Диссертация (1137280)
Текст из файла
ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»КОЖУХОВ МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧРазработка и исследование моделей радиационных воздействий для расчетахарактеристик кремниевых и кремний-германиевых биполярных транзисторов спомощью системы TCADДиссертацияна соискание учёной степеникандидата технических наукСпециальность 05.13.12«Системы автоматизации проектирования»Научный руководитель:доктор технических наук, профессорПетросянц Константин Орестовичг. Москва, 2016 г.2ОГЛАВЛЕНИЕВведение ......................................................................................................................
3Глава 1 Современное состояние работ в области моделирования Si иSiGe биполярных транзисторных структур с учетомрадиационных эффектов ............................................................................... 141.1 Обзор современного состояния исследований в области приборно-технологическогомоделирования радиационных эффектов в структуре Si и SiGe биполярныхтранзисторов.......................................................................................................................... 141.2 Обзор современного состояния исследований в области разработкисхемотехнических SPICE-моделей, учитывающих радиационные эффекты в Siи SiGe биполярных транзисторах ........................................................................................
161.3 Выводы по главе 1 .......................................................................................................................... 20Глава 2 Приборно-технологические модели, учитывающиерадиационные эффекты в структуре Si БТ и SiGe ГБТ .......................... 222.1 TCAD модель электрофизических параметров, учитывающая влияние гаммаизлучения в структурах Si БТ и SiGe ГБТ .......................................................................... 222.2 TCAD модель электрофизических параметров, учитывающая влияние нейтронногоизлучения в структурах Si БТ и SiGe ГБТ .......................................................................... 372.3 TCAD модель, учитывающая влияние структурных и ионизационных эффектов вструктурах Si БТ и SiGe ГБТ при воздействии протонов .................................................
502.4 Выводы по главе 2 .......................................................................................................................... 63Глава 3 Унифицированная SPICE-макромодель Si/SiGe биполярноготранзистора, учитывающая влияние радиационных эффектов ........... 653.1 Общий подход к разработке радиационных SPICE-моделей Si/SiGe БТ ................................. 653.2 Экстракция дополнительного набора радиационно-зависимых параметровунифицированной SPICE-макромодели Si/SiGe биполярных транзисторов .................. 793.3 Выводы по главе 3 ..........................................................................................................................
92Глава 4 Применение разработанных TCAD и SPICE моделей впрактике проектирования Si БТ и SiGe ГБТ и фрагментов ИС иБИС, подвергнутых воздействию радиации .............................................. 934.1 Примеры сквозного TCAD-SPICE моделирования Si БТ и SiGe ГБТ привоздействии нейтронного излучения .................................................................................. 934.2 Оценка влияния поверхностных эффектов на радиационную стойкость СВЧэпитаксиально-планарного n-p-n Si БТ 2Т391 при воздействии гаммаизлучения ............................................................................................................................. 1084.3 Применение SPICE-RAD-модели для схемотехнического моделированияфрагментов ИС, подвергнутых воздействию различных видов радиации ....................
1134.4 Выводы по Главе 4 ....................................................................................................................... 129Заключение .............................................................................................................
131Список использованной литературы ................................................................ 1353ВведениеАктуальность темы. К электронным устройствам систем глобальной космической связи и телекоммуникаций, систем управления ядерными энергетическими установками, ракетно-космической, военной техники и др. предъявляются требования по радиационной стойкости к воздействию стационарных видов излучения и одиночных заряженных частиц (ОЯЧ).
По оценкам зарубежных и отечественных специалистов, перспективной электронной компонентной базой (ЭКБ) для таких систем являются современные сверхвысокочастотные (СВЧ) кремний-германиевые транзисторы, которые помимо высоких усилительных свойств в диапазоне сотен гигагерц, обладают хорошейрадиационной стойкостью к воздействию различных видов ионизирующих излучений.Успешное решение задач проектирования и разработки радиационно-стойкихкремниевых биполярных транзисторов (БТ) и кремний-германиевых гетеропереходныхбиполярных транзисторов (ГБТ), а также интегральных схем и систем на их основе невозможно без широкого применения систем автоматизированного проектирования(САПР). Важность такой проблемы ещё более возрастает в связи с имеющей место тенденцией к уменьшению размеров элементов, которые становятся все более чувствительными к факторам внешних воздействий, в частности, различных видов радиации 1.Использование только экспериментальных подходов не позволяют оценить влияние радиационных эффектов до стадии их изготовления, т.е.
на этапе разработки полупроводниковых приборов. В связи с этим, приобретает большое значение использованиеметодов моделирования и проектирования с помощью САПР, которая может использоваться на двух уровнях: приборно-технологическом и схемотехническом. Наряду с этимв настоящее время все большее внимание получают методы сквозного моделирования,когда основными выходными данными приборно-технологического моделирования является параметры SPICE-модели, которые в дальнейшем используются для проектирования интегральных схем (ИС) и больших интегральных схем (БИС). Преимуществомсквозного моделирования является существенное сокращение временных и финансовыхиздержек при проектировании ЭКБ для аппаратуры специального назначения.1Стемпковский А.Л. О некоторых проблемах при проектировании СБИС с наноразмернымикомпонентами. Нанотехнологии в электронике, вып.
3, 2015, с. 290-317.4Таким образом, одной из важнейших задач приборно-технологического (TCAD) исхемотехнического (SPICE) проектирования является создание математических моделей, учитывающих влияние стационарных видов и импульсных излучений, в том числеи влияние ОЯЧ, на характеристики субмикронных кремниевых и кремний-германиевыхбиполярных транзисторов. Основные требования, предъявляемые к этим моделям, является адекватность их физического описания и достаточная точность, так как от этого зависит достоверность приборно-технологического и схемотехнического проектирования.Состояние исследований по проблеме.1.Модели для приборно-технологического проектирования. Существенный вкладв разработку математических моделей для приборно-технологического проектированияс учётом радиационного воздействия и использование этих моделей для расчёта радиационно-стойких БТ и ГБТ внесли отечественные авторы: Д.Г.
Дроздов, Т.Ю. Крупкина,В.С. Першенков, К.О. Петросянц, Е.М. Савченко, А.И. Чумаков, Н.А. Шелепин и др.,также зарубежные авторы: R. J. Milanowski, A.K. Sutton, J. D. Cressler, M. Bellini,K.A. Moen, M. Benoit и др.Однако,всуществующихсегоднякоммерческихсистемахприборно-технологического моделирования используются встроенные модели учета радиационных эффектов с рядом существенных ограничений, либо учитывается влияние толькоодного стационарного вида радиации, а именно гамма-излучения, либо используютсяобобщенные модели ионизационных и структурных эффектов, но не учитывающие специфики структур современных биполярных приборов.
Работы по моделированию радиационных процессов с помощью системы TCAD в Si БТ и SiGe ГБТ после облучениянейтронами и протонами не публиковались. Наряду с этим в системе TCAD достаточнохорошо развиты модели, учитывающие влияние ОЯЧ на переходные характеристикиполупроводниковых приборов.Таким образом, в промышленных приборно-технологических САПР сегодня отсутствуют математические модели радиационных эффектов, которые бы полностьюудовлетворяли потребности разработчиков полупроводниковых приборов и схем в частиучёта влияния стационарного нейтронного, протонного и гамма-излучений на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.2.
SPICE-модели Si БТ и SiGe ГБТ для радиационно-стойких ИС и БИС. Существенный вклад в разработку математических моделей для схемотехнического проекти-5рования с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких БИС на БТ внесли отечественные авторы: Ю.Ф. Адамов, В.Н. Гришков,О.В. Дворников, А.И. Титов, К. О. Петросянц, В.В. Репин, П.К. Скоробогатов, И. А. Харитонов, а также ряд зарубежных авторов: M. Van Uffelen, T.A Deng Yanqing, T. Zimmer,R.W.
Dutton, H. Barnaby и др.Для учёта влияния радиационных эффектов используются два подхода: 1) введение в SPICE-модель зависимости параметров модели биполярного транзистора от поглощенной дозы; 2) макромодельный подход, который заключается в добавлении к основному транзистору, описываемому одной из известных стандартных SPICE-моделейSi БТ или SiGe ГБТ, дополнительных схемных элементов, учитывающих влияние разных видов радиационных излучений.Анализ существующих работ показал, что стандартные схемотехнические моделисубмикронных Si БТ и SiGe ГБТ, включённые в SPICE-подобные программы анализаИС и БИС, или вообще не учитывают радиационные эффекты, или имеют ряд недостатков, а именно: низкую точность моделирования деградации характеристик транзисторов, обусловленную влиянием радиации; использование различных эквивалентныхсхем, систем выражений и параметров для учёта влияния разных видов излучений, существенно отличающихся от стандартных и поэтому мало знакомых разработчикамприборов и схем; слишком сложные системы измерений дополнительных характеристик, необходимых для определения набора параметров SPICE-RAD-модели, и учитывающих радиационные эффекты.
Наряду с этим в рамках сквозного TCAD-SPICE проектирования наличие единой SPICE-RAD-макромодели, учитывающей основные радиационные эффекты при воздействии различных видов радиации, является необходимымусловием. Так как использование разнородных SPICE-моделей, которые описываютсясобственной системой измерения и набором параметров для каждого типа излучения,приводит к увеличению затрат времени на подготовку модели Si БТ/SiGe ГБТ к схемотехническому моделированию ИС и БИС.Кроме разработки самих компактных моделей БТ, учитывающих радиационныеэффекты, необходимо решать вопросы по экстракции радиационно-зависимых параметров этих моделей.
Однако, в большинстве опубликованных работ процедуры измерениятестовых структур и процедуры экстракции параметров приборов, подвергнутых воздействию радиации, в литературе освещены крайне недостаточно.6Одной из задач настоящей диссертация является: разработка и исследованиеуниверсальной схемотехнической SPICE-RAD-модели для субмикронных Si БТ иSiGe ГБТ, а также разработка методики экстракции параметров этой модели на основе,измеренных электрических характеристик тестовых приборов до и после облучения или,полученных из результатов моделирования приборов с использованием системы TCAD.Цель диссертационной работы и задачи исследования.
Целью диссертационнойработыявляетсяразработкаматематическихмоделейдляприборно-технологического и схемотехнического моделирования субмикронных Si БТ и SiGe ГБТс учетом воздействия различных видов радиации (нейтронов, протонов, электронов игамма-квантов).Цель достигается путем решения следующих задач:1)Разработка математических моделей электрофизических эффектов, встро-енных в систему TCAD и учитывающих влияние различных видов радиационного воздействия: нейтронного, протонного и гамма-излучения на электрофизические и электрические характеристики биполярных Si и SiGe транзисторных структур.2)Разработка унифицированной SPICE-RAD-модели для Si БТ и SiGe ГБТ,имеющей единую эквивалентную схему и систему выражений для учета различных видов стационарного радиационного воздействия (электронного, нейтронного, протонногои гамма-излучения).3)Включение разработанных моделей учета физических эффектов и компакт-ной SPICE-RAD-модели Si БТ и SiGe ГБТ в существующие промышленные системыприборно-технологического и схемотехнического проектирования с целью проведениярасчетов приборов и электронных схем с учетом радиационных эффектов.4) Использование всей совокупности разработанных моделей в практике проектирования радиационно-стойких Si и SiGe биполярных структур и БИС на их основе.Методы исследования: методы экспериментального определения электрическиххарактеристик тестовых структур, математические методы обработки результатов измерений, компьютерный анализ и моделирование, методы проведения вычислительныхэкспериментов.Научная новизна работы состоит в том, что разработаны и встроены в средупромышленных приборно-технологических и схемотехнических САПР модели для расчета электрофизических и электрических характеристик Si и SiGe биполярных транзи-7сторов с учетом влияния нейтронного, протонного, электронного и гамма-излучений, вчастности:для систем приборно-технологического моделирования:1) Предложена модель, учитывающая воздействие нейтронов на основной электрофизический параметр структуры БТ – время жизни неосновных носителей заряда,для которого введены зависимости от величины флюенса, уровня инжекции и легирования активной области прибора, что впервые позволило с достаточной точностью расчетным путем оценить воздействие нейтронов на электрические характеристики Si БТ иSiGe ГБТ.2) Предложена модель для учета воздействия гамма-излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ, которая помимо ранее известной зависимости скорости генерацииэлектронно-дырочных пар в SiO2 от поглощённой дозы, дополнительно учитывает изменение скорости поверхностной рекомбинации и накопление ловушек на границе раздела Si/SiO2 от поглощённой дозы, что существенно повышает точность моделирования.3) Предложена модель, учитывающая совместное влияние структурных и ионизационных эффектов, обусловленных действием протонов, на электрофизические иэлектрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
