На правах рукописи УДК 004.942: 621.382.323

САМБУРСКИЙ ЛЕВ МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ

SPICE-МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ

И ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ КМОП БИС

СО СТРУКТУРОЙ КНИ / КНС

Специальность 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва 2013 г.

2

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образователь-ном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследова-тельском университете «Высшая школа экономики» и Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем проектирования в микроэлектро-нике Российской академии наук.

Научный руководитель: Петросянц Константин Орестович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Электроники и наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭ

Официальные оппоненты:

Стенин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры Электроники НИЯУ МИФИ

Савченко Евгений Матвеевич, кандидат технических наук, начальник Центра проектирования ОАО «НПП „Пульсар“»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное уч-реждение науки Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук (НИИСИ РАН).

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 11 часов 00 минут на заседании диссерта-

ционного совета Д.002.078.01 при Федеральном государственном бюджетном учреж-дении науки Институте проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН) по адресу: Российская Федерация, 124365, г. Москва, Зеленоград, Советская ул., д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИППМ РАН, с авторефера-том – на сайте ИППМ РАН www.ippm.ru.

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г. Учёный секретарь диссертационного совета, к. т. н., доц. М. М. Жаров

3

Общая характеристика работы Актуальность темы. Важнейшим видом электронной компонентной базы для

аэрокосмической и военной техники, устройств управления ядерной энергетикой, систем космической связи и телекоммуникаций и других специальных применений являются КМОП БИС и системы на кристалле со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС), которые помимо высокой степени интеграции на п/п кристалле, высокого быстродействия, малого потребления мощности, обладают повышенной радиационной стойкостью.

Самостоятельным направлением КМОП-технологии являются фоточувствитель-ные КМОП СБИС, изготовленные в ультратонком слое кремния на сапфировой под-ложке по технологии UTSi (фирмы Peregrine), которые используются в космических системах мониторинга и зондирования Земли, устройствах аналоговой и цифровой оптической обработки информации, специальных фотоприёмных устройствах и др.

По оценкам специалистов NASA, радиационно-стойкие КМОП БИС и фоточув-ствительные КМОП-ФД СБИС, изготовленные на КНИ/КНС подложках, являются перспективной электронной элементной базой современных и будущих космических систем.

Очевидно, что успешное решение задач проектирования и разработки КМОП СБИС со структурой КНИ/КНС, а также построения систем на их основе невозможно без широкого применения САПР как на элементном, так и на схемо- и системотехни-ческих уровнях. Причём для радиационно-стойких и фоточувствительных БИС зада-чи существенно усложняются, т. к. в рамках традиционных этапов проектирования необходимо дополнительно учитывать воздействие радиационных и фотоэлектриче-ских факторов, соответственно, а в ряде случаев (например, в условиях космического пространства) их совместное влияние.

Эти обстоятельства в последние годы стимулировали у нас в стране и за рубе-жом разработку проблемно-ориентированных подсистем САПР для радиационно-стойких схем (Radiation-Hardened CAD – RHCAD)* и оптоэлектронных схем (ОЭС)**. Эти подсистемы, как правило, встраиваются в существующие промышленные САПР БИС.

Ключевая роль в таких САПР принадлежит моделям КМОП-элементов, по-скольку от степени учёта влияющих факторов и их точности в первую очередь зави-сит достоверность результатов схемотехнического и топологического проектирова-ния.

Таким образом, разработка новых и улучшение существующих SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/ КНС КМОП БИС явля-ется актуальной задачей.

Состояние исследований по проблеме. 1. Модели КНИ/КНС КМОП-элементов для радиационно-стойких БИС. Физиче-

ские модели влияния радиационного облучения на электрические параметры элемен-тов КНИ / КНС КМОП БИС приведены в работах отечественных авторов: Зебрева Г. И., Никифорова А. Ю., Першенкова В. С., Скоробогатова П. К., Тельца В. А., Чумакова А. И., Улимова В. Н. и др., а также 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.

* Hierarchical CAD Tools for Radiation Hardened Mixed Signal Electronic Circuits, DTIC Report

No. ADA429971, 2005; ** Оптоэлектронные приборы, системы и сети. – М. : Наука, 2007;

4

Существенный вклад в разработку схемотехнических моделей с учётом радиа-ционного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких КМОП БИС внесли Волков И. С., Зебрев Г. И., Кокин С. А., Петросянц К. О., Стенин В. Я., Харитонов И. А., Ятманов А. П. и др.

Для формирования компактных моделей, учитывающих факторы радиационного влияния в промышленных схемотехнических САПР, отечественные и зарубежные специалисты используют два основных подхода.

Первый – создание набора программных функций на языке C, Verilog-AMS и др., описывающих радиационное воздействие и подключаемых к стандартным мо-делям. Встраиваемый модуль рассчитан на конкретную версию симулятора, что тре-бует взаимодействия с фирмой-производителем САПР и высокой квалификации про-граммиста.

Второй путь – формирование макромодели на основе схемотехнической модели, уже включённой в библиотеку моделей данной САПР. В этом случае модель работает быстрее, чем при подключении достаточно сложных выражений, вычисляемых с по-мощью модулей C, Verilog-AMS и др., но от разработчика требуется хорошее знание схемотехники и особенностей конкретного симулятора. Также макромодельный под-ход позволяет достаточно просто модифицировать модель для учёта дополнительных эффектов, обусловленных влиянием радиации и температуры.

Анализ известных работ показал, что стандартные схемотехнические модели МОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС, включённые в SPICE-подобные про-граммы анализа ИС и БИС, или вообще не учитывают радиационные эффекты, или учитывают их в недостаточной степени. Для элементов радиационно-стойких КНИ/КНС КМОП БИС основная задача состоит, во-первых, в определении перечня радиационно-зависимых параметров и, во-вторых, в корректном их учёте в той или иной форме. В настоящей диссертационной работе предпочтение отдаётся макромо-дельному подходу.

2. Модели фоточувствительных элементов БИС. Разработке схемотехнических моделей фоточувствительных п/п приборов и элементов ИС посвящены работы Горо-хова В. А., Дмитриева В. П., Носова Ю. Р., Сидорова А. С., Шилина В. А. и др.

Для элементов фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС вопрос учёта внешнего светового излучения на электрические характеристики элементов слабо ос-вещён в литературе. В SPICE-подобных программах практически отсутствуют модели фотоприёмных элементов, совместимых с технологией КНИ/КНС КМОП.

3. Определение параметров моделей. Помимо разработки собственно самих мо-делей МОПТ, учитывающих радиационные и фотоэлектрические эффекты, не менее важное значение имеют вопросы определения (экстракции) параметров этих моделей.

Однако, в большинстве опубликованных работ процедуры измерения тестовых структур и процедуры экстракции параметров для приборов, подвергнутых воздейст-вию радиации и света, освещены крайне недостаточно. Проблема автоматизации та-ких процедур с использованием комплекса экстракции параметров моделей и макро-моделей (например, IC-CAP или аналогичного) практически не описана.

Таким образом, настоящая диссертация посвящена разработке и исследованию схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувстви-тельных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС, а также разработке методик опреде-ления (экстракции) их параметров на основе электрических, радиационных и фото-электрических измерений характеристик тестовых приборов или на основе их TCAD-моделирования.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертацион-ной работы является разработка и исследование компактных SPICE-моделей элемен-

5

тов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП и КМОП-ФД БИС для анализа схемотехнических решений с помощью промышленных САПР.

Цель достигается путём решения следующих задач: 1) разработка новых и совершенствование существующих схемотехнических

моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, учитывающих факторы радиационного и светового воздействия за счёт применения макромодельного подхода;

2) разработка методик определения параметров моделей КМОП-элементов со структурой КНИ/КНС по результатам измерений их электрических, радиационных и фотоэлектрических характеристик;

3) разработка полуавтоматизированного аппаратно-программного комплекса для измерения электрических характеристик и экстракции параметров разработанных моделей; в том числе программного обеспечения, предназначенного для управления комплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения процедуры идентификации параметров моделей;

4) включение разработанных и усовершенствованных моделей в существую-щие промышленные программы схемотехнического расчёта БИС;

5) использование всей совокупности разработанных моделей и методик в практике проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП ИС и БИС.

Методы исследования: методы экспериментального определения электриче-ских характеристик тестовых структур, математические методы обработки результа-тов измерений, методы оптимизации, компьютерный анализ и моделирование, мето-ды проведения вычислительных экспериментов.

Научная новизна работы. 1) Для построения SPICE-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подверг-

нутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит еди-ный подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макро-моделирования (подключения в эквивалентную схему дополнительных элементов, учитывающих соответствующий физический эффект), и введения радиационно-зависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмик-ронных (до 0,1 мкм) точность описания статических ВАХ 10–15% и динамических характеристик 15–20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;

2) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > ~ 0,5–0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключения к эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработана методика определения параметров дополнительных элементов;

3) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикрон-ных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты. В эквивалент-ную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитываю-щие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочей области транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитиче-ские зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности, предпорогового наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтомати-зированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений характеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;

4) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элемен-тов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-n-структур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структу-рах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствитель-

6

ный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтома-тическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений элек-трических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.

Практическая значимость работы. 1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехнические

САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характе-ристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегарад для радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см-2 для фоточувст-вительных схем;

2) для пользователей в системе IC-CAP разработаны полуавтоматические про-цедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стацио-нарного радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётом воздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD, по-зволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизить вероятность человеческой ошибки;

3) проведено сравнение разработанных макромоделей по затратам времени на экстракцию их параметров и даны оценки времени моделирования для различных классов схем с учётом дозовых радиационных эффектов.

Внедрение результатов работы. 1) Схемотехнические SPICE-модели SOI/SOS-MIEM, BSIMSOI-RAD

и EKV-RAD, параметры которых были определены автором по результатам испыта-ний тестовых транзисторных структур и макетов специализированных электронных узлов (СЭУ) были использованы в ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл., в рамках ОКР «Прототип», «Таймыр» и «Угра» при проектировании твердотельных электрон-ных полупроводниковых узлов специализированной электроники (базовых КМОП-элементов цифровой и аналоговой схемотехники) и микросистемотехники – на базе структур «кремний на изоляторе/сапфире» (КНИ/КНС) с топологической нормой 1–3 мкм с учётом воздействия стационарного радиационного излучения и воздействия повышенной температуры;

2) библиотека схемотехнических SPICE-моделей на основе BSIMSOI-RAD для элементов КНИ КМОП СБИС с проектными топологическими нормами 0,5–0,35 мкм с учётом факторов радиационного воздействия и температуры была использована в практических работах предприятия ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС им. Ю. Е. Седакова», г. Н. Новгород (ОКР «Урал-Т», «Модель», «Защита», «Модель-С»), по созданию эле-ментной базы радиационно-стойких КНИ КМОП СБИС: радиационно-стойких циф-ро-аналоговых БМК; БИС статического ОЗУ на 512 кбит; библиотеки аналоговых уз-лов и др.;

Положения, выносимые на защиту. 1) Использование макромодельного подхода для разработки схемотехнических

SPICE-моделей радиационно-стойких и фоточувствительных элементов КНИ/КНС КМОП БИС в сочетании с использованием аппроксимирующих зависимостей пара-метров модели от внешних воздействующих факторов;

2) способ учёта эффекта раннего пробоя в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > ~ 0,5–0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ за счёт введения в эквива-лентную схему дополнительной диодно-резистивной цепочки; методика определения параметров дополнительных элементов;

7

3) макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые эффекты; полуавтоматизированная процедура опреде-ления параметров моделей из результатов измерений тестовых структур или прибор-ного TCAD-моделирования электрических характеристик необлучённых и облучён-ных КНИ/КНС МОПТ;

4) макромодели фоточувствительных элементов КМОП-ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-n-структур, фототранзистора, изго-товленных на структурах с изолирующей подложкой (КНИ/КНС); полуавтоматизиро-ванная процедура определения параметров моделей фотодиода и фототранзистора из результатов электрических и оптоэлектрических измерений характеристик реальных приборов.

5) результаты использования моделей при проектировании цифровых и анало-говых радиационно стойких и фоточувствительных КМОП-схем со структурой КНИ / КНС.

Апробация результатов работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

НТК студентов, аспирантов и молодых спец. МИЭМ. – М., 2000 – 2013 г.г.; 10-я и 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов «Микро-

электроника и информатика». – Москва–Зеленоград, 2003, 2004 г.г.; 2-я Всероссийская дистанционная НТК «Электроника». – Москва, 2003 г.; 6, 7, 11, 12 и 13-я Российская НТК «Электроника, микро- и наноэлектроника»,.

– Н. Новгород, 2004 г., 2009 г., Вологда, 2005 г., Суздаль, 2010 г. – 2013 г.г.; Школа молодых учёных «Интеллектуальные фотоприёмные устройства и их

применение». – Софрино, Моск. обл., 2004 г.; 1-я, 3-я и 5-я Всероссийская НТК «Проблемы разработки перспективных мик-

роэлектронных систем (МЭС)»,. – Москва, 2005 г., 2008 г., 2012 г.; Пятый международн. аэрокосмический конгресс IAC'06. – Москва, 2006 г.; Международн. ярмарка информационных технологий, телекоммуникаций

и программного обеспечения CEBIT, г. Ганновер, Германия, 2006 г. (экспонат); 5th, 7th, 9th и 10th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS). –

Ереван, 2007 г., Москва 2009 г., Севастополь, 2011 г., Харьков, 2012 г.; Российская НТК «Элементная база космических систем». – Сочи., 2008, 2009.г.; Отраслевая НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информаци-

онно-управляющие и измерительные системы». – г. Королёв, МО, 2008, 2012 гг.; 10-13 Научно-практический семинар «Проблемы создания специализирован-

ных рад.-стойких СБИС на основе гетероструктур». – г. Н. Новгород, 2010 – 2013 г.г.; III Всероссийская научно-техн конф. «Актуальные проблемы ракетно-

космического приборостроения и информационных технологий». – М., 2010 г.; Междунар. молодёжная научная школа «Приборы и методы эксперимент. ядер-

ной физики. Электроника и автоматика эксперимент. установок». – г. Дубна, 2011 г.; XI и XII Научно-техническая конференция «Твердотельная электроника. Слож-

ные функциональные блоки РЭА». – г. Дубна, МО, 2012 г., Москва, 2013 г.; 3rd Intl Conf. on Adv. Measurement and Test (AMT 2013). – Xiamen, China, 2013; VII научно-техническая конференция молодых специалистов Госкорпорации

«Росатом» «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном про-цессе», г. Н. Новгород, 12 - 14 сентября 2013.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 43 печатных работах (в период с 2003 по 2013 г.г.), из которых 10 [1] – [10] в изданиях, входящих в пере-чень ВАК; 6 работ опубликованы без соавторов.

8

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы. Объём работы составляет 131 страницу, в том числе 74 рисунков, 16 таблиц.

Основное содержание работы Во введении обоснована актуальность выбора темы, сформулированы предмет

исследования, научная значимость и практическая ценность полученных результатов, отмечены положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приведён анализ современного состояния в области разработки схемо-технических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС.

Компактное моделирование КНИ/КНС МОП-транзисторов с учётом радиа-ционных эффектов. В литературе описан ряд подходов к моделированию, а также схемотехнических моделей, которые могут быть непосредственно использованы для учёта радиационных эффектов в КНИ/КНС МОП-транзисторах, либо требуют боль-шей или меньшей адаптации.

В работах Петросянца К. О., Харитонова И. А. [42], [43] приведена модель для транзистора с учётом различных видов рад. воздействия, а также подробная методика определения параметров модели; однако сама модель не учитывает короткоканальные эффекты в транзисторе, а также кинк-эффект и эффект раннего пробоя.

В совместных работах Данилова И. А., Зебрева Г. И., Горбунова М. С., Осипенко П. Н. [44], [45] представлена модель, учитывающая возникновение паразитного тока боковой утечки в области «птичьего клюва» (для изоляции типа LOCOS) при стацио-нарном облучении. Параметры усреднённого бокового транзистора (vth0, tox) одно-кратно рассчитываются внутри модуля перед началом расчёта схемы по приведённым формулам, однако методика определения их коэффициентов не описана. Также в мо-дели не учтён сдвиг параметров верхнего транзистора для МОПТ с L > ~0,35 мкм.

В работе Кокина С. А. и др. [46] представлена схемотехническая модель EKVS для 0,8 мкм КНС МОПТ, учитывающая кинк-эффект, однако не приведены зависимо-сти, учитывающие дозовые эффекты и методика определения параметров модели.

В работе Alvarado и др. [47] представлена модель транзистора с учётом воздей-ствия ОЯЧ (с учётом электрического и температурного режима транзистора), а также стационарного рад. воздействия (без учёта электрического режима). Радиационно-индуцированные токи утечки КНИ/КНС МОПТ в данной работе не учтены; 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.

В работе Jianhui и др. [48] представлен способ учёта в макромодели неполно-стью обеднённого n-канального КНИ МОП-транзистора деградации параметров мо-дели при изменении напряжения контакта к рабочей области. Используется упрощён-ная линейная аппроксимация для определения набора параметров для промежуточ-ных доз и полиномиальный источник.

Компактное моделирование фоточувствительных элементов КНИ/ КНС КМОП БИС. В библиотеках моделей популярных схемотехнических САПР (HSpice, TSpice, OrCAD и др.) присутствуют компактные SPICE-модели только дискретных промышленно выпускаемых фоточувствительных компонентов. Для моделирования фоточувствительных элементов КНИ/КНС БИС требуется существенная доработка.

SPICE-модели ФДУЗ (фотодиодов с управляющим затвором) отсутствуют как в библиотеках САПР, так и в доступной технической литературе. В работах Zeng et al.

9

[51], [52] представлена достаточно простая статическая физическая модель ФДУЗ без сравнения с экспериментом и процедуры определения параметров.

SPICE-модели фотодиодов различных типов без управляющего затвора, изго-товленных по КМОП-технологии на изолирующей подложке или объёмном кремнии, которые могут быть адаптированы для построения модели ФДУЗ, имеются в ли-тературе. Единственными известными автору работами, посвящёнными SPICE-моделированию КНИ ФД, являются статьи Afzalian и Flandre (например [53]), в кото-рых представлена высокочастотная модель горизонтального КНИ pin-фотодиода, предназначенного для оптических линий связи. Однако она ограничена только случа-ем полностью обеднённой рабочей области прибора и не учитывает эффект насыще-ния фотогенерации при высоких уровнях энергии светового потока.

Процедура экстракции параметров модели достаточно полно описана только в работе [2] с участием автора данной диссертации и работе Negru et al [54]. В нескольких работах лишь в общих чертах описан способ получения параметров элементов, учитывающих паразитные эффекты.

Обобщая перечисленные выше работы и целый ряд других работ, можно сделать

вывод, что в большинстве из них не описаны необходимые процедуры измерения тес-товых структур и процедуры экстракции параметров. Проблема автоматизации таких процедур с использованием известного комплекса экстракции параметров моделей и макромоделей IC-CAP или аналогичного средства также остаётся актуальной.

Нерешёнными остаются следующие вопросы: 1) схемотехнические модели субмикронных КНИ / КНС МОПТ, учитывающие

воздействие радиационных факторов, в настоящее время не удовлетворяют требова-ниям практики проектирования радиационно-стойких КНИ/КНС КМОП БИС и тре-буют существенной доработки, так как не обеспечивают достаточную точность;

2) методики и процедуры определения радиационно-зависимых параметров компактных моделей с учётом воздействия радиационных факторов описаны в лите-ратуре слабо, по-прежнему являются «узким местом» для разработчиков моделей и их пользователей.

На основании сделанных выводов сформулирована цель и задачи настоящей диссертации, направленные на решение указанных проблем и устранение имеющих-ся недостатков.

В главе 2 излагается описание разработанных схемотехнических SPICE-моделей для моделирования КНИ/КНС МОП-транзисторов различных поколений: SOI /SOS-MIEM (для МОПТ микронного размера с L > ~ 0,8…0,5 мкм из состава преимущественно цифровых схем), BSIMSOI-RAD и EKV-RAD (для субмикронных L = 0,5…0,1 мкм КНИ/КНС КМОП-транзисторов) – с учётом радиационных эффек-тов: суммарной поглощённой дозы, импульсного облучения и одиночных ядерных частиц (ОЯЧ), а также методик экстракции параметров макромоделей из результатов измерения электрических характеристик необлучённых и облучённых тестовых структур или результатов приборного моделирования. Вклад автора заключается в учёте дозовых эффектов. Импульсные эффекты и влияние ОЯЧ учитываются тради-ционным образом и в диссертации не исследуются. Все три модели создавались и до-рабатывались с использованием комбинации двух методов: макромоделирования (включения в эквивалентную схему дополнительных элементов), а также введения в модель аппроксимирующих выражений для параметров, зависящих от внешних фак-торов и электрического режима. Эффективность такого подхода для учёта радиаци-онных эффектов подтверждена практическими примерами его использования при проектировании радиационно-стойких схем [24], [25], [28], [29], [34], [39] и др.

10

Макромодель SOI/SOS-MIEM, разработанная ранее на основе базовых моде-лей MOS3 и BSIM для длинноканальных КНИ/КНС МОПТ, продолжает использо-ваться несмотря на тенденцию к уменьшению размеров транзисторов, поскольку длинноканальные приборы до сих пор активно используются при разработке инте-гральных схем для спецприменений, особенно аналоговых и датчиковых. Нами был предложен простой способ учёта двух важных для КНИ/КНС МОПТ эффектов: кинк-эффекта и эффекта раннего пробоя. Из рисунка 1, на котором изображены выходные ВАХ неполностью обеднённых (НО) КНИ/КНС МОП-транзисторов, изготовленных по различным технологиям, видно, что на выходных ВАХ наблюдается сначала изгиб в пологой области (кинк-эффект), а затем, при дальнейшем увеличении VСИ, – ранний лавинный пробой стокового p–n-перехода.

Эффект «раннего пробоя» обусловлен дальнейшим повышением положитель-ного потенциала рабочей области и, как следствие, включением диода истокового p-n-перехода. Добавочный ток в рабочую область берётся за счёт увеличения тока ударной ионизации стокового p–n-перехода.

Рисунок 1. Сравнение экспериментальных и расчётных выходных ВАХ для НО КНИ МОПТ с различными L/W (○ – эксп., линии – расчёт)

Для учёта обоих этих эффектов было предложено дополнить известную эквива-лентную схему макромодели SOI/SOS-MIEM двумя диодно-резистивными цепочками (см. рисунок 2). Цепочка D1–R1 моделирует изгиб ВАХ («кинк»-эффект), D2–R2 мо-делирует ранний пробой стокового p–n-перехода. Значение элемента D1 определяется по стартовому напряжению пробоя, а значение элемента R1 определяется по наклону пробойной кривой.

Экспериментальное подтверждение проведено для неполностью обеднённых КНИ МОПТ. Результаты моделирования приведены на рисунке 1. Параметры диодов и резисторов, моделирующих изгиб ВАХ и ранний пробой, определённые из экспе-риментальных ВАХ, приведены в таблице 1.

(а) (б)

Рисунок 2. Эквивалентная схема макромо-дели SOI /SOS-MIEM для КНИ МОПТ (а) и КНС МОПТ (б) (выделен фрагмент для учёта эффекта раннего пробоя)

Таблица 1 Параметры дополни-тельных элементов на рис. 2

L, мкм

W, мкм

BV1,В

R1, Ом

BV2,В

R2, Ом

0,5 10 1,3 1,0e+4 3,0 7 0,7 40 3,0 1,0e+7 8,0 28002 25 2,0 5,0e+3 4,0 14005 25 2,0 1,0e+4 5,0 1400

11

Макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD разработаны для субмикронных КНС МОПТ (до 0,18 мкм) и субмикронных КНИ МОПТ (до 0,1 мкм). Эквивалентные электрические схемы обеих макромоделей приведены на рисунке 3. Основная часть – верхний МОП-транзистор Mверх – описывается стандартной моделью BSIMSOI3 v3.2 или EKV v2.64, соответственно, с радиационно-зависимыми параметрами. Для учёта токов утечки, возникающих при стационарном радиационном воздействии модель дополняется паразитными нижним Mнижн и боковым Mбок транзисторами; при им-пульсном воздействии – источниками тока IФси(t) и IФИи(t) и сопротивлением сапфира Rсапф(t); при воздействии ОЯЧ – источником тока Iион(t).

а

б

(в)

(г)

Рисунок 3. Эквивалентные схемы макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD: а, в – основной верхний МОПТ Mверх с радиационно-зависимыми параметрами;

б - подсхема, учитывающая эффекты плавающей подложки в EKV-RAD; г - элементы, учитывающие статические токи утечки и динамические токи

под воздействием импульса радиации и ОЯЧ

Учёт эффектов плавающей подложки в макромодели EKV-RAD. Оригинальная модель EKV была разработана авторами для МОПТ на объёмном кремнии и не учи-тывает специфики диэлектрической подложки. Для распространения модели EKV на КНИ/КНС МОП-транзисторы автором диссертации в макромодель EKV-RAD была добавлена цепочка R1—D1—E1 (см. рисунок 3б), создающая дополнительный ток IСП из стока в подложку под совместным действием напряжений стока VСП и затвора VЗП.

Элементы D1 и R1 определяют величину и крутизну скачка тока, управляемый источник напряжения E1 определяет зависимость стартового напряжения кинк-эффекта от напряжения затвора. Величина E1 задаётся в виде зависимости от VЗП:

12

21 ЗП 1 2 ЗП 3 ЗПE ddV V V p p V p V . (1)

Коэффициенты p1, p2, p3 определяются из выходной характеристики МОПТ по сдвигу стартового напряжения кинк-эффекта в зависимости от напряжения затвора (см. ри-сунок 4).

Для ограничения проявления кинк-эффекта в предпороговой области величина R1 задаётся в виде сглаживающей функции (тангенциальной сигмоиды) между рабо-чим значением и значением 10 ГОм:

ЗП

11 max 1 th δ

2R R R V DV , (2)

где R, DV, δ – подгоночные параметры. Учёт эффектов воздействия стационарного радиационного излучения. Для мо-

дели BSIMSOI основного (верхнего) транзистора Mверх радиационно-зависимыми яв-ляются параметры VTH0 и др. для порогового напряжения, U0, UA и др. для подвиж-

VС, В

IС, А

(а)

y = 0,0857x2 - 0,1286x + 2,0029

R2 = 0,9975

1,9

2

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

1,4 1,7 2 2,3 2,6 2,9 3,2 3,5

Vпр

квадратичная

V зи

V кинк

(б)

Рисунок 4. Построение экспериментальной зависимости 1 ЗПEV V (а);

подгонка коэффициентов (б)

ности, CIT, VOFF и др. – для предпо-рогового наклона.

Для модели EKV это параметры VTO, KP, E0 и GAMMA.

Изменение всех перечисленных параметров от поглощённой дозы опи-сывается общим выражениями вида:

a1 [1 – exp(–a2D)] (3),

где: a1, a2 – подгоночные коэффициен-ты.

Паразитные транзисторы Mбок (боковая утечка) и Mнижн (утечка по нижней грани) описываются более простой моделью MOS3 с зависимыми от дозы параметрами: VTO для порого-

вого напряжения, UO для подвижности; NFS для предпорогового наклона. Для них также используется выражение (3) зависимости от поглощённой дозы .

Учёт эффектов воздействия радиационного импульса и ОЯЧ. Эффекты неста-ционарного радиационного воздействия: а) первичные фототоки в стоковом/ истоко-вом p–n-переходах, паразитная проводимость сапфира, обусловленные импульсным воздействием; б) импульс тока, возникающего при собирании заряда из трека частицы в результате воздействия отдельной ядерной частицы, описываются таким же обра-зом, как в модели SOI/SOS-MIEM и других моделях.

Методика определения (экстракции) параметров [26], [6] с учётом дозовых эффектов создана и отработана для всех трёх макромоделей, предложенных в диссер-тации. Она является модификацией стандартной методики и основана на результатах измерения на тестовых кристаллах электрических характеристик реальных облучён-ных и необлучённых приборов, или результатах приборного моделирования прибо-ров, чей маршрут проектирования и конструкция ещё только разрабатываются.

Для облучённых приборов: 1) возрастает и видоизменяется массив исходных из-меренных данных; 2) увеличивается количество тестовых структур; 3) заметно уве-личивается количество параметров схемотехнической модели; 4) в процедуру экс-тракции добавляется этап аппроксимации зависимостей параметров от уровня радиа-ционного воздействия.

13

Исходными данными для процедуры экстракции являются модифицированные наборы ВАХ и ВФХ стандартных и дополнительных КНИ/КНС МОП-структур при разных дозах облучения. Для автоматизации передачи результатов реального или машинного эксперимента в IC-CAP используются разработанные автором макросы, функционирующие в среде измерительной системы и системы приборно-технологи-ческого моделирования, соответственно.

Процедура экстракции, позволяющая получить параметры модели для промежу-точных доз облучения, реализована в виде полуавтоматического процесса внутри IC-CAP и включает в себя следующие шаги:

1) определяются наборы параметров моделей паразитных, затем базового тран-зисторов макромодели для случая необлучённого МОПТ – с использованием стан-дартной процедуры (встроенной в IC-CAP) и стандартного набора измеренных ха-рактеристик; для корректного описания транзисторов с различными размерами необ-ходимо использовать набор транзисторных, диодных и ёмкостных структур различ-ных размеров (см. рисунок 5);

2) среди полного набора параметров моделей основного и паразитных элементов макромодели выбирается ограниченный перечень радиационно-зависимых параметров, отвечающих за пороговое напряжение Vпор, подвижность μ и предпороговый наклон S (в зависимости от выбранной модели);

3) для каждого уровня полученной дозы Di с использованием IC-CAP опреде-ляются соответствующие значения параметров Vпор(Di), μ(Di), S(Di) с учётом электри-ческого режима транзисторов во время облучения; данная процедура повторяется для всех запланированных уровней облучения : 1,iD i n ;

4) табличные функции зависимости Vпор(D), μ(D), S(D) аппроксимируются ана-литическими функциями вида a1 [1 – exp(–a2D)] – с помощью программы оптимиза-ции; коэффициенты таких функций как раз и составляют набор радиационных пара-метров всей макромодели;

5) полученные аналитические функции включаются в описание SPICE-макромодели МОПТ;

6) макромодель МОПТ, содержащая радиационно-зависимые параметры, включается в состав библиотеки моделей.

Особенностью процедур измерения характеристик и экстракции SPICE-парамет-ров облучённых КНИ/КНС МОП-транзисторов, является необходимость вычленения характеристик паразитных элементов, проявляющихся при воздействии излучения. В частности, необходимо разделять радиационно-индуцированные токи утечки, воз-никающие по нижней и боковой границам активной области кремния, с использованием специальных тестовых транзисторов (см. рисунок 6):

1) транзистор H-типа или кольцевой (R- или O-типа) (в которых практически отсутствует боковая утечка) используется для выделения ВАХ и определения пара-метров верхнего МОПТ для разных полученных доз облучения при напряжении на нижнем затворе VЗн < 0 (что исключает влияние Мнижн);

2) прибор того же типа используется для выделения ВАХ и определения пара-метров нижнего паразитного МОПТ для ряда полученных доз облучения при напря-жении на верхнем затворе VЗв < 0 (что исключает влияние Мверх.);

3) линейный транзистор (F- или I-типа) или транзистор A-типа (для которых имеют место как донные, так и боковые утечки) используется для выделения ВАХ и определения параметров бокового паразитного МОП-транзистора для ряда полу-ченных доз облучения при известных ВАХ верхнего МОПТ и при напряжении на нижнем затворе VЗн < 0 (что исключает влияние Мнижн).

14

(а) (б)

(в) (г) Рисунок 5. Набор тестовых транзи-сторных структур с различной гео-метрией для определения парамет-

ров моделей субмикронных КНИ/КНС МОП-транзисторов

Рисунок 6. Линейная (I-типа) (а) и специальные (O-, R- и H-типа) (б, в, г) тестовые транзисторные структуры

Для модели BSIMSOI-RAD на рисунке 7 приведено сравнение смоделированных и экспериментальных характеристик КНИ МОПТ с размерами L/W = 0,25/8 мкм, под-вергнутых облучению гамма-квантами с различными дозами. Графики радиационно-зависимых параметров макромодели от дозы радиации приведены на рисунке 8. Зна-чения коэффициентов аппроксимации этих зависимостей сведены в таблицу 2

(а) (б) (в) (г)

Рисунок 7. Сравнение экспериментальных (значки) и смоделированных с помощью BSIMSOI-RAD (линии) сток-затворных характеристик КНИ МОПТ с размерами

L/W = 0,25/8 мкм: а – всей макромодели; б – паразитного нижнего транзистора Mнижн; в – паразитного бокового транзистора Mбок (только линии);

г – базового верхнего транзистора Mверх

Таблица 2 Значения радиационных коэффициентов макромодели BSIMSOI-RAD

Mверх Коэф-фициент VTH0 U0 CIT VOFF UA UB

a1 –0,5 –0,3 1·10–3 –0,1 0,8 6 a2 1,1·10–6 1,2·10–6 2·10–6 2·10–6 2·10–6 1·10–6

Mнижн Mбок Коэф-фициент VTO UO NFS VTO UO NFS

a1 –10 –0,25 0,6 –30 –0,5 0 a2 3·10–6 2,5·10–6 1,4·10–6 50·10–9 1·10–6 1,4·10–6

D=0 60 к 150 к 300 к 500 к

D=0 60 к 150 к 300 к 500 к

D=0 60 к 150 к 300 к 500 к

D=0 60 к 150 к 300 к 500 к

15

Рисунок 8. Зависимости от полной поглощённой дозы параметров

VTH0, U0, VOFF модели базового транзистора Mверх

Для модели EKV-RAD сравнение измеренных и смоделированных ВАХ МОПТ с размерами затвора L/W = 0,13/8 мкм с учётом эффектов дозового воздействия при-ведено на рисунке 9.

(а) (б) (в)

Рисунок 9. Сравнение измеренных (символы) и смоделированных (линии) сток-затворных характеристик КНИ МОПТ с размерами L/W = 0,13/8 мкм

с учётом полученной дозы: а – всей макромодели; б – паразитного бокового транзи-стора Mбок (только линии); в – базового верхнего транзистора Mверх

Зависимости параметров макромодели от полученной дозы приведены на рисун-ке 10. Значения коэффициентов аппроксимации приведены в таблице 3.

(а) (б) (в) (г)

Рисунок 10. Зависимости изменения параметров моделей элементов макромодели EKV-RAD от величины полученной дозы: основного МОПТ Mверх (а, б), паразитного бокового МОПТ Mбок (в, г)

Таблица 3. Значения радиационных коэффициентов макромодели EKV-RAD

Mверх Mбок Коэф-фициент VTO KP VTO UO

a1 –0,9 –0,03 –2,8 –0,06 a2 0,7·10–6 1,4·10–6 2,1·10–6 2,4·10–6

16

Из приведённых примеров (на рисунках 7 и 9) видно, что для обеих макромоде-лей погрешность моделирования ВАХ КНИ/КНС МОПТ в диапазоне суммарной дозы до 1 Мрад составляет 10–15%.

Для оценки затрат времени на схемотехническое моделирование была про-ведена серия машинных экспериментов с КНИ/КНС КМОП-схемами различной сложности, по результатам чего определялась величина процессорного времени счёта. Моделирование проводилось с использованием ЭВМ на основе процессора Intel i5-2430M 2,4 ГГц и 4 ГБ ОЗУ с помощью HSpice A-2008.03.

Сравнение проводилось для следующих режимов расчёта: 1) статические ВАХ КНС МОПТ с W/L =12/3 мкм (10 000 точек). 2) АЧХ ОУ (10 МОПТ, 800 точек). 3) полный цикл работы 4-разр. счётчика (250 МОПТ, 1800 точек). 4) полный цикл работы 8-разр. АЦП (1060 МОПТ, 24000 точек). Для частично обеднённых КНС КМОП-транзисторов с заземлённой рабочей об-

ластью были использованы два варианта обеих макромоделей: 1) стандартная модель EKV или BSIMSOI; 2) полный вариант макромодели с паразитными элементами и ра-диационно-зависимыми параметрами. Расчёты по моделям п. 2 проводились с учётом дозы 1 Мрад. Результаты приведены таблице 4.

Таблица 4. Время расчёта КМОП схем (с.) с EKV-RAD и BSIMSOI-RAD

Вариант модели стд. BSIMSOI

стд. EKV

BSIMSOI-RAD EKV-RAD

Доза, рад — — 0 1106 0 1106 ВАХ КНС МОПТ 2,33 1,76 2,63 2,50 2,12 2,20

АЧХ ОУ 3,32 2,88 3,68 3,87 3,16 3,20 Перех. процесс CNT4 34,6 10,4 46,5 44,4 20,4 21,5 Перех. процесс ADC8 337 118 441 425 233 243 По результатам расчёта можно сделать следующие выводы:

1) при использовании любого из вариантов макромодели EKV-RAD время мо-делирования ВАХ КНС МОПТ на ~12% меньше, АЧХ на ~18% меньше, а переходного процесса на ~50% меньше, чем в случае аналогичного варианта макро-модели BSIMSOI-RAD;

2) при использовании полных вариантов макромоделей время моделирования ВАХ КНС МОПТ увеличивается на ~20% в случае EKV-RAD и на ~10% в случае BSIMSOI-RAD по сравнению со стандартной моделью, время моделирования АЧХ увеличивается на ~10% для обеих моделей, а переходного процесса на ~50% в случае EKV-RAD и на ~30% в случае BSIMSOI-RAD.

Сравнение макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD по количеству пара-метров и времени их экстракции. Набор параметров макромодели складывается из параметров базовой модели, моделей паразитных элементов и радиационных ко-эффициентов зависимости параметров от величины радиационного воздействия. В модели BSIMSOI 180 параметров, в модели EKV их 35 с учётом добавленного дис-сертантом блока учёта кинк-эффекта (см. таблицу 5). В макромодели BSIMSOI-RAD суммарно 18 радиационно-зависимых параметров, в макромодели EKV-RAD – 12; для каждого из них требуется 2 коэффициента аналитической функции зависимости от дозы. Таким образом, в макромодели BSIMSOI-RAD 36 радиационных коэффици-ентов, которые определяются путём экстракции из экспериментальных данных, а в макромодели EKV-RAD их 24.

17

Процедуры экстракции параметров с учётом стационарного радиационного воз-действия с использованием данных измерений тестовых структур в обеих макромоде-лях одинаковы по составу. В таблице 6 показаны результаты сравнения длительности различных этапов этих процедур на примере 16 тестовых транзисторов различных размеров и 6 промежуточных доз облучения при использовании полуавтоматизиро-ванного метода с IC-CAP. Итоговые показатели длительности процедуры даны в нижней секции таблицы: для BSIMSOI-RAD с использованием полуавтоматизирова-ного метода требуется около 166 минут, для макромодели EKV-RAD около 123 ми-нут. Увеличение времени для случая, когда используется ручной обмен данными и не используется полуавтоматическая процедура, вызвано необходимостью вручную фор-мировать проекты в IC-CAP, переформатировать данные измерений, передавать ре-зультаты экстракции между этапами и задавать исходные данные для аппроксимации. Для полностью ручного метода экстракции по методикам, предложенным разработ-чиками моделей, требуется, по нашим оценкам, десятки-сотни часов [29].

Таблица 5. Сравнение количества параметров двух макромоделей

Группа параметров BSIMSOI- RAD

EKV- RAD

Количество параметров базовой модели (без рад. эфф.) 180 27 Дополнительные параметры: для биннинга для учёта эффекта плавающей подложки для паразитных элементов макромодели

264 — 32

— 8

32

Радиационно-зависимые параметры: базовой модели моделей паразитных элементов коэф. зависимостей параметров от дозы

10 8 36

4 8

24

Таблица 6. Сравнение длительности процедур экстракции параметров (в мин.)

Этап процедуры (полуавтоматизированный метод) BSIMSOI-RAD EKV-RAD 1. Параметризация моделей необлучённых МОПТ: моделей двух паразитных транзисторов базовой модели

16 40

16 15

2. Экстракция радиационно-зависимых параметров: моделей двух паразитных транзисторов базовой модели

(6 доз) 10 * 6 = 60 8 * 6 = 48

(6 доз) 10 * 6 = 60 5 * 6 = 30

3. Аппроксимация зависимостей параметров от дозы: 2 2

ИТОГО: полуавтоматизированный метод с ручным обменом данными

166 448

123 393

Глава 3 посвящена разработке моделей элементов фоточувствительных КМОП

БИС, пригодных для использования в SPICE. Особенностями КНС КМОП фоточувствительных элементов по сравнению

с элементами КМОП на объёмном кремнии являются: а) высокая прозрачность сап-фировой подложки, что позволяет изготавливать фоточувствительные элементы с освещением снизу; б) использование горизонтальных структур из-за малой толщи-ны рабочего слоя (<200 нм): p-n-фотодиода, p-i-n-фотодиода, p-n-фотодиода типа p+/p–/n+ с плавающим затвором, биполярного фототранзистора (см. рисунок 11)

18

и пикселов на их основе; фотодиода с управляющим затвором (ФДУЗ) и фотовольтаического источника питания на его основе.

P–n- и p–i–n-фотодиоды являются наиболее распространёнными фотоприёмни-ками в силу простоты своей конструкции. Вследствие бо́льшего вклада диффузионно-го тока p–n-фотодиоды обычно обладают меньшим быстродействием, чем p–i–n-фотодиоды, в которых генерируемые светом носители заряда быстро рассасываются за счёт дрейфа. К недостаткам p–i–n-фотодиодов по сравнению с p–n- относят невы-сокое значение фотоЭДС в вентильном режиме (Uхх = 0,35…0,45 В).

По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют более высокую чувстви-тельность за счёт внутреннего усиления фототока базы. Однако одновременно они имеют бóльшую ёмкость перехода база – коллектор и меньшее быстродействие.

(а) (б)

(в) (г) (д)

Рисунок 11. Топология (вид сверху) КНИ/КНС структур ФЭ: p-n-фотодиода (а), p-i-n-фотодиода (б), p-n-фотодиода с плавающим затвором (в), биполярного фототранзи-

стора с плавающим затвором (г), фотодиода с упр. затвором (д)

Преимущество фотодиодов с управляющим МДП-затвором (ФДУЗ) связано с тем, что в них у поверхности полупроводника под затвором создаётся сильное элек-трическое поле, направленное так, что оно помогает собиранию носителей, генериро-ванных коротковолновым светом; кроме того, в активной области таких элементов нет внутренних дефектов, возникающих при диффузии или ионной имплантации примесей в структурах с p–n-переходами. При напряжении на затворе, превышающем пороговое напряжение МОП-структуры на достаточную величину, происходит пол-ное обеднение слоя кремния под затвором на всю глубину, что существенно повыша-ет эффективность фотоэлектрического преобразования.

Схемотехническая модель ФДУЗ, разработанная автором, приведена на рисун-ке 12.

Выражение для фототока IФ основного генератора (GPH) имеет вид:

Ф АК З 0 1 АК 2 3 З, ,I V V I f V f f V , (4)

где /0 0SI A S – фототок к. з. при единичном освещении, А;

– плотность мощности светового потока, Вт/см2; SA – площадь фоточувствительной поверхности, см2; – внутренний квантовый выход фотоэффекта; – длина волны света, нм; 0S – фоточувствительность, А/Вт (в случае монохроматического источника излучения) или интегральная фоточувствительность S0

/ (в случае излучения с широ-

19

ким спектром) – в обоих случаях определяется на основе характеристики спектраль-ной фоточувствительности фотодиода:

2

1

/ /0 2 2S S S d

(5)

f1, f2, f3 – множители для учёта зависимости фототока от напряжений диода и затвора, светового потока.

Для учёта влияния напряжения фотодиода на величину фототока, которое воз-никает из-за изменения толщины обеднённой области, в выражение (4) введён мно-житель f1(VAC), задаваемый следующим выражением:

1 0 1 2AC ACf V c c c V , (6)

где с0, с1, с2 – подгоночные коэффициенты.

(а) (б)

Зависимость фототока от светового потока может быть представлена в виде линейной функции с подгоночным коэф-фициентом k3:

2 3f k . (7)

Темновой ток p–n-перехода (элемен-ты Df и пара Dr–Vr) при прямом и обратном включении в зависимости от напряжения VD0 (см. рисунок 12) опреде-ляется выражением

0 0 0 0D D Df D Dr DI V I V I V , (8)

где слагаемые IDf(VD0) и IDr(VD0) задаются обычными диодными выражениями:

Рисунок 12. Эквивалентная схема модели фотодиода с управляющим

МДП-затвором (а); варианты обозначения ФДУЗ на схемах (б)

0 0 0

0 0 0

exp 1 ,

exp 1 ,

Df D Df D f T

Dr D Dr D r T

I V I V m

I V I V Vr m

(9)

где: IDf0, IDr0, mf, mr – подгоночные коэффициенты; T kT q – температурный потенциал.

Для учёта влияния напряжения затвора на работу прибора, в отсутствие чётко сформулированной физико-математической теории его работы, в выражения для то-ков IDf\IDr и IФ и сопротивления Rpn введены аппроксимирующие зависимости их па-раметров от VЗ. Вектор темновых параметров IDf0, IDr0, mf, mr, Rpn как функция VЗ опи-сывается квадратическим выражением:

21 2 3З Зa a V a V

. (10)

Аппроксимирующая функция f3(VЗ) имеет вид:

23 1 3 4expb

З З Зf V b V b b V . (11)

Остальные элементы на рисунке 12 имеют следующий смысл: Rleak – сопротив-ление утечки, Rcont – сопротивление контактов, Cpn и Cgate – ёмкости p-n-перехода и МОП-затвора.

Модели для других типов фотодиодов, не содержащих МДП-затвор, могут быть легко получены из рассмотренной модели путём соответствующих упрощений.

20

Процедура определения параметров модели рассмотрена на конкретном примере ФДУЗ, изготовленного по КНС-технологии и имеющего следующие параметры: тол-щина подзатворного диэлектрика 45 нм, толщина слоя кремния 0,6 мкм, ширина базы 20 мкм, длина затвора 800 мкм, концентрация примеси в базе 1015 см-3.

Для нахождения параметров 1a , 2a , 3a использовалось экспериментальное се-мейство темновых ВАХ IД(VД) при VЗ = const с напряжениями затвора 0; 5; 15 В (ри-сунок 13а). Для каждой ветви ВАХ (рисунок 13а) значения m, IД0 определялись по точкам в области малых токов IД, где влияние сопротивления Rpn пренебрежимо мало; сопротивление Rpn определялось по точкам в области больших токов. В результате были найдены зависимости параметров mf, IDf0, Rpn (10) от напряжения на затворе VЗ (см. таблицу 7).

Величину сопротивления утечки Rleak нетрудно найти по наклону обратной ветви ВАХ для темнового тока. В данном случае Rleak = 2,8 МОм.

Таблица 7 Коэффициенты зависи-мости (10) параметров ФДУЗ от VЗ

Коэф. mf, ед.

IDf0, нА

Rpn, мОм

a1 2,4 10,71 10 a2 0,03 2,74 –0,7 a3 –0,002 –0,07 0,02

Для нахождения коэффициентов b1 – b4, входящих в выражение для k (11), исполь-зовалась экспериментальная кривая тока короткого замыкания (т. е. фототока IФ) от напряжения на затворе Iк.з.(VЗ) при Ф = const при освещённости E = 75 клк ( 40 мВт/см2) (рисунок 13,б). В резуль-тате аппроксимации были получены сле-дующие значения коэффициентов: b1 = 29·10–6; b2 = 0,52; b3 = 0,104; b4 = –0,046.

Для оценки точности полученной модели сравнивались измеренные и смодели-рованные энергетические характеристики (зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от освещённости) (см. рисунок 13,в). Точность совпаде-ния расчётных и экспериментальных характеристик составила 5…8 %.

(а)

(б)

(в)

Рисунок 13 Характеристики ФДУЗ: а) темновые ВАХ при VЗ=0; 5; 15 В; б) ток короткого замыкания при E=75 000 лк ( 40 мВт/см2); в) энергетические

характеристики при VЗ=8 В (□ – эксперимент, линии – расчёт по модели)

В главе 4 приведены результаты использования разработанных в диссертации моделей КНИ/КНС КМОП-элементов в практике проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ/КНС.

21

Радиационно-стойкие КНИ/КНС КМОП ИС и БИС. В данном разделе приведены примеры использования разработанных моделей

при выполнении ряда НИР и ОКР с предприятиями Росатома и Роскосмоса в процессе проектирования аналоговых и цифровых КНИ/КНС КМОП БИС с проектными нор-мами 1–3 мкм для КНС и 0,5–0,35 мкм для КНИ с учётом фактора суммарной погло-щённой дозы. Исследование стойкости проектируемой элементной базы выполнялось диссертантом в несколько этапов: 1) проведение облучения и измерение электриче-ских характеристик тестовых КНИ или КНС МОПТ для различных полученных доз; 2) определение зависимости параметров схемотехнических моделей транзисторов от величины полученной дозы; 3) экспериментальное исследование характеристик интегральной схемы в диапазоне дозы стационарного облучения; 4) схемотехни-ческое моделирование интегральной схемы с учётом стационарного рад. воздействия.

1. Аналоговые фрагменты КНИ КМОП ИС, изготовленные по 1,0 мкм техноло-гии XFAB (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл.). Приведены результаты схемо-технического моделирования источника тока (12 МОПТ) и операционного усилителя (45 МОПТ) с учётом поглощённой дозы. Расчёты проводились в среде HSpice с по-мощью модели BSIMSOI-RAD с использованием набора параметров, определённых по результатам измерения тестовых транзисторов в диапазоне дозы до 1 Мрад.

В качестве примера на рисунках 14 и 15 приведены результаты расчёта характе-ристик источника тока и ОУ для различных значений дозы стационарного облучения.

Погрешность моделирования не хуже 25% во всём диапазоне дозы. Работа выполнена в рамках ОКР «Прототип».

0 200 400 600 800 10000,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

ЭкспериментМоделирование

(а) 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

D=0 D=50 крадD=100 крадD=150 крадD=200 крадD=250 крадМоделирование

Рисунок 14. Деградация тока потреб-ления Iout/Iout0 источника тока для раз-личных доз стационарного облучения

Рисунок 15. Деградация коэффициента усиления Av/Av0 ОУ для различных доз

стационарного облучения

2. Радиационно-стойкий прецизионный ОУ с автокоррекцией нуля, изготовлен-ный на базе КНС КМОП-технологии (L = 3,0 мкм) (ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл.). При моделировании схемы ОУ использовались макромодели для КНС КМОП-транзисторов на основе EKV-RAD с учётом радиационных и тепловых эффек-тов; параметры макромоделей были определены по результатам измерения характе-ристик тестовых КНС МОП-транзисторов. Макромодели обеспечивают погрешность моделирования ВАХ транзисторов не хуже 15% в диапазоне температуры -40…+65 °C и суммарной дозы до 1 Мрад.

Проведённые испытания образцов усилителя на дозовое и температурное воз-действие показали, что дрейф нуля не превышает 0,2 мкВ/ °C в диапазоне температу-ры –40…+65оС и суммарной дозы в диапазоне до 1 Мрад. Полученные параметры подтвердили корректность использованных макромоделей.

Работа выполнена в рамках ОКР «Угра-МИЭМ». 3. Цифровые фрагменты 0,5 мкм КНИ КМОП БИС статического ОЗУ (512 кбит)

(ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС», г. Н. Новгород).

,f Гц

0Av Av

,D крад

0Iout Iout

22

Проведено экспериментальное исследование характеристик тестовых 0,5 мкм КНИ КМОП транзисторов в диапазоне суммарной поглощённой дозы до 1,5·106 ед.

Определены зависимости параметров схемотехнической модели транзистора BSIMSOI-RAD от величины полной поглощённой дозы в диапазоне доз до 1,5·106 ед.

Разработана библиотека моделей, позволяющая учесть деградацию параметров КНИ КМОП транзисторов после суммарной полученной дозы. Библиотека включена в стандартные пакеты Spectre и UltraSim системы Cadence.

Проведены экспериментальные исследования электрических характеристик сле-дующих фрагментов: схема блока управления с макросом ячеек, схема усилителя за-писи, схема блока ячеек памяти с мультиплексором и трактом записи – считывания, схема усилителя считывания, схема блока записи в ячейки памяти.

Проведено схемотехническое моделирование работы основных узлов и всей БИС с использованием разработанной библиотеки в пакете UltraSim с учётом сум-марной поглощенной дозы до 3·105 ед. Результаты удовлетворительно совпадают с результатами эксперимента, что свидетельствует о возможности прогнозирования стойкости фрагментов цифровых схем на основании результатов их моделирования с помощью подобных библиотек. Методом моделирования выявлены наименее стой-кие узлы БИС, с использованием разработанной библиотеки проведена коррекция схемотехнических решений этих узлов для повышения радиационной стойкости всей БИС ОЗУ 512 кбит.

Работа выполнена в рамках НИР «Модель-МИЭМ». 4. Аналоговые узлы 0,35 мкм КНИ КМОП БИС (ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС»,

г. Н. Новгород). С помощью разработанной библиотеки моделей КНИ МОПТ на ос-нове BSIMSOI-RAD, содержащей зависимость основных параметров транзисторов от полученной дозы, проведено моделирование и определены показатели радиацион-ной стойкости различных схемотехнических решений аналоговых узлов: операцион-ного усилителя Rail-to-Rail, ОУ с дифференциальными входами и выходами, компа-ратора напряжения, источников опорного напряжения, аналогового ключа.

Для примера, на рисунке 16 приведены АЧХ и переходные процессы в ОУ Rail-to-Rail (35 МОПТ) для различных значений дозы. Путём моделирования было показа-но, что деградация характеристик ОУ сильно зависит от синфазного напряжения смещения Vсм.

(а)

(б)

Рисунок 16. Результаты моделирования АЧХ (при Vсм = 5 В) (а) и синусоидальной пе-реходной характеристики (при Vсм = 0; 2,5; 5 В) (б) ОУ при различной дозе

На рисунке 17,а приведены переходные процессы включения источника опорно-го напряжения на 1,25 В. Результаты моделирования показывают, что источник со-храняет работоспособность в диапазоне доз до 1 Мрад, однако с увеличением погло-щённой дозы ухудшаются его динамические характеристики (наблюдается более дли-

23

тельное включение). Данная схема была скорректирована с целью уменьшения вре-мени переходного процесса. На рисунке 17,б приведён переходной процесс в скор-ректированном источнике опорного напряжения при дозе 1 Мрад.

Работа выполнена в рамках НИР «Урал-Т-МИЭМ».

(а) (б)

Рисунок 17. Результаты моделирования переходного процесса включения источника опорного напряжения при различной дозе: до (а) и после (б) коррекции схемы

Фрагменты фоточувствительных КМОП-ФД БИС. Рассмотрены два фраг-мента КНС КМОП-ФД БИС, в которых фоточувствительным элементом является фо-тодиод обычной конструкции и с управляющим МОП-затвором. Возможности моде-лей фоточувствительных элементов проиллюстрированы на двух примерах: 1) ячейки КМОП ФД пикселя на основе простого n+–p-фотодиода; 2) однобитной ячейки АЦ преобразователя «освещённость – цифровой код», изготовленных по КМОП КНС-технологии.

1) 4Т КМОП ФД пиксель с двойной коррелированной выборкой – элемент фото-чувств. матрицы (см. рис. 18а). На диаграммах (см. рис. Рисунок 18б) показаны 4 этапа, характерные для рабо-ты устройства: (1) сброс, (2) накопление, или экспозиция, (3) считывание началь-ного уровня, (4) считывание накопленно-го уровня. На этапе экспозиции данный фотодиод получает сигнал, эквивалент-ный освещённости в 50 мВт/см2 в тече-ние интервала времени 410 нс.

(а)

(б)

Рисунок 18. Схема (а) и диаграммы работы (б) 4Т КМОП ФД пикселя

2) Однобитный АЦП освещённость – цифровой код. С помощью разработанной модели фотодиода с управляющим МДП-затвором была промоделирована схема од-нобитного АЦП «освещённость – цифровой код», включающая линейку фотодиодов с управляющим затвором (см. рисунок 19а).

24

В качестве опорного напряже-ния в данном случае используется пороговое напряжение КМОП-инвертора. Изменяя количество по-следовательно соединённых диодов, можно обеспечить срабатывание АЦП при заданном уровне осве-щённости. На рисунке 19б пред-ставлена смоделированная переда-точная характеристика АЦП при Ucc=3,3 В, на которой показано не-обходимое количество фотоэлемен-тов, требуемое для переключения КМОП-инвертора при различных уровнях освещённости. Расчёты проведены в практически

Рисунок 19. Схема (а) и передаточная характе-

ристика (б) 1-бит. АЦП освещённость – цифровой код, содержащего 4–16 ФДУЗ

важном диапазоне освещённости, характерном для дневного света: от 0,5 мВт/см2 для слабого освещения (пасмурная погода) до 50 мВт/см2 и более для яркого освещения.

Заключение Основной результат диссертации заключается в создании двух комплектов

SPICE-моделей КНИ/КНС КМОП-элементов: 1) учитывающих радиационные эффек-ты; 2) учитывающих фотоэлектрические эффекты. Модели обеспечивают достаточ-ную точность (10–20%) описания характеристик элементов, изготовленных по ралич-ным КМОП-технологиям: от длинноканальных приборов с микронными размерами до короткоканальных с субмикронными размерами (до 0,1 мкм) в диапазоне радиаци-онных доз до 2 Мрад и светового потока до 75 мВт/см2для фоточувствительных эле-ментов. Для всех моделей отработана методика полуавтоматизированного определе-ния параметров на основе результатов измерения электрических и фотоэлектрических характеристик тестовых приборов, использующая универсальный экстрактор IC-CAP. Модели включены в существующие промышленные схемотехнические САПР БИС: Eldo (Mentor Graphics), Spectre и UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys). Применение разработанных моделей позволяет значительно расширить возможности существую-щих схемотехнических симуляторов, распространив их на расчёт радиационно-стойких и фоточувствительных БИС.

Основные научные результаты: 1) Развит макромодельный подход (подключение в эквивалентную схему до-

полнительных элементов) как метод создания (синтеза) новых SPICE-моделей микро-электронных компонентов и улучшения существующих моделей за счёт учёта внут-ренних эффектов в структуре прибора (режимы «плавающего» потенциала, накопле-ние заряда, активные и паразитные резистивно-ёмкостные, диодные и транзисторные структуры и др.), так и эффектов, обусловленных внешними воздействиями (радиа-ция, световое излучение, температура и др.);

2) для построения SPICE-моделей элементов КНИ/КНС КМОП БИС, подверг-нутых воздействию радиационного и светового излучений, предложен и развит еди-ный подход, заключающийся в одновременном использовании двух методов: макро-моделирования, и введения радиационно-зависимых параметров. Показано, что для элементов с размерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм) точность описания ста-тических ВАХ 10–15% и динамических характеристик 15–20% в широком диапазоне дозы радиации и мощности светового потока;

25

3) в макромодели SOI/SOS-MIEM для длинноканальных (L > ~ 0,5–0,8 мкм) КНИ/КНС МОПТ учтены кинк-эффект и эффект раннего пробоя за счёт подключения к эквивалентной схеме дополнительных диодно-резистивных цепочек. Разработана методика определения параметров дополнительных элементов;

4) в оригинальной модели EKV, разработанной первоначально для МОПТ на объёмном кремнии, учтён режим плавающей подложки за счёт подключения в эк-вивалентную схему последовательной диодно-резистивной цепочки и источника на-пряжения, что позволило применить модель для описания МОПТ со структурой КНИ/КНС;

5) разработаны две макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикрон-ных КНИ/КНС МОПТ, учитывающие дозовые радиационные эффекты. В эквивалент-ную схему каждой макромодели введены дополнительные транзисторы, учитываю-щие возникновение радиационных токов утечки по боковой и нижней граням рабочей области транзистора. Для основного и паразитных транзисторов введены аналитиче-ские зависимости, описывающие деградацию порогового напряжения, подвижности, предпорогового наклона от величины поглощённой дозы. Разработана полуавтомати-зированная процедура определения параметров моделей из результатов измерений характеристик облучённых КНИ/КНС МОПТ;

6) разработаны схемотехнические SPICE-модели фоточувствительных элемен-тов КМОП ФД БИС: фотодиодов с МДП-затвором, фотодиодов на основе p-n- и p-i-n-структур, а также фототранзистора, изготовленных по КМОП-технологии на структу-рах с изолирующей подложкой КНИ/КНС. Модели реализуют как фоточувствитель-ный, так и фотовольтаический режимы работы элементов. Разработана полуавтома-тическая процедура определения параметров моделей из результатов измерений элек-трических и оптоэлектрических характеристик реальных приборов.

Основные практические результаты диссертации.

1) Разработанные макромодели включены в промышленные схемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice (Synopsys) и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/КНС КМОП БИС, позволяя достоверно прогнозировать электрические характе-ристики КНИ/КНС КМОП БИС в диапазоне поглощённой дозы до единиц мегарад для радиационно-стойких и в диапазоне освещённости до 75 мВт/см-2 для фоточувст-вительных схем;

2) для пользователей в системе IC-CAP разработаны полуавтоматические про-цедуры определения параметров МОП-транзисторов с учётом воздействия стацио-нарного радиационного излучения, а также фотодиодов и фототранзисторов с учётом воздействия стационарного светового воздействия на основе результатов измерений тестовых образцов или результатов приборного моделирования в системе TCAD, по-зволяющие существенно сократить время экстракции параметров моделей и снизить вероятность человеческой ошибки;

3) проведены оценки разработанных макромоделей по затратам времени на экстракцию параметров и моделирование различных видов электрических харак-теристик для различных классов схем с учётом дозовых эффектов. При сравнении макромоделей BSIMSOI-RAD и EKV-RAD показано, что при совпадающем наборе учитываемых эффектов и меньшем количестве радиационно-зависимых параметров EKV-RAD имеет более простую процедуру экстракции параметров и требует в сред-нем меньшее время для моделирования: статических ВАХ на 12%, АЧХ на 18%, пе-реходных процессов на 50%.

26

Внедрение результатов работы. 1) Схемотехнические SPICE-модели SOI/SOS-MIEM, BSIMSOI-RAD

и EKV-RAD были использованы в ОАО «НПО ИТ», г. Королёв, Моск. обл., в рамках ОКР «Прототип», «Таймыр» и «Угра» при проектировании твердотельных электрон-ных полупроводниковых узлов специализированной электроники (базовых КМОП-элементов цифровой и аналоговой схемотехники) и микросистемотехники – на базе структур «кремний на изоляторе/сапфире» (КНИ/КНС) с учётом воздействия стацио-нарного радиационного излучения и воздействия повышенной температуры;

2) библиотека схемотехнических SPICE-моделей на основе BSIMSOI-RAD для элементов КНИ КМОП СБИС с проектными топологическими нормами 0,5–0,35 мкм с учётом факторов радиационного воздействия и температуры была использована в практических работах предприятия ФГУП «ФНПЦ НИИ ИС им. Ю. Е. Седакова», г. Н. Новгород (ОКР «Урал-Т», «Модель», «Защита», «Модель-С»), по созданию эле-ментной базы радиационно-стойких КНИ КМОП СБИС: радиационно-стойких циф-ро-аналоговых БМК; БИС статического ОЗУ на 512 кбит; библиотеки аналоговых уз-лов и др.;

3) модели МОП-транзисторов и интегральных фотодиодов и методики экстрак-ции их параметров использованы на предприятии ОАО «НПП Пульсар» в работах по моделированию и оптимизации выходных устройств матричных ФПЗС, а также при создании фоточувствительной ячейки матричного КМОП-ФД фотоприёмника.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации: – в изданиях, включённых в перечень ВАК:

[1]. Самбурский Л. М. SPICE-модели оптоэлектронных элементов для расчёта фоточувствительных КМОП-ФД БИС // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки перспек-тивных микроэлектронных систем» – 2005.– М.: ИППМ, 2005 г. – стр. 196–203;

[2]. K. O. Petrosjanc, L. M. Sambursky Models of optoelectronic devices for simula-tion with SPICE // Proceedings of SPIE. – 2005. – Vol. 5944. – P. 115–123;

[3]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В., Самбурский Л. М. и др. Приборно-технологическое моделирование элементной базы КМОП КНИ БИС с учё-том факторов радиационного воздействия // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки пер-спективных микроэлектронных систем – 2008». – М.: ИППМ, 2008 г. – стр. 266–271;

[4]. Трёхмерное моделирование радиационных токов утечки в субмикронных МОП-транзисторах со структурой «кремний на изоляторе» / К. О. Петросянц, Е. В. Орехов, Л. М. Самбурский и др. // Известия вузов. Электроника. – 2010 – № 2(82) – с. 81-83;

[5]. BSIMSOI RAD – макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора для схемотех-нического расчёта КМОП БИС с учётом радиационных эффектов / К. О. Петросянц, Л. М. Самбурский и др. // Известия вузов. Электроника. – 2010. – № 5(85). – с. 81-83;

[6]. Компактная макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора, учитывающая ра-диационные эффекты / Петросянц К. О., Самбурский Л. М., Харитонов И. А., Ятма-нов А. П. // Известия вузов. Электроника. – 2011. – № 87. – С. 20-28;

[7]. K. O. Petrosyants, L. M. Sambursky, I. A. Kharitonov, A. P. Yatmanov SOI/SOS MOSFET compact macromodel taking into account radiation effects // Russian Microelectronics. – 2011. – Т. 40. – № 7. – с. 457–462;

[8]. K. O. Petrosjanc, E. V. Orekhov, D. A. Popov, I. A. Kharitonov, L. M. Sambur-sky et al. TCAD-SPICE simulation of MOSFET switch delay time for different CMOS technologies // Proc. of 9th IEEE East-West Design & Test Intl. Symp. (EWDTS'11), Se-vastopol, Ukraine, Sept. 2011. — p. 188–190;

27

[9]. К. О. Петросянц, И. А. Харитонов, Е. В. Орехов, Л. М. Самбурский и др. Исследование стойкости к воздействию ОЯЧ ячеек КНИ КМОП ОЗУ методами сме-шанного 3D TCAD-SPICE моделирования // Сб. науч. тр. «Проблемы разработки пер-спективных микро- и наноэлектронных систем – 2012. – С. 413-418;

[10]. K. O. Petrosyants, I. A. Kharitonov, L. M. Sambursky Hardware-Software Sub-system for MOSFETs Characteristic Measurement and Parameter Extraction with Account for Radiation Effects // Adv. Materials Research. – 2013. – Vol. 718–720. – p. 750-755;

– в изданиях, не входящих в перечень ВАК: [11]. Самбурский Л. М. Проектирование блоков АЦП спец-ЭВМ на базе КМОП

КНС БИС // «Микроэлектроника и информатика – 2003», 10-я Всероссийская межву-зовская НТК студентов и аспирантов. Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2003 г. – стр. 90;

[12]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Компактные модели МОПТ со структурой КНИ для схемотехнических расчётов // Тезисы докладов II-ой Всероссийской дистанционной НТК «Электроника». – М., МИЭТ, 2003. – С. 69–70;

[13]. Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Определение параметров моделей МОП-транзисторов со структурой КНИ/КНС // НТК студентов, аспирантов и моло-дых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2004 г. – стр. 447-449;

[14]. Самбурский Л. М. Моделирование КНИ/КНС КМОП БИС с учётом воз-действия радиации // «Микроэлектроника и информатика – 2004», 11-я Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов. Тез. докл.. – М.: МИЭТ, 2004 г. – стр. 95;

[15]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Модель КНС МОП-транзистора, учитывающая воздействие радиации // «Электроника, микро- и нано-электроника». Сб. научн. трудов. – М.: МИФИ, 2004 г. – стр. 267-272;

[16]. Петросянц К. О., Самбурский Л. М. Учёт статических эффектов плаваю-щей рабочей области в неполностью обеднённых КНИ/КНС МОПТ // Электроника, микро- и наноэлектроника. Тр. конф. – М.: МИФИ, 2005. – С. 59–62;

[17]. Самбурский Л. М. Обзор методов экстракции параметров моделей МОП-транзисторов, изготовленных по технологии КНИ/КНС // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2006 г. – стр. 34–35;

[18]. Petrosjanc K. O., Sambursky L. M., Yatmanov A. P. Comparison of Commer-cial Parameter Extraction Tools for Spice SOI MOSFET Models // Proc. of 5th IEEE East-West Design & Test Intl. Symp. (EWDTS'07), Yerevan, Armenia, Sept. 2007, p. 69–72;

[19]. Petrosjanc K. O., Kharitonov I. A., Orekhov E. V., Sambursky L. M, et al. A Compact SOI/SOS MOSFET Macromodel Accounting for Radiation Effects // там же, p. 360;

[20]. Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Использование комплекса IC-CAP для экстракции параметров КНИ/КНС МОПТ // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2008 г. – стр. 378-379;

[21]. Прокофьев Г. В., Богатырёв В. Н., Поварницына З. М., Чёрный А. И., Пет-росянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. Исследование радиационной стойко-сти к накопленной дозе рентгеновского излучения интегральных датчиков Холла на структурах «кремний на изоляторе» // Российская НТК «Элементная база космиче-ских систем». Сб. тр., 2008, Сочи, с. 132;

[22]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В., Самбурский Л. М. и др. Комплексное исследование радиационной стойкости интегральных схем космическо-го назначения // Отраслевая НТК приборостроительных организаций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы – 2008». Тез докл., г. Королёв Моск. обл., 2008, с. 41;

28

[23]. Прокофьев Г. В., Богатырёв В. Н., Поварницына З. М., Чёрный А. И., Пет-росянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. Исследование рад. стойкости инте-гральных датчиков Холла на структурах «кремний на изоляторе» // там же, с. 42;

[24]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Исследование характеристик элементной базы аналоговых КНИ КМОП схем, изготовленных по технологии XFAB, с учётом суммарной поглощённой дозы // «Электроника, микро- и наноэлектроника». Сб. научных трудов – М.: МИФИ, 2009 г. – с. 57–66;

[25]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Влияние сум-марной поглощённой дозы на характеристики элементной базы КНИ КМОП БИС ОЗУ // Российская НТК «Элементная база космических систем». Сб. тр.. 2009. – с. ;

[26]. Simulation of Radiation Effects in SOI CMOS Circuits with BSIMSOI-RAD macromodel / Petrosjanc K. O., Kharitonov I. A., Orekhov E. V., Sambursky L.. M, Yat-manov A. P. // Proc. of 7th IEEE East-West Design & Test Intl. Symposium (EWDTS'09), Moscow, Russia, Sept. 2009. – p. 243–246;

[27]. К. О. Петросянц, Е. В. Орехов, Л. М. Самбурский и др. Трехмерное моде-лирование радиационных токов утечки в субмикронных КНИ МОП-транзисторах c различной топологией // «Электроника, микро- и наноэлектроника». Сб. научных тру-дов. – М.: МИФИ, 2010 г. – с. 84–89;

[28]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Анализ влияния суммарной поглощённой дозы на характеристики элементной базы КНИ КМОП БИС ОЗУ // там же – с. 90–95;

[29]. З.М. Поварницына, В.П. Яромский, Е.С. Сельков, О.А. Хотькова, В.Н. Бо-гатырев, Г.В. Прокофьев, Д.Г. Крылов, А.И. Черный, К.О. Петросянц, И.А. Харито-нов, Е.В. Орехов, Л.М. Самбурский Разработка конструктивно-технологических ре-шений, моделирование и испытания образцов базовых элементов АЦ схемотехники на КМОП КНС-структурах // III Всероссийская НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» – Сб. тр. –г. Москва, 2010;

[30]. Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. и др. Определение па-раметров электрической подсхемы, подключаемой к SPICE модели МОП транзистора для учета влияния отдельных ядерных частиц // Электроника, микро- и наноэлектро-ника. Сб. научных трудов. – М.: МИФИ, 2011. – С. 8-15;

[31]. К. Консбаев, Л. М. Самбурский Разработка системы автоматизации измере-ний характеристик и экстракции радиационных параметров макромодели КНИ/КНС МОП-транзисторов // Научно-техническая конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – 2012. – С. 358-359;

[32]. Е. С. Дрозденко, Л. М. Самбурский Аппаратно-программный комплекс для параметрического и функционального контроля фрагментов АЦ/ЦА БИС // там же – С. 348-349;

[33]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М. и др. Макромодель EKV-RAD для КНИ/КНС МОП-транзисторов, учитывающая радиационные эффекты // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. науч. тр. – М.: МИФИ, 2012. – С. 8–20;

[34]. Simulation of Total Dose Influence on Analog-Digital SOI/SOS CMOS Circuits with EKV-RAD macromodel / K. O. Petrosyants, I. A. Kharitonov, L. M. Sambursky et al. // Proc. of 10th IEEE East-West Design & Test Intl. Symposium (EWDTS'12), Kharkov, Ukraine, Sept. 2012. – P. 60–65;

[35]. Определение параметров SPICE-модели КНС МОП-транзисторов для про-ектирования аналоговых и цифро-аналоговых специализированных интегральных схем для радиационно-стойкой аппаратуры / К. О. Петросянц, И. А. Харитонов, Л. М. Самбурский и др. // Тезисы докладов Отраслевой НТК приборостроительных органи-

29

заций Роскосмоса «Информационно-управляющие и измерительные системы – 2012», г. Королёв, Моск. обл., 20–21 сентября 2012 г. – С. 54–56;

[36]. Петросянц К. О., Самбурский Л. М. SPICE-модели фотодиодов и фото-транзисторов для расчёта КНС КМОП фоточувствительных ячеек // «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». Материалы XI научно-технической конф., г. Дубна, Моск. обл., окт. 2012 г. – С. 116–121.

[37]. Петросянц К. О., Харитонов И. А., Орехов Е. В, Самбурский Л. М., Ятма-нов А. П. Моделирование влияния паразитного биполярного транзистора на механизм одиночных сбоев ячейки памяти КНИ КМОП ОЗУ // Электроника, микро- и нано-электроника. Сб. научных трудов. – М.: МИФИ, 2012. – С. 21–32;

[38]. Самбурский Л. М. Моделирование перекрёстных электрических помех в КМОП-ФД матрице // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. Тезисы докладов., М. МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013, с. 261-262;

[39]. Проектирование рад.-стойкого прецизионного усилителя на базе КНС КМОП технологии / Петросянц К.О., Богатырев В.Н., Гоманилова Н.Б., Поварницына З.М., Щёкин А.А., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. // Электроника, микро- и нано-электроника. Сб. науч. тр. / Под ред. В.Я. Стенина. – М.: НИЯУ МИФИ, 2013. – с. 296-302;

[40]. Сравнительный анализ SPICE-моделей КНИ/КНС МОПТ для учёта рад. эффектов / Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский Л.М. // там же – с. 303-309;

[41]. Л. М. Самбурский, А. С. Мокеев, А. Н. Мансуров Схемотехническое моде-лирование элементной базы КМОП КНИ БИС // Сб. трудов VII научно-технической конференции «Высокие технологии атомной отрасли. Молодежь в инновационном процессе» (принято в печать);

Список цитируемой литературы [42]. Petrosjanc K. O., Adonin A. S., Kharitonov I. A., Sicheva M. V. SOI Device Pa-

rameter Investigation and Extraction for VLSI Radiation Hardness Modeling with SPICE // Proc. IEEE Intl. Conf. on Microelectronic Test Structures. – 1994. – Т. 7. – С. 126–129;

[43]. Петросянц К. О., Харитонов И. А. Модели МДП и биполярных транзисто-ров для схемотехнических расчётов БИС с учётом радиационного воздействия // Микроэлектроника РАН. – 1994. – Т. 23. – №. 1. – С. 21-34.

[44]. Данилов И. А. и др. Разработка программных средств моделирования ИМС с повышенной стойкостью к внешним воздействующим факторам космического про-странства //Информационные. системы и технологии. – 2011. – Т. 63. – №. 1;

[45]. Gorbunov M. S. et al. Verilog-A Modeling of Radiation-Induced Mismatch En-hancement // IEEE Transactions. on Nuclear. Science. – 2011. – Т. 58. – №. 3. – С. 785-792;

[46]. Кокин С.А. и др. Разработка математической и программной модели тран-зистора 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.;

[47]. 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 MOS-FETs // Microelectronics. Reliability. – 2010. – Т. 50. – С. 1852–1856;

[48]. 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;

[49]. Afzalian A. et al. Design of Thin-Film Lateral SOI PIN Photodiodes with up to Tens of GHz Bandwidth /Adv. in Photodiodes, Ed. G. F. Dalla Betta. – InTech Press, 2011;

30

[50]. Andreou A. G. et al. Silicon on sapphire CMOS for optoelectronic microsystems //Circuits and Systems Magazine, IEEE. – 2001. – Т. 1. – №. 3. – С. 22-30;

[51]. Zheng Y. et al. Phys. model of lateral PIN photodiode gated by a transparent electrode fabr. on SOI film //Optics and Photonics Letters 2009. – Т. 2. – №. 01. – С. 15-20;

[52]. Xie H. et al. Analysis and simulation of lateral PIN photodiode gated by trans-parent electrode fabricated on fully-depleted SOI film //Journal of Central South University of Technology. – 2011. – Т. 18. – С. 744-748;

[53]. Afzalian A. et al. Physical modeling and design of thin-film SOI lateral PIN pho-todiodes // IEEE Trans. on Electron Devices,. – 2005. – Т. 52. – №. 6. – С. 1116-1122;

[54]. Negru R. et al. A new p-in photodiode SPICE model for CMOS pixel applica-tions //Eur. Phys. J. Appl. Phys. – 2008. – Т. 41. – С. 205-213;