Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности и моделирование физических процессов в GaAs и Si полевых транзисторах, подвергающихся нейтронному воздействию 11
1.1 Обзор физических эффектов в GaAs и Si полевых транзисторах 11
1.2 Моделирование физических процессов в GaAs полевых транзисторах, подвергающихся нейтронному воздействию с учётом ионизации 17
Выводы к Главе I 41
Перечень цитированных источников к введению и главе I 43
Глава 2. Расчетно-экспериментальный метод контроля параметров полевых СВЧ транзисторов Шоттки «до» и «после» нейтронного воздействия 49
2.1 Метод контроля коэффициентов усиления и шума транзисторов на основе комплекса физико-топологических численной и аналитической моделей полевых транзисторов Шоттки «до» и «после» воздействия нейтронного излучения 49
2.1.1 Математическая модель и методы экспериментальных исследований 55
2.1.2 Сравнение результатов эксперимента и расчета 57
2.2 Обработка экспериментальных данных с применением доверительной области. 65
Выводы к Главе 2 68
Перечень цитированных источников к Главе 2 69
Глава 3. Расчетно-экспериментальный метод контроля коэффициента шума полевых СВЧ транзисторов Шоттки «в момент» нейтронного воздействия 71
3.1 Исследование поведения полевых транзисторов Шоттки «в момент» воздействия нейтронного излучения. 71
3.2 Описание и практическая реализация расчетно экспериментального метода определения коэффициента шума СВЧ полевых транзисторов Шоттки «в момент» нейтронного облучения на основе физико-топологического моделирования . 76
Выводы к Главе 3 94
Перечень цитированных источников к Главе 3 95
Глава 4. Расчетно-экспериментальный метод контроля сечения сбоев интегральных схем при стационарном нейтронном воздействии в области малых значений энергий частиц 99
4.1 Оценка вероятности сбоя ИС при воздействии тяжёлых заряженных частиц и быстрых нейтронов с использованием физико - топологического моделирования 99
4.2 Метод определения минимального значения флюенса частиц, достаточного для генерации сбоев GaAs СВЧ и Si КНИ КМОП интегральных схем при стационарном нейтронном облучении 108
Выводы к Главе 4 129
Перечень цитированных источников к Главе 4 130
Заключение 132
Список сокращений и условных обозначений 133
Приложение: Акт внедрения результатов диссертации № 195-95-29 2920-1 134
- Моделирование физических процессов в GaAs полевых транзисторах, подвергающихся нейтронному воздействию с учётом ионизации
- Метод контроля коэффициентов усиления и шума транзисторов на основе комплекса физико-топологических численной и аналитической моделей полевых транзисторов Шоттки «до» и «после» воздействия нейтронного излучения
- Описание и практическая реализация расчетно экспериментального метода определения коэффициента шума СВЧ полевых транзисторов Шоттки «в момент» нейтронного облучения на основе физико-топологического моделирования
- Метод определения минимального значения флюенса частиц, достаточного для генерации сбоев GaAs СВЧ и Si КНИ КМОП интегральных схем при стационарном нейтронном облучении
Моделирование физических процессов в GaAs полевых транзисторах, подвергающихся нейтронному воздействию с учётом ионизации
Используя расчёты по модели Госсика [30] можно оценить размеры кластера, а также расстояние между ними, через которое электроны могут проникать «сквозь» кластер, состоящий из нескольких субкластеров скопления точечных дефектов. Важно, что для решения этой задачи не надо подробно исследовать процессы внутри ядра субкластера в GaAs. Необходимо лишь оценить зависимость потенциала от координаты в области пространственного заряда кластера.
Согласно модели Госсика [30], в центре находится нейтральное ядро, с дивакансиями, радиуса r0, ядро окружено оболочкой радиуса rь состоящей из комплексов вакансий с примесью (рис. 1.7). Это образование находится внутри области пространственного заряда радиуса r2, размеры которой зависят от концентрации носителей в кристалле. Ранее такая модель применялась для всего КРД целиком [31], но очевидно, что подобный подход может быть применен и для каждого отдельного СКРД. Использование модели Госсика для описания ОПЗ СКРД позволяет получить значительно более точные результаты при моделировании рассеяния горячих электронов на СКРД методом Монте-Карло.
Как при гамма-облучении, так и при нейтронном распределение электронов по энергиям имеет схожий с максвелловским вид, что позволяет использовать квазигидродинамическую модель для анализа процессов в субмикронных полупроводниковых структурах при радиационном облучении. Уравнениями, определяющими перемещения носителей заряда, являются: уравнения Пуассона, баланса энергии, непрерывности и импульса носителей заряда, а также выражения для плотности тока и потока энергии электронов [6] где V - потенциал; n - концентрация электронов; N+, N-концентрации положительно и отрицательно заряженных ионов (доноров, акцепторов, радиационных дефектов); j, jt - плотность электронного и полного тока; j W - плотность потока энергии электронов; W, W0 - неравновесная и равновесная энергия электрона соответственно; xw- время релаксации энергии; тр - время релаксации импульса; m - эффективная масса электрона; D - коэффициент диффузии электронов; v - дрейфовая скорость электронов; Е - напряженность электрического поля; ss - диэлектрическая проницаемость; Fn - флюенс нейтронов; q - абсолютная величина заряда электрона; m - эффективная масса электронов; G коэффициент генерации носителей заряда при воздействии излучения (учитывается только в момент действия ИИ); R - коэффициент рекомбинации (для униполярных приборов учитывается в момент и непосредственно после действия ИИ); We - средняя энергия генерируемого электрона (учитывается только в момент действия ИИ). В случае биполярных транзисторов или при моделировании работы прибора в момент нейтронного воздействия в систему уравнений (1.10) необходимо добавить аналогичные уравнения для дырок.
Влияние радиационных точечных дефектов на перемещения электронов в GaAs полевых транзисторах заключается в следующем: 1) при нейтронном воздействии образуются дефекты, например, донор - вакансия или донор междоузельный атом; 2) энергетический уровень донорного электрона понижается так, что захваченный на уровень электрон не может оторваться обратно; 3) уменьшается концентрация электронов проводимости, а положительные ионы доноров превращаются в нейтральные атомы.
С целью прогнозирования поведения полевых транзисторов после облучения разработаны методы контроля их параметров. В диссертации предложен общий подход к проведению контроля, состоящий в проведении двух видов исследований (см. оригинальную блок - схему на рис. 1.8, таблицу 1.1):
1) Измерение параметров у всей партии транзисторов ро нейтронного воздействия. Выделение из всей партии небольшой выборки образцов, определяемой методом, который обсуждается во 2 главе диссертации. Проведение облучения данной выборки. Затем, измерение той группы параметров образцов выборки, которую возможно измерить в момент и после нейтронного облучения. 2) Моделироланив физических процессов транспорта электронов о структурах полевых транзисторов с учетом нейтронного облучения и расчете полного набора параметров транзисторов. На этом этапе возможно использование аналитических моделей, позволяющих провести ряд расчетов более оперативно, причем повышение точности подобных вычислений возможно при использовании поправочных коэффициентов, получаемых из численной модели (см. 3 главу диссертации).
Сопоставление результатов расчетов и экспериментальных данных позволяет получить разницу значений, которая минимизируется за счет использования итерационной процедуры расчетов. В ходе повторных вычислений проводиться коррекция профилей легирования, подвижности и диффузии электронов и дырок, времен релаксации энергии и импульса таким образом [6], что расчетные параметры начинают соответствовать экспериментальным данным с необходимой точностью. Критерием остановки итераций является погрешность, соответствующая погрешности экспериментальных измерений. Благодаря использованию двумерной численной физико-топологической модели, основанной на уравнениях Пуассона и непрерывности, а также выражениях для плотностей диффузионного и дрейфового токов (1.10) моделирование процесса изменения параметров транзисторов, подвергающихся нейтронному облучению, проводиться максимально корректно. Последнее обусловлено тем, что скорости изменения параметров полупроводниковых материалов при введении радиационных дефектов хорошо изучены, а двумерное физико-топологическая модель позволяет пересчитать эти изменения в параметры транзисторов.
Поскольку частота рассеяния носителей на радиационных дефектах, зависит от концентрации электронов, в работе [14] исследовались два случая - сильно и слаболегированного полупроводника. Конкретные значения концентрации легирующей примеси выбирались равными 1015см-3 (буферный слой ПТШ) и 2... 6 1017см" (канал субмикронных ПТШ).
Далее приведены рисунки 1.9, 1.11, 1.14, 1.15, на которых представленные значения являются параметрами системы уравнений 1.10. Эти значения параметров получены с помощью метода Монте-Карло.
На рис. 1.9 представлены зависимости дрейфовой скорости и подвижности электронов в GaAs с концентрацией легирующей примеси 6-Ю17 см-3 от напряженности электрического поля до и после облучения дозой 5-Ю12 и 1013 см-2. Несмотря на малоугловой характер рассеяния носителей заряда на кластерах радиационных дефектов, заметный рост частоты рассеяния приводит к уменьшению длины свободного пробега и, следовательно, к снижению подвижности и дрейфовой скорости электронов [14].
Определить значение изменения времен релаксации энергии и импульса можно, опираясь на известные зависимости времен релаксации от концентрации легирующей примеси [33, 34]. Законы изменения времени релаксации энергии при радиационном воздействии и при введении ионов примеси аналогичны.
Неплохое совпадение теоретических и экспериментальных результатов подтверждает справедливость выбранных для расчетов приближений. Сопоставление зависимостей показывает, что для времени релаксации импульса влияние точечных радиационных дефектов похоже на влияние легирующей примеси. На время релаксации энергии легирующая примесь влияет не так, как точечные радиационные дефекты, а скорее как кластеры радиационных дефектов [33]. Последнее объясняется значительным углом отклонения электронов при столкновениях с КРД.
Метод контроля коэффициентов усиления и шума транзисторов на основе комплекса физико-топологических численной и аналитической моделей полевых транзисторов Шоттки «до» и «после» воздействия нейтронного излучения
На ранних стадиях разработки перспективных полупроводниковых структур и приборов на их основе, часто возникают сложности с изготовлением структур такого качества, чтобы внешние дестабилизирующие факторы, например, радиационное воздействие, не приводили к резким изменениям параметров структур, связанным с внутренней перестройкой их примесного дефектного состава. Это может сильно сказываться на уровне радиационной стойкости приборов. Важным фактором здесь является неравновесность распределений дефектов и примесей на границах слоев структур, которые изменяются уже при незначительном уровне радиационного воздействия. Это вызывает разброс результатов экспериментов и затрудняет их трактовку [1]. Поскольку радиационные и технологические дефекты существенно влияют на шумы СВЧ полевых транзисторов [2, 3], то важно исследовать не только параметры полупроводниковых структур, но и измерять коэффициенты усиления и шума транзисторов до и после воздействия в приемлемой по объему выборке образцов. В связи с большим объемом требуемых экспериментов бывает затруднительно получить такую выборку, чтобы был возможен анализ статистического распределения параметров. Последнее важно именно при проведении исследований нестандартного поведения образцов.
В данной работе сопоставлено поведение равновесных и неравновесных полупроводниковых структур, а также СВЧ транзисторов на их основе при нейтронном облучении. Указанное имеет важное значение для трактовки результатов испытаний СВЧ интегральных схем и приборов на радиационную стойкость.
Ранее проводились теоретические и экспериментальные исследования вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур и СВЧ коэффициентов усиления и шума классических GaAs полевых транзисторов Шоттки, а также транзисторов с двумерным электронным газом (НЕМТ) на InGaAs/AlGaAs и GaN/AlGaN структурах, как отечественного, так и зарубежного производства, [4-7, 8] (табл. 2.1). Следует отметить, что в отличие от Si МДП-транзисторов и интегральных схем на их основе, где основным поражающим фактором является гамма-излучение, ионизирующее полупроводниковые структуры и формирующее связанные положительные заряды в диэлектрических слоях, для СВЧ транзисторов основным поражающим фактором являются нейтронное излучение, формирующее скопления радиационных дефектов, а также гамма-излучение ионизующее полупроводник.
В данной главе предложен расчетно-экспериментальный метод контроля изменений коэффициентов усиления и шума транзисторов на основе сопоставления экспериментальных данных с результатами моделирования с использованием комплекса физико-топологической и аналитической моделей (см. рис.2.1). Общий подход к выполнению метода контроля описан в разделе 1.2 первой главы. Блок-схема, приведенная на рисунке 2.1 отличается от блок-схемы на рисунке 1.8, приведенной в первой главе конкретизацией выполняемых измерений и расчетов.
В ходе выполнения операций согласно блок-схеме (рис.2.1) метода контроля, было показано, что отклонение конструктивных параметров полевых транзисторов (толщины и уровня легирования канала, а также длины затвора) от оптимума до облучения может приводить к повышению коэффициента усиления и снижению коэффициента шума после нейтронного облучения, за счет изменения концентрации активных доноров в канале до оптимального значения. Если же концентрация активных доноров в канале транзистора меньше оптимальной, то наоборот коэффициенты усиления и шума могут снижаться после нейтронного облучения быстрее, чем у транзисторов с оптимальной концентрацией.
Важно, что предложенный метод контроля позволяет не только контролировать, но и прогнозировать указанные изменения коэффициентов усиления и шума после нейтронного воздействия для транзисторов не подвергавшихся облучению. Это делается на основе экспериментально полученных данных о скоростях изменения параметров транзисторов по результатам облучения малой выборки транзисторов из изготовленной партии. Это позволяет конструировать аппаратуру не чувствительную к нейтронному облучению за счет использования компенсации ухудшения коэффициентов усиления и шума в одних каскадах их улучшением в других. Но для проектирования аппаратуры с подобными свойствами необходимо экспериментально определить зависимость скоростей изменения коэффициентов усиления и шума от флюенса нейтронного облучения. Последнее является новым требованием, так как в справочной литературе обычно указывают только предельное значение флюенса, до которого нейтронное облучение транзисторов не приводит к снижению их параметров за рамки, указанные в техническом задании.
Основным отличием предлагаемого метода контроля от известных ранее является процедура формирования малой выборки образцов, подвергаемых нейтронному облучению. Указанная выборка формируется путем отбора транзисторов по вольт-амперным и вольт-фарадным характеристикам, таким образом, чтобы были представлены три группы образцов с интегральной (по глубине структуры) концентрация электронов (и активных доноров) в канале транзистора меньше оптимальной, оптимальной и больше оптимальной. Последующее облучение этих групп образцов позволяет определить для них скорости изменения концентрации активных доноров из-за формирования радиационных дефектов, а также скорости изменения коэффициентов усиления и шума транзисторов в целом. Указанные группы, предназначенных для облучения образцов, формируют из 3-5 пар или троек (для лучшей статистики) транзисторов, которые облучают с флюенсами на 30-70 % меньше указанного в техническом задании предельного уровня облучения, равным предельному уровню облучения и на 30-70 % больше предельного уровня облучения. В результате для получения информации о скоростях изменения параметров транзисторов всего требуется облучить от 18-ти до 45-ти образцов - чем больше, тем ниже погрешность получаемых результатов, но больше трудоемкость процедуры. Так как при нейтронном облучении скорость изменения параметров разная у каждой пластины с кристаллами транзисторов, предлагается контролировать каждую пластину отдельно. Исходя из экономической целесообразности, для подобного контроля предлагается использовать от 5 до 10 % транзисторов от общего числа в партии (на пластине). При выходе годных 200 - 500 транзисторов с пластины для указанной операции могут использоваться 20 - 50 транзисторов.
В связи с тем, что указанного количества испытанных образцов не хватит для детального определения функции распределения параметров образцов от уровня радиационного облучения традиционным образом, было предложено использовать описанную в [9] и развитую в [10] специальную статистическую процедуру, позволяющую наглядно визуализировать поведение выборки образцов после облучения. Важно, что для детального построения функции распределения параметров транзисторов в выборке, количества экспериментальных данных недостаточно, поэтому вычисление функции распределения может быть приближенно осуществлено с использованием комплекса аналитической и численной моделей путем нескольких дополнительных итераций согласно блок-схеме, приведенной на рис.2.1. Это позволяет получить всю необходимую информацию о параметрах изготовленной партии и предоставлять их заказчику.
Метод контроля также может быть использован в качестве операции, позволяющей выявить (отбраковать) потенциально ненадежные образцы полупроводниковых приборов. Так в таблице 2.1 приведены результаты такой отбраковки.
Из [4, 5] известно, что указанные в таблице 2.1 структуры и транзисторы на их основе имеют высокую радиационную стойкость и выдерживают гамма нейтронное облучение с флюенсом нейтронов 1014-1015 см-2 и дозой гамма-квантов 106-107 рад. Это подтверждено и результатами работ авторов [3-7, 11-15]. Однако, за рамками предыдущих работ остался большой объем данных по радиационной стойкости пробных образцов перспективных структур и СВЧ транзисторов, которые объединяло общее нестандартное поведение при слабом импульсном (ти 1 мс) облучении гамма-нейтронами спектра деления колоколообразного типа (0.1-3 МэВ, максимум - 1 МэВ), флюенсом 1019-101А см"2 и сопутствующей дозой гамма-квантов 103-105 рад. Кроме того, указанные структуры также нестандартным образом реагировали на импульсное гамма-облучение (средняя энергия квантов 1 МэВ) с мощностью дозы 1010-1012 Р/с и дозой 10—10 Р за импульс.
Предложенный в диссертации метод контроля позволил выявить потенциально ненадежные образцы транзисторов в партии и объяснить причины такой ненадежности. Это позволяет рекомендовать предложенный метод в качестве обязательной процедуры анализа полевых транзисторов. Последнее наиболее важно на этапе разработки полевых транзисторов с новой конструкцией полупроводниковых слоев канала.
Описание и практическая реализация расчетно экспериментального метода определения коэффициента шума СВЧ полевых транзисторов Шоттки «в момент» нейтронного облучения на основе физико-топологического моделирования
В качестве объектов исследования выбраны СВЧ-приборы, которые широко применяются в интегральных схемах и аппаратуре СВЧ диапазона. На рис. 3.1 приведена схема исследуемой структуры GaAs ПТШ. Моделируемая с помощью квазигидродинамической модели область имела прямоугольную форму, что позволяло пользоваться декартовой системой координат. В силу большой протяженности структуры по третьей координате использовалось двумерное приближение. Для анализа переходных процессов применялась нестационарная система уравнений (1.10). Для учета заглубления затвора использовалась трехсвязная область. Распределение концентрации примеси по глубине задавалось в ячейках расчетной сетки, согласно экспериментальным данным C-V измерений. В случае моделирования мощных полевых транзисторов значения параметров вычислялись с учетом повышенной температуры канала ПТШ.
Проведено экспериментальное и теоретическое исследование высокочастотных шумов в ПТШ при радиационном воздействии. В данной главе рассмотрен метод контроля коэффициента шума малошумящих GaAs СВЧ полевых транзисторов Шоттки в момент нейтронного облучения ( 1 МэВ). Метод основан на общности физических процессов транспорта электронов, в том числе в условиях наличия радиационных дефектов, формирующихся в момент нейтронного облучения в канале полевого транзистора. Рассеяние электронов на указанных дефектах влияет на дисперсию токов затвора и стока, что заметно влияет на коэффициенты усиления и шума.
Благодаря использованию экспериментальных данных о зависимости коэффициента усиления полевого транзистора от времени до, в момент и после нейтронного облучения возможно использование итерационной процедуры определения коэффициента усиления согласно блок-схеме метода-контроля, приведенной на рисунке 3.2. Общий подход к выполнению метода контроля описан в разделе 1.2 первой главы. Блок-схема, приведенная на рисунке 3.2, отличается от блок-схемы на рисунке 1.8, приведенной в первой главе конкретизацией выполняемых измерений и расчетов.
Как показано на блок-схеме метода, в отличие от [6], впервые в данной работе нейтронное воздействие учитывалось не только путем определения изменения концентрации активных доноров и акцепторов, подвижности электронов и дырок, времен релаксации энергии и импульса носителей заряда, но также учитывалась ионизация полупроводника за счет вторичных процессов дефектообразования. Благодаря итерационной процедуре удавалось уточнить параметры структуры транзисторов так, что расчетные зависимости коэффициента усиления совпадали с экспериментальными данными с погрешностью, не превышающей погрешности измерения, что являлось критерием остановки итерационной процедуры метода контроля.
Использование комплекса аналитической и численной моделей позволило определить, что основной причиной увеличения коэффициента шума и снижения коэффициента усиления транзисторов являлось изменение концентрации электронов, как из-за изменения концентрации активных доноров, так и за счет ионизационных процессов связанных с разрывом валентных связей атомов при формировании радиационных дефектов. Следует отметить, что аналогичный подход может быть применен и к усилителям на основе СВЧ полевых транзисторов, так как коэффициент шума усилителя в первую очередь определяется входным каскадом, т.е. по сути одним транзистором.
Преимущество использования физико-топологической модели перед аналитическим расчетом состояло в возможности детального анализа процессов транспорта электронов, что позволило выделить наиболее чувствительную к облучению область полупроводниковой структуры транзистора. Указанное позволяет проводить проектирование транзисторов с повышенным уровнем радиационной стойкости за счет изменения таких параметров структуры как профиль ее легирования донорами.
В связи с тем, что коэффициент усиления транзисторов пропорционален отношению крутизны ВАХ транзистора к емкости его затвора, а коэффициент шума пропорционален обратной величине, то возможен пересчет зависимости коэффициента усиления от времени в коэффициент шума от времени. Если померить коэффициент усиления до, после и в момент облучения, то мы можем рассчитать коэффициент шума в момент облучения. Затем мы можем произвести прогнозную калибровку для уточнения значения Кп в момент воздействия.
Использовались граничные условия смешанного типа - на границах контактов (границах с п+-слоями) задавались значения потенциала, концентрации и энергии носителей. При этом значение потенциала могло быть как фиксированным, так и изменяться в произвольных пределах при моделировании процессов в транзисторе в условиях «большого» сигнала. Величина концентрации задавалась равной концентрации на границе раздела канал - контактный слой GaAs. Температура электронного газа на контактах задавалась равной комнатной. На остальных поверхностях расчетной области поддерживались нулевыми градиенты концентрации, потенциала и энергии так, что нулевыми были значения плотностей тока электронов и потока энергии электронного газа.
Малосигнальные характеристики транзистора рассчитывались согласно методу, предложенному в [27]. Фурье анализ откликов токов стока и затвора на ступенчатые изменения напряжений на затворе и стоке позволяет вычислить зависимость реальных и мнимых частей всех четырех Y-параметров от частоты. Как будет показано ниже, коэффициенты усиления и предельные частоты транзистора вычисляются по данной методике с приемлемой точностью в случае учета паразитных емкостей затвора.
Коэффициент шума ПТШ определяется как отношение выходной мощности шумового сигнала в заданной полосе частот к мощности на выходе идеального (не шумящего) усилителя с тем же коэффициентом усиления в той же полосе частот [28].
Анализ теоретических и экспериментальных зависимостей коэффициента шума ПТШ от параметров конструкции прибора проведен в [28, 29], кратко его результаты сводятся к следующему:
- основным факторомт определяющим коэффициент шума (и коэффициент усиления), является длина затвора. Именно поэтому в настоящее время используются в основном ПТШ с длинной затвора 0,5 и 0,25 мкм. Коэффициент шума этих приборов составляет 0,8 ... 1,2 дБ на частоте 12 ГГц и 2 ... 4 дБ на частоте 36 ГГц;
- заглубление затвора на 0,3 ... 0,4 мкм снижает коэффициент шума на 0,2 ... 0,5 дБ;
- при использовании n+ контактного слоя приведенное контактное сопротивление истока и стока составляет 10 Ом см, дальнейшее снижение контактного сопротивления не вносит существенного улучшения в шумы ПТШ;
- коэффициент шума слабо зависит от расстояния исток - сток, если затвор заглублен на 0,2...0,3 мкм и использован n+ контактный слой. Тем не менее, это расстояние следует делать не более 1,5 ... 2,5 мкм;
- значительно влияет на шумы ПТШ сопротивление металлизации затвора Для его уменьшения используют затворы Т-образной формы. Если по условиям согласования с предыдущим и последующими каскадами необходимо изготовить ПТШ с шириной затвора более 100 мкм, необходимо запитывать затвор в двух-трех точках, а монтажные площадки затвора объединять затем по методу "воздушных мостов";
- необходимо создавать наибольший возможный градиент концентрации легирующей примеси на границе раздела буфер - канал, снижение градиента концентрации с 1023 см-4 до 3-Ю22 см-4 ведет к возрастанию коэффициента шума на 20... 30%;
- необходимо добиться высокого качества эпитаксиальных слоев в канале и буфере (подвижность в канале не менее 3000 см /В-с, а подвижность в слоях буфера, прилегающих к каналу, должна быть выше, чем в канале, и составлять 4500... 6000 см2/В-с);
- экспериментальные данные показывают, что минимальный коэффициент шума ПТШ для длины затвора 1 мкм достигается при концентрации легирующей примеси в канале 1,5-1017 см-3, для длины затвора 0,5 мкм - при 2,5-1017 см-3, для 0,25 мкм-5-Ю17 см-3.
В [28, 30, 31] приведено выражение для значения коэффициента шума, исходя из параметров шумовой эквивалентной схемы. Однако, этот метод неточен из-за того, что ряд элементов эквивалентной схемы имеет неизвестные параметры и не может быть точно рассчитан аналитически [32]. Еще большую сложность представляет расчет шумов ПТШ с селективно (неравномерно) легированным каналом. Поток гамма-квантов, действующих на структуру ПТШ, приводит к генерации электронно-дырочных пар и разогреву за счет этого электронного газа. При расчете коэффициента шума по эквивалентной схеме корректно учесть эти явления практически невозможно. Также представляет большую сложность оценка деградации коэффициента шума при нейтронном облучении.
Метод определения минимального значения флюенса частиц, достаточного для генерации сбоев GaAs СВЧ и Si КНИ КМОП интегральных схем при стационарном нейтронном облучении
Разработанный автором в соавторстве с Киселёвым В.К. метод [7] относится к способам испытаний полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию тяжёлых заряженных частиц (ТЗЧ, или ионов) различных энергий космического пространства (КП) по результатам испытаний на стойкость к воздействию ионизирующих излучений (ИИ) моделирующих установок: 1) к импульсному реакторному гамма-нейтронному излучению; 2) импульсному рентгеновскому излучению электрофизических установок (генераторов рентгеновского излучения, линейных ускорителей, циклотронов); 3) ускорителей заряженных частиц; 4) импульсного лазерного излучения, с использованием коэффициентов относительной эффективности заданных уровней ИИ к излучениям моделирующих установок (МУ).
Испытания элементной компонентной базы на ускорителях, формирующих ТЗЧ, в соответствии с процедурой, представленной на Рис.4.2, позволяют установить абсолютное значение поперечного сечения J(SJ}T в [см2] для SEE, которое является характеристикой чувствительности (стойкости) испытываемой БИС при облучении моноэнергетическим и мононаправленным пучком частиц j-го сорта (Рис.4.3)
Энергетические характеристики частиц ускорителей наиболее близки к характеристикам ТЗЧ КП и, как правило, имеют высокую проникающую способность. Такие испытания позволяют установить наиболее точные абсолютные значения сечения т Е,в,(р) для SEE при воздействии частиц j-го сорта в зависимости от их энергии и углов падения (полярного в и азимутального р) и могут быть непосредственно использованы для прогнозирования количества или частоты SEE v при воздействии изотропных {в, q = const) потоков ТЗЧ разного сорта и энергии по формуле
Определение значений а п{Е,в,ф) на ускорителях частиц в зависимости от нескольких параметров (сорта частиц, их энергии и углов падения) требует значительных временных и материальных затрат и поэтому существуют затруднения в непосредственном применении на практике для оценки радиационной стойкости элементов ЭКБ, предназначенных для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата. Для оптимизации процесса испытаний и сокращения их объёма до «разумных» пределов могут быть использованы моделирующие установки, в том числе исследовательский ядерный реактор и электрофизические установки, генерирующие импульсное рентгеновское излучение.
С целью удешевления испытаний эквивалентную поглощённую дозу гамма-рентгеновского излучения или рентгеновского излучения со спектром RS определяют с использованием метода, изложенного в [9].
Существующие тенденции разработки и изготовления БИС (т.е. сокращение размеров приборов, потребляемой мощности, увеличение линейного разрешения, увеличение объёма памяти и быстродействия) могут только увеличить чувствительность к эффектам SEE. Это легко можно увидеть, если представить прибор простым конденсатором (С), в который проникает ионизирующая частица, создающая нестационарный заряд Qt, в результате чего изменяется напряжение в нагрузке (т.е. логическое состояние). Эффект SEE наблюдается, если линейные потери энергии частиц LET Qcrlt- величины «критического заряда». При уменьшении активной области такого прибора, её ёмкость также уменьшается и тот же самый заряд способствует появлению эффектов SEE. Прибор по толщине в основном остаётся неизменённым, подвергаются изменениям только длина и ширина прибора. Если будем рассматривать транзисторную структуру МДП в виде чипа квадратной конфигурации LxL, то критический заряд QC , достаточный для изменения логического состояния такого прибора, будет пропорционален квадрату размера/.. Модель «критического заряда» QC [10] пригодна для анализа
SEE для интегральных микросхем (ИМС) ряда технологий (включая NMOS, CMOS/объёмный, CMOS/SOS, i2L, GaAs, ECL, CMOS/SOI, биполярный VHSIC). Этот критический заряд приводит непосредственно к переключению из состояния логической «1» в состояние логического «0» или изменению логического состояния (конверсии), но он может быть меньше, чем полный радиационно-индуцированный заряд Qt из-за длины трека ТЗЧ в чувствительном объёме структуры МДП, который используется в модели «хорды» S (Рис.4.4). Хорда минимальна при нормальном падении ТЗЧ на лицевую или инверсную поверхность чипа структуры МДП и принимает максимальное значение Smax, когда является пространственной диагональю чипа в виде параллелепипеда (Рис.4.4). Существенно то, что QC является разницей между зарядом Qt в узле и минимальным зарядом, необходимым для усиления и последующей конверсии. Для линейных потерь энергии частиц LETL можно записать
Одна из классических интерпретаций состоит в том, что общая острота кривых поперечного сечения зависит от вариации межячеечной чувствительности к эффектам SEE [12]. Такая интерпретация несомненно более подходит для нерегулярных схем, таких, например, как логические схемы. Однако, в случае БИС памяти, такой, как статическое запоминающее устройство SRAM (Static Random Access Memory) или динамическое запоминающее устройство DRAM (Dynamic Random Access Memory), тщательное рассмотрение экспериментальных данных включает в большей степени роль внутреннего содержания ячеек, нежели межячеечных различий.
Техническим результатом предлагаемого способа оценки стойкости элементов цифровой техники к эффектам сбоев от воздействия единичных частиц является повышение точности определения характеристик зависимости поперечного сечения эффектов единичных сбоев (SEE) от LET, а также определение минимального значения флюенса частиц Fmin достаточного для генерации эффектов SEE.
Технический результат достигается тем, что в способе оценки стойкости элементов цифровой электроники к эффектам сбоев от воздействия единичных частиц космического пространства путём определения минимального значения потока частиц, соответствующего отличному от нулевого значения сечению сбоев в области малых значений линейной передачи энергии частицами, для чего получают экспериментальную зависимость величины сечения сбоев от величины линейных потерь энергии частиц, аппроксимируют эту зависимость теоретическим многопараметрическим законом распределения, экстрагируют параметры этого распределения, определяют пороговое значение линейных потерь энергии единичных частиц, соответствующего минимальному значению сечения сбоя, определяют максимальное значение сечения сбоев в режиме насыщения и минимальное значение потока частиц, а затем реализуют сопоставление минимальных значений потоков частиц, полученных с использованием следующих математических моделей:
1) в качестве теоретического многопараметрического интегрального закоза распределения сечения сбоя для значений, больших величины порогового значения линейных потерь принимают трёхпараметрический закон распределения Вейбулла, а для значений, меньших величины порогового значения линейных потерь, но больших величины их нулевого значения, принимают равномерный закон распределения, учитывающий «предысторию» возможности появления единичных сбоев, полагают в качестве критерия равными интенсивности сбоев и определяют сечения сбоев и минимальное значение потока частиц;
2) для Вейбуловского и равномерного законов распределения принимают в качестве критерия равными между собой интегральные функции распределения и определяют сечения сбоев и минимальное значение потока частиц;
3) для порогового значения линейных потерь энергии частиц принимают в качестве критерия комбинированную величину интенсивности сбоев, которую определяют в виде суммы величин интенсивности сбоев для равномерного и Вейбулловского законов распределения, определяют сечения сбоев и минимальное значение потока частиц;
4) для Вейбулловского и равномерного законов распределения определяют величины ресурсов, а в качестве скорректированной величины ресурса для порогового значения линейных потерь энергии частиц принимают в качестве критерия произведение указанных ресурсов, определяют сечения сбоев и минимальное значение потока частиц