Конверсионная модель эффекта низкой интенсивности в биполярных интегральных микросхемах космического назначения

Актуальность темы

диссертации.

При воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения (ИИ) может происходить аномальное уменьшение (до порядка и выше) коэффициента усиления биполярных транзисторов, как прп так и рпр типа, по сравнению с облучением высокой интенсивностью при одинаковой накопленной дозе. В результате аппаратура на борту спутников, содержащая биполярные микросхемы, может выйти из строя ранее запланированного времени функционирования. Для прогнозирования, например, десятилетнего пребывания микросхем на орбите необходимо использование источника излучения на 3−4 порядка большей интенсивности, чем интенсивность излучения в космосе, чтобы уменьшить продолжительность лабораторного эксперимента. Создание эффективных методик прогнозирования требует разработки физической модели эффекта низкой интенсивности. Использование физической модели эффекта предполагает экспериментальную экстракцию параметров с последующим расчетом радиационной деградации при заданной дозе и интенсивности облучения.

У современных физических моделей, как будет показано ниже, многочисленные подстроенные параметры, характеризующие кинетику процессов (сечения и темп захвата носителей, концентрация рекомбинационных центров и т. п.), задаются произвольно и не могут быть экстрагированы непосредственно из эксперимента. Поэтому модели могут дать лишь качественную характеристику процесса накопления поверхностных состояний при больших и малых иптенсивностях. Это затрудняет практическое использование моделей в целях прогнозирования.

В существующих моделях отсутствует связь плотности заряда в окисле и плотности поверхностных состояний с током поверхностной рекомбинации биполярных транзисторных структур, являющегося основным радиационно-чувствительным параметром биполярных приборов. Поскольку при радиационных испытаниях измеряются не плотность поверхностных состояний и плотность заряда в окисле, а токи (входные токи операционных усилителей (ОУ) и компараторов напряжения (КН), токи баз биполярных транзисторов (БТ)), экстракция параметров данных моделей на основе результатов радиационных испытаний затруднительна.

Для экспериментальной экстракции параметров модели эффекта низкой интенсивности необходима формулировка требований к контрольно-измерительному оборудованию как по точностным параметрам, так и по функциональным возможностям. Физическая модель эффекта может иметь несколько методик экстракции параметров. Выбор конкретной методики определяется характеристиками и функциональными возможностями контрольно-измерительного оборудования. Таким образом, задачи разработки модели эффекта низкой интенсивности и методики экстракции параметров данной модели тесно связаны с разработкой контрольно-измерительного оборудования для радиационных экспериментов. Цель диссертации заключается в создании физической модели эффекта низкой интенсивности в биполярных микросхемах и методики экстракции параметров модели, позволяющей оценивать радиационную деградацию биполярных приборов, предназначенных для применения в условиях воздействия излучений космического пространиства.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: Определение зависимости тока поверхностной рекомбинации в биполярных транзисторных структурах от плотности поверхностных состояний. Разработка конверсионной модели эффекта низкой интенсивности в биполярных структурах и методик экстракции параметров модели. Разработка оборудования для экспериментальных исследований радиационной деградации биполярных интегральных микросхем (ИМС) и дискретных приборов.. Разработка методик измерения радиационно-чувствительных параметров операционных усилителей, компараторов и дискретных транзисторов. Разработка методики дистанционного задания и контроля температуры кристаллов ИМС при облучении и послерадиационном отжиге. • Экспериментальная экстракция параметров конверсионной модели и разработка методики радиационных испытаний для оценки срока работы биполярных микросхем в условиях воздействия ионизирующих излучений низкой интенсивности. Методы проведенных исследований.

При разработке модели эффекта низкой интенсивности, предложеннойв диссертации, использовались методы физики микроэлектронных структур, полупроводников и диэлектриков. Для верификации методики экстракции параметров модели были проведены экспериментальные исследования радиационной стойкости биполярных приборов на аттестованных исследовательских установках.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Метод определения тока поверхностной рекомбинации биполярных транзисторных структур как функции плотности поверхностных состояний.

2. Конверсионная модель эффекта низкой интенсивности в биполярных ИМС, позволяющая оценивать радиационную деградацию электрических параметров биполярных приборов при заданных значениях поглощенных доз и интенсивностей облучения, характерных для космических применений.

3. Методика экстракции параметров конверсионной модели эффекта низкой интенсивности в биполярных приборах.

4. Методика для выявления приборов, в которых наблюдается эффект низкой интенсивности, на основе анализа динамики послерадиационного отжига.

5. Программно-аппаратная реализация методик измерения. радиационно-чувствительных параметров операционных усилителей (ОУ) и компараторов напряжения (КН) при радиационных испытаниях.

Научная новизна диссертации:

1. Определена зависимость тока поверхностной рекомбинации биполярных транзисторных структур от плотности поверхностных состояний с учетом их заряда, позволяющая создать модель эффекта низкой интенсивности, дающую связь радиационно-чувствительных параметров биполярных ИМС с дозой и интенсивностью облучения.

2. Предложена физическая модель эффекта низкой интенсивности в биполярных ИМС с минимальным набором подстроечных параметров, которые имеют простой физический смысл и могут быть определены экспериментально.

3. Предложена и опробована экспериментальная методика экстракции параметров конверсионной модели, позволяющая разработать методику прогнозирования работоспособности биполярных микросхем в условиях воздействия излучения низкой интенсивности.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1. Разработана методика выявления эффекта низкой интенсивности в биполярных микросхемах и дискретных приборах на основе установленной корреляции наличия эффекта низкой интенсивности и дальнейшей деградации при послерадиационном отжиге.

2. Разработано устройство для измерения параметров различных видов интегральных микросхем и дискретных приборов при радиационных испытаниях. Использование данного устройства внедрено в лабораторный практикум «Физика микроэлектронных структур» кафедры Нанои микроэлектроники НИЯУ МИФИ.

3. Разработаны методики измерения радиационно-чувствительных параметров операционных усилителей, компараторов и дискретных «транзисторов. Разработанные методики внедрены в «ФГУП НИИП» г. Лыткарино.

4. Разработана методика дистанционного задания и контроля температуры кристаллов ИМС при облучении и послерадиационном отжиге, позволяющая проводить эксперименты по экстракции параметров конверсионной модели с использованием разработанного измерительного оборудования.

Личный вклад соискателя.

Все экспериментальные результаты, методики измерения и обработки экспериментальных данных, приведенных в диссертации, получены и предложены лично соискателем. Модели и теоретические расчеты разрабатывались и выполнялись совместно с коллегами и соавторами соискателя. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, получены лично соискателем на установках ГУ-200 и Гамма-Рид ФГУП «НИИП».

Связь работы с крупными научными программами и темами.

Работа проводилась в Национальном исследовательском ядерном «университете «МИФИ» и ФГУП «НИИП» (г. Лыткарино) в рамках следующих государственных отраслевых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

1. Исследование влияния температурных режимов облучения и послерадиационного отжига на деградацию параметров МДП и биполярных микроэлектронных структур (шифр НИР «Ядро-МИФИ» 00−3-027−1646 от 15 марта 2009).

2. Разработка расчетно-экспериментальной методики прогнозирования радиационной стойкости БиКМОП изделий электронной техники к воздействию низкоинтенсивного излучения космического пространства (шифр НИР «Ядро-МИФИ» 00−3-027−0055 от 15 марта 2010).

3. Разработка структуры экспериментального образца стенда для измерения параметров операционных усилителей, компараторов напряжения и аналогово-цифровых преобразователей при радиационных испытаниях (шифр НИР «Ядро-МИФИ» 00−3-270 291 от 15 марта 2011).

4. Разработка методики измерения радиационно-чувствительных параметров аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (шифр НИР «Ядро-МИФИ» 00−3-027−0613 от 15 марта 2012).

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных Научных сессиях МИФИ (2008;2012) — ежегодных всероссийских конференциях «Радиационная стойкость» (Лыткарино, 2008 — 2012), ежегодных Курчатовских молодежных научных школах (2009 — 2011), в материалах IX Межотраслевой конференции по радиационной стойкости (Снежнск 2011), международных конференциях 1СМЖ 2011 и НАБЕСБ 2009.

Опубликованные результаты.

Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях журналов перечня ВАК: «Датчики и системы», «Ядерная физика и инжиниринг», «Микроэлектроника», «Вопросы атомной науки и техники».

Структура и объем диссертации

.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации — 174 страницы. Диссертация содержит 54 рисунка.

Список литературы

содержит 67 наименований.

6.5 Выводы.

В данной главе описана и экспериментально проверена методика экстракции подстроечных параметров конверсионной модели эффекта низкой интенсивности. Методика экстракции основана на экспериментах по послерадиационному отжигу (для оценки времени конверсии глубоких ловушек) и высокотемпературному облучению (для оценки вклада в деградацию конверсии глубоких ловушек). В результате получена 8-образная зависимость деградации тока базы от интенсивности облучения. Полученная зависимость хорошо согласуется с результатами низкоинтенсивного облучения.

Экстракцию параметров конверсионной модели для восстановления 8-образной характеристики можно проводить по результатам высокотемпературного облучения при трех различных значениях температур. Применение данного подхода позволяет с достаточной точностью определить деградацию при низкоинтенсивном облучении. Однако точность экстракции параметров данного подхода хуже, чем при использовании послерадиационного отжига. Кроме того, методика экстракции с применением отжига позволяет сократить время облучения за счет уменьшения количества сеансов облучения при различных температурах, а так же реализация данной методики при радиационных испытаниях проще с технической точки зрения.

Таким образом, для прогнозирования эффекта низкой интенсивности в биполярных приборах и восстановления Б-образной характеристики целесообразно применять методику экстракции параметров конверсионной модели с применением послерадиационного отжига. Использование 8-образной характеристики позволяет предсказывать деградацию характеристик биполярного прибора при любой интенсивности, соответствующей его функционированию в реальных условиях космического пространства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной научный результат диссертации:

Разработана физическая модель эффекта низкой интенсивности в биполярных микросхемах и методика экстракции параметров модели, позволяющая оценивать радиационную деградацию биполярных приборов при заданной поглощенной дозе и интенсивности облучения.

Основные теоретические результаты:

1. Получена зависимость тока поверхностной рекомбинации биполярных транзисторных структур от плотности поверхностных состояний, позволяющая связать деградацию радиационно-чувствительных параметров биполярных приборов с поглощенной дозой.

2. Предложена конверсионная модель эффекта низкой интенсивности.

3. Предложена методика экстракции параметров конверсионной модели.

Основной практический результат:

На основе установленной корреляции наличия эффекта низкой интенсивности и дальнейшей деградации при послерадиационном отжиге разработана методика выявления эффекта низкой интенсивности в биполярных микросхемах и дискретных приборах.

Частные практические результаты:

1. Разработано устройство для измерения радиационно-чувствительных параметров полупроводниковых приборов, позволяющее проводить экспериментальную экстракцию параметров конверсионной модели. Использование данного устройства внедрено в лабораторный практикум «Физика микроэлектронных структур» кафедры Нанои микроэлектроники НИЯУ МИФИ.

2. Разработаны методики измерения радиационно-чувствительных параметров операционных усилителей, компараторов и дискретныхтранзисторов. Разработанные методики внедрены в «ФГУП НИИП» г. Лыткарино.

3. Разработана методика задания и контроля температуры кристаллов ИМС при экспериментах по экстракции параметров конверсионной модели.