Автореферат (Разработка и исследование схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ КНС), страница 3

В литературе описан ряд подходов к моделированию, а такжесхемотехнических моделей, которые могут быть непосредственно использованы дляучёта радиационных эффектов в КНИ/КНС МОП-транзисторах, либо требуют большей или меньшей адаптации.В работах Петросянца К. О., Харитонова И. А.

[42], [43] приведена модель длятранзистора с учётом различных видов рад. воздействия, а также подробная методикаопределения параметров модели; однако сама модель не учитывает короткоканальныеэффекты в транзисторе, а также кинк-эффект и эффект раннего пробоя.В совместных работах Данилова И. А., Зебрева Г. И., Горбунова М. С., ОсипенкоП. Н. [44], [45] представлена модель, учитывающая возникновение паразитного токабоковой утечки в области «птичьего клюва» (для изоляции типа LOCOS) при стационарном облучении. Параметры усреднённого бокового транзистора (vth0, tox) однократно рассчитываются внутри модуля перед началом расчёта схемы по приведённымформулам, однако методика определения их коэффициентов не описана.

Также в модели не учтён сдвиг параметров верхнего транзистора для МОПТ с L > ~0,35 мкм.В работе Кокина С. А. и др. [46] представлена схемотехническая модель EKVSдля 0,8 мкм КНС МОПТ, учитывающая кинк-эффект, однако не приведены зависимости, учитывающие дозовые эффекты и методика определения параметров модели.В работе Alvarado и др. [47] представлена модель транзистора с учётом воздействия ОЯЧ (с учётом электрического и температурного режима транзистора), а такжестационарного рад. воздействия (без учёта электрического режима).

Радиационноиндуцированные токи утечки КНИ/КНС МОПТ в данной работе не учтены; такжене учтено влияние электрического режима при стационарном облучении. Конкретныйспособ реализации модели дозовой деградации параметров транзистора не указан.Методика определения радиационно-зависимых параметров модели не описана.В работе Jianhui и др. [48] представлен способ учёта в макромодели неполностью обеднённого n-канального КНИ МОП-транзистора деградации параметров модели при изменении напряжения контакта к рабочей области. Используется упрощённая линейная аппроксимация для определения набора параметров для промежуточных доз и полиномиальный источник.Компактное моделирование фоточувствительных элементов КНИ/ КНСКМОП БИС. В библиотеках моделей популярных схемотехнических САПР (HSpice,TSpice, OrCAD и др.) присутствуют компактные SPICE-модели только дискретныхпромышленно выпускаемых фоточувствительных компонентов.

Для моделированияфоточувствительных элементов КНИ/КНС БИС требуется существенная доработка.SPICE-модели ФДУЗ (фотодиодов с управляющим затвором) отсутствуют какв библиотеках САПР, так и в доступной технической литературе. В работах Zeng et al.9[51], [52] представлена достаточно простая статическая физическая модель ФДУЗ безсравнения с экспериментом и процедуры определения параметров.SPICE-модели фотодиодов различных типов без управляющего затвора, изготовленных по КМОП-технологии на изолирующей подложке или объёмном кремнии,которые могут быть адаптированы для построения модели ФДУЗ, имеются в литературе.

Единственными известными автору работами, посвящёнными SPICEмоделированию КНИ ФД, являются статьи Afzalian и Flandre (например [53]), в которых представлена высокочастотная модель горизонтального КНИ pin-фотодиода,предназначенного для оптических линий связи. Однако она ограничена только случаем полностью обеднённой рабочей области прибора и не учитывает эффект насыщения фотогенерации при высоких уровнях энергии светового потока.Процедура экстракции параметров модели достаточно полно описана тольков работе [2] с участием автора данной диссертации и работе Negru et al [54].В нескольких работах лишь в общих чертах описан способ получения параметровэлементов, учитывающих паразитные эффекты.Обобщая перечисленные выше работы и целый ряд других работ, можно сделатьвывод, что в большинстве из них не описаны необходимые процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров.

Проблема автоматизации такихпроцедур с использованием известного комплекса экстракции параметров моделейи макромоделей IC-CAP или аналогичного средства также остаётся актуальной.Нерешёнными остаются следующие вопросы:1) схемотехнические модели субмикронных КНИ / КНС МОПТ, учитывающиевоздействие радиационных факторов, в настоящее время не удовлетворяют требованиям практики проектирования радиационно-стойких КНИ/КНС КМОП БИС и требуют существенной доработки, так как не обеспечивают достаточную точность;2) методики и процедуры определения радиационно-зависимых параметровкомпактных моделей с учётом воздействия радиационных факторов описаны в литературе слабо, по-прежнему являются «узким местом» для разработчиков моделей и ихпользователей.На основании сделанных выводов сформулирована цель и задачи настоящейдиссертации, направленные на решение указанных проблем и устранение имеющихся недостатков.В главе 2 излагается описание разработанных схемотехнических SPICEмоделей для моделирования КНИ/КНС МОП-транзисторов различных поколений:SOI /SOS-MIEM (для МОПТ микронного размера с L > ~ 0,8…0,5 мкм из составапреимущественно цифровых схем), BSIMSOI-RAD и EKV-RAD (для субмикронныхL = 0,5…0,1 мкм КНИ/КНС КМОП-транзисторов) – с учётом радиационных эффектов: суммарной поглощённой дозы, импульсного облучения и одиночных ядерныхчастиц (ОЯЧ), а также методик экстракции параметров макромоделей из результатовизмерения электрических характеристик необлучённых и облучённых тестовыхструктур или результатов приборного моделирования.

Вклад автора заключаетсяв учёте дозовых эффектов. Импульсные эффекты и влияние ОЯЧ учитываются традиционным образом и в диссертации не исследуются. Все три модели создавались и дорабатывались с использованием комбинации двух методов: макромоделирования(включения в эквивалентную схему дополнительных элементов), а также введенияв модель аппроксимирующих выражений для параметров, зависящих от внешних факторов и электрического режима. Эффективность такого подхода для учёта радиационных эффектов подтверждена практическими примерами его использованияпри проектировании радиационно-стойких схем [24], [25], [28], [29], [34], [39] и др.10Макромодель SOI/SOS-MIEM, разработанная ранее на основе базовых моделей MOS3 и BSIM для длинноканальных КНИ/КНС МОПТ, продолжает использоваться несмотря на тенденцию к уменьшению размеров транзисторов, посколькудлинноканальные приборы до сих пор активно используются при разработке интегральных схем для спецприменений, особенно аналоговых и датчиковых.

Нами былпредложен простой способ учёта двух важных для КНИ/КНС МОПТ эффектов: кинкэффекта и эффекта раннего пробоя. Из рисунка 1, на котором изображены выходныеВАХ неполностью обеднённых (НО) КНИ/КНС МОП-транзисторов, изготовленныхпо различным технологиям, видно, что на выходных ВАХ наблюдается сначала изгибв пологой области (кинк-эффект), а затем, при дальнейшем увеличении VСИ, – раннийлавинный пробой стокового p–n-перехода.Эффект «раннего пробоя» обусловлен дальнейшим повышением положительного потенциала рабочей области и, как следствие, включением диода истоковогоp-n-перехода. Добавочный ток в рабочую область берётся за счёт увеличения токаударной ионизации стокового p–n-перехода.Рисунок 1.

Сравнение экспериментальных и расчётных выходных ВАХдля НО КНИ МОПТ с различными L/W (○ – эксп., линии – расчёт)Для учёта обоих этих эффектов было предложено дополнить известную эквивалентную схему макромодели SOI/SOS-MIEM двумя диодно-резистивными цепочками(см.

рисунок 2). Цепочка D1–R1 моделирует изгиб ВАХ («кинк»-эффект), D2–R2 моделирует ранний пробой стокового p–n-перехода. Значение элемента D1 определяетсяпо стартовому напряжению пробоя, а значение элемента R1 определяется по наклонупробойной кривой.Экспериментальное подтверждение проведено для неполностью обеднённыхКНИ МОПТ.

Результаты моделирования приведены на рисунке 1. Параметры диодови резисторов, моделирующих изгиб ВАХ и ранний пробой, определённые из экспериментальных ВАХ, приведены в таблице 1.Таблица 1 Параметры дополнительных элементов на рис. 2(а)(б)Рисунок 2. Эквивалентная схема макромодели SOI /SOS-MIEM для КНИ МОПТ (а)и КНС МОПТ (б) (выделен фрагментдля учёта эффекта раннего пробоя)L,W, BV1,R1,BV2, R2,мкм мкмВОмВОм1,3 1,0e+4 3,070,5 103,0 1,0e+7 8,0 28000,7 40252,0 5,0e+3 4,0 14002252,0 1,0e+4 5,0 1400511Макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD разработаны для субмикронныхКНС МОПТ (до 0,18 мкм) и субмикронных КНИ МОПТ (до 0,1 мкм). Эквивалентныеэлектрические схемы обеих макромоделей приведены на рисунке 3. Основная часть –верхний МОП-транзистор Mверх – описывается стандартной моделью BSIMSOI3 v3.2или EKV v2.64, соответственно, с радиационно-зависимыми параметрами.