Автореферат (Разработка и исследование схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ КНС), страница 4

Для учётатоков утечки, возникающих при стационарном радиационном воздействии модельдополняется паразитными нижним Mнижн и боковым Mбок транзисторами; при импульсном воздействии – источниками тока IФси(t) и IФИи(t) и сопротивлением сапфираRсапф(t); при воздействии ОЯЧ – источником тока Iион(t).аб(в)(г)Рисунок 3. Эквивалентные схемы макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD:а, в – основной верхний МОПТ Mверх с радиационно-зависимыми параметрами;б - подсхема, учитывающая эффекты плавающей подложки в EKV-RAD;г - элементы, учитывающие статические токи утечки и динамические токипод воздействием импульса радиации и ОЯЧУчёт эффектов плавающей подложки в макромодели EKV-RAD.

Оригинальнаямодель EKV была разработана авторами для МОПТ на объёмном кремнии и не учитывает специфики диэлектрической подложки. Для распространения модели EKVна КНИ/КНС МОП-транзисторы автором диссертации в макромодель EKV-RAD быладобавлена цепочка R1—D1—E1 (см. рисунок 3б), создающая дополнительный ток IСПиз стока в подложку под совместным действием напряжений стока VСП и затвора VЗП.Элементы D1 и R1 определяют величину и крутизну скачка тока, управляемыйисточник напряжения E1 определяет зависимость стартового напряжения кинкэффекта от напряжения затвора. Величина E1 задаётся в виде зависимости от VЗП:122VE1 VЗП   Vdd  p1  p2  VЗП  p3  VЗП.(1)Коэффициенты p1, p2, p3 определяются из выходной характеристики МОПТ по сдвигустартового напряжения кинк-эффекта в зависимости от напряжения затвора (см.

рисунок 4).Для ограничения проявления кинк-эффекта в предпороговой области величинаR1 задаётся в виде сглаживающей функции (тангенциальной сигмоиды) между рабочим значением и значением 10 ГОм:R1  R  max R 11  th δ  VЗП  DV   ,2(2)где R, DV, δ – подгоночные параметры.Учёт эффектов воздействия стационарного радиационного излучения. Для модели BSIMSOI основного (верхнего) транзистора Mверх радиационно-зависимыми являются параметры VTH0 и др.

для порогового напряжения, U0, UA и др. для подвижности, CIT, VOFF и др. – для предпоV кинкрогового наклона.2,7Для модели EKV это параметры2,6VTO, KP, E0 и GAMMA.2,5y = 0,0857x - 0,1286x + 2,00292,4Изменение всех перечисленныхR = 0,99752,3параметров от поглощённой дозы опи2,2Vпрсывается общим выражениями вида:2,1квадратичнаяIС , А222V зи1,9a1 [1 – exp(–a2D)](3),где: a1, a2 – подгоночные коэффициенты.Паразитные транзисторы Mбок(боковая утечка) и Mнижн (утечка понижней грани) описываются болеепростой моделью MOS3 с зависимымиот дозы параметрами: VTO для порогового напряжения, UO для подвижности; NFS для предпорогового наклона.

Для нихтакже используется выражение (3) зависимости от поглощённой дозы .Учёт эффектов воздействия радиационного импульса и ОЯЧ. Эффекты нестационарного радиационного воздействия: а) первичные фототоки в стоковом/ истоковом p–n-переходах, паразитная проводимость сапфира, обусловленные импульснымвоздействием; б) импульс тока, возникающего при собирании заряда из трека частицыв результате воздействия отдельной ядерной частицы, описываются таким же образом, как в модели SOI/SOS-MIEM и других моделях.Методика определения (экстракции) параметров [26], [6] с учётом дозовыхэффектов создана и отработана для всех трёх макромоделей, предложенных в диссертации. Она является модификацией стандартной методики и основана на результатахизмерения на тестовых кристаллах электрических характеристик реальных облучённых и необлучённых приборов, или результатах приборного моделирования приборов, чей маршрут проектирования и конструкция ещё только разрабатываются.Для облучённых приборов: 1) возрастает и видоизменяется массив исходных измеренных данных; 2) увеличивается количество тестовых структур; 3) заметно увеличивается количество параметров схемотехнической модели; 4) в процедуру экстракции добавляется этап аппроксимации зависимостей параметров от уровня радиационного воздействия.V С, В1,41,722,32,62,93,23,5(б)(а)Рисунок 4.

Построение экспериментальнойзависимости VE1 VЗП  (а);подгонка коэффициентов (б)13Исходными данными для процедуры экстракции являются модифицированныенаборы ВАХ и ВФХ стандартных и дополнительных КНИ/КНС МОП-структурпри разных дозах облучения. Для автоматизации передачи результатов реального илимашинного эксперимента в IC-CAP используются разработанные автором макросы,функционирующие в среде измерительной системы и системы приборно-технологического моделирования, соответственно.Процедура экстракции, позволяющая получить параметры модели для промежуточных доз облучения, реализована в виде полуавтоматического процесса внутриIC-CAP и включает в себя следующие шаги:1) определяются наборы параметров моделей паразитных, затем базового транзисторов макромодели для случая необлучённого МОПТ – с использованием стандартной процедуры (встроенной в IC-CAP) и стандартного набора измеренных характеристик; для корректного описания транзисторов с различными размерами необходимо использовать набор транзисторных, диодных и ёмкостных структур различных размеров (см.

рисунок 5);2) среди полного набора параметров моделей основного и паразитныхэлементов макромодели выбирается ограниченный перечень радиационно-зависимыхпараметров, отвечающих за пороговое напряжение Vпор, подвижность μи предпороговый наклон S (в зависимости от выбранной модели);3) для каждого уровня полученной дозы Di с использованием IC-CAP определяются соответствующие значения параметров Vпор(Di), μ(Di), S(Di) с учётом электрического режима транзисторов во время облучения; данная процедура повторяется длявсех запланированных уровней облучения Di : i  1, n ;4) табличные функции зависимости Vпор(D), μ(D), S(D) аппроксимируются аналитическими функциями вида a1 [1 – exp(–a2D)] – с помощью программы оптимизации; коэффициенты таких функций как раз и составляют набор радиационных параметров всей макромодели;5) полученные аналитические функции включаются в описание SPICEмакромодели МОПТ;6) макромодель МОПТ, содержащая радиационно-зависимые параметры,включается в состав библиотеки моделей.Особенностью процедур измерения характеристик и экстракции SPICE-параметров облучённых КНИ/КНС МОП-транзисторов, является необходимость вычлененияхарактеристик паразитных элементов, проявляющихся при воздействии излучения.В частности, необходимо разделять радиационно-индуцированные токи утечки, возникающие по нижней и боковой границам активной области кремния,с использованием специальных тестовых транзисторов (см.

рисунок 6):1) транзистор H-типа или кольцевой (R- или O-типа) (в которых практическиотсутствует боковая утечка) используется для выделения ВАХ и определения параметров верхнего МОПТ для разных полученных доз облучения при напряжениина нижнем затворе VЗн < 0 (что исключает влияние Мнижн);2) прибор того же типа используется для выделения ВАХ и определения параметров нижнего паразитного МОПТ для ряда полученных доз облучения при напряжении на верхнем затворе VЗв < 0 (что исключает влияние Мверх.);3) линейный транзистор (F- или I-типа) или транзистор A-типа (для которыхимеют место как донные, так и боковые утечки) используется для выделения ВАХи определения параметров бокового паразитного МОП-транзистора для ряда полученных доз облучения при известных ВАХ верхнего МОПТ и при напряжениина нижнем затворе VЗн < 0 (что исключает влияние Мнижн).14(а)Рисунок 5.

Набор тестовых транзисторных структур с различной геометрией для определения параметров моделей субмикронныхКНИ/КНС МОП-транзисторов(б)(в)(г)Рисунок 6. Линейная (I-типа) (а)и специальные (O-, R- и H-типа) (б, в, г)тестовые транзисторные структурыДля модели BSIMSOI-RAD на рисунке 7 приведено сравнение смоделированныхи экспериментальных характеристик КНИ МОПТ с размерами L/W = 0,25/8 мкм, подвергнутых облучению гамма-квантами с различными дозами. Графики радиационнозависимых параметров макромодели от дозы радиации приведены на рисунке 8. Значения коэффициентов аппроксимации этих зависимостей сведены в таблицу 2D=060 к150 к300 к500 кD=060 к150 к300 к500 кD=060 к150 к300 к500 кD=060 к150 к300 к500 к(а)(б)(в)(г)Рисунок 7. Сравнение экспериментальных (значки) и смоделированных с помощьюBSIMSOI-RAD (линии) сток-затворных характеристик КНИ МОПТ с размерамиL/W = 0,25/8 мкм: а – всей макромодели; б – паразитного нижнего транзистора Mнижн;в – паразитного бокового транзистора Mбок (только линии);г – базового верхнего транзистора MверхТаблица 2 Значения радиационных коэффициентов макромодели BSIMSOI-RADMверхКоэффициентVTH0U0CITVOFFUAUBa1–0,5–0,31·10–3–0,10,86–6–6–6–6–6a21,1·101,2·102·102·102·101·10–6MнижнMбокКоэффициентVTOUONFSVTOUONFSa1–10–0,250,6–30–0,50–6–6–6–9–6a23·102,5·101,4·1050·101·101,4·10–615Рисунок 8.

Зависимости от полной поглощённой дозы параметровVTH0, U0, VOFF модели базового транзистора MверхДля модели EKV-RAD сравнение измеренных и смоделированных ВАХ МОПТс размерами затвора L/W = 0,13/8 мкм с учётом эффектов дозового воздействия приведено на рисунке 9.(а)(б)(в)Рисунок 9. Сравнение измеренных (символы) и смоделированных (линии) стокзатворных характеристик КНИ МОПТ с размерами L/W = 0,13/8 мкмс учётом полученной дозы: а – всей макромодели; б – паразитного бокового транзистора Mбок (только линии); в – базового верхнего транзистора MверхЗависимости параметров макромодели от полученной дозы приведены на рисунке 10. Значения коэффициентов аппроксимации приведены в таблице 3.(а)(б)(в)(г)Рисунок 10.

Зависимости изменения параметров моделейэлементов макромодели EKV-RAD от величины полученной дозы:основного МОПТ Mверх (а, б), паразитного бокового МОПТ Mбок (в, г)Таблица 3. Значения радиационных коэффициентов макромодели EKV-RADMверхMбокКоэффициентVTOKPVTOUOa1–0,9–0,03–2,8–0,06–6–6–6a20,7·101,4·102,1·102,4·10–616Из приведённых примеров (на рисунках 7 и 9) видно, что для обеих макромоделей погрешность моделирования ВАХ КНИ/КНС МОПТ в диапазоне суммарной дозыдо 1 Мрад составляет 10–15%.Для оценки затрат времени на схемотехническое моделирование была проведена серия машинных экспериментов с КНИ/КНС КМОП-схемами различнойсложности, по результатам чего определялась величина процессорного времени счёта.Моделирование проводилось с использованием ЭВМ на основе процессора Intel i52430M 2,4 ГГц и 4 ГБ ОЗУ с помощью HSpice A-2008.03.Сравнение проводилось для следующих режимов расчёта:1) статические ВАХ КНС МОПТ с W/L =12/3 мкм (10 000 точек).2) АЧХ ОУ (10 МОПТ, 800 точек).3) полный цикл работы 4-разр.

счётчика (250 МОПТ, 1800 точек).4) полный цикл работы 8-разр. АЦП (1060 МОПТ, 24000 точек).Для частично обеднённых КНС КМОП-транзисторов с заземлённой рабочей областью были использованы два варианта обеих макромоделей: 1) стандартная модельEKV или BSIMSOI; 2) полный вариант макромодели с паразитными элементами и радиационно-зависимыми параметрами. Расчёты по моделям п. 2 проводились с учётомдозы 1 Мрад. Результаты приведены таблице 4.Таблица 4.

Время расчёта КМОП схем (с.) с EKV-RAD и BSIMSOI-RADВариант моделиДоза, радВАХ КНС МОПТАЧХ ОУПерех. процесс CNT4Перех. процесс ADC8стд.BSIMSOI—2,333,3234,6337стд.EKV—1,762,8810,4118BSIMSOI-RAD02,633,6846,544111062,503,8744,4425EKV-RAD02,123,1620,423311062,203,2021,5243По результатам расчёта можно сделать следующие выводы:1) при использовании любого из вариантов макромодели EKV-RAD время моделирования ВАХ КНС МОПТ на ~12% меньше, АЧХ на ~18% меньше,а переходного процесса на ~50% меньше, чем в случае аналогичного варианта макромодели BSIMSOI-RAD;2) при использовании полных вариантов макромоделей время моделированияВАХ КНС МОПТ увеличивается на ~20% в случае EKV-RAD и на ~10% в случаеBSIMSOI-RAD по сравнению со стандартной моделью, время моделирования АЧХувеличивается на ~10% для обеих моделей, а переходного процесса на ~50% в случаеEKV-RAD и на ~30% в случае BSIMSOI-RAD.Сравнение макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD по количеству параметров и времени их экстракции.