Nn-petrosyancпопулярный!

Петросянц К. О.,
Харитонов И. А.,
Самбурский Л. М.,
Орехов Е. В.
>> МИЭМ (ТУ)
Ятманов А. П.,
Воеводин А. В.,
Суховирский Д. М.
>> ФГУП ФНПЦ
НИИИС
25.02.2010
СОК «Серёжа»
Нижегородская обл.
Работы НИИИС и МИЭМ
по созданию и внедрению
моделей и методик
сквозного проектирования
элементной базы
радиационно-стойких КМОП
СБИС КНИ с помощью ПО
TCAD, ICCAP и SPECTRE
Маршрут сквозного проектирования
TCAD → IC-CAP → Spectre/UltraSim
1. TCAD
Моделирование в TCAD позволяет: воспроизвести
физическую структуру прибора; получить набор
электрических параметров и характеристик; исследовать различные варианты технологии и конструкции приборов; учесть влияние внешних воздействий
► ВАХ, ВФХ и др. характеристики КНИ МОПТ
2. IC-CAP
С помощью IC-CAP определяются параметры
схемотехнической модели для набора КНИ МОПТ
с учётом внешних воздействий
► Библиотека моделей для Spectre/UltraSim
3. Spectre
/UltraSim
Схемотехническое моделирование ИС и схемных
фрагментов в Spectre/UltraSim производится с учётом
воздействия радиации
► Дозовые зависимости параметров схем
2
TCAD: приборно-технологическое моделирование
Технологический
маршрут
ВАХ, ВФХ и др.
характеристики
транзисторов
TCAD
Топологические
размеры
Параметры рад.
воздействия
Физ. зависимости
Qss, μ от D
2D
3D
3D and quasi-3D simulations of SOI n-MOSFET Id(Vg)
characteristics for different total doses
1,00E-04
Id, A
1,00E-06
Id, unirradiated
Id, D=100 krad
Id, D=150 krad
Id, D=300 krad
q3D_D=100krad
q3D_D=150krad
q3D_D=300krad
1,00E-08
1,00E-10
1,00E-12
1,00E-14
0
0,6
1,2
1,8
Vg, V
2,4
3
3
3D-структура частично обедненного КНИ n-МОПТ
(W/L=1,5/0,35 мкм, dBOX=150 нм, dSI=200 нм и dox=11,5 нм)
Время расчёта одной ветви ВАХ на ПЭВМ с процессором AMD Opteron
(2,4 ГГц, 16 Гбайт ОЗУ):
 3D расчёт для сетки 165000 элементов – 14 часов;
 2D расчёт для сетки 5400 элементов – 42 минуты.
4
Пример моделирования сбоя в ячейках памяти
на МОПТ без контакта и с контактом к активной области
SPICE блок TCAD
(используется схемотехническая
модель BSIMSOI v2)
L = 1 мкм
W = 1,1 мкм
Приборный блок TCAD
5
Результаты моделирования сбоя в ячейках памяти
на МОПТ без контакта и с контактом к активной области
IС
IС
VA
НЕТ СБОЯ
VB
С контактом к активной области
VB
СБОЙ
VA
Без контакта к активной области
 Fe+ с энергией 16 МэВ и ЛПЭ 0,216 пКл/мкм под углом к
поверхности 30˚
 Наличие контакта к активной области повышает устойчивость к
«одиночным» сбоям
6
Расчёт емкостных характеристик КМОП КНИ структур с помощью
системы TCAD (Synopsys)
Ёмкость сток — рабочая область
Ёмкость затвор- исток
Расчёт S-параметров КМОП КНИ структур
с помощью системы TCAD (Synopsys)
9,00E-01
9,00E-01
4,00E-01
4,00E-01
Im(S)
Im(S)
( L = 0,35 мкм, f = 105-1010 Гц )
-1,00E-01
-6,00E-01
-1,10E+00
-1,5
y1
y2
y3
y4
y5
y6
y7
y8
y9
y10
y11
S11_Vd=5V_Vg=5V
S12_Vd=5V_Vg=5V
S21_Vd=5V_Vg=5V
S22_Vd=5V_Vg=5V
-1,00E-01
-6,00E-01
-1,0
-0,5
0,0
Re(S)
n-МОПТ
-1,10E+00
-1,5
0,5
1,0
-1,0
1,5
-0,5
y1
y2
y3
y4
y5
y6
y7
y8
y9
y10
y11
S11_Vd=5V_Vg=5V
S12_Vd=5V_Vg=5V
S21_Vd=5V_Vg=5V
S22_Vd=5V_Vg=5V
0,0
Re(S)
0,5
1,0
1,5
p-МОПТ
8
Результаты в области приборно-технологического
моделирования, полученные в ходе работ с НИИИС
1.
Разработаны и реализованы в среде ПО Sentaurus TCAD 2D и 3D модели
субмикронных элементов КМОП КНИ с учётом радиационных эффектов,
позволяющие учесть:
•
•
•
2.
3.
4.
5.
•
зависимости подвижностей носителей μ(D) и заряда поверхностных состояний на границе
Si-SiO2 Qit(D) от суммарной поглощенной дозы
наличие радиационных токов утечки по боковым изолирующим граням структуры
прибора
влияние различной топологии МОП транзисторов на их радиационную стойкость
Произведён 3D расчёт радиационных токов утечки в структуре частично
обеднённого КНИ МОП-транзистора с длиной канала 0,35 мкм. Результаты
моделирования подтверждаются экспериментальными данными, полученными для
аналогичных КНИ МОПТ структур
Методом смешанного (2D TCAD + BSIMSOI PD v.2) моделирования проанализировано
влияние контакта к активной области транзистора на устойчивость к воздействию
одиночных заряженных частиц 0,5 мкм 6Т ячеек КМОП КНИ статического ОЗУ
Разработана методика расчёта C-V характеристик и S-параметров
транзисторных КМОП КНИ структур
Разработаны процедуры и программы экспорта ВАХ и ВФХ в формат данных IC-CAP
Результаты работ, полученные в п.п. 1-6, переданы в НИИИС.
Проведено обучение сотрудников предприятия
9
2. IC-CAP: определение параметров моделей
Результаты приборнотехнологического
моделирования TCAD
(после транслятора)
IC-CAP
Результаты измерений
Данные для
библиотеки
моделей
(после транслятора)
Параметры рад.
воздействия
Маршруты экстракции
Модели: BSIM, BSOI, …
Макромодели
10
Экспериментальные исследования
Для экспериментального
исследования характеристик как
отдельных транзисторов, так и
схемных фрагментов (или
функциональных узлов), после
радиационного воздействия
была разработана
автоматизированная
измерительная установка,
работающая под управлением
пакета экстракции IC-CAP и
состоящая из двух частей:
Зондовая установка ЭМ-6030
 установка для
рентгеновского
облучения;
 автоматизированная
измерительная система
Измеритель статических ВАХ
KEITHLEY SourceMeter® 2602
11
Сравнение экспериментальных и смоделированных
ВАХ МОПТ
n-канальный
КНИ МОПТ
L / W = 0,5 / 4,5 мкм
p-канальный
КНИ МОПТ
L / W = 0,5 / 4,5 мкм
сток-затворные ВАХ
при D = 0; 3·105 ед
выходные ВАХ
при D = 0
выходные ВАХ
при D = 3·105 ед
• В диапазоне доз до 1,5·106 ед. погрешность описания ВАХ не превышает 20%
12
Сдвиг параметров модели КНИ МОПТ (пример)
(в относительных единицах)
0,06
1,15
1,01
VTH0
Модель
n-канального
КНИ МОПТ
-0,11
1,06
0,99
-0,28
0,97
0,97
0,0
0,5
1,0
0,0
D / D0
0,5
U0D /U00
0,5
D / D0
1,0
UAD /UA0
0,88
0,98
-0,38
1,0
1,09
 VTH0
-0,13
0,5
D / D0
1,02
0,0
0,0
1,0
D / D0
0,12
Модель
p-канального
КНИ МОПТ
UA D /UA 0
U0 D /U0 0
0,67
0,94
0,0
0,5
D / D0
1,0
0,0
0,5
1,0
D / D0
13
Экстракция параметров макромодели
И
Зв
Mверх
BSOI3
С
КР
IФИи Р
MOS3
IФСи
IФСч
Зв
Mбок
Mнижн
Зн
MOS3
Сток-затворные ВАХ КНИ МОПТ R-типа
Верхний МОПТ
Боковой МОПТ
Нижний МОПТ
14
Внутренние ёмкости структуры КНИ МОПТ
15
Емкостные тестовые структуры в системе ICCAP 1
1. C_Drain_Sub_Area_m
СТОК / ИСТОК
2. C_Drain_Sub_Perim_m
НИЖНИЙ ЗАТВОР
3. C_Perim_Gate_m
СТОК / ИСТОК
НИЖНИЙ ЗАТВОР
4. C_Oxide_m
СТОК / ИСТОК
ВЕРХНИЙ ЗАТВОР
РАБОЧАЯ ОБЛАСТЬ
РАБОЧАЯ ОБЛАСТЬ
16
Емкостные тестовые структуры в системе ICCAP 2
5. C_Gate_SD_m
ВЕРХНИЙ ЗАТВОР
СТОК+ИСТОК
( НИЖНИЙ ЗАТВОР
заземлён )
6. C_Gate_SDB_m
ВЕРХНИЙ ЗАТВОР
СТОК+ИСТОК+
НИЖНИЙ ЗАТВОР
7. C_Gate_D_m
ВЕРХНИЙ ЗАТВОР
СТОК
( ИСТОК+НИЖНИЙ
ЗАТВОР запитаны )
17
Результаты экстракции емкостных параметров
модели BSIMSOI
Ёмкость нижнего
интерфейса
Ёмкость
p-n-перехода
Ёмкость
оксида
18
Результаты экстракции емкостных параметров
модели BSIMSOI
Ёмкости перекрытия затвором
областей стока / истока
Ёмкость
Подложка-Рабочая
область
19
Результаты в области разработки SPICE моделей,
учитывающих радиационные эффекты, и экстракции их параметров
1.
Разработаны процедуры и методики учёта радиационных эффектов
(суммарная доза, импульсное воздействие, одиночные частицы) в
схемотехнической модели BSIMSOI3 и макромодели BSIMSOI-RAD
–
2.
3.
•
Для элементов 0,35-0,5 мкм КМОП КНИ СБИС точность моделирования
статических ВАХ 10-15%, динамических характеристик 10-25% в диапазоне
доз до 1,5 Мрад
В системе IC-CAP отработаны процедуры и методики экстракции
статических и динамических параметров моделей BSIMSOI3 и BSIMSOIRAD на основе заданного набора экспериментальных или рассчитанных
по TCAD I-V- и C-V-характеристик
Разработаны процедуры включения моделей п.п. 1 и 2 в программы
Spectre / UltraSim, содержащие дополнительно к стандартным, описание
функциональных зависимостей параметров моделей от величины
радиационной дозы
По работам п.п. 1-3 проведено обучение сотрудников предприятияЗаказчика
20
3. Формирование библиотеки моделей элементов
Перечень компонентов
H-МОПТ
R-МОПТ
N+
P+
N+
P+
N+
N+
…
База данных по
параметрам моделей
H-МОПТ
Библиотека
моделей
элементов
Spectre/
UltraSim
Зависимости параметров
от рад. воздействия
0,2
R-МОПТ
*
*
* -------------------------------------------------------------------------* --------------------------------------------------------------------------1,1
* Model card for BSIMSOI 3.2 n-type* devices
Model card for BSIMSOI 3.2 n-type devices
*
*
* Simulator: SPICE3f5
* Simulator: SPICE3f5
* Model: BSIMSOI3 Modeling Package
* Model: BSIMSOI3 Modeling Package
* Date: 18.10.2004
* Date: 18.10.2004
* Origin: ICCAP_ROOT/..../bsimsoi3/circuits/spice3/cir/nmos.cir
* Origin: ICCAP_ROOT/..../bsimsoi3/circuits/spice3/cir/nmos.cir
* -------------------------------------------------------------------------* -------------------------------------------------------------------------*
*
.MODEL BSIMSOI3_DC_CV_Extract
NMOS BSIMSOI3_DC_CV_Extract NMOS
.MODEL
0,9
+ LEVEL = 9
+ LEVEL = 9
+ SOIMOD = 2
+ SOIMOD = 2
+ VERSION = 3.2
+ VERSION = 3.2
+ PARAMCHK = 1
+ PARAMCHK = 1
+ BINUNIT = 0
+ BINUNIT = 0
+ CAPMOD = 2
+ CAPMOD = 2
+ MOBMOD = 1
+ MOBMOD = 1
+ NOIMOD = 1
+ NOIMOD = 1
+ SHMOD = 1
+ SHMOD = 1
0,7
+ IGMOD = 0
+ IGMOD = 0
+ TNOM = 27
+ TNOM = 27
1,2
…
VTH0
UB
U0
-0,5
0,9
-1,2
0,0
0,0
0,5
D / D0
0,5
0,6
D / D0
0,0
1,0
1,0
0,5
D / D0
1,0
21
Пример расчета цифровой схемы блока записи
в ячейки памяти БИС ОЗУ 512 кбит
переходные характеристики схемы
при различных значениях дозы
D=0
D=8∙104 → СБОЙ
Результаты моделирования подтверждаются данными радиационных испытаний
22
Примеры расчёта аналоговых схем
с помощью разработанных моделей
С помощью разработанной библиотеки моделей КНИ МОПТ,
содержащей зависимости основных параметров транзисторов от
дозы, проведено моделирование различных схемотехнических
решений аналоговых узлов КМОП СБИС КНИ на предмет их
радиационной стойкости:
•
•
•
•
•
усилительных каскадов на N- и P-МОПТ;
операционных усилителей (OTA1, OTA3);
компараторов (COMP_Z, Komparator_r) ;
источников опорного напряжения (ION, Bg_end_24);
аналоговых ключей.
23
Анализ характеристик типовых
каскадов аналоговых КМОП КНИ
узлов с учётом факторов
радиационного воздействия
N-МОПТ
Простейшие усилители на
N- и P-МОПТ
24
Анализ характеристик типовых фрагментов аналоговых КМОП
КНИ узлов с учётом факторов радиационного воздействия
ОУ с симметричным входным
каскадом rail-to-rail (OTA3) (44 МОПТ)
Vcм=2,5 В
Vcм=0
Vcм=5 В
25
Анализ характеристик типовых фрагментов аналоговых КМОП
КНИ узлов с учётом факторов радиационного воздействия
ОУ с симметричным входным
каскадом rail-to-rail (OTA3)
26
Анализ характеристик типовых фрагментов аналоговых КМОП
КНИ узлов с учётом факторов радиационного воздействия
Компаратор COMP_Z на базе ОУ OTA3 с
добавлением местной отрицательной
обратной связи, расширяющей диапазон
линейной работы
при больших входных сигналах
27
Анализ характеристик типовых фрагментов аналоговых КМОП
КНИ узлов с учётом факторов радиационного воздействия
ION —источник опорного напряжения на 1,25 В
(37 транзисторов)
28
ВЫВОДЫ
1.
2.
3.
4.
Разработаны и реализованы в среде ПО Sentaurus TCAD 2D и 3D модели
субмикронных элементов КМОП КНИ с учётом радиационных эффектов.
Разработаны процедуры и программы экспорта заданного набора ВАХ и ВФХ
в формат данных экстрактора IC-CAP
Разработана схемотехническая модель BSIMSOI-RAD на основе стандартной модели
BSIMSOI3, учитывающая радиационные эффекты. Для 0,35-0,5 мкм КМОП КНИ
транзисторов точность модели составляет 10-15% для статических ВАХ и 10-25% для
динамических характеристик в диапазоне доз радиации до 1,5 Мрад.
Для автоматизированной системы экстракции IC-CAP разработаны процедуры и
методики определения статических и динамических параметров моделей BSIMSOI3 и
BSIMSOI-RAD с учётом радиационных эффектов из результатов измерений ВАХ и
ВФХ и/или расчётов с помощью системы TCAD
Разработанные модели использованы для анализа радиационной стойкости
цифровых и аналоговых БИС и их схемотехнических узлов, в частности:
– выявлены «слабые» узлы в составе варианта цифровой БИС ОЗУ ёмкостью 512 кбит;
– проведён анализ влияния деградации параметров КМОП КНИ транзисторов на работу
типовых аналоговых узлов субмикронных КМОП СБИС КНИ (аналоговых ключей, различных
схем ОУ и компараторов, источников опорного напряжения и др.)
5.
Разработана и апробирована методика сквозного проектирования элементной базы
радиационно-стойких КМОП СБИС КНИ с помощью ПО TCAD, IC-CAP, Spectre.
•
Результаты работ, полученные в ходе выполнения НИР, переданы в НИИИС.
Проведено обучение сотрудников предприятия
29
Экспорт полученных емкостных характеристик в формат пакета
экстракции параметров схемотехнических моделей IC CAP
Для экспорта емкостных характеристик, полученных в TCAD, в
формат пакета экстракции параметров схемотехнических
моделей IC CAP необходимо использовать разработанный
нами скрипт на языке Tcl, выполняемый в среде Inspect.
30
Iout Iout 0
1,2
Эксперимент
Моделирование
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
200
400
600
D,800
крад
1000
Накопленная доза, крад(Si)
Схемотехническое моделирование
деградации выходного тока
источника тока в зависимости от
дозы стационарного облучения
Деградация коэффициента усиления, Ku/Ku0
Деградация выходного тока, Iout/Iout0
4. Примеры расчета схем с помощью
разработанных моделей
Av Av0
1,2
1,0
0,8
D=0
D=50 крад
D=100 крад
D=150 крад
D=200 крад
D=250 крад
Моделирование
0,6
0,4
0,2
0,0
1e+3
1e+4
1e+5
f , кГц
1e+6
Частота, Гц
Схемотехническое моделирование
деградации коэффициента
усиления ОУ в зависимости от
дозы стационарного облучения
31
Анализ характеристик типовых фрагментов аналоговых КМОП
КНИ узлов с учётом факторов радиационного воздействия
Bg_end_24 — источник опорного напряжения на 2,5 В (37
транзисторов)
32
Экстракция параметров макромодели
И
Зв
Mверх
BSOI3
С
КР
IФИи Р
MOS3
IФСи
IФСч
Зв
Mбок
Mнижн
Зн
MOS3
Макромодель BSIMSOI-RAD
Сток-затворные ВАХ КНИ МОПТ R-типа
33