Диссертация (1137280), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Модель включает в себя частные модели для нейтронного (п. 1) и гамма-излучений (п. 2) в сочетании с методикой определения для них флюенса и дозы, эквивалентных воздействию протонов с определеннойэнергией. Предложенная модель впервые позволяет с достаточной точностью оценитьвоздействие протонов на электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.Погрешность моделирования статических ВАХ и частотных характеристик длятрех моделей, учитывающих действие нейтронов, гамма-квантов и протонов в диапазонах воздействий, представляющих практический интерес, составляет 15-20%.для систем схемотехнического проектирования на базе платформы SPICE:4) Предложена и развита унифицированная SPICE-макромодель Si БТ иSiGe ГБТ, которая имеет одну и ту же эквивалентную схему и систему выражений дляразных видов радиационного воздействия (электронного, протонного, нейтронного игамма-излучений).
По сравнению с существующим набором разнородных версийSPICE-RAD-моделей, значительно сокращается количество параметров, описывающихрадиационно-зависимые элементы модели, упрощается методика их определения, сокращается трудоемкость подготовки и обработки данных до и после расчета.85) По сравнению с ранее известными SPICE-моделями, в предложенной макромодели, дополнительно учтен эффект усиления радиационной деградации параметров отвлияния «горячих» носителей и эффект сдвига выходных коллекторных характеристик вобласти насыщения и лавинного пробоя, что существенно повышает точность моделирования аналоговых и аналого-цифровых схем.Погрешность моделирования электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТБИС, подвергнутых воздействию электронов, нейтронов, протонов и гамма-квантов составляет: 10–15% для статических ВАХ и 15–20% для динамических характеристик вшироком диапазоне доз и потоков радиации.Практическая значимость работы.1) Разработанные радиационные модели электрофизических эффектов встроеныв промышленный вариант TCAD Sentaurus Synopsys и могут быть использованы дляпроектирования радиационно-стойких Si БТ и SiGe ГБТ, позволяя прогнозировать ихэлектрические характеристики при воздействии нейтронного, протонного и гаммаизлучений.2) Унифицированная SPICE-модель может быть использована в промышленныхсхемотехнических САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice(Synopsys) для проектирования радиационно-стойких ИС, позволяя рассчитывать электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ БИС при воздействии различных видов радиации в широком диапазоне действующего фактора.
По сравнению с используемым всуществующих симуляторах набором отдельных SPICE-моделей для каждого вида воздействия, унифицированная модель, общая для всех видов радиационного воздействий,описывается значительно меньшим количеством параметров, имеет более простую методику их определения, что позволяет сократить трудоемкость и время подготовки и обработки данных до и после расчета.3) Для пользователей разработаны полуавтоматические процедуры определенияпараметров биполярных транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения на основе результатов измерений тестовых образцов или результатовприборно-технологического моделирования в системе TCAD.9Внедрение результатов работы.Результаты диссертационной работы были использованы в НИОКР следующихпредприятий: ОАО «НПП «Пульсар», АО «Корпорация «ВНИИЭМ», ФГБНУ «НИИПМТ», что подтверждено актами внедрения:1) НИР «Стойкость-ТЗЧ» и ОКР «Высотка-26».2) НИР «Исследование и разработка радиационных моделей элементов кремнийгерманиевых аналого-цифровых БиКМОП СБИС для проектирования космической радио- и телекоммуникационной аппаратуры».3) НИОКР «Создание системы управления поворотами БС КА»,а также при выполнении госбюджетных НИР по программам РФФИ, КЦП и научногофонда НИУ ВШЭ:4) Создание модулей контроля параметров потоков космических излучений на базе широкозонных полупроводниковых сенсоров для перспективных транспортных космических систем с длительным сроком функционирования.5) Разработка методов многоуровневого исследования и моделирования элементов перспективных изделий микроэлектроники: от уровня материала до уровня схем сповышенной стойкостью к температурным и радиационным воздействиям.
Шифр:ТЗ-108.6) «Разработка методов, моделей и баз данных для проектирования электронныхкомпонентов ЭВМ и РЭА космического назначения (полупроводниковых приборов,микросхем, СБИС, печатных плат) с учётом радиации и температуры».7) «Исследования характеристик субмикронных и глубоко субмикронных кремний-германиевых биполярных и МОП гетероструктурных транзисторов аналогоцифровых Би-КМОП СБИС для радио- и телекоммуникационных систем».8) «Поисковые исследования в области СВЧ БИС на основе кремнийгерманиевых гетероструктур для систем беспроводной связи и радарной техники».Положения, выносимые на защиту.1) Математическая модель, встроенная в систему TCAD, учитывающая деградациюэлектрофизических параметров (S, Nit, Qoх) и электрических характеристик субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ, обусловленную эффектами ионизации при воздействии гаммаизлучения.102) Математическая модель, встроенная в систему TCAD, учитывающая деградацию электрофизических параметров (τp, τn) и электрических характеристик субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ, обусловленную структурными нарушениями при воздействиинейтронного излучения.3) Математическая модель, встроенная в систему TCAD, учитывающая деградацию электрофизических и электрических характеристик субмикронных Si БТ и SiGeГБТ, обусловленную совместным влиянием ионизационных и структурных эффектовпри воздействии протонного излучения.4) Схемотехническая унифицированная SPICE-макромодель для субмикронныхSi БТ и SiGe ГБТ, учитывающая дозовые эффекты от воздействия различных видов радиации, эффект усиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих»носителей, эффекты сдвига коллекторных характеристик в области насыщения и лавинного пробоя.5) Результаты использования разработанных TCAD и SPICE моделей при проектировании радиационно-стойких субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ и схем на их основе.Апробациярезультатовработы.Результатыработыдокладывалисьи обсуждались на следующих научных мероприятиях:• Конференции RADECS-2015, Москва, Россия, сентябрь 2015.• Научной сессии НИЯУ МИФИ-2015, Москва, Россия, апрель 2015.• Международном симпозиуме «Компьютерные измерительные технологии» –2015, Москва, апрель 2015.• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов им.
Е.В. Арменского, НИУ ВШЭ, Москва, Россия, 2012-2015.• 4th International Conference on Advanced Measurement and Test, (AMT 2014), November, 2014, Wuhan, China• X и XII научно-технической конференции "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА" ОАО «НПП «Пульсар», г. Дубна, Октябрь 2011;г. Москва, Октябрь 2013.• Международной научно-практической конференции "International Scientific –Practical Conference" Innovative Information Technologies", Prague, 2013, 2014.• IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), 2011, 2012, 2013.11• 2-й Международной молодёжной научной школе «Приборы и методы экспериментальной ядерной физики. Электроника и автоматика экспериментальных установок»,г.
Дубна, Моск. обл., Объединенный институт ядерных исследований, ноябрь 2011.Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах (впериод с 2011 по 2015 гг.), из которых 4 [2]-[5] в изданиях, входящих в перечень ВАК;4 – в систему цитирования SCOPUS; 2 работы опубликованы без соавторов.Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения.
Объём работы составляет 149страницу, в том числе 107 рисунков, 6 таблиц.В главе 1 приведён анализ современного состояния работ в области приборнотехнологического моделирования структур Si и SiGe биполярных транзисторов и разработки компактных схемотехнических SPICE-моделей этих транзисторов с учетом различных видов стационарного радиационного воздействия.По результатам анализа перечисленных в главе отечественных и зарубежных работ, посвященных приборно-технологическому моделированию, можно сделать вывод,что количество работ, направленных на исследование в системе TCAD влиянию радиационных эффектов на электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ, явно недостаточно и не отражает современного состояния проблемы.
Исследования ограничиваютсяили 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 неадаптированы под структуры Si БТ и SiGe ГБТ, или ориентированы на решение отдельных частных задач. TCAD модели, учитывающие нейтронное или протонное излучение,в публикациях пока отсутствуют.По результатам анализа перечисленных в главе отечественных и зарубежных работ, посвященных схемотехническому моделированию, можно сделать следующие выводы: 1) для каждого вида радиационного воздействия (электроны, нейтроны, протоны,гамма-кванты) имеется своя модель, или ограниченный набор моделей со своей эквивалентной схемой, системой дополнительных параметров, существенно отличающихся отстандартных или общепринятых, и поэтому малопонятных или вообще незнакомых разработчикам приборов и схем; 2) для большинства моделей методики измерения ВАХ ипроцедуры экстракции параметров, учитывающих радиационные эффекты, достаточно12сложны и практически не описаны в публикациях; 3) ряд моделей не обеспечивает необходимую для современных БТ точность расчета, например, базируется на основе простейшего варианта Гуммеля-Пуна, или не учитывают важные эффекты радиационногосдвига коллекторных ВАХ в режиме насыщения и лавинного пробоя, усиления деградации параметров из-за влияния «горячих» носителей и др.На основании сделанных выводов сформулирована цель и задачи настоящей диссертации, направленные на решение указанных проблем и устранение имеющихся недостатков.В главе 2 приведены разработанные и встроенные в систему TCAD новые математические модели, описывающие изменение электрофизических параметров (S, τp, τn,Nit), учитывающих рекомбинацию носителей заряда и накопление заряда ловушек Qit награнице раздела Si-SiO2, и позволяющие прогнозировать деградацию электрофизических параметров и электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТ при воздействиинейтронного, протонного и гамма-излучения.Для учета влияния гамма-излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ былиразработаны и включены в TCAD модели радиационных эффектов, описывающие изменения концентрации ловушек на границе раздела Si/SiO2 и скорости поверхностной рекомбинации.Для учета влияния нейтронного излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТразработана и включена в TCAD модель радиационных эффектов, которая учитываетдеградацию основного параметра биполярной структуры – времени жизни неосновныхносителей заряда в зависимости от интегрального потока нейтронов.Для учета влияния протонного излучения на электрические характеристики Si БТи SiGe ГБТ в TCAD использовался подход, суть которого заключается в том, что полноеизменение электрических характеристик биполярных транзисторов определяется совместным действием структурных (аналогично нейтронному излучению) дефектов иионизационных (аналогично гамма-излучению) эффектов.Все модели были созданы с использованием известных физических зависимостейи добавлены в структуру системы TCAD с использованием физического пользовательского интерфейса.Адекватность разработанных моделей проиллюстрирована на примерах сравненияэкспериментальных и смоделированных характеристик при воздействии нейтронного,13протонного и гамма-излучений для биполярных Si и SiGe структур, изготовленных поразличным технологиям.
При этом проведение радиационных испытаний и измеренияэкспериментальные характеристики до и после облучения для Si биполярных транзисторов автором были проведены лично, либо с непосредственным его участием. Результаты сравнения показывают, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных(до 0,1 мкм) погрешность описания составляет: 10–20% для статических ВАХ и 15–20%для динамических характеристик в широком диапазоне доз и интегральных потоков радиации.Вглаве3представлена,разработаннаяавтором,универсальнаяSPICE-RAD-макромодель, учитывающая влияние радиации на характеристики Si БТ иSiGe ГБТ, изготовленных по различным технологиям с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм). Также представлена методика экстракции параметров макромодели из результатов измерения электрических характеристик необлучённых и облучённыхтестовых транзисторов или результатов приборно-технологического моделирования.Унифицированная SPICE-RAD-макромодель Si БТ и SiGe ГБТ для схемотехнического проектирования элементов Si БТ и SiGe ГБТ и БИС на их основе, подвергнутыхвоздействию различных видов радиационного воздействия, базируется на двух подходах: 1) макромодельного; 2) введения зависимостей ряда параметров базовой SPICEмодели от поглощенной дозы.Представлены полуавтоматические процедуры определения дополнительногонабора радиационно-зависимых параметров SPICE-RAD-модели биполярных транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD.В главе 4 приведены результаты использования разработанных в диссертациимоделей для приборно-технологического и схемотехнического моделирования Si БТ иSiGe ГБТ и фрагментов радиационно-стойких БИС на их основе, полученные при выполнении ряда НИОКР с предприятиями Росэлектроники и Роскосмоса, а также проектов по ФЦП и грантам РФФИ и НИУ ВШЭ.В приложениях приведены акты внедрения результатов работы в различных организациях.14Глава 1 Современное состояние работ в области моделирования Si и SiGeбиполярных транзисторных структур с учетом радиационных эффектов1.1 Обзор современного состояния исследований в области приборнотехнологического моделирования радиационных эффектов в структуре Siи SiGe биполярных транзисторовМоделирование Si БТ и SiGe ГБТ структур в системе TCAD с целью исследования различных конструктивно-технологических вариантов их исполнения с использованием многовариантного анализа широко используется в практике проектирования полупроводниковых приборов [6]-[9].Особое значение имеют TCAD модели при исследовании радиационных эффектовв биполярных транзисторах при воздействии на них стационарных видов излучения иотдельных ядерных частиц (ОЯЧ), так как физика этих процессов чрезвычайно сложна инедостаточно исследована.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
