1. SPICE –модели МОПТ КНИ/КНС
реклама
Тема разработка электронной версии учебного пособия «математическое моделирование элементов интегральных схем при радиационных воздействиях» Выполнила Авдеева Ольга Александровна Группа ЭК-91 1 Оглавление Введение………………………………………………………………………...3 1. Специальная часть 1.1 Подготовка обзора по SPICE-моделям МОП-транзисторов с учетом радиационных воздействий……………………………………………………5 1.2 Разработка оглавления и структуры учебного пособия……..……...….11 1.3 Техническое описание содержания глав учебного пособия…..……….16 1.4 Подготовка и тестирование примеров использования моделей МОПтранзисторов при расчете типовых фрагментов схем……………………...21 1.5 Результаты моделирования МОПТ в программе HSPICE……..….....…27 1.6 Анализ влияния радиационных эффектов на характеристики различных типов КМОП ИС………………………………………………………………34 1.7 Подготовка макета и окончательной версии учебного пособия…….....36 2. Конструкторско-технологическая часть 2.1 Выбор МОП- транзисторов со структурой КНИ/КНС для расчета радиационно-стойких КМОП ИС…………………………………………....39 2.2 Учет влияния дозовых и импульсных воздействий на характеристики МОП- транзисторов…………………………………………..…………….…40 2.3 Обработка текстового материала с использованием Microsoft Word....42 2.4 Создание обложки учебного пособия «Математическое моделирование элементов интегральных схем при радиационных воздействиях»…...…...44 3. Экологическая часть……………………………………………………….45 3.1 Исследование возможных вредных факторов при эксплуатации ЭВМ и их влияние на пользователя……………………………………………..……46 3.2 Эргономические требования к рабочим местам пользователя…….…52 2 3.3 Методы обеспечения электромагнитной безопасности….…………..…53 3.4 Нормативные санитарные требования к организации рабочего места………………………………………………………………………...…54 3.5 Рациональная организация труда и отдыха…………………………….58 4. Выводы по дипломной работе…….………………………………………61 Список литературы……………………………………………………………62 3 Введение В настоящее время разрабатывается электронная компонентная база для современной аэрокосмической и военной техники, ядерной энергетики, космической связи и телекоммуникаций и других специальных назначений. КМОП ИС и системы на кристалле на основе структуры «кремний на изоляторе» (КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС) являются основой таких систем. Для КМОП ИС производятся КНИ структуры, формируемые методом имплантации кислорода (SIMOX), имплантации водорода и термокомпрессионном сплавлении пластин (Smart Cut и Dele Cut), а также структуры, получаемые эпитаксией кремния на сапфировых подложках (КНС). Кроме высокой степени интеграции на п/п кристалле, высокого быстродействия, малого энергопотребления, они обладают повышенной радиационной стойкостью. Структуры КНИ/КНС не гарантируют высокий уровень радиационной стойкости без правильного применения специальных конструктивнотопологических методов и без использования специализированных САПР (система автоматизированного системотехническом уровне. проектирования), Необходимость в учёта том числе на радиационных эффектов на этапе проектирования усложняет задачу разработки. Это привело к развитию в России и за рубежом разработки проблемноориентированных подсистем САПР для радиационно-стойких схем (Radiation-Hardened CAD – RHCAD) и оптоэлектронных схем (ОЭС). В основном эти подсистемы встраиваются в существующие промышленные САПР ИС. Точность результатов проектирования зависит качества моделей элементов КМОП технологии, поэтому разработка изучения новых и улучшение существующих SPICE-моделей элементов радиационно-стойких КНИ/ КНС КМОП БИС является актуальной задачей. Для построения качественных SPICE-моделей необходимо исследовать процесс экстракции параметров этих 4 моделей. В существующих опубликованных работах процедуры экстракции параметров для приборов, подвергнутых радиационному воздействию, описаны не полно. Диплом посвящен исследованию схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких КМОП БИС со структурой КНИ / КНС, а также описанию методик определения (экстракции) их параметров на основе радиационных измерений. 5 1. Специальная часть 1.1 Подготовка обзора по SPICE-моделям МОП-транзисторов с учетом радиационных воздействий. 1. В работе Петросянца К.О. с соавторами [1] проведено сравнение SPICE-моделей КНИ/КНС BSIMSOI-RAD МОП-транзисторов и EKV-RAD, с учётом предназначенных радиационных для эффектов, по существенным критериям: набору учитываемых эффектов, количеству параметров, способу учёта эффектов плавающей подложки, процедуре экстракции параметров, времени моделирования. Показано, что при совпадающем наборе учитываемых эффектов макромодель EKV-RAD является предпочтительной. 2. В монографии Денисенко [2] содержится систематическое изложение принципов построения компактных моделей МОП-транзисторов для схемотехнического моделирования электронных цепей, в том числе СБИС. Рассмотрены проблемы моделирования, физические процессы в микро- и нанометровых МОП-транзисторах, методы формирования уравнений компактных моделей, особенности моделей BSIM, EKV, PSP, HiSIM и др., табличные модели, полунатурные модели. 3. Елесин с соавторами [3] представили результаты расчетно- экспериментальных исследований высокочастотных и шумовых свойств КНИ МОП-транзисторов и пассивных элементов отечественной “цифровой” КМОП КНИ-технологии с нормами 0.35 мкм. Авторами разработаны новые элементы, отсутствующие в составе библиотеки и необходимые для построения монолитных СВЧ функциональных блоков. В работе приведены результаты проектирования и экспериментальных исследований кристаллов генераторного, усилительного и смесительного функциональных блоков с рабочими частотами 1.2–1.65 ГГц. На основе анализа результатов расчетно-экспериментального моделирования подтверждена принципиальная возможность создания на отечественной 6 КМОП КНИ-технологии радиационно-стойкой монолитной БИС радиоприемного устройства спутниковой навигации с частотами 1.2–1.6 ГГц и уровнями стойкости до 10 12 ед./с и 10 6 ед. 4. Различные аспекты влияния радиационного эффекта на современные полупроводниковые материалы и приборы рассмотрены Claeys с эффектов в соавторами в [4]. 5. Методы и средства исследования радиационных интегральных оперативных запоминающих устройствах с использованием локального воздействия анализируются в диссертации Яненко [5]. 6. Способы моделирования воздействия эффектов накопленной дозы на операционные усилители изучены Baczuk [6]. 7. Wijnands с соавторами изучали ограничения в дизайне и концепции lhc системы контроля [7]. 8. В работе Johnston [8] обсуждаются эффекты радиационного повреждения в современных электронных и оптоэлектронных приборах. 9. Методы моделирования физических и электрических переходных процессов рассмотрены в работе [9]. 10. В работе Агаханяна с соавторами [10] исследованы доминирующие механизмы ионизационной усилителей (ИОУ) при реакции воздействии интеrpальных импульсноrо операционных ионизирующеrо излучения (ИИИ). Проанализировано влияние основных каскадов 110У на отклик выходного напряжения при воздействии ИИИ. Установлено, что отказ определяется промежуточными каскадами, причем время потери работоспособности зависит от типа коррекции. Составлены макромодели ИОУ, позволяющие прогнозировать воздействие переходных ионизационных эффектов. Обсуждается проблема выбора крите-риальных параметров для ИОУ при воздействии ИИИ. 11. Учебное пособие Зебрева Г.И. «Физические основы кремниевой наноэлектроники»[11] также представляет для нас большой интерес. Оно 7 посвящено описанию основных физических принципов, структур и методов моделирования, а также тенденций развития современной и перспективной кремниевой наноэлектроники с технологическими нормами < 100 нм. В пособии дается описание работы МОП-транзисторов, физических эффектах МОПТ, описание МОПТ со структурой КНИ и о проблеме токов утечки в наноэлектронных структурах. 12. Комплексный подход, посвящённый анализу задач оценки радиационной стойкости представлен группой учёных – Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Стриханов М.Н., Чумаков А.И., Борисов Ю.И., Синегубко Л.А., Яшанин И.Б., Борисов А.А., Телец В.А., Улимов В.Н.. [12] В данной работе авторами была детально рассмотрена проблемная ситуация в области прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники. 13. В книге [13] описаны особенности КМОП ИС и принципы их моделирования особенности радиационного воздействия, эффекты при воздействии стационарного ионизирующего и импульсного излучения, эффекты при воздействии отдельных ядерных частиц. 14. Першенкова В.С. с соавторам в книге «Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем» [14] раскрывает влияние поверхностных радиационных эффектов в структуре ДП (диэлектрикполупроводник) структурой МДП на свойства элементов интегральных микросхем со (металл-диэлектрик-полупроводник) и элементов биполярных интегральных микросхем. В книге рассмотрены физические модели, которые можно использовать при проектировании и создании интегральных микросхем, предназначенных для работы в условиях воздействия ионизирующего излучения. Проведен анализ источников излучений и обосновано применение моделирующих установок для исследования радиационных параметров интегральных микросхем 8 15. В работе Таперо К.И. с соавторами [15] описаны основные взаимодействия изменение ионизирующих электрофизических излучений параметров с полупроводниками; биполярных приборных структур вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении; дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и их влияние на характеристики полупроводниковых приборов и микросхем; особенности деградации биполярных приборов и микросхем при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения; одиночные события в изделиях электроники и микроэлектроники при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства. 16. В работах зарубежных авторов T. P. Ma, P. V. Dressendorfer, T. R. Oldham, J. R. Schwank, V. Ferlet-Cavrois, M. R. Shaneyfelt, P. E. Dodd и др. 2005г.[16] показаны физические модели радиационного облучения на электрические параметры КНИ/КНС ИС. 17. Компактная модель МОП-транзистора с учётом поглощённой дозы, а также программный модуль RAD, входящий в пакет программ Berkeley Reliability Tools (BERT) и предназначенный для SPICE-моделирования схем с учётом различных видов радиационного воздействия: суммарной поглощённой дозы, воздействия отдельных ядерных частиц, импульсного радиационного воздействия описана в работе Pavan P. et al. [17] (Калифорнийский университет в Беркли). 18. В совместных работах Данилова И. А., Зебрева Г. И., Горбунова М. С., Осипенко П. Н.[18] [19] (МИФИ, НИИСИ) представлена компактная модель TDESim, разработанная в виде модуля на языке Verilog-A и учитывающая эффекты сдвига порогового напряжения и деградации подвижности. 19. Jianhui et al. [20] (Институт микроэлектроники Китайской академии наук) представили макромодель на основе модели BSIMSOI, в которой учтена деградация порогового напряжения, подвижности и тока утечки 9 неполностью обеднённого n-канального КНИ МОП-транзистора при изменении напряжения контакта к рабочей области. Используется упрощённая линейная зависимость порогового напряжения и подвижности от дозы; параллельно стоковому p-n-переходу. 20. Схемотехническая модель для 0.8 мкм EKVS КНС МОПТ, учитывающая кинк-эффект, представлена в работе Кокина С. А. и др.[21]. Однако в ней не приведены зависимости, учитывающие дозовые эффекты и методика определения параметров модели. 21. Компактная модель КНИ МОПТ, представленная в работе Alvarado et al. (Лувенский [22] Католический университет), учитывает возникновение переходных токов при воздействии ОЯЧ (с учётом электрического и температурного режима транзистора), а также дозовую деградацию порогового напряжения и подвижности (без учёта электрического режима). Модель воздействия ОЯЧ разработана с использованием Verilog-A в виде управляемого источника тока, подключаемого к экземпляру основного транзистора (используется модель BSIMSOI) между выводами истока и контакта к рабочей области. Однако в этой модели есть ряд недостатков. Не учтено накопление заряда в слое захороненного оксида и на границе раздела между захороненным оксидом и рабочей областью и возникающие при этом дополнительные токи утечки. Также не учтено влияние электрического режима при стационарном облучении. Конкретный способ реализации модели дозовой деградации параметров транзистора не указан. Методика определения радиационно-зависимых параметров модели не описана. Вывод: Проанализировав моделирование публикации элементов по моей интегральных теме схем «Математическое при радиационных воздействиях» я пришла к выводу, что научно- технической доступной литературы по данной тематике чрезвычайно мало, поэтому создание учебного пособия привлечет к этой проблеме максимальное количество 10 студентов и специалистов. До тех пор пока в микроэлектронике будут использоваться КМОП ИС тема останется актуальной для дальнейших разработок и совершенствований. 11 1.2 Разработка оглавления и структуры учебного пособия. Структура учебного пособия «математическое моделирование элементов ИС с учетом радиационных воздействий». Введение SPICE –модели МОПТ КНИ/КНС Конструкции МОПТ со структурой КНИ/КНС Влияние дозовых, импульсных радиационных эффектов и ОЯЧ на характеристики МОПТ SPICE- модели МОПТ КНИ/КНС для расчета радиационностойких КМОП БИС Экстракции параметров для КМОП ИС со структурой КНИ/КНС Расчет по программе SPICE типовых фрагментов КМОП ИС с учетом радиационных воздействий на конкретных примерах Заключение 12 Разработка оглавления учебного пособия 1. введение 2. Обзор по SPICE- моделям МОП- транзисторов с учетом радиационных воздействий 3. Структура учебного пособия «математическое моделирование элементов ИС с учетом радиационных воздействий». 1. SPICE –модели МОПТ КНИ/КНС 1.1 Схемотехнические Spice-модели КНИ/ КНС МОПТ 1.2 Модель BSIMSOI 1.3 Модель UFSOI 1.4 модель SOI / SOS-MIEM 1.5 Модель FDSOI 1.6 Модель EKV 1.7 Модель SOSFET 1.8 Области применения моделей. 2. Конструкции МОПТ со структурой КНИ/КНС для расчета радиационно-стойких КМОП ИС 2.1 Многоуровневое моделирование дозовых эффектов в приборах КНИ КМОП технологии 2.2 Конструктивно-топологические решения для ИМС, применяемых в условиях воздействия ионизирующего излучения 13 3.Влияние дозовых, импульсных радиационных эффектов и ОЯЧ на характеристики МОПТ 3.1 Структура модели SOI /SOS-MIEM с учётом эффектов плавающей подложки и радиационного воздействия 3.2 Учёт эффектов плавающей подложки 3.3 Учёт эффектов воздействия стационарного радиационного излучения 3.4 Учёт эффектов импульсного воздействия 3.5 Учёт эффектов воздействия ОЯЧ 3.6 Структура моделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD с учётом эффектов радиационного воздействия 3.7 Учёт кинк-эффекта в модели EKV-RAD 3.8 Учёт эффектов воздействия стационарного радиационного излучения 3.9 Учёт эффектов воздействия радиационного импульса и ОЯЧ 4. SPICE – модели МОПТ КНИ/КНС для расчета радиационностойких КМОП БИС. 4.1 Введение 4.2 Назначение 4.3 Подход к учёту радиационных эффектов 4.4 Модель SOI /SOS-MIEM для длинноканальных МОП-транзисторов со структурой КНИ / КНС. 4.4.1 Краткая характеристика 4.5 Структура макромодели с учётом эффектов плавающей подложки и радиационного воздействия 4.6 Модели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных МОПтранзисторов со структурой КНИ / КНС 4.6.1 Краткая характеристика базовой модели BSIMSOI 14 4.6.2 Краткая характеристика базовой модели EKV 5. Экстракции параметров для КМОП ИС со структурой КНИ/КНС 5.1 Обобщённая блок-схема процесса экстракции 5.2 Особенности методики экстракции параметров 5.3 Процедуры экстракции параметров разработанных моделей 5.4 Процедура экстракции параметров разработанных макромоделей для случая стационарного излучения 5.4.1 Стандартная процедура экстракции параметров базового и паразитных транзисторов макромодели 5.4.2 Особенности модифицированной процедуры определения набора параметров модели базового и паразитных транзисторов макромодели с учётом воздействия стационарного радиационного излучения 5.4.3 Определение коэффициентов аппроксимирующих зависимостей радиационно -зависимых параметров модели базового и паразитных МОП-транзисторов макромодели от полученной дозы 5.5 Процедура экстракции параметровмодели SOI/SOS-MIEM для случая стационарного излучения 5.5.1 Определение параметров модели для необлучённых транзисторов 5.5.2 Определение параметров модели с учётом стационарного облучения 5.6 Процедура определения параметров моделей для случая импульсного облучения 5.7 Сравнение макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD по количеству параметров и времени их экстракции 15 6. Расчет по программе SPICE типовых фрагментов КМОП ИС с учетом радиационных воздействий на конкретных примерах 6.1 Результаты моделирования МОПТ в программе HSPICE 6.2 Анализ влияния радиационных эффектов на характеристики различных типов КМОП ИС. Заключение 16 1.3 Техническое описание содержания глав учебного пособия. В разделе 1 «SPICE–модели МОПТ КНИ/КНС» я рассматривала наиболее известные модели МОПТ, а именно: BSIMSOI, UFSOI, SOI/SOS- MIEM, FDSOI, EKV. Эти модели являются связующим звеном между технологическим и схемотехническим моделированием: − BSIMSOI совместной разработки Калифорнийского университета в Беркли и компании IBM, США (реализована во многих современных САПР); − UFSOI разработки Флоридского университета, США (реализована в программах HSPICE и SOISPICE); − SOI / SOS-MIEM разработки Московского государственного института электроники и математики, Россия (макромодель для Spice); − FDSOI совместной разработки Университета Балеарских островов, Испания, и Лёвенского Католического университета, Бельгия реализована в программе IsSpice4); − EKV разработки Швейцарского федерального технологического института, Швейцария (реализована во многих современных САПР), и др. Области их применения: - UFSOI преимущественно в исследовательских проектах субмикронной и ультрасубмикронной технологии; - BSIMSOI преимущественно в практических проектах субмикронной и ультрасубмикронной технологии, в том числе при меняющейся степени обеднения; 17 - SOI / SOS-MIEM в практических проектах микронной и субмикронной технологии; в частности, для моделирования ионизационной реакции на радиационное воздействие; - FDSOI даёт наилучший результат при расчёте микромощных аналоговых схем и схем на переключательных конденсаторах (только на полностью обеднённых транзисторах); - EKV возможно использовать для предварительного расчёта субмикронных аналоговых и смешанных схем (только на полностью обеднённых транзисторах); - SOSFET – целесообразность использования под вопросом В разделе 2 «Конструкции МОПТ со структурой КНИ/КНС для расчета радиационно-стойких КМОП ИС» описывается многоуровневое моделирование дозовых эффектов и конструктивно- топологические решения для ИМС, применяемых в условиях воздействия ионизирующего излучения. Выделяют уровни: - системный - регистровый - логический - схемотехнический - приборно-технологический (компонентный, физический) В конструктивно- топологических решениях можно найти подррробную информацию о том, как реализуют контакт к телу. Есть 2 основных подхода: 1) с жёсткой привязкой тела к истоку (транзисторы A-типа) 2) и с возможностью произвольной коммутации тела (транзисторы Hтипа). 18 В разделе 3 «Влияние дозовых, импульсных радиационных эффектов и ОЯЧ на характеристики МОПТ» изложен материал по учету эффектов воздействия плавающей подложки, стационарного радиационного излучения, импульсного радиационного воздействия и влияния отдельных ядерных частиц на характеристики МОПТ. При воздействии стационарного радиационного излучения используют наиболее хорошо разработанные физические модели накопления заряда в структуре МОПТ и диэлектрических слоях дырочного заряда: в слоях диэлектрика Qot (oxide traps) и увеличению плотности поверхностных состояний на границах раздела кремний–диэлектрик Qit (interface traps). Величина и локализация заряда дырок определяется величиной и полярностью напряжения на затворе и на стоке транзистора в момент облучения. Для импульсного излучения модель SOI /SOS-MIEM учитывает следующие эффекты: -ухудшение переходных характеристик в динамическом режиме; -смещение потенциала активной области, приводящее к кинк-эффекту в статическом режиме (в случае плавающей активной области); -усиление первичных фототоков паразитным биполярным транзистором, встроенным во внутреннюю часть модели (в случае плавающей активной области). Для учета усиления первичного тока при воздействии ОЯЧ в рабочей области в модель включен биполярный транзистор (база подключена к выводу Р, коллектор к С, эмиттер к И). В раделе 4 « SPICE модели МОПТ КНИ/КНС для расчета радиационностойких КМОП БИС» подробно описан подход к учету радиационных эффектов. 19 1) доминирующими радиационными эффектами являются: - накопление зарядов в тонком подзатворном и толстых изолирующих оксидах; - резкое увеличение предпороговых токов утечки по нижней и боковым граням кремниевой рабочей области; - попадание в объём структуры транзистора отдельных заряженных и нейтральных частиц. 2) в основе метода учета дополнительных эффектов лежит макромоделирование и введение в модель аппроксимирующих выражений. Раздел 5 «Экстракции параметров для КМОП ИС со структурой КНИ/КНС» ознакомит с особенностями методик экстракции параметров, процедурой экстракции для случая стационарного и импульсного излучения, стандартной процедурой экстракции а также модифицированной процедурой набора параметров модели транзисторов. Процедура экстракции выглядит следующем образом: 1) определяется набор параметров модели, затем базового транзисторов макромодели для случая необлучённого. 2) из полного набора параметров модели выбирается ограниченный перечень радиационно-зависимых параметров. 3) для каждого уровня полученной дозы Di определяются параметры: Vпор(Di), μ(Di), S(Di) с учётом электрического режима транзисторов во время облучения. 4) с помощью программы оптимизации табличные функции зависимости Vпор(D), μ(D), S(D) аппроксимируются аналитическими функциями вида a1 [1 – exp(–a2D)] 20 5) полученные аналитические функции включаются в описание SPICEмакромодели МОПТ; 6) макромодель МОПТ, содержащая радиационно-зависимые параметры, включается в состав библиотеки моделей. Раздел 6 «Расчет по программе SPICE типовых фрагментов КМОП ИС с учетом радиационных воздействий на конкретных примерах» покажет наглядное действие радиационного импульса и радиационной дозы на КМОП транзисторы. 21 1.4 Подготовка и тестирование примеров использования моделей МОП- транзисторов при расчете типовых фрагментов схем. При подготовке схем для расчетов МОП - транзисторов я выбрала три различных типа схем, обладающих различными свойствами. 1. Усилительный каскад с общим истоком - comm_sou_n на рисунке 1 приведена электрическая схема усилительного каскада с общим истоком. На вход подается синусоидальный сигнал со следующими параметрами: амплитудой 40 мВ, частотой 2 кГц, средней линией 1,5 В. рис.1 электрическая схема n-МОПТ Свойства : - большое входное сопротивление упрощает его координирование с высокоомным источником сигнала; - для усиления слабых сигналов необходим меньший коэффициент шума; - у режима покоя большая собственная температурная стабильность. 22 2. Источник опорного напряжения ref125. На рисунке 2 приведен источник опорного напряжения, поддерживающий на своём выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение. Рис. 2. Схема электрическая принципиальная источника опорного напряжения 1,25 В Свойствами источника является: 23 - номинальное выходное напряжение - UВЫХ; - выходное динамическое сопротивление rВЫХ - температурная TKU ВЫХ 1 U ВЫХ нестабильность U ВЫХ I ВЫХ выходного U ВЫХ : T - коэффициент влияния источника питания К ВИП 3. напряжения 1 U ВЫХ U ВЫХ : U ПИТ Операционный усилитель с токовым дифференциальным выходом OTA1. Принципиальная схема приведена на рис.3. Схема имеет два противофазных выхода Vop, Von. На вход подается дифференциальное синусоидальное напряжение и напряжение смещения Vсм=0В. Одним из свойств является то, что в дальнейшем мы можем снимать показания только с одного выхода Vop, т.к. поведение обеих выходов идентичное. 24 Рис. 3 Схема электрическая ОУ «OTA» 25 Эти схемы были просчитаны в программе HSPICE без воздействия радиации и получены электрические характеристики для них. 1. На рисунке 4 показан синусоидальный сигнал без радиационного излучения. рис. 4 смоделированный график нормального режима работы усилительного каскада 2. При обычном режиме работы подается линейный сигнал - это хорошо видно на рисунке 5. Рис.5 смоделированный график работы МОПТ источник опорного напряжения ref125 без радиационного излучения. 26 3. Операционный усилитель ota1 рис.6 Рис. 6 смоделированный режим работы МОПТ без радиационного воздействия. А то как действует радиация, мы будем рассматривать в следующем пункте . 27 1.5 Результаты моделирования МОПТ в программе HSPICE. Рассмотрим действие импульсного радиационного излучения и дозового радиационного излучения на конкретных примерах МОПТ. Мы подаем импульсное излучение силой 5e5, 5e7 и 5e10(рад/с), дозовое D= 100,300, 1000k (рад). 1. На усилительный каскад с общим истоком действует импульс = 5e5(рад/с) рис.7. Рис. 7 смоделированный импульсный скачок 5е5(рад/с). Далее зададим импульс = 5e7(рад/с) см. рис. 8. Рис.8 смоделированный импульсный скачок 5е7(рад/с). 28 А теперь импульс = 5е10(рад/с) рис. 9. Рис. 9 смоделированный импульсный скачок 5е10(рад/с). Облучаем усилительный каскад с общим истоком рад. дозой. Это показано на рисунке 10. Рис. 10 Изменение характеристик простого усилительного каскада с общим истоком при разных дозах D= 100,300, 1000k (рад). 29 2. Далее облучаем источник опорного напряжения импульсным радиационным излучением силой 5e5, 5e7 и 5e10(рад/с) и дозовым D= 100,300, 1000k (рад). На рисунке 11 мы видим, как действует импульс 5е5(рад/с) на МОПТ. Рис. 11 смоделированный рад. импульс 5е5(рад/с) Импульс = 5е7(рад/с) рис. 12 Рис. 12 смоделированный радиационный импульс 5е7(рад/с) 30 Импульс = 5е10(рад/с) При радиационном воздействии расчет завершился с ошибкой рис. 13. Рис. 13 смоделированный радиационный импульс 5е10(рад/с) Подаем на источник опорного напряжения D= 100k (рад) рис.14 Рис. 14 смоделированное выходное напряжение D= 100k (рад) 31 Доза D= 300k (рад) рис. 15 Рис. 15 смоделированное выходное напряжение D= 300k (рад) Доза D= 1000k (рад) рис. 16 Рис. 16 смоделированное выходное напряжение D= 300k (рад) 32 И в завершение эксперимента облучаем операционный усилитель с токовым дифференциальным выходом ota1 импульсным радиационным излучением силой 5e5, 5e7 и 5e10(рад/с) и дозовым D= 100,300, 1000k (рад). Задаем рад. импульс = 5е5(рад/с) рис.17 Рис. 17 смоделированный радиационный импульс = 5е5(рад/с) Рад. импульс = 5е7(рад/с) ). При радиационном воздействии расчет завершился с ошибкой рис.18 Рис. 18 смоделированный радиационный импульс = 5е7(рад/с) 33 Рад. импульс = 5е10(рад/с). При радиационном воздействии расчет завершился с ошибкой рис.19 Рис. 19 смоделированный радиационный импульс = 5е10(рад/с) Подаем на операционный усилитель рад. дозу рис.20 Рис.20 Смоделированное выходное напряжение Vop ОУ ОТА1 при подаче на вход дифференциального синусоидального напряжения и напряжения смещения Vсм=0 В при различных дозах облучения D= 100,300, 1000k (рад). 34 1.6 Анализ влияния радиационных эффектов на характеристики различных типов КМОП ИС. 1)Проведем анализ влияния импульсного и дозового радиационного излучения для типов «Усилительные каскады» на нашем примере усилительный каскад с общим истоком. При подаче радиационного импульса происходит отклонение тока стока от своей изначальной величины, определяется это изменением смещения на затворе, сдвигом напряжения отсечки и изменением статической крутизны характеристики. На графиках наглядно видно время скачка радиационного импульса, соответственно мы видим сколько времени понадобится транзистору для восстановления своей работоспобности см. рис. 7,8,9. При 5е5 (рад/с) мы фиксируем время импульса Δt= 62.754n, 5е7 (рад/с) Δt= 170.2n, 5e10 (рад/с) Δt= 230.22n из этого мы можем сделать вывод, что чем больше импульс, тем больше время восстановления транзистора. При облучении дозой изменяется только смещение входного напряжения, оно увеличивается, но при этом остальные параметры (амплитуда, ширина, высота) остаются стабильными это хорошо видно на рис. 10. А значит, что никаких серьезных последствий для транзистора такой тип облучения не несет. 2) проанализируем работу опорного напряжения типа 1,25В. При подаче радиационного импульса будет происходить ухудшение переходных характеристик в динамическом режиме см. рис. 11,12,13, смещение потенциала активной области. При 5е5 (рад/с) Δt= -1.4984u, 5е7 (рад/с) Δt= 1.3698u, 5e10 (рад/с) расчет в программе HSPICE завершился с ошибкой. По результатам подачи радиационной дозы (см. рис. 14,15,16) сделать следующие выводы: 35 можно - источник опорного напряжения сохраняет работоспособность в диапазоне доз до 1000k(рад) и больше, - максимальное изменение величины выходного напряжения у источника 1,25 В не превышает 1,2 В в диапазоне доз до 1000k(рад), - в диапазоне поглощенных доз ухудшаются их динамические характеристики (наблюдается более длительное включение). 3) Тип «аналоговых узлов» мы рассматриваем на примере операционный усилитель с токовым дифференциальным выходом OTA1. При импульсном радиационном излучении равном 5е5(рад/с) см. рис. 17 происходит многократный импульсный скачок, общее время которого составляет Δt= 260.23n усилитель приходит в нормальный режим работы, но при увеличении импульса 5е7 и 5е10(рад/с) расчет завершается с ошибкой. Отсюда мы можем сделать вывод, о том что OTA1очень сильно чувствителен к этому типу излучения. При облучении дозой (см. рис. 20) ОУ ОТА1 можно сделать вывод, что при среднем обнаруживается (Vсм близко совместное к половине влияние порогового напряжения n-канальных порогового напряжения р - двух 36 процессов: транзисторов канальных. незначительно увеличивается с дозой. напряжения питания) уменьшение и Коэффициент увеличение усиления 1.7 Подготовка макета и окончательной версии учебного пособия. Основные требования к созданию учебного пособия содержат: 1. Размер бумаги и поля. - формат А4, книжная ориентация -Поля: верхние 2 см, нижние 2см, левая 2.5 см, правая 2.5 см. -Колонтитулы: верхние 1.25см нижние 1.25см 2. Шрифт. Основной текст учебного пособия набирается шрифтом Times New Roman, высотой 12 межстрочный интервал – 1.5. 3. Последовательность размещения и оформления элементов пособия. Переносы запрещены. Название раздела: шрифт Times New Roman полужирный 12 pt. межстрочный интервал 1.5 строки. Выравнивание текста по центру. Точка в конце названия раздела не ставится. Авторы отделяются друг от друга запятой. После запятой - пробел. Пробел так же ставится между инициалами, инициалы отделяются от фамилии пробелом. Шрифт Times New Roman полужирный 12 pt. Межстрочный интервал – «одинарный». Выравнивание текста по центру (И. О. фамилия) После списка авторов пропуск одной строки. После аннотации пропуск одной сроки. Основной текст. Times New Roman 12 pt. Выравнивание по ширине. Начало абзадца – отступ 0.5см. межстрочный интервал – «двойной». Буквы латинского алфавита выделяются курсивом. Не выделяются буквы, входящие в собственные имена, обозначение стандартных математических функций и математических элементов. Греческие буквы пишутся прямым шрифтом. Ссылки на литературу даются в квадратных скобках: [3], ссылки на формулы в круглых скобках (3). В статье используется общепринятые термины, единица измерения и условные обозначения. Сокращения слов допускается, в конце раздела, список условных сокращений, допускается также принятые сокращения 37 единиц измерения. Единицы измерения пишутся в русской транскрипции. В знаменателе единицы измерения записываются в виде отрицательной степени. Постановка дефисов и тире осуществляется по следующим правилам: Дефис (-) ставится в сложных словах, при обозначении интервалов, например 1975-85гг. и т.д. Следует обратить внимание на особенности набора следующих символом: знак <градус> набирается вставка – символ -0; Для того,чтобы набрать формулу используем стандартное меню Microsoft Equation или Math Type Equation. Величина вектора записывается обычным курсивом и обозначается стрелочкой сверху. Все эти правила должны соблюдаться как в тексте, так и в подписях к рисункам. Нумерация формул дается справа в круглых скобках:(3). Выравнивание по 4. Правила Иллюстрации (рисунки, графически правому краю. оформления фотографии выразительны, при )- рисунков. черно- печати белые, на наглядные бумагу- четкие. Разнохарактерные иллюстрации необходимо приводить к единому стилю графического исполнения, соблюдая единообразие их оформления, надписей Приемлемые и векторные условных редакторы :World обозначений. ,CorelDRAW, Exel. Растровые изображения (черно-белые) , разрешение 600 dpi. Полутоновые (фото) 200 Графические dpi. форматы TIF, JPEG,EPS. Размеры рисунков: - простые рисунки (2-3 кривые): 8 (высота) х8(ширина ) см (_+1); - сложные (много информации ) могут быть большего размера ,но с учетом того, чтобы рисунок и подпись располагались на одной странице . Ширина рисунка в этом случае 38 16 см Оформление 5. списка литературы. Шрифт Times New Roman 11pt. Межстрочный интервал – одинарный. Литературные ссылки приводятся в конце статье в порядке их упоминание в тексте. Иностранные фамилии даются в тексте в русском транскрипции, а в ссылке – в 39 транскрипции издания. 2. Конструкторско-технологическая часть 2.1 Выбор МОП- транзисторов со структурой КНИ/КНС для расчета радиационно-стойких КМОП ИС. Для того чтобы убедится правильно ли мы выбрали структуру МОП транзисторов сравним объемный кремний и структуру кремний на изоляторе (рис. 21). Рис.21 Схема структуры МОП–транзисторов, на объемном кремнии (а) и по технологии КНИ (б). Преимущества структуры кремний на изоляторе: 1. Изоляция элементов ИС между подложкой и диэлектриком надежней, чем изоляция p– n–переходом, т.к. позволяет поднять верхний предел рабочих температур от 120–150C для обычной технологии до 300–400C. 2.При изоляции диэлектриком не возникает необходимости в создании изолирующих канавок между соседними элементами, что позволяет повысить плотность упаковки элементов в 1,5–3раза и исключить из процесса несколько литографических этапов. 3. КНИ устройства обладают намного большей радиационной стойкостью, особенно важной для применения электроники в космической и атомной 40 технике. Это связано с тем, что в таких ИС рабочий сбой, вызванный нештатным пробоем между истоком и стоком, происходит только при попадании ионизирующей частицы непосредственно в область канала, а ионизация в остальной подложке незначительна. Отсюда мы делаем вывод, что структура КНИ наиболее удобна и самое важное более устойчива к радиационным воздействиям, поэтому мы ее и выбираем. 2.2 Учет влияния дозовых и импульсных воздействий на характеристики МОП- транзисторов. При воздействии радиационного излучения на МОПТ меняются их статические и динамические характеристики. Наибольшее влияние на эти параметры ИС и МДП – схем являются следующие факторы: - сдвиг порогового напряжения и вольт-фарадных характеристик транзисторов, - уменьшение крутизны вольт-амперной характеристики транзисторов - возникновение паразитных токов утечки. Так же схемотехническая модель должна учитывать наличие паразитных транзисторов с параметрами, зависящими от полученной дозы облучения. Облучение дозой приводит к: - образованию и накоплению дырочного заряда в слоях диэлектрика (окисла) - увеличению плотности поверхностных состояний на границах раздела кремний-диэлектрик. - тому, что величину и локализацию дырок определяем величиной и полярностью напряжения на затворе и на стоке транзистора в момент облучения. 41 42 2.3 Обработка текстового материала с использованием Microsoft Word. Для обработки учебного материала был выбран программный продукт Microsoft Word 2010, позволяющий создавать печатные документы, производить их коррекцию и предпечатную подготовку. Microsoft Word 2010 является наиболее популярным из используемых в данный момент текстовых процессоров, и многие конкурирующие программы имеют поддержку совместимости с данным форматом. Данная программа выбрана потому, что позволяет в достаточно короткие сроки отредактировать большое количество текстового материала в необходимом стиле. Microsoft Word 2010, так же как и многие современные продукты этого класса, содержит средства разделения структурой и содержания документа от средств форматирования и оформления. Данная концепция реализуется через стили. Стили Microsoft Word 2010 дают возможность производить настройку параметров форматирования, как для символов, так и для абзацев. Для символов могут быть заданы необходимые шрифты, размеры шрифта, свойства шрифта ( полужирный, курсив, подчеркнутый), цвет шрифта, межсимвольный интервал, величина пробелов и различные эффекты (все прописные, верхний и нижний индексы, скрытый текст и другое). В оформлении абзацев можно менять выравнивание, интервал до и после абзаца, добавлять нумерацию и маркеры, менять обрамление и заливку абзаца. Для оформления основного текста используется стиль «Обычный», а для оформления заголовков удобно использовать специальный абзацный стиль. В этом стиле задается выравнивание, тип, начертание и размеры шрифта, а затем созданный стиль просто применяется ко всем нужным 43 заготовкам документа. Стили позволяют добиться единства оформления разных фрагментов документа. В одинаковом стиле выделяются одинаковые с точки зрения структуры элементы. Когда документ готов легко можно поменять оформление, например, всех заголовков одного уровня. Возможно создать стиль самостоятельно и использовать его для работы с будущими документами. Новый стиль можно создать на основе уже отформатированного фрагмента текста. Для этого выделенный фрагмент текста или абзац оформляется нужным образом с помощью кнопок панели форматирования, а затем по образцу данного фрагмента создается стиль. 44 2.4 Создание обложки учебного пособия «Математическое моделирование элементов интегральных схем при радиационных воздействиях» Для учебного пособия «Математическое моделирование элементов интегральных схем при радиационных воздействиях» было необходимо разработать иллюстрированную обложку. Была проведена работа по анализу обложек подобных современных учебных пособий. При разработке обложки данного учебного пособия были выполнены следующие операции: - подбор и обработка графического материала в соответствии с тематикой учебного пособия; - выбор конечного варианта из нескольких созданных; - разработанная модель обложки форматировалась в соответствии с типографскими требованиями твердого переплета для формата А4; - для удобства печати конечная версия обложки была переведена в формат PDF. 45 4. Выводы по дипломной работе: Общим итогом является разработка электронной версии учебного пособия «Математическое моделирование элементов интегральных схем при радиационных воздействиях»: В процессе выполнения дипломной работы были решены следующие задачи: 1. подборка отечественных и зарубежных публикаций 2. тестирование примеров использования моделей МОП- транзисторов при расчете типовых фрагментов схем 3. моделирования МОПТ в программе HSPICE 4. создание обложки учебного пособия 46 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Cравнительный анализ SPICE-моделей КНИ/КНС МОП-транзисторов для учёта радиационных эффектов, Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М., Сборник научных трудов 15-ой Российской научнотехнической конференции «Электроника, микро и наноэлектроника» (г. Суздаль, 25 – 28 июня 2013 г.), с. 303-309, М.: НИЯУ МИФИ, 2013. 2. [ Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике, Денисенко В. В. ФИЗМАТЛИТ, 2010] 3. [Исследование возможности разработки радиационно-стойких бис навигационного назначения по отечественной кмоп кни технологии с нормами 0.35 мкм, В. В. Елесин, Г. Н. Назарова, Г. В. Чуков, Ю. А. Кабальнов , А. А. Титаренко, Микроэлектроника, 2012, том 41, № 4, с. 291– 303] 4. [C. Claeys E. Simoen, Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materials and Devices, Springer. 2002] 5. [Яненко А. В., Методы и средства исследования радиационных эффектов в интегральных оперативных запоминающих устройствах с использованием локального воздействия, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2009] 6. [R. L. Baczuk, PSPICE simulation of total dose effects on composint fnd single operational amplifiers, Naval Postgraduate School, Monterrey, California, 1994] 7. [T. Wijnands, C. Pignard, A. Presland, R.Rausch, A.Tsoulou, Proceedings of ICALEPCS 2003, Gyeongju, Korea, Radiation constraints in the design and conception of lhc control systems, pp 232-236] 47 8. [A. H., Radiation Damage of Electronic and Optoelectronic Devices in Space. 4th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Application, Tsukuba, Japan, October 11-13, 2000] 9. [ L. Artola, G. Hubert, T. Rousselin. Single-event latchup modeling based-on coupled physical and electrical transient simulations in cmos technology. NSREC 2014, Jul 2014, PARIS, France] 10. [Т. М. Агаханян, А. Ю. Никифоров, Прогнозирование эффектов воздействия импульсного ионизирующего излучения на операционные усилители, Микроэлектроника, 2002, том 31, М 6, с.441...451] 11. [ Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 288с.] 12. [Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Стриханов М.Н., Чумаков А.И., Борисов Ю.И., Синегубко Л.А., Яшанин И.Б., Борисов А.А., Телец В.А., Улимов В.Н. с темой «Базовая технология прогнозировая, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники». 2009 г. ] 13. [Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. «Радиационные эффекты в КМОП ИС» УДК 621.3.049.77 М. Радио и связь, 1994 г. 164 с.] 14. [«Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем» авторов Першенкова В.С., Попова В.Д., Шальнова А.В. М.: Энергоатомиздат, 1988, 256 с.] 15. [«Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения» Таперо К.И., Улимова В.Н., Членова А.М. М.: 2009 г. — 246 с.] 16. T. P. Ma, P. V. Dressendorfer, T. R. Oldham, J. R. Schwank, V. FerletCavrois, M. R. Shaneyfelt, P. E. Dodd и др. 2005г. 48 17. P. Pavan, R. H. Tu, E. R. Minami, G. Lum, P. K. Ko, C. Hu A complete radiation reliability software simulator // IEEE Trans. on Nuclear Science. – 1994. – Т. 41. – С. 2619–2630 18. Данилов И. А. и др. Разработка программных средств моделирования имс с повышенной стойкостью к внешним воздействующим факторам космического пространства //Информационные системы и технологии. – 2011. – Т. 63. – №. 1 19. Gorbunov M. S. et al. Verilog-A Modeling of Radiation-Induced Mismatch Enhancement //Nuclear Science, IEEE Transactions on. – 2011. – Т. 58. – №. 3. – С. 785-792; 20. Bu Jianhui, Bi Jinshun, Liu Mengxin, Han Zhengsheng A total dose radiation model for deep submicron PDSOI NMOS // Journal of Semiconductors. – 2011. – Т. 32. – № 1. – С. 014002-1 – 014002-3; 21. Кокин С.А. и др. Разработка математической и программной модели транзистора для радиационно-стойкой технологии 0.8 КНС // Материалы Научно-практического семинара «Проблемы создания специализированных рад.-стойких СБИС на основе гетероструктур». – г. Н. Новгород, 2012 г. 22. J. Alvarado, E. Boufouss, V. Kilchytska, D. Flandre Compact model for single event transients and total dose effects at high temperatures for partially depleted SOI MOSFETs // Microelectronics Reliability. – 2010. – Т. 50. – С. 1852–1856; 23. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%EE%EC%EF%FC%FE%F2%E5%F0 24. СанПиН 2.2.2.542-96. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. 49 25. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (Охрана труда). Учеб. пособие для вузов/П.П. Кукин, В.Л. Лапин, Н.Л. Пономарев и др. — 4-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2007. — 335 с. 26. Маньков В.Д. Обеспечение безопасности при работе с ПЭВМ. СПб:Изд-во Политехника. 2004. 280 с. 27. Требования к освещению прописаны в действующих нормах к естественному и искусственному освещению, утвержденных Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 08.04.2003 N 34 "О введении в действие СанПин 2.2.1/2.1.1.1278-03". 50
