Прогнозирование и оценка радиационной прочности полузаказных интегральных схем для специальных радиоэлектронных устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.05, кандидат технических наук Малюдин, Сергей Александрович

• Малюдин, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Малюдин, Сергей Александрович

Введение

I. Особенности и тенденции развития элементной базы микроэлектроники для специальных радиоэлектронных устройств

1.1 Исследование применяемости, технического уровня и тенденций развития элементной базы микроэлектроники

1.1.1 Анализ применяемости элементной базы микроэлектрони- 18 ки в специальных радиоэлектронных устройствах

1.1.2 Состояние и направления развития изделий отечественной 20 микроэлектроники военного и специального назначения

1.1.3 Предпосылки применения БИС иностранного произведет- 22 ва в аппаратуре специальных радиоэлектронных устройств

1.2. Особенности элементной базы микроэлектроники, приме- 26 няемой в специальных радиоэлектронных устройствах

1.3. Система прогнозирования и оценки радиационной стойкости 33 и импульсной электрической прочности БИС и направления ее совершенствования

1.3.1. Требования и методы оценки радиационной стойкости и 33 импульсной электрической прочности БИС

1.3.2. Направления совершенствования системы контроля ра- 35 дотационной стойкости и импульсной электрической прочности БИС

1.3.3. Доминирующие радиационные эффекты в КМОП БИС

1.3.4. Рациональный состав радиационных испытаний полуза- 41 казных КМОП БИС

1.4. Методы расчетно-экспериментального моделирования ра- 42 диационной стойкости КМОП БИС

1.4.1. Иерархия уровней модельного описания радиационного 43 поведения КМОП БИС

1.4.2. Анализ расчетных методов моделирования радиационного 46 поведения КМОП БИС

1.4.3. Анализ экспериментальных методов и средств имитаци- 53 онного моделирования радиационного поведения БИС

1.4.4. Постановка задачи исследований, пути и методы ее реше- 58 ния

1.5. Краткие выводы

2 Расчетно-экспериментальное моделирование радиаци- 61 оиной стойкости полузаказных КМОП БИС к воздействию импульсных ионизирующих излучений

2.1. Исследование типовых ионизационных реакций КМОП БИС

2.1.1. Экспериментальный комплекс для радиационных испыта- 61 ний полузаказных КМОП БИС

2.1.2. Исследование ионизационных реакций полузаказных 63 КМОП БИС общетехнического исполнения

2.1.3. Исследование отклика радиационно-устойчивых по луза- 71 казных КМОП БИС

2.2. Моделирование тиристорного эффекта в полузаказных 77 КМОП БИС общетехнического исполнения

2.3. Моделирование сбоев в радиационно-устойчивых полузаказ- 83 ныхКМОП БИС

2.4. Обобщенная электрическая модель ионизационной реакции 87 полузаказных КМОП БИС по цепи питания

2.5. Краткие выводы

3 Расчетно-экспериментальное моделирование радиаци- 97 онной стойкости полузаказных КМОП БИС к воздействию стационарных ионизирующих излучений

3.1. Исследование характера радиационного поведения полуза- 97 казных КМОП БИС к воздействию стационарных ионизирующих излучений

3.1.1. Исследование КМОП БИС ПЛИС иностранного производ- 97 ства

3.1.2. Исследование КМОП БИС БМК 5503ХМ

3.1.3. Исследование КМОП БИС БМК 5503ХМ

3.1.4. Исследование КМОП БИС БМК 1537ХМ

3.2. Анализ радиационного поведения МОП-транзисторов в со- 107 ставе полузаказных КМОП БИС

3.2.1. Исследование деградации параметров МОП-транзисторов

3.2.2. Особенности радиационного поведения паразитных струк- 116 турМОПТ

3.3. Моделирование радиационного поведения МОПТ в составе 119 полузаказных БИС

3.4 Методика оперативного контроля показателей радиационной 121 стойкости полузаказных КМОП БИС

3.5 Краткие выводы

4. Расчетно-экспериментальное моделирование импульсной электрической прочности полузаказных КМОП БИС

4.1. Оценка полей электромагнитных излучений и индуцирован- 127 ных импульсов напряжения и тока

4.1.1. Поля импульсных электромагнитных излучений

4.1.2. Параметры индуцированных импульсов напряжения, на- 129 водимые ЭМИ на выводах полузаказных БИС

4.2. Доминирующие эффекты и методы расчетного моделирова- 134 ния отказов КМОП БИС при воздействии индуцированных импульсов напряжения

4.2.1. Доминирующие эффекты и их классификация

4.2.2. Методы расчетного моделирования стойкости БИС к воз- 139 действию ИИН

4.4.1.

4.4.2.

4.4.3.

4.4.4.

Основные технические требования к проведению испытаний 142 полузаказных КМОП БИС на импульсную электрическую прочность

Экспериментальная оценка импульсной электрической проч- 145 ности полузаказных КМОП БИС

Экспериментальный комплекс для проведения испытаний 145 полузаказных КМОП БИС на импульсную электрическую прочность

Базовая методика проведения испытаний полузаказных

КМОП БИС на импульсную электрическую прочность

Экспериментальные исследования импульсной электриче- 150 ской прочности полузаказных КМОП БИС

Особенности воздействия многократных ИИН

Особенности совместного воздействия ИИН и импульсного 157 ИИ

Краткие выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование и оценка радиационной прочности полузаказных интегральных схем для специальных радиоэлектронных устройств»

В настоящее время практически все крупные научно-технические проблемы гражданского, военного и специального значения могут быть решены лить на основе реализации интенсивного обмена и обработки больших объемов информации в реальном масштабе времени. В этих условиях от того, насколько качественно и надежно функционируют специальные радиоэлектронные устройства (РЭУ), во многом зависит эффективность применения перспективных комплексов телекоммуникаций, радиолокации, радионавигации, систем управления космических, транспортных, энергетических объектов и др.

Основные требования к РЭУ стратегических систем космического базирования связаны с реализацией контроля больших площадей, что не всегда требует непрерывности наблюдения и высокого разрешения. В итоге средства связи стратегического назначения характеризуются относительно низкой скоростью передачи данных, а связь осуществляется через геостационарные спутники такие, как Fleetsatcom, DSCS II, III, UHF FOLLOW-ON, MILSTAR [1].

Переломную роль в развитии зарубежных РЭУ систем связи космического базирования сыграла военная операция "Буря в пустыня". В ходе этой операции средства связи космического базирования впервые были использованы для решения тактических задач управления войсками. Данное обстоятельство знаменовало обновление военной доктрины США, согласно которой тактические военные операции должны опираться на связь с геостационарными спутниками для определения местоположения и передвижения войск и военной техники. В настоящее время проводятся работы по обеспечению непосредственного взаимодействия систем связи космического базирования с сухопутными и морскими объектами вооружения и военной техники в реальном масштабе времени. Космические системы связи для решения тактических задач потребовали резкого увеличения числа спутников, высокого разрешения, предельных быстродействия и скорости обмена информацией. В настоящее время разрабатьюается концепция создания и применения «микроспутников» и «наноспутников», число которых на орбите в ближайшее время достигнет тысяч.

В этих условиях особенно важное значение для обеспечения бесперебойности и качества связи имеет надежное функционирование всех электронных блоков специальных РЭУ. Так для космических аппаратов (КА), запущенных на геостационарную орбиту, наблюдаются систематические отказы аппаратуры, которые проявляются в виде сбросов (рестартов), отдельных сбоев, ошибок переключений и др. [1]. Эти отказы наблюдались как в военных КА (Defense Satellite Communication System - DSCS II) и (Defense Support Program - DSP), так и в коммерческих спутниках - Intelsat и Telesat (табл. 1.1).

Таблица В1. Функциональные отказы электронной аппаратуры КА США на геостационарных орбитах [1].

Наименование КА Тип отказа или сбоя

DSCS II КА 1,2,3,4 Сброс триггеров (S/C 1,2) Отказ в источнике питания (S/C 1) Переключения логики управления

DSP КА 1,2,3,4 Деградация системы терморегулирования Зашумление данных с датчика Переключения в цепях управления

Intelsat III 5 КА Переключения цепи управления системы стабилизации вращения

Intelsat IV 3,4,5,7 Ложные операции в системе управления высотой

Telesat КА 1,2 Переключения логики телеметрии

Проведенный анализ сбоев и отказов показал [1], что значительная их доля связана с воздействием радиационных факторов на элементную базу специальных РЭУ КА. Поэтому проблемы обеспечения надежного функционирования элементной базы РЭУ КА, особенно с длительным сроком активного функционирования, не могут быть решены без учета влияния радиационных факторов космического пространства (КП). Требования по обеспечению безотказной работы в условиях радиационных и электромагнитных воздействий предъявляются также к специальным РЭУ вооружения и военной техники и ядерно-энергетических установок.

По мере внедрения в специальные РЭУ элементной базы микроэлектроники происходит расширение областей их применения, возрастание сложности выполняемых технических задач и, как следствие, расширение вариантов конструктивно-технологического и схемотехнического исполнения интегральных схем (ИС). В то же время, воздействия ИИ и ЭМИ могут приводить к существенным изменениям технических характеристик ИС: обратимым (сбои, потеря информации, уходы параметров и др.) и необратимым (функциональные и катастрофические отказы).

Поэтому обеспечение работоспособности специальных РЭУ в условиях воздействия ИИ и ЭМИ непосредственно связано с уровнями радиационной стойкости и электрической прочности - важнейшими эксплуатационными характеристиками входящей в состав аппаратуры элементной базы.

Проблема обеспечения и контроля радиационной стойкости (PC) и импульсной электрической прочности (ИЭП) элементной базы специальных РЭУ возникла не впервые, основные направления её решения сформулированы в работах [2-4], опубликованных в 80-х - начале 90-х годов. Отметим, что технический уровень ИС с момента опубликования указанных трудов претерпел качественные изменения и достиг функциональной и технологической сложности больших и сверхбольших ИС (БИС и СБИС) с микронными и субмикронными размерами активных элементов (транзисторов, диодов, эквивалентных логических вентилей). Кроме того, наблюдается повсеместный переход с биполярной на КМОП-технологию производства БИС. Прежде всего это относится к перспективным классам изделий микроэлектроники - полузаказным базовым матричным кристаллам и программируемым логическим ИС, которые образуют основу современной элементной базы специальных РЭУ.

Уровень функциональной сложности и особенности КМОП элементно-технологического базиса БИС в значительной степени меняют сложившиеся представления о методах и технических средствах обеспечения, прогнозирования и контроля PC и ИЭП специальных РЭУ.

Становится необходимым получение по возможности более полного представления о физических механизмах радиационных отказов полупроводниковых элементов и ИС в целом, качественных и количественных изменениях их параметров, зависимости от них эксплуатационных характеристик специальных РЭУ.

Таким образом, разработчики и потребители специальных РЭУ должны оперировать множеством показателей PC и ИЭП и условий их достижения, одновременный анализ и учет которых невозможен без применения расчетно-экспериментальных методов многофакторного моделирования.

В связи с этим актуальной является задача прогнозирования и оценки радиационной стойкости и импульсной электрической прочности полузаказных интегральных схем для специальных радиоэлектронных устройств с учетом реальных сроков и условий их эксплуатации. Актуальность задачи подтверждается основными положениями Концепции развития изделий микроэлектроники военного и специального назначения на период до 2005 года [5], разработанной при непосредственном участии автора и утвержденной Первым заместителем министра обороны РФ, а также соответствующим Решением комиссии правительства РФ по военно-промышленным вопросам (от 17 ноября 1999 года, протокол №8).

Целью диссертационной работы является разработка расчетно-экспериментальных методов и средств прогнозирования и оценки радиационной стойкости и импульсной электрической прочности полузаказных интегральных схем для специальных радиоэлектронных устройств с учетом их многотипности, временных и финансовых ограничений на разработку, неритмичности и мелко-серийности производства, эксплуатации в условиях воздействий радиационных и электромагнитных факторов естественного и искусственного происхождения.

В качестве объекта исследований в диссертации определены полузаказные КМОП БИС отечественного и иностранного производства (ИП), как общетехнического исполнения, так и специальные радиационно-стойкие, выполненные по объемной технологии с проектными нормами 1,5. .2,0 мкм.

Основными научными задачами диссертации являются:

1. Исследование характера радиационного поведения, определение доминирующих механизмов отказов, разработка расчетных моделей и экспериментальных методик контроля работоспособности полузаказных КМОП БИС специальных РЭУ в условиях воздействия ИИ и ЭМИ.

2. Анализ и экспериментальные исследования типовых уровней PC полузаказных КМОП БИС отечественного и иностранного производства.

3. Разработка методик и экспериментального комплекса для испытаний полузаказных КМОП БИС на PC и ИЭП, обоснование технических требований к параметрам средств испытаний.

4. Сравнительная оценка влияния функциональных элементов и паразитных структур на характер радиационного поведения и показатели радиационной стойкости полузаказных КМОП БИС при воздействии импульсных и стационарных ИИ.

5. Разработка базового алгоритма и выбор эффективных средств расчетно-экспериментального моделирования полузаказных КМОП БИС.

6. Разработка и обоснование рационального состава радиационных испытаний КМОП БИС.

7. Разработка методики оценки и прогнозирования PC и ИЭП полузаказных КМОП БИС для специальных РЭУ.

Научная новизна работы:

На основе модельного анализа оригинальных экспериментальных результатов выявлены и исследованы доминирующие механизмы отказов базовых элементов полузаказных КМОП БИС при воздействии импульсных и стационарных ИИ, а также индуцированных импульсов напряжения (ИИН):

1. Установлено, что при воздействии импульсного ИИ радиационные отказы полузаказных КМОП БИС определяются тиристорным эффектом (ТЭ) (в БИС общетехнического исполнения) и кратковременным уменьшением внутреннего напряжения питания ИС вследствие падения напряжения на шинах питания при протекании ионизационных токов паразитных структур (в радиацион-но-стойких БИС). Впервые обнаружен и промоделирован эффект взаимодействия соседних паразитных структур, который приводит к распространению ТЭ по кристаллу. На основании результатов численного моделирования разработана обобщенная электрическая эквивалентная схема ионизационной реакции цепи питания, позволяющая адекватно описать экспериментально наблюдаемое радиационное поведение полузаказных КМОП БИС общетехнического и радиаци-онно-стойкого исполнений.

2. Установлено, что при воздействии стационарного ИИ доминирующим механизмом дозовых отказов полузаказных КМОП БИС общетехнического исполнения является рост тока потребления вследствие образования токов утечки при отпирании паразитных МОП транзисторов из-за накопления положительного заряда в изолирующем окисле. Обосновано, что вследствие особенностей конструкции и электрического режима работы паразитный МОП транзистор на изолирующем окисле во всех случаях является более радиационно-чувствительным, по сравнению с сопряженным активным МОПТ. Экспериментально обнаружен эффект резкого уменьшения радиационно-индуцированных токов утечки паразитных МОП-транзисторов при воздействии ультрафиолетового излучения, что позволяет раздельно исследовать вклад активных и паразитных транзисторов. Разработана численная модель механизмов отказов полузаказных КМОП БИС на основе представлений о локализации утечек в переходной области между подзатворным и изолирующим окислами.

3. Обоснованы положения о независимом характере процессов в полузаказных КМОП БИС при воздействии ИИН вследствие ЭМИ на различные выводы БИС и тепловом механизме проявляющихся повреждений. Проведено численное моделирование эффектов в полупроводниковых структурах БИС при воздействии ИИН. Предложена упрощенная электрическая модель, на основе которой разработана и экспериментально опробована расчетно-экспериментальная методика оценки импульсной электрической прочности полузаказных КМОП БИС, которая позволяет по минимальному числу воздействий прогнозировать параметрические и функциональные отказы БИС по результатам испытаний. Установлено существенное влияние импульсов напряжения в цепи питания на пороги радиационно-индуцированного тиристорного эффекта в полузаказных КМОП БИС. Обосновано, что в практических случаях порог ТЭ при совместном воздействии ИИ и ИИН можно оценить по критерию эквивалентности амплитуды тока потребления на пороге ТЭ при различных соотношениях параметров импульсного ИИ и ИИН.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны базовые методики и экспериментальный комплекс для прогнозирования и оценки радиационной стойкости и электрической прочности БИС БМК и ПЛИС в соответствии с требованиями нового КС «Климат-7».

2. Разработаны и обоснованы технические требования к параметрам генератора индуцированных импульсов напряжения, предлагаемого к использованию в качестве имитатора воздействия ЭМИ при оценке импульсной электрической прочности полузаказных КМОП БИС для специальных РЭУ.

3. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований типовых представителей полузаказных КМОП БИС (отечественных БМК серий 5501, 5503 и 1537, а также ПЛИС иностранного производства фирм Xilinx и Altera) на моделирующих установках и имитаторах в широком диапазоне изменения уровней дестабилизирующих воздействий. Экспериментально установлено и обосновано в ходе моделирования, что пороги отказов БИС БМК и ПЛИС практически не зависят от типа тестовой зашивки БМК или конфигурации ПЛИС.

4. Разработана эффективная методика контрольной оценки радиационной стойкости полузаказных КМОП БИС по результатам радиационных испытаний базовой «тестовой» зашивки БМК или конфигурации ПЛИС и их распространения на остальные рабочие зашивки (конфигурации). Методика обеспечивает достоверность результатов оценки соответствия полузаказных КМОП БИС при существенном сокращении затрат на проведение радиационных испытаний (на основе рационального выбора состава и обоснованной минимизации объема испытаний функционального ряда полузаказных КМОП БИС).

5. Результаты диссертационной работы реализованы в ходе НИР «Цефей-2», «Лира-16», «Перенос-1», «Акцептор-1», «Дус-ДНГ», «Ямал» и др., выполненных по заказам Минобороны РФ и Росавиакосмоса.

6. Результаты работы внедрены в в/ч 25580, 22 ЦНИИИ МО РФ, ЦНИИ «Циклон», ЭНПО СПЭЛС, ГНЦ НПК «Технологический центр» МИЭТ при разработке и обеспечении PC и ИЭП интегральных радиоэлектронных устройств и систем на их основе.

7. Полученные результаты реализованы при разработке комплекса государственных военных стандартов «Климат-7» (ГОСТ РВ 20.57.415 и ГОСТ РВ 20.57.418 - в части системы и методов контроля радиационной стойкости и электрической прочности ИС на различных стадиях жизненного цикла).

8. Результаты проведенных автором исследований путей развития номенклатуры элементной базы радиоэлектронных устройств внедрены в составе основных положений Концепции развития изделий микроэлектроники военного и специального назначения на период до 2005 года (Утверждена Первым заместителем министра обороны 27.10.98), а также использованы при разработке проектов Федеральной целевой программы «Развитие электронной техники в России на период 2001-2006 гг.» и «Программы создания радиационно-стойкой элементной базы микроэлектроники военного и специального назначения на период 2001-2005 гг.».

9. Результаты работы реализованы в руководящих документах МО РФ:

РД В 319.03.22-97 «Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общие методики имитационных испытаний»;

РД В 319.03.30-98 «Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Испытания на импульсную электрическую прочность»;

РД В 319.03.31-99 «Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Рациональный состав и последовательность испытаний на соответствие заданным требованиям по радиационной стойкости».

Результаты, выносимые на защиту:

1. Методы расчетно-экспериментального моделирования доминирующих механизмов отказов базовых элементов полузаказных КМОП БИС, с учетом обнаруженного эффекта взаимодействия соседних паразитных структур, приводящего к распространению тиристорного эффекта по кристаллу, что обеспечивает адекватное описание особенностей их поведения в радиационных и электромагнитных условиях эксплуатации в составе специальных РЭУ.

2. Методики испытаний полузаказных КМОП БИС на радиационную стойкость и импульсную электрическую прочность, обеспечивающие достоверный контроль их характеристик в процессе воздействия ионизирующих излучений и индуцированных импульсов напряжения на основе рационального сочетания испытаний на моделирующих установках и имитаторах, что значительно уменьшает стоимость и время экспериментальных измерений.

3. Результаты экспериментальных исследований по влиянию импульсного и стационарного ионизирующих излучений, а также индуцированных импульсов напряжения на характеристики полузаказных КМОП БИС, подтверждающие адекватность разработанных методов и обоснованность выбора технических средств расчетно-экспериментального моделирования.

4. Методика прогнозирования и оценки радиационной стойкости и электрической прочности полузаказных КМОП БИС для специальных РЭУ по результатам расчетно-экспериментального моделирования на основе рационального состава и минимального объема испытаний тестовых зашивок БМК или конфигураций ПЛИС, обеспечивающая заданную достоверность результатов и сокращение затрат на испытания.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 3 Международном научно-техническом семинаре «Workshop on Electronics for LHC Experiments» (1997, Лондон, Великобритания), 35 Ежегодной международной конференции «Nuclear and Space Radiation Effects Conrence» (США, Newport Beach, 1998), Российских научных конференциях «Радиационная стойкость электронных систем» (Лыткарино, 1997, 1998, 1999), Научных сессиях МИФИ (Москва, 1998, 1999, 2000), Всероссийской конференции «Микроэлектроника и наноэлектроника - 99» (Звенигород, 1999), на научно-технической конференции «Электроника, микро- и наноэлектроника» (г.Суздаль, 1999 г.), на научном семинаре НИИЯФ МГУ (2000 г).

Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 24 работах (в период с 1988 по 2000 гг).

18

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 174 страницы, в том числе 80 рисунков, список литературы из 113 наименований и состоит из введения, 4 глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Интегральные радиоэлектронные устройства», Малюдин, Сергей Александрович

Заключение

В результате диссертационной работы разработаны расчетно-экспериментальные методы и средства прогнозирования и оценки радиационной стойкости и импульсной электрической прочности полузаказных интегральных схем для специальных радиоэлектронных устройств.

1. Исследованы особенности современного этапа работ по обеспечению радиационной стойкости и импульсной электрической прочности элементной базы специальных РЭУ. Комплексный анализ применяемости ИС различных элементно-технологических базисов в специальных РЭУ («Ямал-100», SESAT, «Галс-Р16», «Альфа» и др.), технического уровня и тенденций развития изделий микроэлектроники отечественного и иностранного производства позволили сделать вывод, что наиболее перспективной элементной базой специальных РЭУ являются полузаказные БИС БМК и ПЛИС, выполненные по КМОП-технологии.

2. Разработаны методы расчетно-экспериментального моделирования доминирующих механизмов отказов базовых элементов полузаказных КМОП БИС, обеспечивающие адекватное описание особенностей их поведения в радиационных и электромагнитных условиях эксплуатации в составе специальных РЭУ.

3. Разработаны пути рационализации состава радиационных испытаний КМОП БИС. Автором предлагается в технически обоснованных случаях: не проводить испытания по стойкости к нейтронному воздействию (до теоретически обоснованного уровня); проводить оценку стойкости к воздействию протонов и электронов по результатам испытаний на стойкость к гамма-излучению (дозовые эффекты); проводить оценку стойкости к гамма-излучению (эффекты дозы и мощности дозы) по обобщенным результатам испытаний на МУ и имитаторах; проводить оценку радиационной стойкости изделий, выпускаемых малыми партиями и в условиях неритмичного производства, функционально-сложных БИС преимущественно по результатам имитационных испытаний.

4. Разработаны методики и реализующий их экспериментальный комплекс для испытаний полузаказных КМОП БИС на PC и ИЭП, обеспечивающие достоверный контроль их характеристик в процессе воздействия ИИ и ИИН на основе рационального сочетания испытаний на МУ и имитаторах.

5. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований по влиянию импульсного и стационарного ИИ, а также ИИН на характеристики полузаказных КМОП БИС, подтверждающие адекватность разработанных методов и обоснованность выбора технических средств расчетно-экспериментального моделирования.

6. На основе модельного анализа экспериментальных результатов выявлены и исследованы доминирующие механизмы отказов базовых элементов полузаказных КМОП БИС (общетехнического исполнения и радиационно-стойких) при воздействии импульсных и стационарных ИИ, а также ИИН. Разработан базовый алгоритм моделирования, основанный на последовательности: а) - двумерного численного моделирования (с использованием ПО «DIODE-2D», б) -построения электрических эквивалентных схем элементов, в) - электрического моделирования схем в целом (ПО «PSPICE»).

7. Показано, что при воздействии импульсного ИИ радиационные отказы полузаказных КМОП БИС определяются кратковременным уменьшением внутреннего напряжения питания вследствие падения напряжения на шинах питания при протекании ионизационных токов паразитных структур (в радиационно-стойких БИС) и тиристорным эффектом (в БИС общетехнического исполнения).

8. Впервые обнаружен и промоделирован эффект взаимодействия соседних паразитных структур, который приводит к распространению ТЭ по кристаллу. На основании результатов численного моделирования разработана обобщенная электрическая эквивалентная схема ионизационной реакции цепи питания, позволяющая адекватно описать экспериментально наблюдаемое радиационное поведение полузаказных КМОП БИС.

9. Установлено, что при воздействии стационарного ИИ доминирующим механизмом дозовых отказов полузаказных КМОП БИС общетехнического исполнения является рост тока потребления вследствие образования токов утечки при отпирании паразитных МОП транзисторов из-за накопления положительного заряда в изолирующем окисле. Обосновано, что вследствие особенностей конструкции и электрического режима работы паразитный МОП транзистор на изолирующем окисле во всех случаях является более радиационно-чувствительным, по сравнению с соседним активным МОПТ.

10. Экспериментально обнаружен эффект резкого уменьшения радиаци-онно-индуцированных токов утечки паразитных МОП-транзисторов при воздействии ультрафиолетового излучения. Разработана численная модель механизмов отказов полузаказных КМОП БИС на основе представлений о локализации утечек в переходной области между подзатворным и изолирующим окислами.

Обоснованы положения о независимом характере процессов в полузаказных КМОП БИС при воздействии ИИН на различные выводы БИС и тепловом механизме проявляющихся повреждений. Проведено численное моделирование эффектов в полупроводниковых структурах БИС при воздействии ИИН.

11. Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки импульсной электрической прочности полузаказных КМОП БИС, которая позволяет по минимальному числу воздействий прогнозировать параметрические и функциональные отказы БИС по результатам испытаний.

12. Установлено существенное влияние импульсов напряжения в цепи питания на пороги радиационно-индуцированного тиристорного эффекта в полузаказных КМОП БИС. Показано, что в практических случаях порог ТЭ при совместном воздействии ИИ и ИИН можно оценить по критерию эквивалентности амплитуды тока потребления на пороге ТЭ при различных соотношениях параметров импульсного ИИ и ИИН.

13. Экспериментально установлено и обосновано в ходе моделирования, что пороги отказов БИС БМК и ПЛИС практически не зависят от типа тестовой зашивки БМК или конфигурации ПЛИС. На основе обобщения полученных результатов исследований разработана методика прогнозирования и оценки радиационной стойкости и электрической прочности полузаказных КМОП БИС для специальных РЭУ по результатам расчетно-экспериментального моделирования, обеспечивающая рациональный состав и минимальный объем испытаний тестовых зашивок БМК или конфигураций ПЛИС, при заданной достоверности результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Малюдин, Сергей Александрович, 2000 год

1. Критенко М.И., Никифоров А.Ю., Рыжков А.В. и др. Проблемы обеспечения качества и надежности элементной базы средств спутниковой связи с длительным сроком активного функционирования. В сб. Сети связи и сетевые технологии, MAC, 1997, Суздаль, с.50-57.

2. Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры связи, М., Радио и связь, 1983, 216 с.

3. Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электронным излучениям, М., Радио и связь, 1988, 296 с.

4. Мырова Л.О., Попов В.Д., Верхотуров В.И., Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений, М., Радио и связь, 1993, 268 с.

5. Концепция развития изделий микроэлектроники военного и специального назначения на период до 2005 года / Степанов Ю.И., Критенко М.И., Малюдин С.А. и др., 22 ЦНИИИ МО, 1999 г., 43 с.

6. Степанов Ю.И. и др. Концептуальные направления развития изделий микроэлектроники специального и военного назначения, в сб. «Радиационная стойкость электронных систем Стойкостъ-98», СПЭЛС-НИИП, Москва, 1998 г., с.3-4.

7. Критенко М.И., Малюдин С.А., Телец В.А. Состояние и концептуальные задачи развития военной и специальной микроэлектроники, Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-99, т.6, Москва, МИФИ, 1999, с. 128129.

8. Критенко М.И., Малюдин С.А., Телец В.А. Развитие элементной базы средств связи и вычислительной техники и современное состояние электронной промышленности, Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-2000, т. 1, Москва, МИФИ, 2000, с.75-76.

9. Малюдин С.А. Особенности контроля заказчиком радиационной стойкости КМОП ИС и БИС специального назначения, в сб. «Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-98», СПЭЛС-НИИП, Москва, 1998 г., с. 910.

10. П.Никифоров А.Ю., Малюдин С.А. Зарубежный подход к обеспечению радиационной стойкости изделий микроэлектроники. В сб. научных трудов «Электроника, микро- и наноэлектроника», 1999, М., МИФИ, с. 116-119.

11. K.A.LaBel, A.K.Moran, D.K.Hawkins et.al. "Current Single Event Effect Test Results for Candidate Spacecraft Electronics". IEEE Rad. Effects Data Workshop, 1996, pp. 19-27.

12. R.Katz. "Programmable Logic Application Notes". -http://flick.gsfc.nasa.gov/radhome.htm.

13. R.Katz, R.Barto, P.McKerracher, B.Carkhuff, R.Koga. "SEU Hardening of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) for Space Applications and Device Characterization". IEEE Trans, on Nucl.Sc., vol.41 (1994), N6, pp. 2179-2186.

14. R.Katz, G.Swift, D.Shaw. "Total Dose Responses of Actel 1020B and 1280A Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)". Proc. of Third European Conf. on RADECS, 1995, pp. 412-419.

15. G.K.Lum, R.J.May, L.E.Robinette. "Total Dose Hardness of Field Programmable Gate Arrays". IEEE Trans, on Nucl.Sc., vol.41 (1994), N6, pp. 2487-2493.

16. B.R.Blass, M.G.Buchler, Y.-S.Lin. "Propagation Delay Measurements from Timing Sampler Intended for Use in Space". IEEE Trans, on Nucl.Sc., vol.34 (1987), N6, pp. 1470-1475.

17. Подъяпольский С.Б. Современный подход к оценке изготовителя СБИС и принципам аттестации технологического процесса, в сб. «Радиационная стойкость электронных систем Стойкостъ-98», СПЭЛС-НИИП, Москва, 1998 г., с. 11-12.

18. РД В 319.004 СС РЭМ ВН. Порядок проведения аттестации предприятий (сертификации систем качества производств) («Военэлектронсерт»).

19. Никифоров А.Ю., Малюдин С.А. Принципы формирования тестового набора для контроля радиационной чувствительности КМОП БИС, Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-98, ч.5, 1998, с.225-227.

20. Никифоров А.Ю., Малюдин С.А., Телец В.А. и др. Методы и средства технологического контроля и диагностирования радиационной стойкости изделий микроэлектроники, В трудах Всероссийской конференции «Микроэлектроника и наноэлектроника 99», Звенигород, 1999

21. Критенко М.И., Марютин В.Н., Малюдин С.А. и др. Система контроля радиационной стойкости ИС при комплектовании важнейших объектов ВВТ, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем -Стойкость-99", СПЭЛС-НИИП, 1999, с.3-4

22. РД В 319.03.22-97. Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общие методики имитационных испытаний. Руководящий документ МО РФ, 1997 г.

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

24. Критенко М.И., Малюдин С.А. К вопросу о влиянии интенсивности гамма излучения на оценку стойкости ИС, Труды в/ч 67947, 1988, с.92.

25. Чумаков А.И., Яненко А.В., Малюдин С.А. и др. Физико-математическое моделирование эффектов от отдельных ядерных частиц в элементах интегральных схем, Инженерная физика, 1999, №2, с.68-72.

26. РД В 319.03.31-99. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Рациональный состав и последовательность испытаний на соответствие заданным требованиям по радиационной стойкости. Руководящий документ МО РФ, 1999 г.

27. Скоробогатов П.К. Методология расчетно-экспериментального моделирования объемных ионизационных эффектов в ИС с позиции многоуровневого иерархического подхода //Сборник научных трудов. В 11 частях. 4.5. М.: МИФИ, 1998, с.208-210.

28. Аствацатурьян Е.Р. Особенности учета неточности моделей при анализе стабильности сложных электронных устройств физическогоэксперимента//Электроника для экспериментальной физики/Под ред. Т.М.Агаханяна. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 3-8.

29. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике: Справочник/Е.В.Авдеев, А.Т.Еремин, И.П.Норенков, М.И.Песков; Под ред. И.П.Норенкова. М.: Радио и связь, 1986. 368 с.

30. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.А. Математические модели элементов интегральной электроники. М.: Сов. радио, 1976. - 304 с.

31. Wirth J.L., Rogers S.C. The Transient Response of Transistors and Diodes to Ionizing Radiation//IEEE Trans. 1964. Vol. NS-11, N 5. - P. 24-38.

32. Gwyn C.W., Scharfetter D.L., Wirth J.L. The Analysis of Radiation Effects in Semiconductor Junction Devices//IEEE Trans. 1967. Vol. NS-14, N 6. - P. 153169.

33. Кудряшов H.A., Кучеренко A.C., Сыцько Ю.И. Математическое моделирование фотоэлектрических процессов в полупроводниковых элементах при высоких уровнях фотовозбуждения//Математическое моделирование. 1989. Т. 1, № 12. - С. 1-12.

34. Dodd P.E., Sexton F.W., Winokur P.S. Three Dimensional Simulation of Charge Collection and Multiple-Bit Upset in Si Devices//IEEE Trans. 1994. Vol. NS-41, №6.-P. 2005-2017.

35. Moreau Y., Duzellier S., Gasiot J. Evaluation of the Upset Risk in CMOS SRAM Through Full Three Dimensional Simulation//IEEE Trans. 1995. Vol. NS-42, N 6. -P. 1789-1796.

36. S-PISCES. 2-D Silicon Device Simulation. Technical Specification. SILVACO International, 1997.

37. MEDICI 2.2 User's Manual, Technology Modeling Associates (TMA), July 1996.

38. DAVINCI 3.2 User's Manual, Technology Modeling Associates (TMA), July 1996.

39. MEDICI 2.3 & DAVINCI 3.3, TMA Times, 1997. Vol. IX, N 1. P. 6-7.

40. ISE TCAD Software Release 4. ISA Integrated System Engineering Inc., Mountain View, CA, USA.

41. Ридигер А.В. Моделирование ионизационной реакции в C2L КМОП СБИС и проектирование ИМС с заданной стойкостью к воздействию ионизирующихизлучений:Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИФИ, 1995. - 150 с.

42. Dierking W.H., Katz G.E., Steel E.L. Transient Radiation Current Generator Model for Semiconductor Devices//IEEE Trans. 1969. Vol. NS-16, N 6. - P. 144-152.

43. Bowman W.C., Beezhold W., Johnston A.H. Models for Predicting Transient Radiation Responses in Microcircuits//IEEE Trans. 1968. Vol. NS-15, N 6. - P. 279-280.

44. Raymond J.P., Krebs M.G. Lumped Model Analysis of Semiconductor Devices Using NET-2 Circuit/System Analysis Program// IEEE Trans. 1972. Vol. NS-19, N 6. - P. 103-107.

45. Pocock D.N., Raymind J.P. Simplified Terminal Modeling of Complex Linear Microcircuits for Use in Computer Aided Systems Analysis/ЯЕЕЕ Trans. 1971. Vol. NS-18, N 6. - P. 212-220.

46. Dickhout R.H. Simplified Microcircuit Modeling/ЯЕЕЕ Trans. 1971. Vol. NS-19, N 6.-P. 227-236.

47. Holmes-Siedle A., Adams L. Handbook of Radiation Effects. Oxford University Press. Oxford, New-York, Tokyo, 1993. - 479 p.

48. Комплекс программ электрического анализа электронных схем ЭЛАИС. Учебное пособие/А.Я.Архангельский, Н.Г.Левшин, С.В.Светцов и др. М.: МИФИ, 1982. - 92 с.

49. PSpice 4.03 Users Guide, Irvin, MicroSim Corp, 1990. P. 140-141.

50. Брауэр В. Введение в теорию конечных автоматов. М.: Радио и связь, 1987. -392 с.

51. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике: Справочник/Е.В.Авдеев, А.Т.Еремин, И.П.Норенков, М.И.Песков; Под ред. И.П.Норенкова. М.: Радио и связь, 1986. 368 с.

52. Автоматизация проектирования БИС. В 6 кн.: Практ. пособие. Кн. 2. Функционально-логическое проектирование БИС//П.В.Савельев, В.В.Коняхин; Под ред. Г.Г.Казеннова. М.: Высшая школа, 1990. - 156 с.

53. Компьютеры на СБИС: В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с япон./Мотоока Т., Томита С., Танака X. и др. М.: Мир, 1988. - 392 с.

54. Юрин О.Н. Единая система автоматизации проектирования ЭВМ. М.: Сов. радио, 1976. - 176 с.

55. Поляков А.К. Моделирование цифровой аппаратуры на базе языка ПЛ/1. М.: Изд-во МЭИ, 1976. - 70 с.

56. Автоматизация проектирования вычислительных систем. Языки, моделирование и базы данных/Под ред. М.Брейера. М.: Мир, 1979. 463 с.

57. Армстронг Дж.Р. Моделирование цифровых систем на языке VHDL/Пер. с англ. М.: Мир, 1992. - 175 с.

58. Brothers C.P., Pugh R.D. Simulating Total Dose and Dose-Rate Effects on Digital Microelectronics Timing Delays Using VHDL//IEEE Trans. 1995. Vol. NS-42, N6. - P. 1628-1635.

59. Synopsys, VHDL System Simulator Core Program Manual. Version 3.0. Synopsys Inc., Mountain View CA, November 1992.

60. Демидов А. А. Калашников О. А., Малюдин С.А. Исследование радиационного поведения интегральных систем сбора данных КМОП технологии, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-98", СПЭЛС-НИИП, 1998, с. 117-118.

61. Демидов А.А., Калашников О.А., Малюдин С.А.Особенности радиационных отказов аналого-цифровых преобразователей интегрирующего типа, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-98", СПЭЛС-НИИП, 1998, с.119-120.

62. Demidov А.А. Kalashnikov О.А., Maludin S.A., et.al. Integrating Analog-to-Digital Converter Radiation Hardness Test Technique and Results, IEEE Trans, on Nuclear Science, Vol. NS-45, #6, 1998.

63. Demidov A.A. Kalashnikov O.A. Maludin S.A., et.al.Detailed Analysis of the Radiation Responce of a Data Acquisition System CMOS 1С, Proceedings of 35 Annual International Nuclear and Space Radiation Effects Conrence, USA, Newport Beach, 1998.

64. Артамонов А.С., Герасимов В.Ф., Калашников О.А. и др., Система комплексного имитационного моделирования полупроводниковых приборов и интегральных схем С КИМ // Электронная промышленность, 1996, № 2, с. 16-19.

65. Гамкрелидзе С.А., Громов Д.В., Критенко М.И. и др., Применение лазерных имитаторов для проведения физико-технического анализа изделий и структур микроэлектроники и наноэлектроники // Электронная промышленность, 1996, № 2, с.20-23.

66. Чумаков А. И. Методы и средства моделирования доминирующих радиационных эффектов в интегральных схемах при воздействии высокоэнергетичных ядерных частиц. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, М. МИФИ, 1998 г.

67. Малюдин С.А., Чураков А.Н., Горохов С.В. Контроль работоспособности БИС при проведении испытаний на спецвоздействия, Труды в/ч 67947, 1988, с.128.

68. Демидов А. А., Малюдин С.А. Реализация средств контроля работоспособности функционально-сложных БИС на базе ПЛИС, Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-99, т.6, Москва, МИФИ, 1999, с. 150151.

69. Ворошилов Р.В., Малюдин С.А., Шелепин Н.А. Исследование радиационного поведения функциональных элементов БИС БМК, Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-2000, т.1, Москва, МИФИ, 2000, с.99-100.

70. Левин В.В., Малюдин С.А., Никифоров А.Ю. Исследование ионизационной реакции ПЛИС фирмы ALTERA в диапазоне температур, Сборник научных трудов Научной сессии МИФИ-2000, т. 1, Москва, МИФИ, 2000, с. 111-112.

71. Улесов А.Т., Малюдин С. А., Кузнецов Е.В. и др. Сравнительное исследование тиристорного эффекта в КМОП ИС БМК, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкостъ-99", СПЭЛС-НИИП, 1999, с. 101-102.

72. Калашников О.А. и др. Методика и результаты радиационных испытаний ПЛИС ХС2064, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-98", СПЭЛС-НИИП, 1998, с. 121-122.

73. Согоян А.В. и др. Особенности УФ-отжига радиационно-индуцированного положительного заряда в полевом окисле МОП-приборов, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-99", СПЭЛС-НИИП, 1999, с.71-72.

74. Ionizing Radiation Effects in MOS devices and Circuits, ed. by T.P.Ma and P.V. Dressendorfer, J.Wiley & Sons, New York, 1989.

75. Согоян A.B. Прогнозирование стойкости КМОП ИС к совместному воздействию стационарного ионизирующего излучения и температуры.

76. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1997, Москва, МИФИ.

77. Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Чумаков А.И. Подход к прогнозированию радиационной деградации параметров КМОП ИС с учетом сроков и условий эксплуатации, Микроэлектроника, 1999, том.28, №4, с.263-275.

78. Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Малюдин С.А., Сравнительный анализ радиационной стойкости однотипных ИС различных предприятий-изготовителей, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-99", СПЭЛС-НИИП, 1999, с.37-38.

79. I.N.Shvetsov-Shilovsky, "MOSFET Prediction in Space Environments", Proc. 20th International Conference on Microelectronics (MIEL'95), vol.1, Nis,Serbia, 12-14 September, 1995, p. 183-188.

80. Физика ядерного взрыва: В 2 т. Том.1. Развитие взрыва/МО РФ. ЦФТИ. М.: Наука. Физматлит, 1997. - 528 с.

81. Действие ядерного оружия: Пер. с англ. М.: Воениздат, 1965. - 683 с.

82. Исследование влияния электромагнитных полей на линейную радиоэлектронную аппаратуру / Т.М.Агаханян, Е.Р.Аствацатурьян, П.К.Скоробогатов и др. //Ядерная электроника/Под ред. Т.М.Агаханяна. М.: Атомиздат, 1979. N 9. - С. 3-26.

83. Rickets L.W. Fundamentals of Nuclear Hardening of Electronic Equipment. -N.Y.: Wiley Interscience, 1972. - 548 p.

84. Аствацатурьян E.P., Скоробогатов П.К. Исследование чувствительности линейных электронных схем к переменным магнитным полям//Ядерная электроника/Под ред. Т.М.Агаханяна. М.: Атомиздат, 1975. Вып. 5. С. 3-7.

85. Wunsch D., Bell R. Determination of Threshold Failure Levels Semiconductor Diodes and Transistors Due to Pulse Voltage//IEEE Trans. 1968. Vol. NS-15, № 6. - P. 244-259.

86. Рябов Ю.Г., Лопаткин C.M. Основные принципы контроля электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств//Стандарты и качество, 1994, N 6. С. 61 69.

87. Программа "CBL". Руководство пользователя. М.: ЭНПО СПЭЛС, 1997.

88. Годовицын В.А., Скоробогатов П.К. Модели отказов МЭА при воздействиии импульсных помех //Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры: Тез. докл. Всесоюз. научно-техн. конф., Запорожье, 17-21 сентября 1990 г. С. 80-81.

89. P.K.Skorobogatov, A.Y.Nikiforov, V.M.Barbashov "Electrical Overstress Hardness of Electron Components'V/Proceedings of the Third Workshop on Electronics for LHC Experiments. London, September 22-26, 1997. P. 546-549.

90. Skorobogatov P.K.Test Method for 1С Electrical Overstress Hardness Estimation //Proc. 4th European Conf. on Radiations and Its Effects on174i

91. Components and Systems (RADECS 97), Sept. 15-19, 1997, Palm Beach, Cannes, France.-P. 174-177.

92. Барбашов B.M., Попов Ю.М., Скоробогатов П.К. Система параметров для оценки стойкости современных ИС к воздействию импульсов электрического перенапряжения //Сборник научных трудов. В 11 частях. 4.5. М.: МИФИ, 1998.-С. 229-231.

93. Рикетс Л.У., Бриджес Дж.Э., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты: Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1979.- 328 с.

94. РД В 319.03.30-98. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Испытания на импульсную электрическую прочность. Руководящий документ МО РФ, 1998 г.

95. ОСТ 11 073.062-84. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Требования и методы защиты от статического электричества в условиях производства и применения. М.: Изд-во стандартов. - 24 с.

96. Лазер М.И., Шубарев В.А. Устойчивость цифровых микроэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1983. - 216 с.

97. Скоробогатов П.К., Барбашов В.М., Малюдин С.А. Аддитивные эффекты воздействия одиночных импульсов напряжения на ИС, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-99", СПЭЛС-НИИП, 1999, с. 143-144.

98. Чумаков А.И., Артамонов А.С., Малюдин С.А. и др. Влияние электрических помех на уровень радиационного защелкивания, Научно-технический сб. "Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-99", СПЭЛС-НИИП, 1999, с. 141-142.