Введение к работе
Актуальность темы.
Интегральные схемы (ИС) средней и высокой степени интеграции широко используются в современных системах управления и вычислительной техники. Наибольшее распространение, особенно в электронной аппаратуре, предназначенной для автономного функционирования, нашли ИС на КМОП-структурах. Применение КМОП ИС в аппаратуре, эксплуатируемой в условиях воздействия ионизирующих излучений (ИИ) (космическая и военная аппаратура, системы ЭФУ) делает актуальной задачу прогнозирования их радиационной стойкости.
Особое значение имеет прогнозирование стойкости КМОП ИС в условиях воздействия ИИ низкой интенсивности, характерных для космических аппаратов, ядерных установок и других. Прямое экспериментальное определение стойкости изделия, как правило, невозможно из-за большой продолжительности и высокой стоимости радиационных испытаний. Вследствие этого требуется развитие научно-обоснованных методов ускоренных испытаний и расчетно-экспериментальных методов прогнозирования стойкости КМОП ИС. Решение проблемы осложняется тем, что уровень стойкости зависит не только от интенсивности воздействия, но и от температуры окружающей среды и изменяющегося во времени режима функционирования.
К настоящему времени установлено, что при воздействии
стационарного ИИ формируется положительный заряд в окисле и поверхностные состояния (ПС) на границе раздела кремний-оксид. После прекращения облучения происходит медленная нейтрализация положительного заряда и довстраивание ПС. Совместное действие процессов отжига положительного заряда н медленного встраивания ПС при облучении определяет зависимость радиационного поведения МОП-схем от мощности дозы и температуры. Существующие модели, как правило^ опираются только на узкую часть экспериментальных наблюдений и описывают группу частных явлений. С другой стороны, развитие расчетно-эксперимеитальных методов требует разработки моделей, учитывающих комплексный характер воздействий и условий эксплуатации МОП-приборов. Другим аспектом проблемы определения стойкости современных ИС является необходимость учета влияния паразитных структур и эффектов геометрического масштабирования.
В связи с этим актуальной задачей является разработка расчетно-
экспериментальных методов определения показателей стойкости КМОП ИС к совместному воздействию ИИ и температуры с учетом специфики реальной эксплуатационной обстановки.
Цель диссертационной работы.
Целью работы является разработка физико-математических моделей элементов КМОП ИС, учитывающих совместное воздействие ИИ низкой и средней интенсивности и температуры, и расчетно-экспериментальных методов прогнозирования радиационной стойкости КМОП ИС на их основе.
Научная новизна работы.
-
Предложена физическая модель туннельно-термоактнвашюшюго обмена дефектов подзатворного окисла МОП-структуры с подложкой, позволяющая расширить температурный диапазон расчстно-экспериментального прогнозирования стойкости КМОП ИС до -80...+ I30C.
-
Разработана физико-математическая модель накопления и релаксации радиацнонно-нндуцированного заряда (РИЗ) и встраивания поверхностных состояний. Учет совместного вклада водородных соединений и электронной подсистемы .материала подложки позволяет повысить адекватность моделирования эффектов деградации МОПТ и расширить диапазон применимости модели до уровней доз 10' рад и времен воздействия до1010с.
-
Предложена модель радиационного изменения характеристик МОП транзисторов (МОПТ), предназначенная для работы в составе системы схемотехнического моделирования, учитывающая влияние интенсивное! п ИИ, температуры и электрического режима функпиониронания при прогнозировании радиационной стойкости КМОП ИС. Разработана методика определения ее параметров, позволяющая повыещь точность прогнозирования на 25-30%.
-
Предложена математическая модель латентных релаксационных процессов в окислах МОПТ при облучении, позволяющая существенно повысить адекватность ускоренных методов определения стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ в условиях космического пространства. Обоснованы требования к процедуре ускоренных испытаний, направленных на выявление латентных процессов.
-
Обоснованы требования и определен минимальный состав тестовых структур для прогнозирования стойкости ИС с учетом влияния паразитных структур и эффектов геометрического масштабирования.
Практическая значимость работы.
-
Разработан комплекс программных средств, позволяющий на основе пакета схемотехнического моделирования PSPICE проводить расчетно-экспериментальное прогнозирование радиационной стойкости КМОП ИС в диапазоне температур -80...+ 130С до уровней доз Ю7 рад и времен воздействия до I О10 с.
-
Предложена методика проведения ускоренных испытаний, направленных на выявление потенциального вклада релаксационных процессов с большими постоянными времени (латентные процессы) в КМОП ИС, позволяющая существенно повысить адекватность ускоренных методов определения стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ низкой интенсивности.
-
Разработана методика идентификации параметров радиационной модели МОП транзисторов, предназначенной для работы в составе системы схемотехнического моделирования, позволяющая повысить точность прогнозирования на 25-30%.
-
Предложены к обоснованы варианты тестовых структур для оперативного контроля параметров радиационной стойкости КМОП ИС в процессе изготовления.
-
Проведены серни сравнительных испытаний КМОП ИС на рентгеновских имитаторах и изотопных источниках при различных интснспвностях- воздействия и температурах среды, подтвердившие адекватность предложенных физико-математических моделей.
Результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по НИР "Перенос-4", "Кашира", 'Авторитет", "Андромеда-СПЭЛС", "ДУС-ДНГ". "Абордаж-СПЭЛС", "Абориген-СПНЦ-П-СПЭЛС", "Абрис-СВВ", "Венера-Г, "Плутон-5", "Магистр-СВВ".
Результаты диссертационной работы использованы в ОАО "Ангстрем" и ЭНПО СПЭЛС (подтверждено актами).
Результаты, выносимые на защиту.
-
Физико-математическая модель тункельно-термоактивационных механизмов зарядовой релаксации в системе подложка-дефектная подсистема окисла МОП-структур.
-
Модель встраивания ПС, учитывающая совместный вклад водородных соединений и электронной подсистемы материала подложки.
-
Расчетно-экспериментальный метод прогнозирования радиационной стойкости КМОП ИС в условиях воздействия ИИ, позволяющий учесть влияние интенсивности ИИ, температуры среды и электрического режима функционирования.
-
Математическая модель латентных релаксационных процессов в окислах МОПТ при облучении. Требования к минимальному составу тестовых структур и процедуре ускоренных испытаний.
Апробация и публикации.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "Машинная ірафика и автоматизация проектирования в радиоэлектронике", г. Челябинск, 1990; на Всесоюзной конференции по радиотехнике и электропике, г. Минск, 1990; на Всесоюзной школе-семинаре "Опыт разработки и применения приборно-технологических САПР", г. Львов, 1991; на 2-й и 3-й межотраслевых научно-технических конференциях "Влияние низкошпепенвпых излучений космического пространства и атомных электростанций на элементы и устройства радиоэлектроники и электротехники" (г. Лыткаршю. 1995.1997 л\); на 6-й межотраслевой научно-технической конференции "Воздействие ионизирующих излучений на радиоэлектронную аппаратуру, элементы и материалы. Методы испытаний и исследовании" (г. Лыткаршю. 1996 г.); на . Международной научно-технической конференции "Электрическая релаксация в высокоомных материалах", г. С.-Пеїербург. 1994: на .12.33 и 34 Международных конференциях ШЕЕ NSRIZC (США, 1995,1996.1 «97 11, с па Международной конференции RADECS-97 (Франция, 1497 г.).
Всего по теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печашых трудах, а также в 13 научно-технических отчетах. Список основных рабог приведен в конце реферата.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 219 страниц печатного текста (включая приложения), 57 рисунков, 10 таблиц и библиографию, включающую 190 наименований.
7 .
