Автореферат (Разработка и исследование схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ КНС), страница 2

Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) точность описания статических ВАХ 10–15% и динамическиххарактеристик 15–20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности световогопотока;2) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > ~ 0,5–0,8 мкм)КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключенияк эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработанаметодика определения параметров дополнительных элементов;3) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты.

В эквивалентную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитывающие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочейобласти транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитические зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности,предпорогового наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измеренийхарактеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;4) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элементов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-nструктур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структурах с изолирующей подложкой КНИ/КНС.

Модели реализуют как фоточувствитель-6ный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтоматическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений электрических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.Практическая значимость работы.1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехническиеСАПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могутбыть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительныхКНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характеристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегараддля радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см-2 для фоточувствительных схем;2) для пользователей в системе IC-CAP разработаны полуавтоматические процедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётомвоздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измеренийтестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD, позволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизитьвероятность человеческой ошибки;3) проведено сравнение разработанных макромоделей по затратам времени наэкстракцию их параметров и даны оценки времени моделирования для различныхклассов схем с учётом дозовых радиационных эффектов.Внедрение результатов работы.1) СхемотехническиеSPICE-моделиSOI/SOS-MIEM,BSIMSOI-RADи EKV-RAD, параметры которых были определены автором по результатам испытаний тестовых транзисторных структур и макетов специализированных электронныхузлов (СЭУ) были использованы в ОАО «НПО ИТ», г.

Королёв, Моск. обл., в рамкахОКР «Прототип», «Таймыр» и «Угра» при проектировании твердотельных электронных полупроводниковых узлов специализированной электроники (базовых КМОПэлементов цифровой и аналоговой схемотехники) и микросистемотехники – на базеструктур «кремний на изоляторе/сапфире» (КНИ/КНС) с топологической нормой 1–3 мкм с учётом воздействия стационарного радиационного излучения и воздействияповышенной температуры;2) библиотека схемотехнических SPICE-моделей на основе BSIMSOI-RAD дляэлементов КНИ КМОП СБИС с проектными топологическими нормами 0,5–0,35 мкмс учётом факторов радиационного воздействия и температуры была использованав практических работах предприятия ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС им.

Ю. Е. Седакова»,г. Н. Новгород (ОКР «Урал-Т», «Модель», «Защита», «Модель-С»), по созданию элементной базы радиационно-стойких КНИ КМОП СБИС: радиационно-стойких цифро-аналоговых БМК; БИС статического ОЗУ на 512 кбит; библиотеки аналоговых узлов и др.;Положения, выносимые на защиту.1) Использование макромодельного подхода для разработки схемотехническихSPICE-моделей радиационно-стойких и фоточувствительных элементов КНИ/КНСКМОП БИС в сочетании с использованием аппроксимирующих зависимостей параметров модели от внешних воздействующих факторов;2) способ учёта эффекта раннего пробоя в макромодели SOI/SOS-MIEM длядлинноканальных (L > ~ 0,5–0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ за счёт введения в эквивалентную схему дополнительной диодно-резистивной цепочки; методика определенияпараметров дополнительных элементов;73) макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНСМОПТ, учитывающие дозовые эффекты; полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений тестовых структур или приборного TCAD-моделирования электрических характеристик необлучённых и облучённых КНИ/КНС МОПТ;4) макромодели фоточувствительных элементов КМОП-ФД БИС: фотодиодовс МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-n-структур, фототранзистора, изготовленных на структурах с изолирующей подложкой (КНИ/КНС); полуавтоматизированная процедура определения параметров моделей фотодиода и фототранзистора изрезультатов электрических и оптоэлектрических измерений характеристик реальныхприборов.5) результаты использования моделей при проектировании цифровых и аналоговых радиационно стойких и фоточувствительных КМОП-схем со структурой КНИ /КНС.Апробация результатов работы.

Результаты данной работы докладывалисьи обсуждались на следующих научных мероприятиях: НТК студентов, аспирантов и молодых спец. МИЭМ. – М., 2000 – 2013 г.г.; 10-я и 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика». – Москва–Зеленоград, 2003, 2004 г.г.; 2-я Всероссийская дистанционная НТК «Электроника». – Москва, 2003 г.; 6, 7, 11, 12 и 13-я Российская НТК «Электроника, микро- и наноэлектроника»,.– Н.

Новгород, 2004 г., 2009 г., Вологда, 2005 г., Суздаль, 2010 г. – 2013 г.г.; Школа молодых учёных «Интеллектуальные фотоприёмные устройства и ихприменение». – Софрино, Моск. обл., 2004 г.; 1-я, 3-я и 5-я Всероссийская НТК «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем (МЭС)»,.

– Москва, 2005 г., 2008 г., 2012 г.; Пятый международн. аэрокосмический конгресс IAC'06. – Москва, 2006 г.; Международн. ярмарка информационных технологий, телекоммуникацийи программного обеспечения CEBIT, г. Ганновер, Германия, 2006 г. (экспонат); 5th, 7th, 9th и 10th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). –Ереван, 2007 г., Москва 2009 г., Севастополь, 2011 г., Харьков, 2012 г.; Российская НТК «Элементная база космических систем».

– Сочи., 2008, 2009.г.; Отраслевая НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы». – г. Королёв, МО, 2008, 2012 гг.; 10-13 Научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных рад.-стойких СБИС на основе гетероструктур». – г. Н. Новгород, 2010 – 2013 г.г.; III Всероссийская научно-техн конф. «Актуальные проблемы ракетнокосмического приборостроения и информационных технологий». – М., 2010 г.; Междунар. молодёжная научная школа «Приборы и методы эксперимент.

ядерной физики. Электроника и автоматика эксперимент. установок». – г. Дубна, 2011 г.; XI и XII Научно-техническая конференция «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». – г. Дубна, МО, 2012 г., Москва, 2013 г.; 3rd Intl Conf. on Adv. Measurement and Test (AMT 2013). – Xiamen, China, 2013; VII научно-техническая конференция молодых специалистов Госкорпорации«Росатом» «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе», г. Н. Новгород, 12 - 14 сентября 2013.Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 43 печатных работах(в период с 2003 по 2013 г.г.), из которых 10 [1] – [10] в изданиях, входящих в перечень ВАК; 6 работ опубликованы без соавторов.8Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав,заключения, списка цитируемой литературы. Объём работы составляет 131 страницу,в том числе 74 рисунков, 16 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 в области разработки схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительныхКНИ/КНС КМОП БИС.Компактное моделирование КНИ/КНС МОП-транзисторов с учётом радиационных эффектов.