Оптимизация параметров МДП ИС с учетом влияния ионизирующих излучений на базе программной системы OrCAD

УДК 621.381

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МДП ИС С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БАЗЕ ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ ОЯСАБ

В.В. Милашечко, В.М. Питолин

В статье рассматривается влияние ионизирующего излучения на основные параметры МДП ИС, а также один из методов их стабилизации с помощью варьирования основных топологических параметров средствами пакета программ ОКСЛБ

Ключевые слова: модель, оптимизация, МДП ИС, стойкость, параметры, ионизирующее излучение

Исследования радиационной стойкости интегральных схем (ИС) на основе МДП-транзисторов показали, что данные приборы весьма чувствительны к воздействию радиации. Определено, что деградация параметров МДП-приборов обусловлена не объемными эффектами, а эффектами, происходящими в диэлектрике и на границе раздела диэлектрик-полупроводник. Поэтому при облучении МДП-приборов деградация параметров происходит главным образом из-за эффекта ионизации, при этом преобладающее влияние оказывает сильно ионизирующие излучения (ИИ): у - излучение, электронное, протонное и рентгеновское.

Из многочисленных исследований следует, что при воздействии ионизирующей радиации на МДП -структуру возникают два неисчезающих после снятия облучения эффекта: накопление пространственного положительного заряда внутри слоя диэлектрика и увеличение плотности быстрых поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик, что приводит к увеличению скорости поверхностной рекомбинации, росту рассеяния носителей заряда на поверхности и изменению заряда границы раздела. Эти эффекты приводят к изменению вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик МДП-приборов.

В настоящее время существует несколько моделей образования пространственного заряда в диэлектрике. Наиболее последовательной и разработанной качественной моделью является модель Митчелла, позволяющая связать величину сдвига порогового напряжения с дозой воздействующего ионизирующего излучения и приложенным смещением. Основное допущение модели состоит в том, что заряд, обусловленный поверхностными состояниями на границе раздела 8Ю2-81 существенно меньше, чем в объеме диэлектрика.

В результате расчетов на основе модели Митчелла зависимость изменения (или сдвига) порогового напряжения от дозы облучения имеет вид [2]: при отрицательном смещении на затворе

АГТ (Б) = Гзате -(\ - е),

при положительном смещении на затворе

А УТ (В) =

X,

- 1) - (1 - е-р'В ),

Милашечко Валерий Вячеславович - ВГТУ, соискатель, тел. (4732) 45-20-59 Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 43-76-78

в = 6,7 -10 24 - 4 - И -Т - -^т-

Мрад

где Б - поглощенная доза в Мрад; д - подвижность электронов в 8Ю2; т - время жизни электронов в 8Ю2; Хт - характеристическая длина для распределения встроенного заряда в 8Ю2 вблизи границы раздела.

При действии ионизирующего излучения на МДП-приборы происходит уменьшение подвижности свободных электронов и дырок в инверсионных каналах, что снижает крутизну передаточной характеристики МДП-транзисторов. Исследования показали, что изменения подвижности коррелируют с изменением величины радиационно-

индуцированного заряда [2]. Ниже на рисунке 1 приведены дозовые зависимости радиационно-

индуцированного заряда для МДП-транзисторов.

Рис. 1. Дозовые зависимости подвижности д для п-канального транзистора = 162/4). На-

пряжение при облучении У0 , В. 1: +5 В; 2: 0 В; 3: -5 В.

На рис. 2 представлены дозовые зависимости радиационно-индуцированного заряда для этих же МДП-структур.

а

(

1

0

Некоторые эффекты, связанные с варьированием размеров МДП транзисторов, можно описать качественно на языке изменения порогового напряжения и подвижности.

На рис. 3 приведена структура МДП-

транзистора с малой длиной канала (длина канала Ь сравнима с шириной обедненной области р-п перехода). Как видно из рисунка, в этом случае часть заряда в обедненной области под затвором экранируется сильнолегированными областями истока и стока.

Рис. 2. Зависимость порогового напряжения Vt от дозы облучения

При вариации параметров МДП-структур эти зависимости изменяются количественно, что позволяет судить о вкладе различных факторов в подвижность носителей в инверсионных каналах.

Изменение порогового напряжения преимущественно связано с накоплением пространственного заряда в диэлектрике; уменьшение угла наклона стоко-затворных характеристик, а следовательно, и уменьшение крутизны характеристики МДП-транзистора обусловлено увеличением плотности быстрых поверхностных состояний на границе раздела Si-SiO2.

Таким образом, деградация статических параметров МДП-транзисторов объясняется в основном двумя эффектами, не исчезающими при облучении: накопление положительного заряда в подзатворном диэлектрике и увеличение плотности быстрых поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник.

Радиационно-зависимыми параметрами МДП-транзисторов являются: пороговое напряжение, крутизна стоко-затворной характеристики и вольт-фарадные характеристики. Накопление положительного заряда приводит к сдвигу стоко-затворных и вольт-фарадных характеристик, изменению величины Vt., а увеличение плотности быстрых поверхностных состояний - к уменьшению крутизны сто-ко-затворной характеристики и искажению вольт-фарадных характеристик. Кроме этого оба эффекта приводят к увеличению (для p-канальных), либо к уменьшению (для n-канальных) тока стока.

Одним из методов стабилизации параметров МДП-транзисторов является оптимальный выбор основных топологических параметров, таких как длина и ширина канала и построение соответствующей SPICE-модели. Она должна описывать все существующие процессы, происходящие в МДП-структуре ИС под воздействием ионизирующего излучения, быть применима к микронной технологии L, W > 3^5.

Рис. 3. Модель МОП ПТ, учитывающая эффект короткого канала

Этот эффект приводит к тому, что заряд на металлическом затворе, необходимый для создания обедненного слоя, уменьшается, следовательно, уменьшается и пороговое напряжение УТ.

Уменьшение порогового напряжения будет возрастать с уменьшением длины канала Ь, уменьшением легирования N и увеличением напряжения смещения канал-подложка (в последних случаях

увеличивается ширина области обеднения). На рис. 4 приведены экспериментальные и расчетные изменения величины порогового напряжения ДУТ за счет уменьшения длины канала.

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0,1

-0,2

0,3

0,4

0,5

ч

ч

\ N 'Л-

ír-

55

' jV V Wm L, шм

' // /s

'//)

/

0

8 10 12 14 16

Рис. 4. Изменение порогового напряжения ДУТ как функция длины Ь и ширины W канала МОП ПТ

При уменьшении ширины канала наблюдается противоположный эффект.

Чем уже канал, тем больше изменения порогового напряжения. В пределе, когда ширина канала стремится к нулю, пороговое напряжение приближается к пороговому напряжению для структур с толстым окислом [3,4].

Эффект, связанный с уменьшением ширины, доминирующий, и обычно на практике наблюдается увеличение порогового напряжения при пропорциональном сокращении геометрических размеров.

На величину подвижности носителей ц в канале в основном влияет уменьшение длины канала. В этом случае возрастает величина тянущего электрического поля, происходят разогрев носителей и уменьшение подвижности Цп.

При решении задачи оптимизации основных топологических параметров МОП-структур аналоговых ИС с повышенной стабильностью вводятся ограничения на варьируемые параметры (L-длина канала, W-ширина канала) и выходные параметры.

При автоматизированной разработке аналоговых МДП ИС с повышенной стабильностью характеристик в условиях воздействия ИИ необходимо использовать методы оптимального проектирования. Для решения этой задачи необходимо создать такой схемно-конструкторский вариант МДП ИС, максимальные изменения параметров МДП транзистора, которые вызваны воздействием ИИ, не приводили бы к изменениям выходных параметров схемы за пределы заданных в технических условиях значений. Учитывая специфику схемно-

конструкторской реализации МДП ИС, а также взаимосвязь электрических и топологических параметров МДП транзистора, эта задача может быть решена выбором оптимальной топологии МДП транзистора.

Основу критерия оптимальности составляет целевая функция, аргументом которой являются управляемые параметры [1].

В пакете OrCAD параметрическая оптимизация выполняется методом наискорейшего спуска путем взаимодействия модуля PSpice Optimizer с графическим редактором схем (PSpice Schematics или OrCAD Capture), программой моделирования PSpice и постпроцессором Probe. Критерий оптимизации — обеспечение заданного значения целевой функции при выполнении ряда линейных и нелинейных ограничений.

При создании схемы с помощью OrCAD Capture список оптимизируемых параметров задается по команде PSpice>Place Optimizer Parameters.

Критерий оптимизации задается непосредственно в программе PSpice Optimizer, которая вызывается из меню Tools программ PSpice Schematics и OrCAD Capture по команде Run Optimizer для создания или редактирования файла задания на оптимизацию *.ОРТ.

В правой верхней части этого окна помещен список значений функций, которые могут быть целевыми функциями или ограничениями (раздел Specifications), в нижней — перечень варьируемых

параметров (раздел Parameters).

Значения целевых функций рассчитываются с помощью программы Probe. Они задаются следующим образом:

целевые функции Goal Function программы Probe, записанные в файл с расширением имени *.PRB;

выражения, заданные в программе PSpice Optimizer.

Целевые функции программы Probe позволяют рассчитать минимум или максимум функции, расстояние между выделенными точками, центральную частоту, полосу пропускания и т.п. (стандартные целевые функции размещены в файле pspice.prb).

Для разных целевых функций можно задавать разные вида анализа и даже разные имена схем.

По команде Update Performance рассчитываются характеристики схемы для начальных и текущих значений каждого параметра. Это может использоваться для проверки корректности постановки задачи оптимизации. Значения целевых функций для начальных значений параметров отображаются в главном окне программы, что позволяет оценить близость этих значений к оптимальным.

По команде Update Derivatives вычисляются чувствительности каждой целевой функции к изменению каждого параметра, равные частным производным. Информация о чувствительностях позволяет выбрать параметры, к изменению которых целевые функции наиболее чувствительны.

Оптимизация в автоматическом режиме запускается по команде Autostart. Сначала вычисляется матрица чувствительностей и определяется направление изменения параметров. Движение в этом направлении происходит до тех пор, пока не перестанет уменьшаться разность между текущим и требуемым значениями целевой функции. После этого снова вычисляется матрица чувствительностей и новое направление изменения параметров. По достижении оптимума процесс оптимизации завершается или его нужно остановить по команде Auto>Terminate. Результаты оптимизации отображаются в главном окне программы.

Оптимизация в интерактивном режиме начинается с вычисления чувствительностей по команде Update Derivatives. После этого в основном окне программы изменяются значения параметров и выполняется команда Update Performance для расчета новых значений целевых функций. Однако при этом моделирование не производится, а расчет основывается на матрице чувствительностей. Поэтому в таком режиме изменения параметров должны быть небольшими. Далее снова производится расчет матрицы чувствительностей и вносятся новые изменения в значения параметров.

После успешного завершения оптимизации найденные значения параметров отображаются в главном меню. В связи с тем что ряд параметров компонентов не могут принимать любые значения, можно выполнить округление их значений до ближайшей стандартной величины по команде Edit>Round Nearest Edit>Round Calculated. Точность

округления определяется параметром Tolerance, который может принимать значения 1, 5 и 10%. Новые значения целевых функций после округления параметров рассчитываются автоматически.

Значения найденных в процессе оптимизации параметров переносятся на схему по команде Edit>Update Schematic. Новые значения параметров отображаются в атрибутах символов OPTPARAM.

На каждой итерации процесса оптимизации в главном окне программы приводятся значения целевых функций, текущих значений-параметров, количество просмотренных вариантов (в графе Simulations) и суммарная ошибка (в графе RMS Error). Чем ближе фактические значения целевых функций к заданным значениям, тем меньше эта ошибка [5].

В ряде задач используется возможность задавать желаемый вид характеристики в табличном виде. Для этих целей служит внешняя спецификация External.

Табличное задание целевых функций требует достаточно большого количества оптимизируемых параметров. Кроме того, следует учитывать, что отклонения значений целевых функций от заданных значений суммируются в квадратуре с одинаковым весом. Это означает, что все отклонения равноправны как для больших, так и для малых значений це-

Воронежский государственный технический университет

левых функций. Поэтому табличный способ задания целевых функций удобен, например, для идентификации параметров математических моделей МДП-транзисторов по экспериментальным данным.

Литература

1. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования /Д.И. Батищев. - М.: Радио и связь, 1984. 248 с.

2. Вологдин Э.Н., Лысенко А.П., Интегральные радиационные изменения параметров полупроводниковых материалов, МГИЭМ, М., 1999.

3. Гуртов В.А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие - 2-е изд., доп., Москва: Техносфера 2005. 408 с.

4. Мырова Л.О. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям / Л.О. Мырова, А.З. Чепиженко - М.: Радио и связь, 1988. 296 с.

5. Петраков О. М. Создание аналоговых PSPICE-моделей радиоэлементов. - М.: ИП РадиоСофт, 2004. 208 с.

OPTIMIZATION OF PARAMETERS MIS IS IN VIEW OF INFLUENCE OF IONIZING RADIATION ON THE BASIS OF PROGRAM SYSTEM ORCAD

V.V. Milashechko, V.M. Pitolin

In article influence of an ionizing radiation on the basic parameters MIS IS, and also one of methods of their stabilization by means of a variation of the basic topological parameters is considered by means of software package OR-CAD

Keywords: Model, optimization, MIS IS, stability, parameters, an ionizing radiation.