Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Экспериментальное моделирование дозовых ионизационных эффектов в аналоговых изделиях биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях длительного низкоинтенсивного облучения Петров Александр Сергеевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Петров Александр Сергеевич. Экспериментальное моделирование дозовых ионизационных эффектов в аналоговых изделиях биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях длительного низкоинтенсивного облучения: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.27.01 / Петров Александр Сергеевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»], 2018.- 162 с.

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Одним из важнейших

эксплуатационных факторов, влияющих на работоспособность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космического применения, а также комплектующих ее изделий электронной техники (ИЭТ), является ионизирующее излучение (ИИ) космического пространства (КП), состоящее из потоков высокоэнергетических частиц (электронов, протонов, тяжелых ионов). Под действием ИИ КП происходит деградация параметров ИЭТ. При этом определяющее значение имеют радиационные эффекты двух видов:

ионизационные эффекты, причиной возникновения которых является первичная ионизация материала активных и пассивных областей облучаемых изделий;

эффекты образования структурных повреждений (смещений атомов полупроводникового материала из узлов кристаллической решетки).

Одним из основных элементов современных ИЭТ на базе кремния является структура Si/SiO2. Эта структура выступает как один из активных элементов (в изделиях МОП- или КМОП-технологии) или как пассивный элемент (имеется во всех технологических вариантах ИЭТ на базе кремния, граница раздела пассивирующего оксида с кремнием). Главным свойством этой структуры при изучении радиационно-индуцированной деградации является накопление зарядов в диэлектрике и на границе раздела Si/SiO2 при облучении. В связи с этим происходит изменение значений параметров элементов: изменяется пороговое напряжение МОП-транзисторов; увеличиваются токи утечки транзисторов; снижается коэффициент усиления биполярных транзисторов; возрастает ток потребления интегральных схем (ИС); увеличиваются входные токи и др.

Такие эффекты относят к классу поверхностных радиационных эффектов. По своей природе эти эффекты являются ионизационными. Они заметно проявляются при уровнях доз ~103–104 рад(Si) в зависимости от конструктивно-технологического исполнения ИЭТ, а в ряде случаев и при меньших уровнях. Поэтому часто радиационная стойкость ИЭТ на базе кремния определяется именно поверхностными (ионизационными) радиационными эффектами.

Для обеспечения стойкости ИЭТ применяется моделирование

радиационных эффектов. Исследования в этой области проводятся с 1980-х годов. Математические модели, описывающие физические механизмы деградации ИЭТ, а также методы защиты и способы определения параметров чувствительности ИЭТ к воздействию ИИ КП предложены в работах сотрудников АО «НИИЭТ» (г. Воронеж) В.Н. Ачкасова, В.П. Крюкова, И.П. Потапова, В.А. Смерека; ФГУ «ФНЦ НИИСИ РАН» (г. Москва) В.Б. Бетелина; НИЯУ МИФИ (г. Москва) В.С. Першенкова, Г.И. Зебрева, А.Ю. Никифорова, А.И. Чумакова, В.А. Тельца; АО «НИИП» (г. Лыткарино Московской области) В.Н. Улимова, В.В. Емельянова, В.Ф. Зинченко, К.И. Таперо и многих других.

Однако уточненные условия эксплуатации и увеличенные сроки активного существования КА на околоземных орбитах требуют доработки существующих моделей в части объяснения особенностей протекания процессов деградации для

биполярных изделий, когда вместо увеличения деградации с уменьшением мощности дозы наблюдается е уменьшение, и учета деградации от «временных» эффектов для БиКМОП-технологии.

Если радиационные эффекты в изделиях биполярной и КМОП-технологий достаточно хорошо исследованы, то исследования эффектов в изделиях БиКМОП-технологии практически не проводились, в связи с чем отсутствуют методы оценки стойкости таких ИЭТ к воздействию поглощенной дозы ИИ КП в условиях воздействия длительного низкоинтенсивного облучения.

В данный момент основными документами, которые регламентируют испытания на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ с учетом влияния факторов низкой интенсивности, являются американский стандарт MIL-STD-883J (Method 1019.9. Ionizing Radiation (Total Dose) Test Procedure), европейский стандарт ESCC Basic Specification No.22900. Total Dose Steady-State Irradiation Test Method и Российские стандарты – руководящий документ РД В 319.03.37-2000, РД 134-0196-2011 и ОСТ 134-1034-2012. Методы, приведенные в этих документах, не учитывают «новых» результатов и предназначены для ускоренной консервативной оценки соответствия ИЭТ требованиям по стойкости к воздействию поглощенной дозы ИИ КП. На сегодняшний день стандарты имеют некоторые недостатки: использование больших коэффициентов запаса при оценке стойкости (из-за чего некоторые ИЭТ ошибочно признаются нестойкими к воздействию ИИ КП), а также высокие трудоемкость и длительность экспериментов.

Актуальность работы подтверждается участием автора в ряде работ данной направленности в соответствии с программами Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом», которые осуществлялись АО «НИИП», в частности, НИР «Развитие методической и экспериментальной базы радиационных исследований и испытаний элементов и систем вооружений, военной техники и ядерных энергетических установок».

Объектом исследования являются полупроводниковые изделия

биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии.

Предметом исследования являются модели радиационных процессов и методы испытаний полупроводниковых изделий биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях воздействия ИИ КП.

Цель исследования состоит в разработке средств экспериментального моделирования дозовых ионизационных эффектов в аналоговых изделиях биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях длительного низкоинтенсивного облучения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие

основные задачи:

– провести анализ состояния средств экспериментального моделирования дозовых ионизационных эффектов в аналоговых изделиях биполярной, БиКМОП-и КМОП-технологии в условиях длительного низкоинтенсивного облучения, оцененить их недостатки и определить направления их устранения;

– разработать методы для расчетно-экспериментального моделирования

ионизационных дозовых эффектов в аналоговых полупроводниковых изделиях
биполярной, БиКМОП и КМОП-технологии в условиях воздействия

низкоинтенсивного ИИ;

– разработать методы ускоренных испытаний для оценки стойкости к дозовым эффектам изделий биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях воздействия длительного низкоинтенсивного облучения;

– определить применение разработанных средств экспериментального моделирования и их адекватность.

Методика исследования. Для достижения поставленной цели и решения указанных задач использованы: методы численного моделирования физических процессов, экспертные оценки, эксперименты с применением моделирующих установок.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

– показано и подтверждено моделированием, что в биполярных
транзисторах, характеризующихся повышенной деградацией при

низкоинтенсивном облучении при уровнях поглощенной дозы до 100 крад(Si), при уровне свыше 500 крад(Si) вместо увеличения деградации с уменьшением мощности дозы может наблюдаться е уменьшение;

– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов и ускоренных испытаний биполярных аналоговых ИС в условиях низкоинтенсивного облучения, учитывающие, что диапазон интенсивностей, в котором степень деградации растет с уменьшением мощности дозы при облучении, может быть сдвинут в сторону меньших значений мощности дозы, в результате чего критерии чувствительности к эффекту ELDRS, установленные в существующих нормативных документах по испытаниям, не всегда применимы;

– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов и ускоренных испытаний аналоговых ИС БиКМОП-технологии в условиях низкоинтенсивного облучения, учитывающие проявление как «истинных» эффектов мощности дозы (TDRE – true dose rate effect), так и зависящих от времени эффектов (TDE – time-dependent effect);

– метод экспериментальной оценки значения ионизационного фототока при измерении параметров аналоговых КМОП-изделий в процессе испытаний, обеспечивающий их корректное измерение.

Практическая значимость работы.

  1. Разработаны рекомендации по оптимизации процедур испытаний ИЭТ, изготовленных по биполярной технологии, на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ с учетом эффектов низкой интенсивности. Разработанный метод позволяет сократить время, затрачиваемое на проведение предварительных исследований, при испытаниях ИЭТ биполярной технологии и существенно повысить точность результатов.

  2. Предложено при проведении радиационных испытаний аналоговых полупроводниковых изделий БиКМОП-технологии с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения комбинировать существующие подходы к

испытаниям МОП- и биполярных приборов, что существенно повысит достоверность результатов испытаний.

  1. Предложен метод экспериментальной оценки значения ионизационного фототока при измерении параметров КМОП-изделий в процессе испытаний, что повышает достоверность результатов экспериментов.

  2. Разработаны методы ускоренных испытаний для изделий биполярной и БиКМОП-технологии, отличающиеся учетом особенностей технологического исполнения и их влияния на кинетику протекания процессов деградации, что существенно повышает достоверность результатов испытаний.

Разработанные методы внедрены в АО «НИИП» (г. Лыткарино
Московской области) при создании методического обеспечения и проведении
испытаний ИЭТ на стойкость к воздействию ИИ КП (разработанные методики
приведены в приложениях А и Б). Полученные результаты внедрены в учебный
процесс НИЯУ МИФИ (г. Москва) при разработке учебно-методического
комплекса по дисциплине «Надежность и радиационная стойкость

микроэлектронных приборов и систем», а также при разработке рабочей программы дисциплины «Основы радиационной технологии» по направлению подготовки магистров 14.04.02 – «Микро- и наноэлектронные приборы и системы для физических установок».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

– показано и подтверждено моделированием, что в биполярных
транзисторах, характеризующихся повышенной деградацией при

низкоинтенсивном облучении при уровнях поглощенной дозы до 100 крад(Si), при уровне свыше 500 крад(Si) вместо увеличения деградации с уменьшением мощности дозы может наблюдаться е уменьшение;

– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых
эффектов и ускоренных испытаний биполярных аналоговых ИС, обеспечивающие
возможность моделирования изменения деградации при воздействии

низкоинтенсивного облучения в широком диапазоне доз;

– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов и ускоренных испытаний аналоговых ИС БиКМОП-технологии, обеспечивающие учет влияния низкоинтенсивного облучения;

– метод экспериментальной оценки значения ионизационного фототока при измерении параметров аналоговых КМОП-изделий в процессе испытаний, обеспечивающий корректное измерение параметров.

Соответствие паспорту специальности. Работа защищается по специальности 05.27.01 – «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах» и соответствует областям исследований:

– разработка и исследование физических и математических моделей ИЭТ, в том числе для систем автоматизированного проектирования;

– исследование и моделирование функциональных и эксплуатационных характеристик ИЭТ, включая вопросы качества, долговечности, надежности и стойкости к внешним воздействующим факторам, а также вопросы эффективного

применения.

Апробация работы.

Основные научные результаты диссертации прошли апробацию на научно-
технических конференциях «Стойкость-2011» (г. Лыткарино, Россия),
«Стойкость-2012» (г. Лыткарино, Россия), ESREF 2012 (г. Кальяри, Италия),
RADECS 2013 (г. Оксфорд, Великобритания), NSREC 2014 (г. Париж, Франция),
ESREF 2014 (г. Берлин, Германия), «Стойкость-2015» (г. Лыткарино, Россия),
RADECS 2015 (г. Москва, Россия), «Стойкость-2017» (г. Лыткарино, Россия),
ESREF 2017 (г. Бордо, Франция), XII Межотраслевая конференция по
радиационной стойкости (г. Снежинск, Россия), «Стойкость-2018» (г. Лыткарино,
Россия).

Публикации результатов работы.

По тематике диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в Российских рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 7 статей в зарубежных изданиях, входящих в международные базы цитирования Scopus и Web of Science. Общий объм публикаций составляет 79 стр., при этом автором лично выполнено не менее 60 % данного объма.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации – 162 страницы, в том числе 63 рисунка, 2 таблицы, список литературы из 88 наименований.