• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Комплексное моделирование взаимосвязанных электро-тепловых, электромагнитных, фотоэлектрических и радиационных эффектов и явлений в приборах, схемах и системах электроники, микро- и наноэлектроники

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2018

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.

Публикации по проекту:


Petrosyants K. O., Popov D., Bykov D. Quasi-3D TCAD modeling of STI radiation-induced leakage currents in SOI MOSFET structure // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1163. P. 1-6. doi
Petrosyants K., Popov D., Bykov D. TCAD Simulation of Dose Radiation Effects in Sub-100 nm High-k MOSFET Structures / Пер. с рус. // Russian Microelectronics. 2018. Vol. 47. No. 7. P. 487-493. doi
Петросянц К. О., Харитонов И. А., Самбурский Л. М., Исмаил-Заде М. Р. Принципы разработки библиотек SPICE-моделей электронных компонентов для ответственных применений отечественного производства // В кн.: Международный форум «Микроэлектроника-2018». 4-я Международная научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули». Сборник тезисов. Республика Крым, г. Алушта, 01–06 октября 2018 г. М. : Техносфера, 2018. С. 308-312.
Petrosyants K. O. Compact Device Models for BiCMOS VLSIs Simulation in the Extended Temperature Range (from -200°C to +300°C), in: 24th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems (2018). IEEE, 2018. P. 1-6.
Uvaysov S. U. Proceedings of the International Scientific – Practical Conference « INFORMATION INNOVATIVE TECHNOLOGIES» (I2T), 2018. , 2018.
Kharitonov I. A. Application of electro-thermo-rad models for spice simulation of digital CMOS circuit behavior with account for combined thermal and radiation effects, in: Proceedings of the International Scientific – Practical Conference « INFORMATION INNOVATIVE TECHNOLOGIES» (I2T), 2018. , 2018. P. 475-481.
Adonin A. S., Petrosyants K. O., Popov D. Modeling of the submicron MOSFETs characteristics for UTSi technology, in: International Conference on Micro- and Nanoelectronics - 2018, ICMNE 2018. ООО “МАКС Пресс”: SPIE, 2018. doi P. 29-29.
Petrosyants K. O., Kozhukhov M. V., Dvornikov O. V., Savchenko E. M., Budyakov A. S. SPICE-model of SiGe HBT Taking into Account Radiation Effects, in: 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Proceedings. M. : IEEE, 2018. Ch. 380. P. 1-4. doi
Petrosyants K. O., Nikita I. Ryabov, Boris G. Lvov, Ekaterina I. Batarueva Б. Е. Development of Compact SPICE-models of IC Resistive Interconnects with Different Configurations, in: 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Proceedings. M. : IEEE, 2018. Ch. 10. P. 1-4. doi

См. также

Ключевые слова