Nn-gorbunovпопулярный!

Научно-исследовательский институт
системных исследований РАН
Моделирование эффектов полной
дозы на схемотехническом уровне с
использованием языка описания
аппаратуры Verilog-A
М.С. Горбунов, П.Н. Осипенко
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
1
Введение








Субмикронные КМОП ИМС широко используются в среде, где они подвергаются
воздействию стационарного ионизирующего излучения (ИИ). Высокая радиационная
стойкость может быть достигнута конструктивно-топологическими методами (RadiationHardening-by-Design, RHBD) [1]
Эффекты полной дозы (ЭПД, TID) приводят к сдвигу порогового напряжения, деградации
крутизны (подвижности) и росту токов утечки
В субмикронных КМОП технологиях в тонких подзатворных оксидах не происходит
значительного накопления заряда и, следовательно, не возникает заметного сдвига
порогового напряжения [2]. Радиационно-индуцированные токи утечки являются одной из
наиболее важных проблем, которая может быть решена конструктивно-топологическими
методами. С другой стороны, оборудование, применяемое в области физики высоких
энергий, требует уровня стойкости до 100 Мрад (Si), и в этом случае сдвиг порогового
напряжения и деградация подвижности всё ещё являются проблемой [3]
Радиационно-индуцированное увеличение разброса параметров из-за различия в
электрических режимах при облучении является серьёзной проблемой для разработчиков
аналоговых и аналого-цифровых ИМС. Несмотря на то, что эффект рассогласования
параметров достаточно хорошо изучен, на сегодняшний день опубликовано малое
количество работ по влиянию ИИ на рассогласование параметров [4]
Разработчику ИМС требуется инструмент для сравнения различных методов
Испытание чипа в целом позволяет оценить рад. стойкость, но задача определения
стойкости отдельных компонентов является гораздо более сложной
Многоуровневое моделирование является неотъемлемой частью проектирования
радиационно-стойкой ИМС. 3 основных уровня: физический, схемотехемческий (SPICE) и
системный.
Стандартные SPICE модели (BSIM, BSIMSOI, EKV, PSP и др.) не включают радиационные
эффекты. Разработчикам требуется эффективный инструмент моделирования, встроенный
в стандартный маршрут проектирования.
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
2
Многоуровневое моделирование
Физический
уровень
Параметры
техпроцесса
TCAD,
Сложное 2D и 3D
моделирование
Эксперимент
Схемотехнический
DesignKit
уровень
Системный
уровень
Статистический
анализ (МонтеКарло)
Физическая (2D, 3D)
модель приборов и
эффектов
Параметры физической
модели
Эксперимент
Моделирование
элемента
Verilog-A (Verilog AMS)
SPICE-параметры (до и
после облучения)
Моделирование
схемы
Verilog-A (Verilog AMS)
Параметры блоков (схемы
управления, ОУ и др.) (до и
после облучения)
Моделирование
схемы и системы
Стандартный подход
Предлагаемый подход (для RHBD)
Рекомендуемый подход
Verilog (Verilog AMS)
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
3
Verilog-A: мотивация и проблемы



Verilog-A поддерживается всеми современными программами-симуляторами
Значительное время между появлением новой компактной модели (или появлением новой
версии) и встраиванием этой модели в программы-симуляторы
Более быстрая реализация по сравнению с C (или FORTRAN)*:


Все коммерческие симуляторы поддерживают Verilog-A, однако не все положения стандарта
реализованы:









Поддержка анализа шума (noise analysis)
Не везде есть поддержка биннинга и таблицы параметров
Не везде реализовано разграничение модельных параметров и параметров элемента (instance)
и др.
Возникают конфликты синтаксиса SPICE-симулятора и Verilog-A. На примере Cadence® Spectre®:


Введение эффекта саморазогрева в BSIM3: 1-2 дня на Verilog-A против 2-3 недель на C [5]
Конфликт с опцией “insensitive=yes”
Не всегда корректно понимается множитель “m” (multiplier)
Различие в интерпретации опции “@(initial_step)” в DC анализе, в зависимости от версии симулятора
Встроенные компактные модели обычно имеют нестандартные параметры, общие для класса приборов в
данном симуляторе (“Common MOSFET equations” в Spectre), что затрудняет создание универсального
Verilog-A описания компактной модели для всех симуляторов
Времена расчёта одной и той же схемы одним и тем же симулятором при использовании
встроенных SPICE-моделей и тех же моделей на Verilog-A отличаются до 10 раз, в зависимости от
версии симулятора (Verilog-A - медленнее). Это недостаток симулятора, а не языка.
Между выходом нового стандарта языка и реализации этого стандарта в программе-симуляторе
проходит ~ 3 лет: Spectre 6.2.1, вышедший в 2007 году, поддерживает (ограниченно!) Accellera
Verilog-AMS Version 2.2 (ноябрь 2004).
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
4
Физическая модель: сравнение с экспериментом

Физическая модель верифицирована по экспериментальным данным 0,5 мкм КНИ КМОП
технологии. Исследования проводились в НИИСИ РАН, НИИП и ЭНПО «СПЭЛС»

DesignKit для коммерческих КМОП технологии редко содержит информацию по
статистической вариации параметров, которая может быть использована для анализа
методом Монте-Карло. В используемом DesignKit Chartered 0,18 мкм КМОП технологии есть
данные для стандартных (с тонким оксидом, TN) транзисторов и транзисторов с толстым
оксидом (TK)
Толщина транзисторов “TK” примерно равна толщине подзатворного оксида в транзисторах
0,35 мкм технологии
Использованы экспериментальные данные по UMC 0,18 мкм КМОП технологии.
Максимальный сдвиг порога при 2,2 Мрад (Si) составил около 90 мВ. Деградации подвижности
не наблюдалось [6]
Сделано предположение, что все транзисторы имеют кольцевую топологию (отсутствует
радиационно-индуцированный ток утечки)



10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
5
Моделирование дозовых эффектов
`include "constants.vams"
`include "disciplines.vams“
module diff_source (outp, outn, in, vdd);
input in;
output outp, outn;
inout vdd;
electrical in, outn, outp, vdd;
analog
begin
V(outp)<+V(in);
V(outn)<+V(vdd)-V(in);
end
endmodule


Моделирование радиационно-индуцированного рассогласования параметров:
 Один из транзисторов облучается при напряжении затвор-исток, равном vdd,
другой – при нулевом напряжении
 Пороговое напряжение рассчитывается из полученных в результате
моделирования передаточных ВАХ
 Первая точка передаточной ВАХ – электрический режим при облучении
Методика успешно применена для более сложных ИМС: источника опорного
напряжения, кольцевых генераторов и операционного усилителя [Gorbunov-2009]
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
6
Разброс значений порогового напряжения


Толстый оксид: 0 крад (Si)
Тонкий оксид: 0 крад (Si)


Толстый
оксид:
2,5
Мрад (Si) (низкое Vgs
при облучении)
Тонкий оксид: 2,5 Мрад
(Si) (низкое Vgs при
облучении)


Толстый
оксид:
2,5
Мрад (Si) (высокое Vgs
при облучении)
Тонкий оксид: 2,5 Мрад
(Si) (высокое Vgs при
облучении)
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
7
Результаты до облучения (толстый оксид)

Разностью пороговых напряжений транзисторов до облучения можно пренебречь
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
8
После набора дозы 2,5 Мрад (Si) (толстый оксид)


Значения медианы распределения порогового напряжения отличаются на 170 мВ
Стандартные отклонения распределений пороговых напряжений, соответствующих
дозе 2,5 Мрад (Si), практически не отличаются от стандартных отклонений,
соответствующих ситуации «до облучения»
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
9
Кольцевые генераторы





Кольцевой генератор состоит из 120 инверторов + 1 управляющего элемента (2И-НЕ)
Промоделированы 2 типа кольцевых генераторов: на транзисторах с тонким (TN) и толстым
(TK) подзатворными оксидами
Тип транзисторов
Доза, Мрад (Si)
Частота, МГц
Скважность
TK
0
43,44
2,000
TK
2,5
43,39
2,019
TK
100
33,38
2,416
TN
0
73,44
2,037
TN
2,5
73,83
2,057
TN
100
69,67
2,155
Деградация частоты при 2,5 Мрад (Si) несущественна
При дозе ~ 100 Мрад (Si) (значение, получаемое в физических экспериментах) деградация
частоты и скважности значительна даже для TN транзисторов
ПРИМЕЧАНИЕ: необходимы дополнительные исследования деградации подвижности для
высоких значений накопленной дозы (свыше 10 Мрад (Si))
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
10
Заключение





Физическая модель эффектов полной дозы [7] встроена в модель BSIM3v3, реализованную на
языке описания аппаратуры Verilog-A. Полученный инструмент совместим со стандарными
SPICE симуляторами (Spectre, UltraSim, HSPICE, ELDO, etc.) и позволяет на этапе
схемотехнического проектирования учитывать влияние
электрических режимов при
облучении
Проведено моделирование эффекта радиационно-индуцированного усиления разброса
параметров транзисторов для 0,18 мкм КМОП технологии (тонких и толстых подзатворных
оксидов). Продемонстрирована зависимость от электрического режима при облучении
Эффект может усиливаться в транзисторах с нестандартной топологией (кольцевых, с
окружённым истоком, H-транзисторах (КНИ) и др.)
Предложенная методика применима к различным цифровым и аналоговым ИМС
Полученная информация для транзисторов с толстым оксидом может быть использована для
оценки стойкости ИМС, выполненных по 0,35 мкм КНИ КМОП технологии
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
11
Литература










[1] R.C. Lacoe, “Improving Integrated Circuit Performance Through the Application of Hardness-by-Design
Methodology,” IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. 55, no. 4, August 2008.
[2] H. J. Barnaby, “Total-Ionizing-Dose Effects in Modern CMOS Technologies,” IEEE Tran. Nucl. Sci., vol.
53, no. 6, pp. 3103-3121, 2006.
[3] D. Bertini, E. Paulova “CBM radiation levels studies”, CBM Progress Report 2008, p.73.
[4] F.Faccio, “Radiation Issues in the New Generation of High Energy Physics Experiments”. International
Journal of High Speed Electronics and Systems, vol. 14, no. 2 (2004) pp. 379-399.
[5] Geoffrey Coram. Tutorial: How to (and How NOT to) Write a Compact Model in Verilog-A. BMAS-2004
[6] S. Löchner, H. Deppe, “Radiation Studies on the UMC 180 nm CMOS Process at GSI”. RADECS-2009
Proceedings.
[7] G.I. Zebrev, M.S. Gorbunov, “Modeling of Radiation-Induced Leakage and Low Dose-Rate Effects in
Thick Edge Isolation of Modern MOSFETs,” IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. 56, no. 4, August 2009.
[8] E.O. Mikkola, B. Vermeire, et al., “VHDL-AMS Modeling of Total Ionizing Dose Radiation Effects on
CMOS Mixed Signal Circuits”, IEEE Trans. on Nucl. Sci., vol. 54, no. 4, August 2007.
[9] M.S. Gorbunov, G.I. Zebrev, P.N. Osipenko, “Radiation-Hardening-by-Design with Circuit-Level
Modeling of Total Ionizing Dose Effects in Modern CMOS Technologies”. Presented at ICMNE-2009.
Accepted to Proceedings of SPIE.
Контакты:


Горбунов М.С., НИИСИ РАН, м.н.с. Email: [email protected]
Осипенко П.Н., к.т.н., зав. ОРВТ НИИСИ РАН. Email: [email protected]
10-й научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур»
12