Автореферат (Разработка и исследование схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ КНС), страница 6

Исследование стойкости проектируемой элементной базы выполнялосьдиссертантом в несколько этапов: 1) проведение облучения и измерение электрических характеристик тестовых КНИ или КНС МОПТ для различных полученных доз;2) определение зависимости параметров схемотехнических моделей транзисторовот величины полученной дозы; 3) экспериментальное исследование характеристикинтегральной схемы в диапазоне дозы стационарного облучения; 4) схемотехническое моделирование интегральной схемы с учётом стационарного рад. воздействия.1.

Аналоговые фрагменты КНИ КМОП ИС, изготовленные по 1,0 мкм технологии XFAB (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл.). Приведены результаты схемотехнического моделирования источника тока (12 МОПТ) и операционного усилителя(45 МОПТ) с учётом поглощённой дозы. Расчёты проводились в среде HSpice с помощью модели BSIMSOI-RAD с использованием набора параметров, определённых порезультатам измерения тестовых транзисторов в диапазоне дозы до 1 Мрад.В качестве примера на рисунках 14 и 15 приведены результаты расчёта характеристик источника тока и ОУ для различных значений дозы стационарного облучения.Погрешность моделирования не хуже 25% во всём диапазоне дозы.Работа выполнена в рамках ОКР «Прототип».1,2Iout Iout 01,2ЭкспериментМоделирование1,0Av Av01,00,80,80,60,60,40,4D, крад0,202004006008001000(а)Рисунок 14. Деградация тока потребления Iout/Iout0 источника тока для различных доз стационарного облучения0,20,01e+3D=0D=50 крадD=100 крадD=150 крадD=200 крадD=250 крадМоделирование1e+41e+5f , Гц1e+6Рисунок 15.

Деградация коэффициентаусиления Av/Av0 ОУ для различных дозстационарного облучения2. Радиационно-стойкий прецизионный ОУ с автокоррекцией нуля, изготовленный на базе КНС КМОП-технологии (L = 3,0 мкм) (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв,Моск. обл.). При моделировании схемы ОУ использовались макромодели для КНСКМОП-транзисторов на основе EKV-RAD с учётом радиационных и тепловых эффектов; параметры макромоделей были определены по результатам измерения характеристик тестовых КНС МОП-транзисторов. Макромодели обеспечивают погрешностьмоделирования ВАХ транзисторов не хуже 15% в диапазоне температуры-40…+65 °C и суммарной дозы до 1 Мрад.Проведённые испытания образцов усилителя на дозовое и температурное воздействие показали, что дрейф нуля не превышает 0,2 мкВ/ °C в диапазоне температуры –40…+65оС и суммарной дозы в диапазоне до 1 Мрад.

Полученные параметрыподтвердили корректность использованных макромоделей.Работа выполнена в рамках ОКР «Угра-МИЭМ».3. Цифровые фрагменты 0,5 мкм КНИ КМОП БИС статического ОЗУ (512 кбит)(ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС», г. Н. Новгород).22Проведено экспериментальное исследование характеристик тестовых 0,5 мкмКНИ КМОП транзисторов в диапазоне суммарной поглощённой дозы до 1,5·106 ед.Определены зависимости параметров схемотехнической модели транзистораBSIMSOI-RAD от величины полной поглощённой дозы в диапазоне доз до 1,5·106 ед.Разработана библиотека моделей, позволяющая учесть деградацию параметровКНИ КМОП транзисторов после суммарной полученной дозы. Библиотека включенав стандартные пакеты Spectre и UltraSim системы Cadence.Проведены экспериментальные исследования электрических характеристик следующих фрагментов: схема блока управления с макросом ячеек, схема усилителя записи, схема блока ячеек памяти с мультиплексором и трактом записи – считывания,схема усилителя считывания, схема блока записи в ячейки памяти.Проведено схемотехническое моделирование работы основных узлов и всейБИС с использованием разработанной библиотеки в пакете UltraSim с учётом суммарной поглощенной дозы до 3·105 ед.

Результаты удовлетворительно совпадаютс результатами эксперимента, что свидетельствует о возможности прогнозированиястойкости фрагментов цифровых схем на основании результатов их моделированияс помощью подобных библиотек. Методом моделирования выявлены наименее стойкие узлы БИС, с использованием разработанной библиотеки проведена коррекциясхемотехнических решений этих узлов для повышения радиационной стойкости всейБИС ОЗУ 512 кбит.Работа выполнена в рамках НИР «Модель-МИЭМ».4. Аналоговые узлы 0,35 мкм КНИ КМОП БИС (ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС»,г.

Н. Новгород). С помощью разработанной библиотеки моделей КНИ МОПТ на основе BSIMSOI-RAD, содержащей зависимость основных параметров транзисторовот полученной дозы, проведено моделирование и определены показатели радиационной стойкости различных схемотехнических решений аналоговых узлов: операционного усилителя Rail-to-Rail, ОУ с дифференциальными входами и выходами, компаратора напряжения, источников опорного напряжения, аналогового ключа.Для примера, на рисунке 16 приведены АЧХ и переходные процессы в ОУ Railto-Rail (35 МОПТ) для различных значений дозы.

Путём моделирования было показано, что деградация характеристик ОУ сильно зависит от синфазного напряжениясмещения Vсм.(а)(б)Рисунок 16. Результаты моделирования АЧХ (при Vсм = 5 В) (а) и синусоидальной переходной характеристики (при Vсм = 0; 2,5; 5 В) (б) ОУ при различной дозеНа рисунке 17,а приведены переходные процессы включения источника опорного напряжения на 1,25 В. Результаты моделирования показывают, что источник сохраняет работоспособность в диапазоне доз до 1 Мрад, однако с увеличением поглощённой дозы ухудшаются его динамические характеристики (наблюдается более дли-23тельное включение). Данная схема была скорректирована с целью уменьшения времени переходного процесса.

На рисунке 17,б приведён переходной процесс в скорректированном источнике опорного напряжения при дозе 1 Мрад.Работа выполнена в рамках НИР «Урал-Т-МИЭМ».(а)(б)Рисунок 17. Результаты моделирования переходного процесса включения источникаопорного напряжения при различной дозе: до (а) и после (б) коррекции схемыФрагменты фоточувствительных КМОП-ФД БИС. Рассмотрены два фрагмента КНС КМОП-ФД БИС, в которых фоточувствительным элементом является фотодиод обычной конструкции и с управляющим МОП-затвором. Возможности моделей фоточувствительных элементов проиллюстрированы на двух примерах: 1) ячейкиКМОП ФД пикселя на основе простого n+–p-фотодиода; 2) однобитной ячейки АЦпреобразователя «освещённость – цифровой код», изготовленных по КМОП КНСтехнологии.1) 4Т КМОП ФД пиксель с двойной коррелированной выборкой – элемент фоточувств.

матрицы (см. рис. 18а). На диаграммах (см. рис. Рисунок 18б)показаны 4 этапа, характерные для работы устройства: (1) сброс, (2) накопление,или экспозиция, (3) считывание начального уровня, (4) считывание накопленного уровня. На этапе экспозиции данныйфотодиод получает сигнал, эквивалентный освещённости в 50 мВт/см2 в течение интервала времени 410 нс.(а)(б)Рисунок 18. Схема (а) и диаграммы работы (б) 4Т КМОП ФД пикселя2) Однобитный АЦП освещённость – цифровой код. С помощью разработанноймодели фотодиода с управляющим МДП-затвором была промоделирована схема однобитного АЦП «освещённость – цифровой код», включающая линейку фотодиодовс управляющим затвором (см.

рисунок 19а).24В качестве опорного напряжения в данном случае используетсяпороговое напряжение КМОПинвертора. Изменяя количество последовательно соединённых диодов,можно обеспечить срабатываниеАЦП при заданном уровне освещённости. На рисунке 19б представлена смоделированная передаточная характеристика АЦП приUcc=3,3 В, на которой показано необходимое количество фотоэлементов, требуемое для переключения Рисунок 19. Схема (а) и передаточная характеристика (б) 1-бит. АЦП освещённость –КМОП-инвертора при различныхцифровойкод, содержащего 4–16 ФДУЗуровнях освещённости.

Расчётыпроведены в практическиважном диапазоне освещённости, характерном для дневного света: от 0,5 мВт/см2 дляслабого освещения (пасмурная погода) до 50 мВт/см2 и более для яркого освещения.ЗаключениеОсновной результат диссертации заключается в создании двух комплектовSPICE-моделей КНИ/КНС КМОП-элементов: 1) учитывающих радиационные эффекты; 2) учитывающих фотоэлектрические эффекты. Модели обеспечивают достаточную точность (10–20%) описания характеристик элементов, изготовленных по раличным КМОП-технологиям: от длинноканальных приборов с микронными размерамидо короткоканальных с субмикронными размерами (до 0,1 мкм) в диапазоне радиационных доз до 2 Мрад и светового потока до 75 мВт/см2для фоточувствительных элементов.

Для всех моделей отработана методика полуавтоматизированного определения параметров на основе результатов измерения электрических и фотоэлектрическиххарактеристик тестовых приборов, использующая универсальный экстрактор IC-CAP.Модели включены в существующие промышленные схемотехнические САПР БИС:Eldo (Mentor Graphics), Spectre и UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys). Применениеразработанных моделей позволяет значительно расширить возможности существующих схемотехнических симуляторов, распространив их на расчёт радиационностойких и фоточувствительных БИС.Основные научные результаты:1) Развит макромодельный подход (подключение в эквивалентную схему дополнительных элементов) как метод создания (синтеза) новых SPICE-моделей микроэлектронных компонентов и улучшения существующих моделей за счёт учёта внутренних эффектов в структуре прибора (режимы «плавающего» потенциала, накопление заряда, активные и паразитные резистивно-ёмкостные, диодные и транзисторныеструктуры и др.), так и эффектов, обусловленных внешними воздействиями (радиация, световое излучение, температура и др.);2) 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, и введения радиационно-зависимых параметров.

Показано, что дляэлементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) точность описания статических ВАХ 10–15% и динамических характеристик 15–20% в широком диапазонедозы радиации и мощности светового потока;253) 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;4) в оригинальной модели EKV, разработанной первоначально для МОПТна объёмном кремнии, учтён режим плавающей подложки за счёт подключения в эквивалентную схему последовательной диодно-резистивной цепочки и источника напряжения, что позволило применить модель для описания МОПТ со структуройКНИ/КНС;5) 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.