Введение к работе
Актуальность исследуемой темы и степень её изучения.
Широкое использование интегральных микросхем (ИМС) в вычислительной технике ив системах управления, которые находятся под воздействием ионизирующего излучения (ИИ), требует углубленных исследований надежности активных элементов, определения изменений параметров элементов и ИМС в целом. Одна из актуальных проблем - определение максимального уровня облучения, при котором ИМС будут работоспособны.
Многообразие технологий производства, схемотехнических и конструктивных решений, функциональное назначение и условия эксплуатации приводят к разному поведению элементов и ИМС при воздействии ИИ. В связи с этим необходимо разработать физические модели, которые объяснили бы физические эффекты и поведение параметров элементов и ИМС при облучении.
Высокая степень интеграции и сложность функционирования ИМС требуют дальнейшего исследования для определения деградации параметров элементов и ИМС, разработки быстрых и недорогостоящих методов определения изменения параметров элементов и ИМС, прогнозирования их работоспособности при воздействии ИИ.
Теоретические и практические аспекты этой области, как правило, имеют дискуссионный характер, который объясняется сложностью физических процессов в многослойных структурах при воздействии ИИ. К настоящему времени не скоррелированы результаты исследований из-за многообразия новых технологий производства, не определены чувствительные параметры и корреляция между ними, на основе которых можно было бы определить радиационную стойкость (PC) и прогнозировать надежную работоспособность элементов и ИМС в целом.
В этом контексте необходимо разработать расчетные методы и программные средства для экстракции параметров элементов
ИМС до и после облучения, определить PC и прогнозировать работоспособность ИМС в целом. Необходимо разработать методы прогнозирования работоспособности при облучении на основе исходных параметров до и после облучения, тестовых облучений и эмпирических моделей.
Работа посвящена прогнозированию и оценки надежности ИМС на основе разработки физических моделей, позволяющих описать физические эффекты при воздействии ИИ, а также расчетных методов и программных средств, на основе которых из экспериментальных данных определяются наиболее чувствительные параметры элементов и ИМС. Используя значение параметров активных элементов ИМС, осуществляется имитационное моделирование для определения PC и прогнозирования работоспособности элементов и ИМС в целом.
Целью диссертационной работы заключаются прогнозированию и оценки надежности ИМС на основе анализа физических эффектов в активных элементах ИМС, разработке физических моделей, расчетных методов для экстракции параметров элементов ИМС, методов определения PC и в прогнозировании работоспособности элементов и ИМС на основе комплексных методов (рас-четно-экспериментальных) при ограниченном количестве экспериментальных данных.
Для достижения предложенной цели необходимо решение следующих задач:
-
Анализ механизмов деградации элементов ИМС при воздействии ИИ для формулирования основных направлений диссертационной работы.
-
Разработка физической модели накопления радиационно-индуцированного заряда (РИЗ), для определения параметров окисла МОП-структур.
-
Экспериментальные измерение характеристик биполярных и МОП транзисторов (МОПТ) до и после облучения.
4. Разработка модели для прогнозирования деградации
параметров МОП структур при облучении низкой интенсивностью,
используя экспериментальные лабораторные измерения.
5. Разработка модели разделения радиационно-индуцирован-
ного сдвига порогового напряжения на объемную и поверх
ностную составляющие.
-
Разработка метода нейтрализации РИЗ для прогнозирования поведения параметров элементов ИМС при облучении без осуществления термического отжига.
-
Разработка расчетных методов и программных средств для экстракции параметров биполярных и МОП транзисторов до и после облучении.
-
Разработка метода прогнозирования деградации параметров биполярных и МОП структур при облучении.
9. Определение PC и прогнозирование работоспособности
транзисторов и логических элементов (ЛЭ) на основе результатов
имитационного моделирования с помощью программы схемотех
нического моделирования SPICE.
Научная новизна полученных результатов состоит в: разработке аналитической модели описания РИЗ при облучении в окисле МОП структур; разработке расчетных методов определения параметров биполярных и МОП транзисторов, используемых в программе SPICE; разработке программ для экстракции параметров биполярных и МОП транзисторов до и после воздействия ИИ; разработке метода перехода от облучения больших интенсивностей и коротких времен к облучению малых интенсивностей и длительных времен; определении значений импульсного напряжения на затворе для отжига РИЗ; определении PC биполярных и МОП ЛЭ; разработке метода прогнозирования работоспособности транзисторов и ЛЭ на основе результатов имитационного моделирования.
Практическое значение работы. Предложенные методы и модели позволяют: объяснить физические эффекты в МОП структурах при облучении; рассчитать параметры биполярных и МОП транзисторов до и после облучения; использовать программу SPICE для имитационного моделирования характеристик ЛЭ; объяснить радиационные зависимости параметров ЛЭ при облучении; осуществить экстракцию параметров транзисторов до и после облучения; определить изменение параметров биполярных и МОП транзисторов при облучении; перейти от результатов облучений при больших интенсивностях и коротких временах к
прогнозированию облучения при малых интенсивностях и длительных времен; осуществить отжиг РИЗ за относительно малые времена; определить уровни облучения работоспособности ЛЭ; прогнозировать работоспособность биполярных и МОП ЛЭ на основе результатов имитационного моделирования, используя программу SPICE.
Разработанные методы и программы используются в процессе проектирования и изготовления элементов ИМС с заданным уровнем PC, а также в учебном процессе на кафедрах «Микроэлектроники» ТУМ и МИФИ для следующих предметов: «САПР», «Основы микроэлектроники», «Физика полупроводниковых приборов» и др.
Предложенные расчетные методы и программные средства экстракции параметров элементов ИМС были внедрены на ОАО „НИИМЭ и Микрон" N603921 г. Зеленоград (Россия) (Акт внедрения от 10.02.2003), в МИФИ (Акт внедрения от 17.02.2003) и в ТУМ (Акт внедрения от 18.01.2005).
На защиту выносится:
-
Результаты исследования механизмов деградации биполярных и МОП-структур при воздействии ИИ. Образование и отжиг РИЗ при облучении. Модели отжига РИЗ. Образование поверхностных состояний (ПС) и роль водорода в их образовании. Прогнозирование работоспособности МОП-структур.
-
Эффекты воздействия ИИ на окисел МОП-структур. Методика численного моделирования формирования РИЗ в окисле МОП структур. Результаты численного и аналитического решения системы уравнений непрерывности, описывающих РИЗ.
-
Измерение параметров элементов ИМС при облучении. Методы облучения и объекты исследования. Измерение характеристик биполярных и МОП транзисторов.
4. Расчетные методы определения параметров биполярных и МОП транзисторов. Математическая модель, используемая при моделировании биполярных и МОП структур.
5. Метод экстракции параметров математической модели транзисторов SPICE LEVEL3. Прогнозирование изменений параметров транзисторов при облучении. Разделение порогового
напряжения на объемную и поверхностную составляющие.
б.Конверсионная модель и ее использование при прогнозировании деградации параметров элементов ИМС при облучении. Расчетный метод определения изменения порогового напряжения МОПТ.
-
Использование эффекта радиационно-индуцированной нейтрализации заряда (РИНЗ) для прогнозирования изменений параметров элементов ИМС при облучении.
-
Дозовые зависимости наиболее чувствительных параметров биполярных и МОП транзисторов.
-
Моделирование характеристик биполярных и МОП ЛЭ до и после облучения.
10. Определение PC и прогнозирование работоспособности
биполярных и МОП ЛЭ на основе результатов имитационного
моделирования.
Публикации. Основные результаты исследований были представлены и опубликованы на 21 международных форумах, научных и по специальности. Всего опубликовано 90 работ, по результатам диссертации опубликовано 70 научных работ, из которых 10 - в журналах ,и сборниках, 4 учебника и одна монография. Общее число страниц всех опубликованных работ составляет около 2000с.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на (в): International conference on microelectronics and computer science ICMCS, Kishinev, Republic of Moldova. 1992, 1997; Semiconductor Conferences, CAS, Proceedings, IEEE - Romania section, Sinaia, Romania. 1993,1994,1995; Proceedings of the international symposium on signals, circuits and systems SCS, Iasi, Romania. 1993, 1995, 1997; Proceedings of the symposium on electronics and telecommunication, Timishoara, Romania. 1994; International Nuclear and Space Radiation Effects, Conference, Indiana Wells, California, USA. 1996; Congres Europeen. Les radiations et leurs effets sur les composants et les systemes, Cannes, France. 1997; Materialele conferinjei stiinjifice „Matematica aplicata i informatica", AM, Chisinau, Moldova. 1998; Buletinul stiuuific al Universita{ii din Pitesti, seria „Matematica si
informatica", Pitesti, Romania. 1998; Analele Universita^ii „Eftimie Murgu", Reija, Romania. 1998; Coirferinjainternationalade comunicari stiinjifice consacrata aniversarii a 35-a a UTM, Chisinau, Moldova. 1999; Simpozionul International „Lumea computerelor i umanitatea-interacfiuni i divergenfe", Chisinau, Moldova. 1999; Радиационная стойкость электронных систем „Стойкость - 99", Научно-технический сборник СПЭЛС, Москва. 1999; Sesiunea Шп{іїїса "Symposia Professorum", seria inginerie, ULIM, Chisinau, Moldova, 2002; Analele stiinfifice ale USM, Chiinau, Moldova. 2003; Научная сессия МИФИ-99, „Автоматика, электроника, микроэлектроника", Москва. 1999,2004; Monografia „Actiunea radia|iei ionizante asupra stracturilorMOS", Chisinau 2004.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, обобщения полученных результатов, выводов и рекомендаций, списка используемых источников (290 наименований) и приложений. Общий объем работы составляет 276 страниц включая 113 рисунков и 13 таблиц.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты работ, вьшолненных лично автором или в соавторстве с коллегами и аспирантами. Личный вклад автора заключается в: постановке задач исследований (в отдельных случаях совместно с ПЕРШЕНКОВЫМ B.C.), разработке методик экспериментов, проведении теоретических и экспериментальных исследований (совместно с аспирантом АВРАМ И.А.), анализе и интерпретации полученных результатов. Другие соавторы работ участвовали в подготовке образцов для исследований, проведении измерений и отдельных расчетов.