Моделирование и проектирование элементов КМОП интегральных микросхем технологии «кремний-на-изоляторе» с повышенной стойкостью к дозовым эффектам

Актуальность темы

диссертации.

К микроэлектронным изделиям с длительным сроком функционирования в условиях действия ионизирующего излучения (ИИ) предъявляется ряд специфических требований, к числу наиболее значимых из которых можно отнести малое энергопотребление, малые габаритные размеры, широкий диапазон рабочих температур, высокая радиационная стойкость. В сочетании со сложностью (числом элементов) современных СБИС и их рабочими частотами выполнение указанных требований накладывает жесткие ограничения на схемотехнические, конструкционные и технологические решения таких изделий. Одним из перспективных технологических направлений является развитие технологии «кремний на изоляторе» (КНИ).

Можно выделить несколько основных дозовых эффектов, характерных для современных КМОП технологий [1,2]:

• радиационно-индуцированные токи утечки;

• радиационно-индуцированный сдвиг порогового напряжения;

• радиационно-индуцированная деградация крутизны (подвижности) и подпо-рогового размаха передаточной характеристики.

Эти явления известны как эффекты полной дозы (Total Ionizing Dose (TID) Effects) и связаны с накоплением заряда в изолирующих оксидах и поверхностных состояний на границе раздела Si-Si02 [1−3].

В современных транзисторах с толщиной подзатворного оксида несколько нанометров накопление зарядов и поверхностных состояний даже при облучении с дозами ~1 Мрад (Si02) незначительно. Надпороговая вольтамперная характеристика (ВАХ) таких транзисторов практически не изменяется при таких дозах, а основной эффект дозовой деградации выражается в увеличении на несколько порядков подпороговых токов утечки. Радиационно-индуцированные токи утечки вызываются зарядом, захваченным в толстых слоях оксидов боковой и донной изоляции современных транзисторов КНИ КМОП технологии.

Существуют технологические и конструктивно-топологические методы повышения стойкости интегральных микросхем (ИМС) к дозовым эффектам. Технологические методы предполагают внесение изменений в техпроцесс, а конструктивно-топологические методы позволяют повысить радиационную стойкость в рамках существующей коммерческой технологии. Неотъемлемой частью процесса создания таких методов является моделирование, которое, в силу сложности объекта, имеет многоуровневый характер и базируется на физическом и схемотехническом уровнях описания. Физический уровень моделирования описывает процессы деградации в материалах, структурах и приборах, поставляя выходные данные, которые могут использоваться как входные параметры для схемотехнического моделирования с использованием стандартных систем автоматического проектирования (САПР).

Кроме того, при проектировании радиационно-стойких ИМС разработчику требуется удобный инструмент, встроенный в стандартный маршрут проектирования и совместимый со стандартными коммерческими средствами САПР.

Остаётся ряд нерешенных задач, к главным из которых относятся:. Задача физического и схемотехнического моделирования радиационно-индуцированных токов утечки в транзисторах КНИ КМОП технологии и связанных с ними механизмов накопления и отжига захваченного заряда в толстых слоях краевой и донной изоляции.. Разработка и развитие конструктивно-топологических методов повышения радиационной стойкости КНИ КМОП ИМС.. Определение параметров чувствительности КНИ КМОП ИМС к воздействию стационарного ионизирующего излучения в реальных условиях космического пространства, основываясь на результатах наземных испытаний.

Для смешанных (аналого-цифровых) ИМС растёт роль разброса параметров элементов, усиленного воздействием ионизирующего излучения [4].

Основной материал предлагаемой диссертации посвящен разработке и развитию методов схемотехнического моделирования и экспериментального исследования дозовых эффектов в транзисторах КНИ КМОП технологии различной топологической реализации.

Цель диссертации заключается в развитии методов и создании средств физического и схемотехнического моделирования работы КНИ КМОП ИМС в условиях воздействия ионизирующего излучения (ИИ) в различных электрических режимах.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: Разделение составляющих радиационно-индуцированной утечки, позволяющее на основе анализа экспериментальных данных определить направление оптимизации с целью подавления этого эффекта. Разработка математической модели, позволяющей определить SPICE-параметры КНИ транзисторов, с учётом влияния контакта к телу. Анализ эффективности различных топологических вариантов реализации КНИ МОП-транзисторов в зависимости от геометрии канала и электрического режима при облучении и выбор на основе анализа оптимального с точки зрения функционального назначения и радиационной стойкости топологического варианта. Разработка схемотехнических методов моделирования дозовых эффектов, в том числе радиационно-индуцированных токов утечки, в КНИ транзисторах и ИМС, изготовленных по КНИ КМОП технологии, с учётом электрического режима при облучении. Разработка программных средств, интегрированных в стандартный маршрут проектирования и совместимых с современными коммерческими средствами САПР, позволяющих учитывать дозовые эффекты на этапе схемотехнического проектирования.

Методы проведенных исследований. При разработке предложенных в диссертации моделей использовались методы физики приборов, полупроводников и диэлектриков, физические и схемотехнические методы моделирования.

Научная новизна диссертации:

1. Выявлены наихудшие электрические режимы при облучении, в зависимости от геометрии канала и от особенностей создания контактов к телу КНИ транзистора.

2. Определены наиболее эффективные (с точки зрения функционального назначения элемента) топологические методы борьбы с дозовыми эффектами в КНИ КМОП ИМС.

3. Предложена математическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры КНИ транзисторов Аи Н-типа, наиболее широко используемых при проектировании КНИ КМОП ИМС. Модель позволяет учесть влияние контактов к телу КНИ транзистора на статические и динамические характеристики транзистора.

4. Предложен способ схемотехнического моделирования дозовых эффектов на уровне ИМС, учитывающий электрический режим при облучении каждого составляющего ИМС транзистора в широком диапазоне значений накопленной дозы.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1. Выработаны конкретные рекомендации по оптимизации технологического процесса и топологииопределен наихудший электрический режим при облучении для различных компонентов тока утечки.

2. Проведённое экспериментальное исследование чувствительности к до-зовым эффектам элементов КНИ КМОП ИМС с различной топологической реализацией позволило при разработке ИМС выбрать наиболее эффективное топологическое решение, в зависимости от функционального назначения элемента или блока.

3. С помощью предложенной математической модели получены SPICE-параметры Аи Н-транзисторов 0,5 мкм и 0,35 мкм КНИ КМОП технологии. Ошибка при моделировании не превышает 15%. Достигаемая точность расчёта является удовлетворительной для цифровых ИМС.

4. Разработанное программное средство схемотехнического моделирования позволяет учесть дозовые эффекты на этапе схемотехнического проектирования устройства, с учётом технологических особенностей и электрического режима при облучении в широком диапазоне значений накопленной дозы.

5. Учёт электрического режима для каждого составляющего ИМС элемента позволяет выявить входные вектора «наихудшего случая» и проводить моделирование усиления разброса параметров элементов, вызванного радиационным воздействием.

6. Предложенные методы схемотехнического моделирования дозовых эффектов позволяют проводить сравнение эффективности схемотехнических решений, призванных повысить радиационную стойкость.

7. Все предложенные методы и программные средства интегрированы в стандартный маршрут проектирования и поддерживаются современными коммерческими САПР.

Результаты диссертации внедрены в НИИ системных исследований РАН при разработке СБИС микропроцессора «КОМДИВ32-Р» и системы на кристалле «РЕЗЕРВ-32», выполненных по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии. Предложенное программное средство для моделирования дозовых эффектов принято к регистрации в ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Математическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры КНИ транзисторов Аи Н-типа и учесть влияние контактов к телу на характеристики.

2. Расчетпо-экспериментальный метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов в КНИ КМОГ1 ИМС, пригодный для включения в стандартный маршрут проектирования.

3. При разработке КНИ КМОП ИМС с повышенной стойкостью к дозо-вым эффектам достаточно использовать транзисторы А-типа в качестве основного топологического варианта, транзисторы Н-типа — в случаях, когда требуется наличие независимого контакта к телу, при этом от других топологических вариантов можно полностью отказаться.

Личный вклад соискателя.

Все теоретические результаты, методы расчетов и интерпретации экспериментальных данных, приведенные в диссертации, получены и предложены лично соискателем. Модели, программные коды и расчеты разрабатывались и выполнялись совместно с коллегами и соавторами соискателя. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, получены специалистами НИИ системных исследований РАН в сотрудничестве с НИЯУ «МИФИ», ФГУП «НИИ приборов», ЭНПО «СПЭЛС» и РНЦ «Курчатовский институт».

Связь работы с крупными научными программами и темами.

Работа проводилась в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» и НИИ системных исследований РАН и в рамках следующих государственных отраслевых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

1) Разработка СБИС сбоеустойчивого микропроцессора с повышенной стойкостью к специальным внешним воздействиям «КОМДИВ32-Р» (ОКР «Квартал») по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии.

2) Разработка «системы на кристалле» для построения резервируемых отказоустойчивых вычислительных систем с повышенной стойкостыо к специальным внешним воздействиям и повышенной температуре «РЕЗЕРВ-32» (ОКР «Перга-СК») по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии.

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты диссертации докладывались па ежегодных Научных сессиях МИФИ (2006;2010) — ежегодных всероссийских конференциях «Радиационная стойкость» (Лыткарино, 2006, 2009) — Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (ММПСН-2008) — Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Зеленоград, 2006) — Международной конференции «International Conference on Microand Nanoelectronics» (ICMNE, 2007, 2009) — Европейской конференции по микроэлектронике MIEL (2008) — ежегодных Европейских конференциях RADECS (2006, 2008).

Опубликованные результаты.

По теме диссертации опубликовано 2 статьи в российских научно-технических журналах, сертифицированных ВАК- 1 статья в международном журнале- 5 статей в рецензируемых научно-технических сборниках трудов международных конференций (Proceedings of SPIE, MIEL, RADECS) — 16 тезисов докладов в сборниках российских научных конференций.

Структура и объем диссертации

.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации — 151 страница. Диссертация содержит 110 рисунков.

Список литературы

содержит 85 наименований.

4.5. Выводы.

1. Предложен метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов, базирующийся на моделировании элементов и блоков ИМС па уровне транзисторов с помощью описания компактной модели прибора и физической модели эффектов па Verilog-A.

2. Полученный инструмент полностью совместим со стандартными SPICE-симуляторами (Spectre, UltraS im, HSPICL, EL DO и др.) и позволяет учитывать электрический режим при облучении для каждого транзистора в отдельности.

3. С помощью разработанного программного средства проведено моделирование эффекта радиационно-индуцированного увеличения рассогласования параметров транзисторов. Рассмотрены МОП-транзисторы с толстым и тонким подзатворным оксидом, выполненные по 0,18 мкм КМОП технологии. Продемонстрирована зависимость разброса параметров при облучении от электрического режима. Различия в электрическом режиме при облучении транзисторов 0,35 мкм КИИ КМОП технологии приводят к разности пороговых напряжений порядка 250 мВ.

4. Получены результаты моделирования дозовых эффектов для различных «цифровых» и «аналоговых» приборов 0,18 мкм КМОП технологии (кольцевых генераторов, источника опорного напряжения и операционного усилителя) для больших значений накопленной дозы. Для уровня накопленной дозы ~ 1 Мрад (Si) частота и скважность кольцевых генераторов на транзисторах с тонким оксидом, температурный дрейф выходного напряжения ИОН и основные характеристики операционного усилителя деградируют незначительно, что связано с относительно малой толщиной подзатвориого диэлектрика, а также тем, что транзисторы при облучении находятся в «промежуточном» электрическом режиме: Vgs <<-Vdd.

5. Полученная информация по дозовой деградации параметров транзисторов с толстым оксидом 0,18 мкм КМОП технологии и ИМС на их основе может быть использована для оценки чувствительности элементов и ИМС, выполненных по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии. Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от объёмной КМОП технологии, в КНИ КМОП технологии при значениях накопленной дозы свыше 1 Мрад (Si) существенную роль играет радиацион-но-индуцированная донная утечка, которая обусловлена накоплением положительного заряда в скрытом оксиде и которая не может быть исключена топологическими методами. Эта проблема может существенно снизить радиационную стойкость ИМС, разрабатываемых на основе КНИ КМОП технологии.

6. Предложенный метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов позволяют проводить сравнение эффективности схемотехнических решений, призванных повысить радиационную стойкость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основной научный результат диссертации заключается в создании и развитии методов моделирования КНИ КМОП ИМС с повышенной стойкостью к дозовым эффектам.

Основной теоретический результат:

Разработан метод схемотехнического моделирования дозовых эффектов па уровне ИМС, учитывающий электрический режим при облучении каждого составляющего ИМС транзистора в широком диапазоне значений накопленной дозы и позволивший на этапе проектирования рассчитывать деградацию характеристик в условиях воздействия ионизирующего излучения.

Частные теоретические результаты:

1. Разделение боковой и донной составляющих токов утечки позволило локализовать утечку, выработать рекомендации по оптимизации топологии и определить наихудший электрический режим при облучении для различных компонентов тока утечки.

2. Обосновано применение МОП транзисторов Аи Н-типа, в зависимости от функционального назначения элемента, при проектировании ра-диационно-стойких КНИ КМОП ИМС.

3. Предложена математическая модель, позволяющая получить SPICE-параметры транзисторов Аи Н-типа, наиболее широко используемых при проектировании КНИ КМОП ИМС.

Основной практический результат.

Разработано полностью интегрированное в стандартный маршрут проектирования и полностью совместимое с современными коммерческими САПР программное средство, позволяющее учитывать влияние дозовых эффектов на этапе схемотехнического проектирования, переходя от моделирования отдельного прибора к моделированию характеристик ИМС. Предложенное программное средство для моделирования дозовых эффектов принято к регистрации в ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам».

Частные практические результаты диссертации заключается в следующем:

1. Проведено экспериментальное исследование чувствительности к дозо-вым эффектам элементов КНИ КМОП ИМС. В результате исследования выявлены наихудшие электрические режимы при облучении для различных топологических вариантов реализации транзисторов.

2. При разработке КНИ КМОП ИМС с повышенной стойкостью к дозо-вым эффектам основным вариантом топологической реализации должен быть транзистор А-типа. Транзисторы Н-типа должны быть использованы только в случаях, когда требуется обеспечить независимость тела от истока: в ключах, элементах схем ввода/вывода и т. п., при этом от других топологических вариантов можно полностью отказаться.

3. Предложенная математическая модель позволила получить SPICE-параметры для транзисторов Аи Н-типов, учесть влияние контактов к телу на статические и динамические характеристики транзисторов. Достигаемая точность расчёта является удовлетворительной для цифровых ИМС: ошибка не превышает 10−15%. Модель была использована в НИИ системных исследований РАН при разработке СБИС микропроцессора «КОМДИВ32-Р» и системы на кристалле «РЕЗЕРВ-32».