Цель работы
Cоздание комплекса мультифизических (электрических, электро-тепловых, радиационных и др.) моделей и вычислительных приложений для расчета и оптимизации режимов работы и 2D/3D конструкций современных приборов, схем и систем электроники, микро- и наноэлектроники.
Используемые методы
В работе использована многоуровневая концепция разработки методов и средств моделирования и проектирования электронной компонентной базы (ЭКБ) по принципу «снизу-вверх» в следующей последовательности : полупроводниковый прибор - микросхема (или функциональный узел БИС) - БИС в целом – система на кристалле – система на печатной плате.
На каждом из перечисленных уровней ЭКБ используется методология мультифизического моделирования, являющаяся в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений математического моделирования сложных иерархических систем, используемых ведущими мировыми компаниями.
Для каждого уровня ЭКБ разрабатываются новые или модифицируются следующие виды моделей :
-
приборно-технологические, в которых физические эффекты различной природы описываются 2-х и 3-х мерными уравнениями (ДУЧП) математической физики, которые решаются численными методами в известных системах моделирования;
-
схемотехнические модели, построенные на принципе электротехнической аналогии и описываемые системой ОДУ. Эти модели включены в библиотеки моделей компонентов известных симуляторов HSPICE, LTSpice, Spectre, Eldo и др.
Для учета новых физических эффектов, которые ранее не учитывались, в вышеперечисленных моделях различного уровня, использованы два универсальных метода:
-
макромоделирование, когда новый эффект учитывается подключением в эквивалентную схему дополнительных элементов, описывающих этот эффект;
-
введение в систему уравнений, описывающих элемент (компонент) новых уравнений или аппроксимаций (выражений) для описания параметров модели, зависимых от конкретного физического воздействия.
Эмпирическая база исследования
База исследования включала в себя открытые публикации и результаты исследований, проводимых авторами данного Проекта на имеющемся оборудовании и программном обеспечении.
Результаты работы
1. Разработана концепция и частные методологии мульти-физического моделирования микро- и нанометровых компонентов БИС в среде универсальных 2D/3D вычислительных комплексов.
2. В коммерческую библиотеку физических моделей пакета TCAD были добавлены следующие новые модели:
1) новый сегмент моделей нейтронного излучения, который включает: улучшенные уравнения для времени жизни электронного и дырочного носителей с учетом зависимости от флюенса нейтронов, концентрации легирования и эффективности инжекции; улучшенное уравнение подвижности носителей в зависимости от флюенса нейтронов;
2) новый сегмент моделей протонного излучения, основанный на аддитивном подходе комбинированных механизмов смещения и ионизационного повреждения. Две частичные модели для нейтронов и гамма-лучей используются для расчета одновременно. Разработан специальный преобразователь для определения значений флюенса нейтронов Фn и дозы гамма-излучения Dγ, эквивалентных флюенсу протонов Фp;
3) сегмент моделей гамма-излучения был существенно улучшен:
-
введена модифицированная зависимость от дозы для подвижности носителей;
-
включена скорость поверхностной рекомбинации S (Dγ) для границ Si-SiO2;
-
введены аппроксимации экспериментальных зависимостей для концентраций ловушек Nit (Dγ), Not (Dγ) на границах раздела Si-SiO2 / Si-HfO2 и в объемных объемах отдельно для затворного оксид, областей p-n-переходов, структур BOX, STI / DTI (со срытыми окислами) для моделирования как обычных биполярных и МОП-транзисторов, так и современных и перспективных глубоко субмикронных Si BJT / SiGe HBT, а также объемных / КНИ высокочастотных МОП-транзисторов.
4) улучшенные тепловые модели для расчета эффективной подвижности и теплопроводности различных полупроводниковых слоев, что позволило расширить возможности пакета TCAD в части температурного диапазона и моделирования тепловых эффектов саморазогрева глубоко субмикронных биполярных и МОП-транзисторных структур современных БИС.
3. Температурный диапазон компактных SPICE моделей для биполярных и полевых компонентов был расширен со стандартного уровня (–60 ° C… + 150 ° C) до экстремальных условий (–200 ° C… + 300 ° C) и был добавлен учет факторов радиационного воздействия:
1) Была предложена единая методика учета низко / высокотемпературных и радиационных эффектов в кремниевых биполярных/ кремний-германиевых гетеро-переходных транзисторах, МОП транзисторах, изготовленных по объемной и КНИ/КНС технологиям, JFET транзисторах:
-
в качестве базовой модели используется соответствующая стандартная SPICE модель компонента (биполярного, МДП, полевого и др.),
-
базовая модель дополняется аппроксимирующими выражениями для основных параметров, зависящих от температуры и/или радиации, и/или дополняется внешними стандартными компонентами схемы, учитывающими указанные внешние воздействия.
2) Разработаны и включены в пакеты SPICE моделирования улучшенные компактные SPICE-модели кремниевых биполярных/ кремний-германиевых гетеро-переходных транзисторов; МОП транзисторов, изготовленных по объемной и КНИ/КНС технологиям; JFET транзисторов для моделирования перспективных БиКМОП СБИС в расширенном диапазоне температур от –200 ° C до + 300 ° C и с учетов влияния факторов радиационного воздействия.
Показано, что модели обеспечивают точность моделирования электрических и др. характеристик компонентов и схем не хуже 15…20%.
4. Разработаны методика и программное обеспечение для совместного электро-теплового анализа задержек и электрических потерь в межсоединениях СБИС в зависимости от температурных эффектов в СБИС. Разработана процедура редукции многозвенной распределенной электро-тепловой цепи в компактную П-образную эквивалентную схему, которая включена в библиотеку моделей программ SPICE-моделирования. Методика численного электро-теплового расчета задержек в межсоединениях БИС, предложенная в данной работе, позволяет:
-
учитывать произвольное распределение температуры в полупроводниковых кристаллах БИС и металлизированных межсоединениях;
-
автоматизировать процедуру синтеза компактной П-образной модели междсоединений БИС с температурно-зависимыми параметрами для расчета цифровых и аналоговых узлов БИС с помощью SPICE подобных программ.
По полноте учета тепловых и радиационных эффектов разработанные модели превышают имеющийся мировой и отечественный уровень.
Для разработанных моделей достигнуто хорошее совпадение между смоделированными и измеренными характеристиками исследуемых компонентов. Среднеквадратическая ошибка не более 10–20%.
Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР
Расширенные возможности подсистем TCAD-RAD и SPICE-RAD с разработанными моделями влияния температуры и излучения были проиллюст-
рированы на примерах кремниевых биполярных/ кремний-германиевых гетеро-переходных транзисторов, МОП транзисторов, изготовленных по объемной и КНИ/КНС технологиям, JFET транзисторов, которые являются перспективной отечественной компонетной базой для создания БиКМОП БИС экстремальной электроники.
Результаты работы могут заинтересовать предприятия Минобороны, Роскосмоса, Росатома и др. ведомств, занимающихся созданием и разработкой спец. радиоэлектронной аппаратуры, в частности: ФГУП «ФНЦП НИИ Измерительных систем им. Ю.Е. Седакова» (г. Н.-Новгород), ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина» (г. Снежинск), ФГУП «ВНИИ Автоматики им. Н.Л. Духова», ОАО «НПО Измерительной техники» (г. Королев, Моск. обл.), ОАО Ангстрем (г. Зеленоград), ОАО «НИИМЭ и Микрон» (г. Зеленоград) и др. Кроме того, они могут быть полезны специалистам НИИ, вузов, академических учреждений, занимающихся разработкой и применением электронных компонентов для специальной аппаратуры, используемой в космическом пространстве, атомной энергетике и др., подверженной воздействию температурных и радиационных факторов.
