BSIMSOI-RAD - МАКРОМОДЕЛЬ КНИ/КНС МОП-ТРАНЗИСТОРА ДЛЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КМОП БИС С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

Петросянц Константин Орестович; Самбурский Лев Михайлович; Харитонов Игорь Анатольевич; Ятманов Александр Павлович

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.382.32

В81М801-КАБ - макромодель КНИ/КНС МОП-транзистора для схемотехнического расчета КМОП БИС с учетом радиационных эффектов

К.О.Петросянц, Л.М.Самбурский, И.А.Харитонов Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)

А.П.Ятманов НИИ измерительных систем (г. Нижний Новгород)

Макромодель BSIMSOI-RAD разработана для описания характеристик субмикронных КНИ/КНС КМОП-транзисторов, изготовленных по технологии кремний-на-изоляторе/сапфире, с учетом радиационных эффектов: суммарной поглощенной дозы, импульсного облучения и одиночных ядерных частиц (ОЯЧ). Макромодель предназначена для оценки эффективности предлагаемых конструктивно-технологических и схемотехнических решений, выявления «слабых» схемных узлов.

Эквивалентная электрическая схема макромодели приведена на рис.1,а. Ее основная часть -верхний МОП-транзистор Мверх описывается моделью BSIMSOI3 v3.2 с радиационно-зависимыми параметрами для порогового напряжения УТ, подвижности ц и предпорогового наклона 5". Дополнительные элементы макромодели - транзисторы Мнижн (для случая КНИ и-МОПТ) и Мбок описываются моделью MOS3 с радиационно-зависимыми параметрами Ут, ц, 5 и позволяют учесть

И Мверх

Зв

В8013

КР

1фи Р

1ФС

Зв

M0S3.....Т......

Мбок ' —

м„

ОЯЧ

Wd

ви

Я

МРА

ммл

в

А

МРВ

МШ

с

M0S3

Зн 1?

______д^-сапф.........

Wd

-гр-о

ви

1с, А 10"3

10"' 10": 10"6

10"' 10"8 10"9 10"10 10

■ 1 1 1 1 1111 1111

\ До облуче

!2О0 крад-

500 кради в/ Т

!

Г

1 1 Мрад !

р /

1111 ■ III

11 "0,6

0 0,6 б

0,5 0

1 У(А), В

^ЗИ, В

У(А), В Г\

| к.

3 4 I, мкс

2,500

2,504 и мкс

Рис.1. Эквивалентная схема BSIMSOI-RAD (а), экспериментальные (точки) и смоделированные (линии) ВАХ КНИ МОПТ Ь/Ш = 0,25/8 мкм (б), 6-транзисторная ячейка памяти (в) и результаты моделирования

воздействия ОЯЧ (г)

I

а

0

1

2

в

г

утечки соответственно по нижней и боковым граням рабочей области в КНИ/КНС МОПТ, сопротивление Лсапф(0 (для случая КНС) и источники 1ФИ(0, 1ФС(0 учитывают фототоки при импульсном воздействии, источник ионизационного тока 1иОн(0 учитывает всплески токов при воздействии ОЯЧ.

Экстракция радиационно-зависимых параметров макромодели. Радиационно-зависимые параметры макромодели: VTH0, УТО и др. - для порогового напряжения; U0, UA, UO и др. - для подвижности; CIT, VOFF, NFS и др. - для предпорогового наклона ВАХ IC = у(УЗИ) аппроксимируются выражениями вида aj + a2exp (-a3D), где D - величина дозы, a\, a2, a3 - подгоночные коэффициенты. Экстракция коэффициентов ab a2, a3 осуществляется с помощью разработанной процедуры [1], использующей комплекс IC-CAP [2]. В качестве исходных данных используется набор стандартных ВАХ и ВФХ КНИ/КНС МОПТ для разных доз, получаемый в результате радиационных испытаний или приборно-технологического моделирования. Значения подгоночных коэффициентов для параметров КНИ МОПТ с L/W = 0,25/8 мкм, имеющего ВАХ, показанную на рис.1, б, [3], приведены в таблице.

Значения радиационных коэффициентов модели BSIMSOI-RAD

Коэффициент MB. ох

VTH0 U0 CIT VOFF UA UB

a1 -0,5 0,7 110-3 -0,1 1,8 7

a2 0,5 0,3 -110-3 0,1 -0,8 -6

a3 1,110-6 1,2 10-6 2 10-6 2 10-6 2 10-6 110-6

Коэффициент M нижн M^k

VTO UO NFS VTO UO NFS

a1 -10 0,75 1,6 -80 0,5 1

a2 10 0,25 -0,6 80 0,5 0

a3 3 10-6 2,5 10-6 1,4 10-6 50 109 110-6 1,410-6

Пример моделирования воздействия ОЯЧ. При схемотехническом моделировании в программах Eldo, Spectre, UltraSim величина полной дозы D и параметры радиационного импульса задаются для всей схемы в целом, параметры генератора тока /ион (см. рис.1,а) задаются для конкретного МОПТ, на который воздействует ОЯЧ. На рис.1,в приведена 6-транзисторная ячейка памяти на КНИ КМОПТ («-МОПТ 0,5/11 мкм, ^-МОПТ 0,5/22 мкм). В момент времени t = 2,5 мкс на транзистор MPA воздействует ОЯЧ. Реакция напряжения на выходе A ячейки приведена на рис.1,г.

Опыт использования макромодели, представленной на рис.1,а, для расчета цифровых и аналоговых схем показывает, что погрешность описания статических ВАХ КНИ/КНС МОПТ не превышает 10-15% в диапазоне доз до 1,5-10б ед., динамических характеристик - 20%.

Литература

1. Simulation of radiation effects in SOI CMOS circuits with BSIMSOI-RAD macromodel / K.O.Petrosjanc, I.AKharitonov, E.V.Orekhov et aL // Proc. of 7-th IEEE EWDTS Symposium. - 2009. - P. 243-246.

2. Agilent 85190A, IC-CAP 2006 User's Guide.

3. New Insights into Fully-Depleted SOI Transistor Response after Total-Dose Irradiation / J.R.Schwank, M.RShaneyfelt, P.E.Dodd et aL // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2000. - Т. 47. - № 7. - С. 604-612.

Поступило 14 мая 2010 г.

Петросянц Константин Орестович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование полупроводниковых приборов и элементов БИС, САПР элементной базы ЭВА и РЭА. E-mail: [email protected]

Самбурский Лев Михайлович - старший преподаватель кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование элементной базы радиационно стойких БИС.

Харитонов Игорь Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и электротехники МИЭМ. Область научных интересов: моделирование и

проектирование элементной базы электроники специального назначения, ПЛМ, системы -на-кристалле.

Ятманов Александр Павлович - начальник отдела НИИ измерительных систем (г. Нижний Новгород). Область научных интересов: разработка и моделирование технологических процессов и интегральных приборов, моделирование элементной базы радиационно стойких БИС.

УДК 621.3.049.779

Анализ энергопотребления элементов конденсаторно-транзисторной логики методами приборно-технологического моделирования

А.В.Николаев

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Существенное влияние на характеристики элементов конденсаторно-транзисторной логики (КТЛ) оказывает структура емкости. Методология проектирования и исследование схемотехнических устройств на КТЛ-элементах рассматривались ранее . В настоящей работе анализируется одна из возможных физических реализаций конденсаторно-транзисторной структуры с помощью двумерного технологического моделирования в среде Synopsys TCAD 10.0.

Одним из наиболее важных преимуществ КТЛ-элементов по сравнению с КМОП-вентилями является их высокая технологичность (меньшее, по сравнению с КМОП, число масок), что удешевляет производство. Для того чтобы максимально сохранить это преимущество, рассмотрим технологически наиболее простую структуру конденсатора на основе МОП-транзистора. Базовый вентиль с такой структурой представлен на рис.1. Таким образом, весь КТЛ-элемент (блок «-канальных транзисторов, определяющих логику, и емкостной элемент) выполняется в едином технологическом процессе. По результатам схемотехнической оптимизации параметров МОП-емкости для базовой технологии, использованной в данном исследовании (это типичная технология 0,18 мкм модели BSIM 3.2), по уровню выходной амплитуды и

площади элемента выбраны следующие значения параметров: МОП-емкость - длина канала 0,5 мкм, ширина 1,5 мкм; переключающий п-канальный транзистор - длина канала 0,18 мкм, ширина 0,5 мкм. При этих размерах уровень выходного сигнала составил по расчетам 60% от уровня питания.

На рис.2,а,б приведены результаты технологического моделирования (распределение примесей) структур КТЛ-элемента и аналогичного ему по функции (инверсия) КМОП-вентиля. Как видно из рис.2,а, сток транзистора, выполняющего функции конденсатора, и исток переключающего транзистора объединены для уменьшения общей площади элемента. Из сравнения структур становятся очевидными технологические преимущества КТЛ-элементов - они имеют более простую физическую структуру и большие возможности по уплотнению топологии.

Кремлев В.Я., Крупкина Т.Ю., Николаев А.В. Построение цифровых схем на основе элементов конденсатор-но-транзисторного типа // Изв. вузов. Электроника. - № 1. - 2008. - С. 56-62.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Питание

Вход

1

Выход

Контроль

Рис.1. Базовый вентиль конденсаторно-транзисторного типа с МОП-емкостью

Текст научной работы на тему «BSIMSOI-RAD - МАКРОМОДЕЛЬ КНИ/КНС МОП-ТРАНЗИСТОРА ДЛЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА КМОП БИС С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ»