Радиационные эффекты в кмоп-технологии хакимов Аскар

Рис. 1. Модель параметров в зависимости от изменений процесса и дозы


Моделирование однособытийных эффектов в цепях
Эффекты SEU по своей сути отличаются от эффектов TID, поскольку шкала времени другая, и эффект не накапливается. После того, как правильные параметры извлечены из экспериментов TID, метод моделирования прост, как дополнительный угловой размер. Можно предположить, что эффекты TID одинаковы для разных устройств на одном и том же чипе, что не относится к эффектам одиночного события, поскольку они происходят локально только в течение некоторой доли времени.
В цифровых схемах эффекты SEU можно оценить с помощью методов внедрения неисправностей. В цифровых симуляторах можно вводить случайные перевороты битов и переходные процессы, чтобы исследовать, чувствительна ли система к сбоям.
В аналоговых блоках количество заряда, захваченного устройствами, может быть важным, поскольку оно мешает аналоговым сигналам, также не следует пренебрегать формой тока SEE. Эти формы могут быть оценены с помощью моделирования TCAD, которое может рассчитать подвижность заряда в устройствах после того, как частица попала в чип [40]. Количество зарядов и взаимодействие частицы с кремнием можно оценить с помощью ядерных симуляторов Монте-Карло, таких как GEANT4 [41] и FLUKA. Это инструменты, разработанные в ЦЕРН для моделирования взаимодействия между различными источниками излучения и геометрией материалов. Результатом этих инструментов является трехмерное (или 2,5D) энергетическое выделение частицы в кремнии, из которого можно рассчитать количество генерируемых электронно-дырочных пар.

Рис. 2. Взаимодействия частиц Монте-Карло оценивают выделение энергии в актах ионизации в кремниевой подложке, по которой можно оценить генерацию заряда. Распределение плотности заряда является начальным состоянием генерации носителей для модели TCAD.

Эти данные можно использовать в TCAD для моделирования напряжений и токов в базовых схемах с небольшим количеством транзисторов. Чтобы смоделировать аналоговые блоки в более крупной системе, переходные процессы должны быть смоделированы в поведенческих моделях компонентов. На рис. 2 показана схема моделирования SEU для ввода спайса. На первом этапе ядерный симулятор MC оценивает пространственное выделение энергии и плотность заряда, которые являются начальными состояниями для симулятора TCAD. Выходом этого потока являются токи в узлах устройства, которые можно использовать в симуляциях spice [2]. Обратите внимание, что этот способ моделирования требует очень много времени и является оценкой реакции цепи на заряды, поскольку правильные модели TCAD не могут быть построены, поскольку информация для литья недоступна. Поэтому этот поток используется для понимания механизмов того, как схемы реагируют на заряды, а не как формальная проверка работоспособности устройства. Радиационная оценка по-прежнему требуется для устройств, прежде чем они могут быть квалифицированы для применения в радиационной среде. Эти методы могут занимать много времени и быть непрактичными во многих проектах. Как обсуждалось ранее, импульсы тока также могут быть смоделированы как двойная экспоненциальная функция [6].

Вывод
Наблюдаются долгосрочные эффекты накопления излучения даже в узлах с передовой технологией CMOS. Первоначально они наблюдались в затворном оксиде, но сегодня эффекты TID наблюдаются во вторичных оксидах, таких как STI и спейсерные оксиды LDD. Было замечено, что в узлах с технологией 65 нм CMOS транзисторы PMOS изнашиваются значительно больше, чем устройства NMOS. Кроме того, было обнаружено, что эффекты TID в значительной степени зависят от геометрии, так что короткие и узкие транзисторы изнашиваются больше, чем длинные и широкие транзисторы. Однособытийные эффекты становятся еще более важными в сокращающихся технологиях по мере уменьшения емкости узлов. Ионизирующие частицы создают временные возмущающие заряды и токи в цепях, что может привести к переходным напряжениям и неправильным цифровым значениям. Заряды собираются на стыках устройств. Несмотря на то, что между различными узлами может происходить распределение расходов, тройные структуры являются распространенным подходом к смягчению SEE в цифровых модулях за счет мощности и площади. Хотя излучение не может быть непосредственно включено в моделирование SPICE, можно сделать приближение с помощью моделирования Монте-Карло и моделей TCAD для оценки токов, генерируемых в устройствах, для моделирования воздействия на схемы. Было известно, что эффекты TID успешно включаются в качестве дополнительного измерения в уголки технологии.