Автореферат (1137279), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Крупкиной [23] рассматриваются общие подходы и методикиприборно-технологического моделирования с учетом внешних воздействующих факторов, а также использование сквозного моделирования, когда выходными результатами приборно-технологического моделирования являются схемотехнические параметры, используемые для проектирования БИС.В работе В.В.
Лавлинского [24] рассматриваются методы, алгоритмы и моделианализа ЭКБ в САПР методами синтеза виртуальной реальности для оценки радиационной стойкости при воздействии тяжелых заряженных частиц.В работе [22] авторы использовали модель распределения ловушек для исследования планарных диодов и транзисторов после импульсного гамма-нейтронноговоздействия, однако, не учитывали радиационные изменения параметров материалов,влияние уровня легирования базы, а также ряд других эффектов.2Воздействие ОЯЧ на п/п приборы и интегральные схемы является самостоятельным направлениемисследований и в настоящей диссертации не рассматривается.9В работе [25] с использованием системы TCAD исследуется влияние эффектанизкой интенсивности дозы на накопление заряда в объеме SiO2 и на границе Si/SiO2в упрощенной структуре БТ.Обобщая результаты имеющихся работ, можно заключить, что количество работ, посвященных исследованию в системе TCAD влияния радиационных эффектовна электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ, явно недостаточно и не отражаетсовременного состояния проблемы.
Исследования ограничиваются или набором стандартных моделей, входящих в состав TCAD и учитывающих часть радиационных эффектов, обусловленных воздействием только гамма-квантов, или используют обобщенные модели структурных и ионизационных эффектов, которые пока не адаптированы под структуры Si БТ и SiGe ГБТ, или ориентированы на решение отдельныхчастных задач. TCAD модели, учитывающие нейтронное или протонное излучение, впубликациях пока отсутствуют.Таким образом, нерешённой задачей остаётся разработка математических моделей электрофизических эффектов в системе TCAD для расчета характеристик субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ при облучении различными видами стационарных радиационных излучений: нейтронами, протонами и гамма-квантами.Учет радиационных эффектов в схемотехнических моделях Si и SiGe биполярных транзисторов.В работе К.О. Петросянца, И.А.
Харитонова [26] описана модель биполярноготранзистора Гуммеля-Пуна, в которой эффекты поглощённой дозы учитываются спомощью добавления уравнений для ряда параметров модели. Для моделированиябиполярных транзисторов с учетом радиационных эффектов этот подход можно использовать после введения в модель необходимых модификаций.В работе Э.Н. Вологдина, Д.С.
Смирнова и др. [27] предложено учитывать деградацию БТ не только по экспериментальным результатам, но и по результатам расчетных методик. Модель позволяет учитывать деградацию БТ при воздействиинейтронного излучения, однако обладает рядом недостатков при реализации в программе SPICE.В работе О.В. Дворникова, В.Н. Гришкова [28] представлена макромодель дляучета воздействия радиации, в которой наряду с дополнительными элементами дляучета радиационных эффектов добавлены уравнения, зависящие от поглощенной дозы. Предложена возможность применения SPICE-модели для различных видов радиации с использованием методик пересчета, для этого в структуру программы добавлен дополнительный блок.В работе зарубежных авторов М.
Van Uffelen и др. [29] предложена макромодель для учета влияния гамма-излучения на характеристики SiGe ГБТ, которая учитывает увеличение тока базы транзистора и изменения тока коллектора в активномрежиме. Однако, использование предложенной макромодели приводит к появлениюотрицательных токов коллектора в режиме насыщения биполярного транзистора привоздействии гамма-излучения, что недопустимо при расчетах схем.В работе зарубежных авторов Deng Yanqing, T.A. Fjeldly и др. [30] представленамакромодель для учета влияния нейтронного излучения на характеристики Si БТ.Модель учитывает только объемную составляющую радиационно-индуцированноготока базы, которая линейно зависит от потока, что достаточно для моделированиявоздействия нейтронного излучения. Однако, её нельзя использовать для моделирования транзисторов и схем с учетом ионизационных эффектов, которые имеют, какправило, насыщающийся характер.Обобщая результаты, перечисленных выше работ, а также целого ряда другихработ, посвященных разработке SPICE-моделей для схемотехнического моделирова-10ния БТ, можно сделать следующие выводы: 1) для каждого вида радиационного воздействия (электроны, нейтроны, протоны, гамма-кванты) имеется своя модель, илиограниченный набор моделей со своей эквивалентной схемой, системой дополнительных параметров, существенно отличающихся от стандартных или общепринятыхи поэтому малопонятных или вообще незнакомых разработчикам приборов и схем;2) для большинства моделей методики измерения ВАХ и процедуры экстракции параметров, учитывающих радиационные эффекты, достаточно сложны и практическине описаны в публикациях; 3) ряд моделей не обеспечивает необходимую для современных БТ точность расчета, например, базируется на основе простейшего вариантаГуммеля-Пуна, или не учитывают важные эффекты радиационного сдвига коллекторных ВАХ в режиме насыщения и лавинного пробоя, усиления деградации параметровиз-за влияния «горячих» носителей и др.Поэтому другой задачей диссертации является разработка унифицированнойSPICE-модели Si БТ и SiGe ГБТ, которая, во-первых, учитывает все виды стационарного радиационного воздействия (электронов, протонов, нейтронов, и гамма-квантов)и, во-вторых, дополнительно учитывает эффект усиления радиационной деградациипараметров БТ от влияния «горячих» носителей и эффекты радиационного сдвига выходных коллекторных характеристик в областях насыщения и лавинного пробоя.В главе 2 приведены разработанные и встроенные в систему TCAD (см.
рис. 1)новые математические модели, описывающие изменение основных электрофизических параметров (S, τp, τn, Nit), учитывающих рекомбинацию носителей заряда инакопление заряда ловушек Qit на границе раздела Si-SiO2, и позволяющие прогнозировать деградацию электрофизических параметров и электрических характеристиксубмикронных Si БТ и SiGe ГБТ при воздействии нейтронного, протонного и гаммаизлучений.Рисунок 1.
Новые модели, включенные в TCAD для учета влияния радиационных эффектов при воздействии нейтронного, протонного и γ-излучений11TCAD модель, учитывающая воздействие гамма-излучения на характеристики биполярных транзисторов.Для адекватного моделирования влияния гамма-излучения на характеристикиSi БТ и SiGe ГБТ в системе TCAD, наряду с уже имеющимися моделями учета изменения объемного заряда в SiO2 (Qox), были добавлены физические выражения, описывающие концентрацию ловушек Nit на границе раздела Si/SiO2 в зависимости от поглощенной дозы гамма-излучения Dγ:b(1)N it ( D ) a it D ,itа также изменение скорости поверхностной рекомбинации S:S ( D ) 1 / 2 v th k B T N it ( D ),(2)где: n p ; σn, σp – сечение захвата электрона и дырки ловушкой, соответственно; kB – постоянная Больцмана; T – температура; νth – тепловая скорость электрона; ait, bit – численные коэффициенты.Зависимость концентрации радиационно-индуцированных ловушек на границераздела Si/SiO2 от поглощенной дозы определялась из экспериментальных работ(см.
рис. 2, (а)).Из рис. 2, (а) видно, что концентрация ловушек на границе Si/SiO2, примыкающей к поверхностным областям pn-перехода, больше по величине, чем на границевдоль щелевой изоляции. Так как кривые на рис. 2, (а) имеют участки насыщения, торост скорости поверхностной рекомбинации S, также будет замедляться в областибольших значений поглощенной дозы Dγ (см.
рис. 2, (б)). Для биполярного транзистора это, как правило, приводит к уменьшению деградации ВАХ при больших дозах.б)а)Рисунок 2: а) Зависимость концентрации ловушек Nit на границе раздела Si/SiO2 отпоглощенной дозы Dγ в области pn-перехода (1) с параметрами ait = 2·108 рад–1·см–2, bit= 0,61 и в области щелевой изоляции (2) с параметрами ait = 1·108 рад–1·см–2, bit = 0,59;б) Зависимость скорости поверхностной рекомбинации S от поглощенной дозы DγВ программе Sentaurus Synopsys для учета изменения скорости поверхностнойрекомбинации в файл параметров проекта в модели поверхностной рекомбинацииШокли-Рид-Холла (SRHSurface) были добавлены уравнения (1) и (2).Перед началом расчета электрических характеристик биполярной структуры впроекте для заданных поглощенных доз происходит расчет параметров Nit и S.
Приэтом параметр Qox рассчитывается с использованием ранее встроенных в Sentaurusфизических моделей.На рис. 3 приведены входные характеристики SiGe ГБТ, изготовленного по0,13 мкм технологии SiGe БиКМОП 8WL с β = 250, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц, послевоздействия гамма-излучения с поглощенной дозой 1·106, 6·106, 30·106 рад.12Рисунок 3. Характеристика Гуммеля SiGe ГБТ до и после гамма-излучения с поглощёнными дозами 1·106, 6·106, 30·106 рад. Точность моделирования ВАХ 10-15%TCAD модель, учитывающая влияние нейтронного излучения.Для учета влияния нейтронного излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТв стандартную версию TCAD были добавлены выражения, которые описывают деградацию времени жизни неосновных носителей заряда в зависимости от интегральногопотока нейтронов:1τФ=1τ0(3)+ Фn K τ,где: τΦ, τ0 - время жизни носителей заряда после и до облучения, соответственно;Φn – флюенс нейтронов; Kτ – коэффициент радиационного изменения времени жизни.Основной проблемой является выбор параметра Kτ.
В большинстве работ Kτопределяется из эмпирических выражений Грегори. Однако, они не учитывают зависимость Kτ от уровня легирования базы транзистора, что особенно важно при моделировании SiGe ГБТ, концентрация примеси в базе которых достигает 5·1018 см–3 и выше. Поэтому нами в модель были введены новые, более точные зависимости Kτ отконцентрации легирующей примеси и уровня инжекции [31]:для n-типа: n ni неоснK a b ln nосн 2 N прим d c ln 1 ln ni 0 ,5;(4)для p-типа:2 N прим n неосн n i K a f ln , ln n осн m (5)где: Nприм – концентрация легирующей примеси; ni-собственная концентрация носителей заряда, nосн, nнеосн – концентрация основных и неосновных носителей заряда.Для моделирования нейтронного воздействия на структуры Si БТ и SiGe ГБТ всистему TCAD с помощью программного интерфейса физических моделей (PMI) были добавлены выражения (3) – (5).На рис.
4 и 5 приведены примеры моделирования SiGe ГБТ, изготовленного по0,13 мкм технологииБиКМОП8WL с параметрами β = 250, fT = 100 ГГц,fmax = 200 ГГц. Фактор повреждения коэффициента усиления (см. рис. 4) определяется как d n (Ф n ) / (0 ) , где: β(Фn) и β(0) – коэффициенты усиления после и до облучения, соответственно. На рис. 5 представлена смоделированная граничная частотаусиления SiGe ГБТ до и после воздействия нейтронного излучения с разными флюенсами. Видно, что при облучении коэффициент усиления β сильно деградирует, а граничная частота ft изменяется слабо.13Рисунок 4. Зависимость фактора повреждения коэффициента усиления отинтегрального потока нейтроновРисунок 5.