Моделирование дозовых отказов КМОП ИС с учетом условий эксплуатации в космической аппаратуре тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Безбородов, Валерий Никифорович

• Безбородов, Валерий Никифорович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Безбородов, Валерий Никифорович

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ КМОП ИС К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ.

1.1 Оценка применяемости КМОП ИС в аппаратуре систем спутниковой связи с длительными САФ и обоснование выбора объекта исследований.—.

1.2.0ценка временных радиационных эффектов.

1.3. Экстраполяция результатов лабораторных испытаний к реальным условиям эксплуатации с использованием теории линейных цепей

1.4. Использование отжига при повышенных температурах после воздействия излучений МУ для оценкиРС КМОП ИС.

1.5. Особенности зарубежных стандартов проведение испытаний

ЭРИ на стойкость ^воздействию дозы статического ИИ.

1.6. Краткие выводы.

2. МОДЕЛИ НАКОПЛЕНИЯ И РЕЛАКСАЦИИ ЗАРЯДА В ОКИСЛЕ И НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА 8ь8Ю2 МОП

СТРУКТУР.

2.1. Кинетика накопления и релаксации заряда в окисле при воздействии ИИ малых интенсивностей.

2.2. Метод определения энергетического спектра дырочных ловушек в подзатворном окисле.

2.3. Радиационно-полевое разрушение объемного заряда в окисной пленке МОП-структур.

2.4. Формирование ПС на границе раздела ЭьБЮг МОП-структур.

2.5. Радиационные изменения подвижности носителей заряда в инверсионном канале МОП-транзисторов.

2.5.1. Физические механизмы, ограничивающие величину подвижности в канале.

2.5.2. Температурная зависимость подвижности носителей заряда в канале облученных МОП-транзисторов.

2.6. Краткие выводы.

3. МЕТОДИЧЕСКОЕ И АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК МОП-ПРИБОРОВ НА МОДЕЛИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ«.

3.1. Моделирующие установки ^дозиметрия,.

3.2. Методики определения электрофизических параметров подзатворного окисла и границы раздела ЗьБЮг КМОП ИС по измерениям электрических характеристик тестовых МОП-структур.

3.2.1. Методика определения электрофизических параметров из вольт-фарадных характеристик тестовых МОП-конденсаторов.

3.2.2. Методика определения электрофизических параметров КМОП ИС из вольт-амперных характеристик тестовых МОП-транзисторов.

3.2.2.1 Методика дистанционной регистрации вольт-амперных характеристик МОП-транзисторов в подпороговой и линейной областях.

3.2.2.2 Определение плотности поверхностных состояний и заряда в окисле МОП-транзисторов из вольт-амперных характеристик.

3.2.3. Методика дистанционной регистрации малосигнальной проводимости инверсионного канала МОП-транзисторов.

3.2.4. Определение эффективной подвижности носителей заряда в канале МОП-транзистора.

3.3. Термостат для дистанционного измерения характеристик

МОП-приборов в широком диапазоне температур.

3.4. Определение статических параметров КМОП ИС.

3.5. Выбор и описание образцов МОП-приборов для исследований.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИИ С РАЗЛИЧНОЙ МОЩНОСТЬЮ ДОЗЫ И ТЕРМО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СЕРИЙНЫХ КМОП ИС И ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕСТОВЫХ МОП-СТРУКТУР.

4.1. Влияние мощности дозы гамма-излучения на электрофизические параметры тестовых МОП-транзисторов и конденсаторов.

4.2. Использование расчетно-экспериментального метода для прогнозирования изменений параметров

МОП-структур при различных мощностях дозы ИИ.

4.3. Исследование работоспособности КМОП ИС в условиях воздействия ИИ различной интенсивности.

4.3.1. Влияние мощности дозы гамма-излучения на изменение параметров транзисторов КМОП ИС.

4.3.2. Влияние мощности дозы гамма-излучения на изменение статических параметров КМОП ИС.

4.4. Влияние электрического режима на изменение параметров МОП-приборов в процессе воздействия ИИ.

4.4.1. Исследование дозовой зависимости сдвига порогового напряжения МОП-транзисторов при различных величинах смещения на затворе.

4.4.2. Исследование влияния электрического режима в процессе облучения на изменение параметров КМОП ИС и их элементов.

4.4.3. Определение механизма радиационной деградации подвижности МОП-транзисторов с помощью изменения электрического режима при облучении.

4.5. Влияние температуры окружающей среды на работоспособность МОП-приборов в условиях воздействия ИИ.

4.5.1. Исследование влияния температуры окружающей среды на изменение параметров тестовых МОП-транзисторов—.

4.5.2. Исследование изменения статических параметров серийных КМОП ИС при совместном воздействии ионизирующего излучения и температуры-----------------------------------------.-------------—

4.6. Краткие выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА КМОП ИС КОМПЛЕКСНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

ТЕПЛОНАГРУЗОК И ИИ МУ.

5.1. Исследование возможности моделирования дозовой зависимости статических электрических параметров КМОП ИС.

5.2. Исследование влияния температуры облучения на величину дозы отказа КМОП ИС по статическим электрическим параметрам.

5.3. Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование дозовых отказов КМОП ИС с учетом условий эксплуатации в космической аппаратуре»

Работоспособность интегральных схем (ИС) КМОП-технологии в бортовой аппаратуре (РЭА) космических аппаратов (КА) с длительными сроками активного функционирования (САФ) определяется процессами деградации их параметров под воздействием ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства (КП) и старения от термоэлектрических нагрузок. К настоящему времени установлено [ 1,2 ], что в основе этих процессов деградации лежат коррелирующие физические механизмы.

В реализуемых в 1995-1999гг. в РФ проектах по созданию систем спутниковой связи (ССС) нового поколения со сроком активного функционирования (САФ) 10 лет таких как "Ямал-100", "БЕБАТ" и "Галс-Р16" выдвинуты повышенные требования к ресурсным возможностям комплектующих ЭРИ и их стойкости к воздействию ионизирующего излучения естественных радиационных поясов Земли. Необходимость выполнения этих требований и уровень качества выпускаемой серийно элементной базы привели к созданию нового механизма обеспечения длительной работоспособности ЭРИ для комплектования аппаратуры КА - через испытательный технический центр (ИТЦ) - взамен действующей на предприятиях бывшего СССР системы, действующей в рамках ГОСТ В 27814-88, и предусматривающей выпуск предприятиями электронной промышленности изделий по специальному групповому дополнению к ТУ на ИЭТ.

Согласно новому подходу обеспечение длительной работоспособности ЭРИ различных классов, комплектующих бортовую аппаратуру космических аппаратов (КА), составляющих космический сегмент ССС, осуществляется комплексом работ, изложенным в РД 22.12.186-97 [ 14 ]. Комплекс работ предполагает, в частности:

- оценку условий эксплуатации изделий в составе аппаратуры с учетом их схемно-конструктивной защиты и разработку соответствующей модели внешних воздействующих факторов (ВВФ);

- исследование радиационной стойкости и надежности и изделий на основе моделирования процессов отказов, проведения ускоренных ресурсных и радиационных испытаний (в том числе иммитационными методами);

- выработку рекомендаций по применению изделий с учетом требований модели ВВФ;

- оценку фактического уровня РС изделий по накопленным данным из сферы производства и эксплуатации.

Наиболее сильное влияние на работоспособность КМОП ИС оказывают сдвиг порогового напряжения и уменьшение крутизны вольтамперной характеристики (ВАХ) МОП-транзисторов. Деградация этих параметров приводит к функциональным отказам, увеличению потребляемой мощности, росту времени задержки распространения сигнала и ухудшению помехоустойчивости. Основной причиной изменения порогового напряжения Ут и уменьшения крутизны при воздействии ИИ является накопление положительного заряда в объеме под-затворного окисла и образование поверхностных состояний (ПС) на границе раздела БьБЮг.

К настоящему времени физический механизм накопления заряда дырок захваченных ловушками в объеме подзатворного окисла исследован во многих работах [ 3,4,5 ]. Накопление заряда в подзатворном окисле при воздействии ИИ включает в себя процессы: генерации излучением электронно-дырочных пар, вероятность превращения которых в свободные, движущиеся независимо друг от друга электроны и дырки зависит от локальной напряженности электрического поля; выноса свободных электронов из окисла электрическим полем; переноса свободных дырок от места их образования к отрицательно смещенному электроду; захвата свободных дырок ловушками в объеме окисла; термического освобождения захваченных дырок из ловушек; рекомбинации свободных электронов с захваченными дырками. Указанные процессы были описаны физико-математическими моделями накопления заряда [ 3,5,6 ] в подзатворном окисле МОП-структур. Несмотря на то, что эти модели позволяют прогнозировать ряд особенностей накопления радиационно-индуцированного заряда, они не описывают зависимость скорости его накопления от мощности дозы и процесса релаксации этого заряда после окончания облучения, а также не включают в себя технологические особенности окислов [3,7].

Наличие технологических ПС на границе раздела диэлектрик-подложка и образование радиационно-индуцированных ПС (создаваемых в процессе облучения и отжига) также является важным фактором, влияющим на стойкость КМОП ИС к воздействию ИИ. Несмотря на то, что ПС широко изучаются в течении длительного времени, химические реакции, посредством которых они образуются не в полной мере определены [8, 9 ]. Многие авторы (например [ 10 ]) полагают, что формирование ПС происходит вследствие разрыва связей БьН, присутствующих в окисле, в результате чего остается трехвалентный атом кремния с ненасыщенной связью. Как показали результаты работы [ 10 ], этот дефект тождественен Рь- центру, наблюдаемому раннее в спектрах электронного спинового резонанса. В соответствии с существующими моделями излучение не взаимодействует непосредственно со связью БьН, а создает в окисле либо подвижные дырки [11], либо водород в различных формах ( Н°, Н+, Н2 ) [ 12,13 ], который принимает участие в химических реакциях на границе раздела 81-8102.

В настоящее время наибольшее распространение получила модель, согласно которой ПС являются акцепторами в верхней половине запрещенной зоны и донорами - в нижней. Этот подход базируется на большом количестве экспериментальных данных (например [ 14 ] ) по изучению характеристик п - и р-канальных МОП-транзисторов в процессе облучения, и данных по электронному спиновому резонансу [10]. Отсюда, заряд на радиационно-индуцированных ПС в п-канальных МОП-транзисторах (в верхней половине запрещенной зоны) имеет отрицательный знак, а в р-канальных МОП-транзисторах (в нижней половине запрещенной зоны) - положительный.

При воздействии ИИ на КМОП ИС радиационно-индуцированный заряд на ПС увеличивается и приводит наряду с накопленным пространственным зарядом в окисле к сдвигу порогового напряжения р-канальных транзисторов в сторону отрицательных напряжений, уменьшению подвижности носителей в инверсионном канале, уменьшая крутизну ВАХ транзисторов и ухудшая динамические характеристики ИС. В приборах с зарядовой связью увеличение плотности ПС уменьшает эффективность переноса носителей. С другой стороны, в п-канальных транзисторах отрицательный заряд ПС компенсирует эффект положительного заряда в объеме подзатворного окисла и снижает величину сдвига порогового напряжения АУх в сторону отрицательных значений, а в определенных условиях может приводить к изменению знака АУт с отрицательного на положительный. В настоящее время исследования механизма образования ПС продолжают оставаться актуальными по двум причинам. Во-первых, повышение степени интеграции ИС приводит к существенному увеличению соотношения объема подзатворного окисла к площади границы раздела 8ь8Ю2, что. приводит к возрастанию относительной роли эффектов, вызываемых ПС[ 15 ]. Во-вторых, разработчики при создании ИС с повышенной стойкостью к воздействию ИИ используют в основном эмпирические представления о природе ПС.

Чтобы обеспечить высокий уровень уверенности в том, что бортовая аппаратура выполнит свою задачу без отказа, вызванного воздействием ИИ КП в течении времени активного функционирования КА необходимо гарантировать необходимый уровень радиационной стойкости (РС) как всей системы в целом, так и ее отдельных компонентов. Гарантирование стойкости ЭРИ обеспечивается по результатам радиационных испытаний на моделирующих установках (МУ), выполняемых в соответствии с ГОСТ [ 16 ].

Определение радиационной стойкости КМОП ИС в условиях воздействия ИИ КП усложняется большим разнообразием параметров, характеризующих радиационную обстановку (тип частиц, интенсивность ИИ, энергия излучения, большая продолжительность облучения), техническими трудностями моделирования ИИ КП в лабораторных условиях, многообразием механизмов отказов приборов, зависимостью деградации параметров приборов от теплового и электрического режима работы.

Известно [ 17 ], что испытания КМОП ИС на стойкость к воздействию ИИ, проводимые на статических изотопных (кобальтовых) установках с мощностями экспозиционных доз Ру = 100-300 Р/с [ 17 ], не достаточно точно отражают их действительную стойкость к воздействию низкоинтенсивных ИИ КП с Ру = 1-й 00 Р/ч. Кроме того [ 18 ], механизм отказа МОП-приборов при длительном и сравнительно кратковременном воздействии ИИ с одинаковой дозой может существенно различаться. Эти факты указывают на то, что результаты испытаний КМОП ИС будут обладать априорной достоверностью только в случае их проведения при мощностях доз и длительностях воздействия ИИ, соответствующих реальным условиям эксплуатации в КП. Однако возможность использования таких испытаний для определения РС ограничена неприемлемыми затратами времени и средств на их проведение.

В соответствии с действовавшими до последнего времени нормативными документами [ 23 ] оценка стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ проводилась по результатам испытаний на МУ при нормальной температуре окружающей среды. После испытаний проводят проверку электрических параметров и функциональный контроль при нормальных климатических условиях, пониженной рабочей температуре среды и повышенной рабочей температуре среды (ОТУ ГОСТ В 11.0398-87 и СОТУ В 11.073.012-87). Такой способ оценки не может гарантировать стойкость ИС в процессе воздействия ИИ во всем диапазоне рабочих температур, поскольку:

- отсутствуют экспериментальные и теоретические сведения об адекватности физических процессов раздельного и комплексного воздействия ИИ и температуры на изменение электрических параметров и функционирование микросхем;

- известные экспериментальные данные [ 20, 21, 22 ], указывают на зависимость механизма отказа ИС от температуры окружающей среды в процессе воздействия.

Исходя из приведенных выше предпосылок наиболее целесообразным способом оценки РС КМОП ИС к воздействию ИИ КП является применение расчетно-экспериментальных методов оценки РС, использующих результаты ускоренных испытаний этих изделий на изотопных МУ. Эти методы основаны на физико-математических моделях доминирующих механизмов деградации параметров КМОП ИС.

Таким образом, оценка соответствия КМОП ИС требованиям по стойкости к воздействию ИИ КП, проводимая по результатам испытаний на МУ в соответствии с ГОСТ [ 23 ] и не учитывающая реальные условия эксплуатации: мощность дозы воздействующего ИИ, температуру окружающей среды в процессе воздействия и электрический режим функционирования (условия облучения) - не может достоверно гарантировать РС ИС КМОП-технологии в составе бортовой аппаратуры КА. Поэтому актуальными являются моделирование всех существенных механизмов отказа КМОП ИС в реальных условиях применения, а также разработка методик и технических средств оценки РС КМОП ИС в обеспечение требований нового комплекса стандартов «Климат-7» по результатам расчетно-экспериментального 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 оригинальных экспериментальных результатов выявлены доминирующие механизмы влияния условий облучения (мощности дозы, температуры и электрического режима) на изменение значений основных электрофизических параметров элементов, характеризующих дозовые отказы КМОП ИС, а именно:

- впервые обнаружено, что средняя энергетическая плотность радиацион-но-индуцированных поверхностных состояний (ПС) имеет немонотонную зависимость от температуры окружающей среды в процессе облучения (Тобл) с максимумом при Т0бЛ = 50 -г 80°С (в зависимости от технологии изготовления МОП-прибора), что особенно значимо для низкоинтенсивных воздействий;

- установлено, что подвижность носителей заряда (НЗ) в инверсионных каналах облученных МОП-транзисторов имеет более слабую, чем до облучения, степенную температурную зависимость, показатель степени которой возрастает от исходного значения -1,5 до - 0,75;

- выявлено, что дозовая зависимость средней энергетической плотности радиационно-индудированных ПС полученная при различных Тобл , на начальном участке имеет сублинейный характер;

- установлено, что динамика изменения подвижности НЗ в инверсионных каналах МОП-транзисторов в процессе облучения при различных термоэлектрических режимах определяется балансом приращения 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 ИС, учитывающих условия облучения и ориентированных на комплектование объектов космической техники в обеспечение требований нового комплекса стандартов «Кли-мат-7». Оригинальность технических решений экспериментального комплекса для проведения радиационных испытаний КМОП ИС и их элементов в диапазоне температур 78 420 К подтверждена авторским свидетельством.

В диссертационной работе обоснована и экспериментально подтверждена возможность моделирования тока потребления КМОП ИС при воздействии низкоинтенсивного ИИ КП на основе облучения высокоинтенсивным 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 -т- 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 ИС 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 радиационно-стойких 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», БЕБАТ и «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);

- 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 теп-лоэлектрических нагрузок и излучения при определении показателей РС.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Методы расчетно-экспериментального моделирования дозовых отказов КМОП ИС, обеспечивающих адекватное описание особенностей их радиационного поведения с учетом мощности дозы ИИ, температуры окружающей среды и электрического режима.

2. Методики и реализующий их экспериментальный комплекс для радиационных испытаний КМОП ИС на МУ, обеспечивающие достоверный дистанционный контроль характеристик РС КМОП ИС в процессе облучения в диапазоне температур 78 н- 420К.

3. Результаты экспериментальных исследований по комплексному влиянию мощности дозы, температуры и электрического режима на характеристики КМОП ИС, подтверждающие обоснованность предложенных методов и технических средств для прогнозирования PC КМОП ИС в условиях ИИ КП и позволяющие выбрать рациональные состав и условия радиационных испытаний.

4. Методика моделирования радиационного поведения тока потребления КМОП ИС при низкоинтенсивном воздействии ИИ КП на основе комплексного воздействия высокоинтенсивного ИИ МУ и повышенной температуры, позволяющая существенно (более чем в вдвое) снизить время испытаний и затраты на их проведение.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на I, II, III межотраслевых конференциях «Надежность и контроль качества ИЭТ» (Севастополь, 1991-1992гг., Москва -1993г.), I всесоюзной конференции «Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов» (Томск, 1991г.), V межотраслевом семинаре «Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к воздействию внешних факторов» (Петрозаводск, 1991г.), 33 Международной конференции по радиационным и космическим 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 работы опубликованы в 15 работах. Оригинальность технических решений подтверждена авторским свидетельством.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 170 страниц, в том числе 76 рисунка, список литературы из 112 наименований и состоит из введения, 5 глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Безбородов, Валерий Никифорович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационной работы разработаны расчетно-экспери-ментальные методы и средства моделирования дозовых отказов КМОП ИС с учетом условий их эксплуатации в космической аппаратуре,

1. Проведен анализ существующих методов оценки PC КМОП ИС в условиях длительного воздействия ИИ КП по результатам ускоренных испытаний на МУ. Систематизированы основные условия радиационных испытаний, определяющие их адекватность и достоверность^ Установлены hl исследованы принципиальные различия условий облучения КМОП ИС при радиационных испытаниях на МУ и в реальных условиях эксплуатации приборов в бортовой аппаратуре КА. Обоснована необходимость учета условий облучение (мощности дозы ИИ, температуры окружающей среды в процессе^ испытаний, электрического режима) при разработке метод ики испытаний и оценке их результатов.

2. Выбраны и адаптированы расчетно-экспериментальные модели, наиболее достоверно описывающие процессы в подзатворном окисле МОП-структур при комплексном воздействии условий облучения и в процессе послерадиацион-ного отжига. Обоснована возможность применения выбранных моделей для описания параметров КМОП ИС в рабочем диапазоне температур облучения -60°С -ь +125°С при изменении электрического режима на затворе и при различных мощностях дозы ИИ.

3. Разработаны методы и основанные на них методики и экспериментальный комплекс для радиационных испытаний КМОП ИС на МУ, обеспечивающие достоверный дистанционный контроль характеристик PC КМОП ИС в процессе облучения в диапазоне температур 78+420 К. В состав экспериментального комплекса входят, в том числе, разработанные автором оригинальный термостат и логарифмический усилитель входного тока. Термостат (защищен авторским свидетельством) позволяет поддерживать на испытуемом образце МОП-прибора регулируемую температуру в диапазоне 78 - 420К, а также фиксировать температуру из указанного диапазона в течение не менее 2ч с точностью не хуже ±ЗК. Логарифмический усилитель позволяет регистрировать в логарифмическом мае

11 2 штабе входные токи в диапазоне 3-10" -г 10" А.

4. С использованием разработанных методик и аппаратуры: проведены исследования комплексного влияния термоэлектрических нагрузок и облучения различной интенсивности на работоспособность КМОП ИС серий 564, 1526 и др., а также на электрофизические параметры тестовых МОП-структур, содержащих транзисторы и конденсаторы как стандартных (нестойких), так и специальных стойких КМОП-технологий. Получены оригинальные результаты по влиянию условий облучения на степень радиационной деградации границы раздела БьБЮг, характеризующуюся ДВЙ и р. Впервые получена единая для всех исследуемых в данной работе элементов КМОП ИС (серий 564, 1564, 1526) зависимость М\ от Тобл в диапазоне рабочих температур ИС (-60°С 4-+125°С), имеющая вид монотонной кривой с максимумом в диапазоне температур +60°С -г+80°С. Обнаружено резкое уменьшение подвижности НЗ с ростом АЫц при температурах облучения ниже комнатной. Установлено, что радиационное изменение подвижности НЗ при комнатной температуре облучения, не зависит от смещения на затворе при облучении, а коррелирует с приращением Д1чГгг согласно известному выражению р ~ (1+осАК ц)"1, при этом коэффициент а зависит от Тобл. Показано, что величина показателя степени в дозовой зависимости средней энергетической плотности ПС ДГ)а~ Эуп зависит от Тобл. Предложен метод оценки нижней границы выходного тока КМОП ИС после облучения при одной фиксированной температуре из рабочего диапазона. Полученные результаты позволяют выбрать рациональные состав и условия радиационных испытаний КМОП ИС.

5. Проведена проверка возможности оценки работоспособности КМОП ИС в реальных условиях воздействия ИИ КП по результатам ускоренных испытаний на МУ при повышенной температуре окружающей среды. Для этого проведены сравнительные экспериментальные исследования КМОП ИС на двух МУ с значениями мощности дозы: (а) близким к уровню ИИ КП и (б) обычно применяемым при радиационных испытаний. На основании обобщения полученных ре

159 зультатов разработана и экспериментально опробована методика моделирования дозовой зависимости тока потребления ИС при нормальных климатических условиях и низкой интенсивности излучения комплексным воздействием повышенной температуры среды и излучением МУ с высокой интенсивностью.

Полученные в диссертационной работе результаты позволили создать методические основы прогнозирования радиационного поведения КМОП ИС в условиях ИИ КП по результатам расчетно-экспериментального моделирования и ускоренных испытаний на МУ, обеспечивающие необходимую достоверность результатов при существенном (более чем вдвое) сокращении необходимого времени испытаний и затрат на их проведение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Безбородов, Валерий Никифорович, 1999 год

1. В.Д.Попов. Надежность и контроль качества интегральных микросхем, ч.1. "Надежность интегральных микросхем", М., МИФИ, 1995.

2. M.R.Shaneyfelt, P.S.Winokur, D.M.Fleetwood et.al. Impact of aging on radiation hardness. IEEE Tran. onNucl. Scien.,1997, v.NS-44, №6, pp.2040-2047

3. J.N.Churchill, F.E.Holmstrom, T.W.Collins. Modeling of irradiation-induced changes in the electrical properties of MOS-structures. Advances in Electronics and Electron. Dev., 1982, v. 58, p. 1-79.

4. В.С.Першенков, В.Д.Попов, А.В.Шальнов. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем., М., Энергоатомиздат, 1988.

5. W.L.Warren, M.R.Shaneyfelt, D.M.Fleetwood et.al. Electron and hole trapping in doped oxides. IEEE Tran. on Nucl. Scien.,1995, v.NS-42, №6, pp. 17311739.

6. Sokkel R., Hughes R.G. Mumerioal analysis of transient photoconductivity in insulators. J. Appl. Phys., 1982, v. 53, №11, p.7414 -7424.

7. D.M.Taylor, T.F.T.Williams. The dynamic of space-charge accumulation in irradiated MOS-capacitors.J.of Phys.; D. Appl. Phys., 1982, v. 15, №12, p.2483-2493.

8. N.S.Saks, G.M.Dozier, D.B.Brown. Time dependence of interface trap formation in MOSPET's following pulsed irradiation. IEEE Tran. on Nucl. Scien., 1988, v.NS-35, №6, pp. 1168-1177.

9. P.M.Lenahan, J.F.Conley. A comprehensive physically based predictive model for radiation damage in MOS systems. Tran. on Nucl. Scien., 1998, v.NS-45, №6, pp.2413-2423.

10. P.M.Lenahan, P.V.Dressendorfer. Hole traps and trivalent silicon centers in metal-oxide-silicon devices. Jour, of Appl. Phys., 1984, v.55, №10, pp. 3495-3499.

11. H.E.Boesch, F.B.McLean. Interface state generation associated with hole transport in MOS-structures. Jour, of Appl.Phys., 1986, v. 60, №1, pp. 448-449.

12. F.B.Mclean. A framework for understanding radiation-induced interface states in MOS-structures .IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1980, v.NS-27, №6, pp. 16511657.

13. D.L. Griscom. Diffusion of radiolytic molecular hydrogen as a mechanism for the post-irradiation buildup of interface states in Si-SiOg structures. Jour.of Appl. Phys., 1985, v.58, №7, pp. 2524-2533.

14. H.E. Boesch, T.L.Taylor. Charge and interface states generation in field oxides. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1984, v. NS-31, №6, pp. 1273-1279.

15. H.Ringel, M.Knoll, D.Brauning, W.R.Fahmer. Effects in metal-oxide-semiconductor samples of various technologies induced by 60Co and x-ray quanta.

16. J. Appl. Phys., 1985, v. 57, №2, p. 393-399.16. TOCTB 20.39.414.

17. G.L.Brucker. Exposure dose rate dependence for a GMOS-SOS memory. . IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1981, v. NS-28, №6, pp. 4056-4059.

18. Test methods and procedures for microelectronics. MIL-STD-883, Method 1019.4, 1019.5.

19. A.H.Johnston. Super recovery of total dose damage in MOS-devices. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1984, v. NS-31, №6, p. 1427-1433.

20. D.M.Fleetwood, P.S.Winokur, M.R.Shaneyfelt et.al. Effects of isochronal annealing and irradiation temperature on radiation induced trapped charge. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1998, v.NS-45, №6, pp.2366-2374

21. J.L.Azarewicz. Dose rate effects on total dose damage. IEEE Trans, on Nucl. Seien., 1986, v.NS-33, №6, pp. 1420-1434.

22. J.R.Schwank, F.W.Sexton, D.M. Fleetwood et.al. Temperature effects on the radiation response of MOS devices. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1988, v.NS-35, №6, pp. 1432-1437.23. TOCTB 20.39.404-81

23. Лавренцов В.Д., Критенко М.И., Безбородое В.Н. и др. Положение об испытательном техническом центре для комплектации электрорадиоизделиями высоконадежной аппаратуры,- Межведомственный руководящий документ, РД 22.12.186-97, М., 1997

24. Безбородое В.Н., Лавренцов В.Д., Малюдин С.А., Никифоров А.Ю. Анализ применяемости ИС различных технологий в аппаратуре систем спутниковой связи нового поколения. В сб. «Радиационная стойкость электронных систем СТОЙКОСТЬ-99», М.: СПЭЛС-НИИП, 1999 г.

25. А.Ю.Никифоров, В.А.Телец, А.И.Чумаков. Радиационные эффекты в КМОП ИС. М., Радио и связь, 1994, 164с

26. I.N.Shvetzov-Shilovsky, V.V.Belyakov, S.V.Cherepko et.al. The use of conversion model for CMOS 1С prediction in space environments. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1996, v.NS-43, №6, pp. 3182-3188.

27. Johnston A.H., Roeske S.B. Total dose effects at low dose rates. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1986, v.NS-33, №6, p. 1487-1492.

28. Brown D.B. The time dependence of interface state production. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1985, v.NS-32, №6, p. 3900-3904.

29. Brown В. В., Johnston A.H. Framework for an integrated set of standart for ionizing radiation testing microelectronics. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1987, v.NS-34, №6, p. 1720-1725.

30. Winokur P.S., Sexton F.W., Schwank J.R., Fleetwood D.M., Dressendorfer P.V., Wrobel T.P., Turpin D.C. Total dose radiation and annealing studies: implications for hardness, assurance testing. IEEE Trans. Nucl. Seien.,1986, v.NS-33, №6, p.1343-1351.

31. Winokur P.S., Sexton F.W., Hash G.L., Turpin D.C. Total dose failure mechanisms of integrated circuits in laboratory and space environments. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1987, v.NS-34, №6, p.l 448-1454.

32. Fleetwood D.M., Winokur P.S., Schwank J.R. Using laboratory X-ray and cobalt-60 irradiations to predict CMOS device response in strategic and space environments. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1988, v.NS-35, №6, p. 1497-1505.

33. Brown D.B., Jenkins G., Johnston А.Ъ. Application of a model for treatment of time dependent effects on irradiation of microelectronic devices. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1989, v.NS-36, №6, p. 1954-1962.

34. Schwank J.R., Winokur P.S., McWhorter P.J., Sexton F.W., Dressendorfer P.V., Turpin D.C. Physical mechanisms contributing to device "rebound." IEEE Trans. Nucl. Seien., 1984, v.NS-31, №6, p.l 434 -1438.

35. Buchman P. Total dose hardness assurance for microcircuit for space environment. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1986, v.NS-33, №6, p. 1352-1358.

36. Fleetwood D.M., Winokur P.S., Riewe L.C. An improved standart total dose test for CMOS space electronics. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1989, v.NS-36, №6, p. 1963-1970.

37. McLean F.B. Generic impulse response function for MOS systems and its application to linear response analysis. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1988, v.NS-35, №6, p. 1178-1185.

38. Derbenwick G.F., Sander H.H. CMOS hardness prediction for low-rate environments. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1977, v.NS-24, №6, p. 2244-2247.

39. Winokur P.S., Kerris K.G., Harper L. Predicting CMOS inverter response in nuclear and space environments. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1983, v.NS-30, JSfe6, p.4326-4332.

40. Oldham T.R., Lelis A.J., McLean P.B. Spatial dependence of trapped holes determined from tunneling analysis and measured annealing. IEEE Trans. Nucl. Sei., 1986, v.NS-33, №6, p. 1203-1208

41. Boesch H.E. Jr., McLean P.B., Benedetto J.M., McGarrity J.M. Saturation of threshold voltage shift in MOSPET's at high total dose. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1986, v.NS-33, №6, p. 1191-1197.

42. Winokur P.S., Boesch H.E., Jr., McGarrity J.M., McLean P.B. Field-and time-dependent radiation effects at the Si02-Si interface of hardened MOS capacitors. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1977, v.NS-24, №6, p.2113-2118.

43. Winokur P.S., Boesch H.E. Jr. Interface-state generation in radiation hard oxides. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1980, v.NS-27, №6, p. 1647-1650.

44. Dozier O.M., Brown D.B. The use of low energy X-rays for devices testing a comparison with Co60 radiation. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1983, v.NS-30, №6, p.4382-4387.

45. Schiff D. Measurements of dose to failure versus dose rate for CMOS /NMOS static RAMs. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1986, v.NS-33, №6, p. 1698-1701.

46. Pease R., Emily D., Boesch H.E. Jr. Total dose induced hole trapping and interface state generation in bipolar recessed field oxides. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1985, v.NS-32, №6, p.3946-3952.

47. Test methods and procedures for microelectronics. MIL-STD-883C, Method 1019.2,25 august 1983

48. Simons M., Hughes H.L. Determining the energy distribution of pulse-radiation-induced charge in MOS structures from rapid annealing measurements. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1972, v.NS-19, №6, p.282-290.

49. Danchenko V., Fang P.H., Brashears S.S. Thermal annealing of radiation damage in CMOS IC's in temperature range 140°C to +375°C. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1982, v.NS-29, №6, p. 1716-1720.

50. Srour J.R., Othmer S., Gurtis O.L. Jr., Chiu K.Y. Radiation-induced charge transport and charge building in Si02 films at low temperature. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1976, v.NS-23, p. 1513-1519.

51. В.А.Гуртов. Радиационные процессы в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. РИО Петрозаводского государственного университета, Петрозаводск, 1988, 94с.

52. McGarrity J.M. Considerations for hardening MOS devices and circuits for low radiation doses. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1980, v.NS-27, №6, p. 1739-1744.

53. Frankovsky F., Protchka H., Zappert F. Techniques for investigation integrated circuit dielectric isolation media. IEEE Trans. Nucl. Seien., 1968, v.NS-15, №6, p. 140-153.

54. Taylor D.M., Williams T.P.T. The dynamic of space-charge accumulation in irradiated MOS-capacitors. J. of Phys.;D. Appl. Phys., 1982, vol. 15, №12, p. 24832493.

55. Danchenko V., Desai U.D., Brashears S.S. Characteristics of thermal annealing of radiation damage in MOSPET's. J. Appl.Phys., 1968, vol.39, n.5, p.2417-2424.

56. Shanfield. Z., Moriwaki M.M. Radiation-induced hole trapping and interface state characteristics of Al-gate and poly-Si gate MOS capacitors. IEEE Trans. Nucl. Scien., 1985, v.NS-32, №6, p.3929-3934.

57. Ю.В.Баринов, М.М.Филатов, Н.Г.Чайковский. Исследование зависимости скорости накопления пространственного заряда в подзатворном окисле МОП-конденсаторов от температуры при облучении гамма-квантами. СВАНТ: сер.ВИАЭМ, вып.З, 1987, с.36-41

58. Ю.В.Баринов, Г.В.Дружинин, Н.Г.Чайковский и др. Кинетика накопления и релаксации заряда в окисле МОП-структур в области малых интенсив-ностей облучения. Спецрадиоэлектроника, 1986, вып.7, с. 60-65.

59. Б. Келли. Радиационное повреждение твердых тел. Пер. с англ. под ред. Ю.А.Осипьяна, Москва, "Атомиздат", 1970.

60. V.S.Pershenkov, V.V.Belyakov, S.V.Cherepko et.al. Effect of electron traps on reversibility of annealing. IEEE Tran. on Nucl. Scien., 1995, v.NS-42, №6, pp. 1667-1673.

61. DiMaria D.J., Weinberg L.A., Aitken J.M. Location of positive charges in SiO films on Si generated by VUV, protons, X-rays and high-field, stress J. Appl. Phys., 1977, vol. 48, n.3, p. 898-906.

62. Баринов Ю.В., Гайсин Ф.Г., Романенко А. А., Тутуров Ю.Ф. Радиа-ционно-полевое разрушение объемного заряда в окисной пленке облученных МОП-структур СВАНТ сер.ВИАЭМ, 1984, вып. 3(30), с. 70-7 3.

63. Н.Е. Boesch. Time dependent interface trap effects in MOS-devices. IEEE Tran. onNucl. Seien., 1988, v.NS-35, №6, p. 1160-1170

64. M.P. Baze, R.E. Plaag, A.H.Johnston. Dose dependence of interface traps in gate oxides at high, levels of total dose. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1989, v.NS-36, №6, pp. 1858-1864.

65. J.R.Brews. A charge sheet model of the MOSFET. Solid State Electron., 1978, v.21, №3, pp.345-355.

66. F. F. Fang, A. B. Fowler. Transport properties of electron in inverted silicon surfaces. Phys.Rev., 1968, v. 169, №3, pp. 619-631.

67. R.L.Nielsen, D.K.Nichols. Total dose effects of ionizing radiation on MOS-structures at 90K. IEEE Tran. Nucl. Seien., 1973, v.NS-20 , №6, pp. 450-458.

68. S.C. Sun, J.D. Plummer. Electron mobility in inversion and. accumulation layers on thermally oxidized, surfaces. IEEE Trans, on Electron Dev., 1980, v. ED-27, №8, p. 1497-1508.

69. E.T. Gaw, W.G. Oldham. Properties of heavy irradiated MOS-transistors. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1974, v.NS-21, №6, pp. 124 -129.

70. K.F. Galloway, M.Gaitan, T. J. Russell .A simple model for separating interface and oxide charge effects in MOS device characterictics. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1984, v.NS-31, №6, pp. 1497 1505

71. K. P. Galloway, G.L.Wilson, L.C. Witte. Charge-sheet model fitting to extract radiation-induced oxide and interface charge. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1985, v.NS-32, №6, p.4461-4465.

72. P.W. Sexton, J.R. Schwank. Correlation of radiation effects in transistors and integrated circuits. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1985, v.NS-32, №6, pp.39753981.

73. P.B. MoLean, H.E. Boesch Jr. Time-dependent degradation of MOSFET channel mobility following pulsed irradiation. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1989, v.NS-36, №6, pp. 1772-1783.

74. N.S. Saks, M.G.Ancona. Generation of interface states by ionizing radiation at 80K measured by charge pumping and subthreshold slope techniques. IEEE Trans.on Nucl. Seien., 1987, v. NS-34, №6, pp. 1347-1356

75. C.T.Sah, T.H.Ning, L.L.Tschopp.The scattering of elecrons by surface oxide charge and by lattice vibrations at the silicon-silicon dioxide interface. Surface Science, 1972, vol. 32, p. 561-575.

76. Т.Н. Ning, C.T. Sah. Theory of scattering of electrons in nongenerate-semiconductor-surface layer toy surface-oxide charges. Phys. Rev., 1972, v.B12, pp. 4605 4615

77. J.M.Benedetto, H.E.Boesoh Jr., F.B.McLean, J.P.Mize. Hole removal in -thin-gate MOSFET's toy tunneling. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1985, v.NS-32, №6, pp. 3916-3920.

78. Радиационные установки. НИИ Приборов. Справочное издание, 1984, 46с, СФ-3464

79. Измеритель параметров дефектов полупроводниковых приборов. ТО и ИЭ, №ТО-37, НИИ Приборов, 1978

80. P.S.Winokur, J.R.Schwank, P.J.McWhorter.etal. Correlation of radiation effeots in MOS oapasitors and transistors. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1984, v.NS-31, №6, pp. 1453-1460.

81. Nicollian E.H., Brews J.R. MOS Physics and technology, ed. by N.G. Willey, N.Y.,1982.

82. Knoll M., Brauning D., Fahrner W.R. Generation of oxide charge and interface states by ionizing radiation and by tunnel injection experiments. IEEE Tran, on Nucl. Seien., 1982, v.NS-29, №6, pp. 1471-1478.

83. Terman L.M. An investigation of surface states at Si-Si02 interface employing MOS diodes. Solid State Electronics, 1962, vol. 5, №.3, p. 285 299.

84. Установка для измерения ВАХ МОП-транзисторов в диапазоне температур 78-420К, ТО и ИЭ, №ТО-218/4, НИИ Приборов, 1987

85. Russel T.J., Bennett H.S., Gaintan М., et.al. Correlation between CMOS transistor and capacitor measurements of interface trap spectra. IEEE Tran. on Nucl. Scien, 1986, v.NS-33, №6, pp. 1228-1233.

86. P.J.McWhorter, P.S.Winokur. Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped, oxide charge in MOS-transistors. Appl. Phys .Letters, 1986, n. 42 (2), pp.I 33 -134

87. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., Мир, 1984, т.2, 455с

88. P. Van der Wiele. A long chanel MOSPET model. Solid State Electron., 1979, v.22, №6, pp. 591-59692. "Термостат". Баринов Ю.В., Безбородов B.H., Чайковский Н.Г., Шу-лятиков А.Г. Авторское свидетельство, №1614610

89. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В. А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы., Минск, Наука и техника, 1989,252с.

90. Burghard. R.A., Gwyn C.W. Radiation failure modes in CMOS integrated circuits. IEEE Tran. on Nucl. Scien., 1973, v.NS-20, №6, pp. 300 -306.

91. Баринов Ю.В., Безбородов B.H., Гайсин Ф.Г. и др. Научно-технический отчет по 3 этапу НИР "Персей-5", НИИ Приборов, СФ-4879, 81с.

92. Mitchell J.P. Radiation-induced space-charge buildup in MOS structures. IEEE Trans. Electron Devices, 1967, v. 14, №11, pp. 764 -774.

93. Esteve D., Buxo J. On behavior of currents going through MOS structures under ionizing radiations. Sol. State Electron., 1971, vol.14, №3, p.257 - 260.

94. Buxo J., Esteve D., Enea G., Martinez A.A. A "four parameters" model that fits the degradation curve AVT (Vg ) of MOS transistors under irradiation. Sol. State Electron., 1972, vol. 15, pp. 1029-1031.

95. Aitken J.M. Radiation-induced, trapping centers in thin silicon dioxide films. J. of Non-Crust. Sol. ,1980, vol.40, pp. 31 47.

96. Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах., М., Атомиздат, 1969, 310с.

97. D.M.Fleetwood, F.V.Thome, S.S.Tsao, et.al. High, temperature siliconisolator electronics for space nuclear power systems: requirements and feasibility. IEEE Tran. onNucl. Seien., 1988, v.NS-35, №6, pp. 1099-1111

98. T.R.01dham, AJ.Lelis, H.E.Boesch, étal. Postirradiation effects in field oxide isolation structures. IEEE Tran. onNucl. Seien., 1987, v.NS-34, №6, pp.1184 -1192

99. Полевич С.А., Никифоров А.Ю., Кобызев Г.Н., Безбородов В.Н. Оперативный контроль радиационной стойкости ИС серии 1526 ОКБ «Экситон». В сб. «Радиационная стойкость электронных систем СТ0ЙКОСТЬ-99», М.: СПЭЛС-НИИП, 1999 г.