в эквивалентную схему дополнительных элементов,учитывающих соответствующий физический эффект), и введения радиационнозависимых параметров.