Введение к работе
Актуальность темы. Работоспособность интегральных схем (ИС) в радиоэлектронной аппаратуре (Р~)Л) космических аппаратов (КА) с длительными сроками активного функционирования определяется процессами деградации их параметров под действием понтирующего излучения (ИИ) космического пространства (КП). Поскольку доля ИС К!\ЮП-технологии в общем объеме ИС, комплектующих аппаратуру нового поколения КА, составляет по количеству и номенклатуре около 80%. оойкость этих ИС к воздействию ИИ КП в значительной мере определяет возможности бортовой аппаратуры. Определение показателей радиационной стойкости (PC) КМОП ИС применительно к условиям воздействия ПИ КП по результатам испытаний на моделирующих уста-' новках (МУ) усіожнясіся«іехническнми трудностями воспроизведения ИИ КП в лабораторных условиях, а также неприемлемыми временем испытаний и затратами на иг» проведение. Кроме того, существующие методы оценки PC КМОП ИС не учитывают влияние условий облучения (электрического'режима, мощности дозы ИИ и температуры окружающей среды в процессе воздействия ИИ) на результаты радиационных испытаний. Поэтому оценку PC КМОП ИС к воздей-СІВИЮ НИ КП следует проводить методами расчетно-экспериментального моделирования, использующими результаты ускоренных испытаний изделий на изо-юппых моделирующих установках (МУ).
Действующая нормативная база, регламентирующая проведение испытаний ПС. до сич пор ориентирована на то. что доминирующим дозовым эффектом является накопление объемного заряда в диэлектрике, в то время как развитие технологии и повышение степени интеграции КМОП ИС требует также учета поверхностных эффектов, имеющих сильную зависимость от условий облучения. Таким «бризом, необходимость моделирования всех существенных механизмов отказа КМОП ИС в реальных условиях применения определяет актуальность разработки методик и технических средств оценки PC КМОП ИС в обеспечение требований нового комплекса стандартов «Климат-7» по результатам расчстно-экспсрнмснталмшш моделирования и испытаний на МУ с учетом реальных условий ИИ КП.
Целью диссертационной работы является разработка расчетно-экспериментальных методов и средств моделирования дозовых отказов КМОП ИС с учетом условий их эксплуатации в космической аппаратуре.
Научная новизна работы. На основе модельного анализа оригинальны:* экспериментальных результатов выявлены доминирующие механизмы влияния условий облучения (мошности дозы, температуры и электрического режіЛіа) на изменение значений основных электрофизических параметров элементов, характеризующих дозовые отказы КМОП ИС, а именно:
впервые обнаружено, что средняя энергетическая плотность ради'ацион-но-индуцироваиных поверхностных состояний (ПС) AD„ имеет немонотонную зависимость от температуры окружающей среды в процессе облучения (Т,,.-,,) с максимумом при 7/^., = 50 -s- 80"С (в зависимости от технологии изготовления МОП-прибора), что особенно значимо для низкоинтенсивных воздействий;
установлено, что подвижность носителей заряда (ИЗ) в инверсионных каналах облученных МОП-транзисторов имеет более слабую, чем до облучения, степенную температурную зависимость,, показатель степени которой возраоаст от исходного значения -І.5 до-0,75;
выявлено, что дозовдя зависимость средней энергетической плотности радиашюнно-индуцированных ПС AD„. полученная при различных Т,*,. на начальном участке имеет сублинейный характер!
-установлено, что динамика изменения подвижности Н'З в инверсишшыч каналах МОП-транзисторов в процессе облучения при различных термоэлектрических режимах определяется балансом прирашения радиационно-индуцированных ПС и объемного -заряда и не зависит от структурных дефектов. вносимых излучением в материал подложки
В результате исследований разработаны оригинальные методики и технические средства контрольных радиационных испытаний КМОП ПС. учитываю-. тих условия облучения и ориентированных на комплектование объектов космической техники в обеспечение требований нового комплекса стандартов «К.ти-мат-7». Оригинальность технических решений экспериментального комплекса
для проведения радиационных испытаний КМОП ИС и их элементов в диапазоне температур 78 4- 420 К подтверждена авторским свидетельством.
В диссертационной работе обоснована и экспериментально подтверждена возможность моделирования тока потребления КМОП ИС при воздействии низ* коиитенсивиого ИИ КП на основе облучения высокоиитенсивным ИИ МУ при повышенной температуре, что позволяет существенно (более чем вдвое) снизить время испытаний и затраты на их проведение.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
созданы оригинальные методы и технические средства дистанционного измерения параметров КМОП ИС и их элементов непосредственно в процессе облучения в диапазоне температур 78 + 420 К;
разработан эффективный метод оценки нижней границы выходного тока КМОП ИС в диапазоне рабочих температур после облучения при одной из температур рабочего диапазона; .
разработана базовая методика и экспериментальный комплекс для проведения радиационных испытаний КМОП ИС в рабочем диапазоне температур;
получены оригинальные результаты радиационных испытаний КМОП НС серий 1526,564, 1564 (наиболее применяемых в аппаратуре КА) в широком диапазоне мощностей дозы ИИ и температуры окружающей среды;
результаты работы вошли в отчетные материалы по НИР «Сувенир», «Персей-5», «Аспект-2», «Стойкость», «Спираль» и «Спираль-2», выполненных по заказам Российского космического агентства и Минобороны России;
результаты работы внедрены в АО «Ангстрем» (Зеленоград) при разработке радиашюнно-етойких КМОП ИС серий 1526, 1617, 1836, 1819, а также в ЦНИИ «Циклон» (Москва) при проведении расчетно-экспериментальной оценки радиационной стойкости ИС при комплектовании аппаратуры КА «Ямал-100», SESATh «Галс-Р16»;
созданные автором методики и технические средства внедрены и используются при проведении радиационных испытаний изделий в НИИ приборов (г.Лыткарино) и ЭНПО «Специализированные электронные системы» (Москва);
6 .
- полученные результаты использовались при разработке нового комплекса стандартов «Климат-7» в части требования по проведению радиационных испытаний ИС в диапазоне температур, а также реализованы в РД 22.12.186-97 (раздел 3) в части требования по учету комплексного характера воздействия геп-лоэлекгрических нагрузок и излучения при определении показателей PC.
Результаты, выносимые ни зашиту: *
1. Методы расчетно-эксперименталыюго моделирования дозовых отказов
КМОП ИС, обеспечивающих адекватное описание особенностей их радиацион
ного поведения с учетом мощности дозы ИИ, температуры окружающей среды и
электрического режима.
-
Методики.и реализующий их экспериментальный комплекс для радиационных испытаний КМОП ИС на MV. обеспечивающие дооовериый .uician-ционный контроль характеристик ['С КМОП ИС в процессе облучения к диапазоне температур 78 4- 420 К.
-
Результаты экспериментальных исследований но комплексному влиянию мощности, дозы, температуры и электрического режима на характерне і нмі КМОП ИС, подтверждающие обоснованность предложенных методов и іемш-ческих средств дм прогнозирования PC КМОП ИС в хе.іоинях і III Ы1 и пшно-ляющие выбрать рациональные состав и условия радиационных ікиміаннй
-
Методика моделирования радиационного поведения і ока потребления КМОП ИС при низкоинтенсивном воздействии НИ КП на основе, комплексною воздействия высокоинтененвного ИИ МУ и повышенной н'мпераіурьі. iiosho-ляюшая существенно (более чем в вдвое) снизить время испытаний и заїрам.) на их'проведение.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной раооГы докладывались на I, II, III межотраслевых конференциях «W«'Vшипеть и контри it-качества ИЭТ» (Севастополь, 1991-1992гг.. Москва -1993г.). Первой всесоюзной конференции Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и j.uwicitiiim космических аппаратов» (Томск. 1991г.), V межотраслевом семинаре «f/pot'iw-мы созоания позупрошшикавых прш'юров. ИС и РЭА на их псионе, стойких к возаеиствию внешних факторов» (Петрозаводск, 1991 г.). 33 Международной
конференции по радиационным к космическіш эффектам NSREC (США, Индиана Веллз, 1996г.), Российских научных конференциях «Радиационная стойкость электронных систем - СТОЙКОСТЬ-98 и СТОЙКОСТЬ-99» (Лыткарино, 1998-1999 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работьі опублико
ваны в 15 работах. Оригинальность технических решений подтверждена автор
ским свидетельством. ,
, Объем и структура диссертации. Диссертация содержит /'^страниц, в том числе yt" рисунка, список литературы из //<—- наименований н состоит нз введения, 5 глав и заключения.
