Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния методов расчётно экспериментального моделирования радиационных эффектов в экб при воздействии ионизирующегоизлучения космического пространства (обзор) 15
1.1 Основные виды радиационных эффектов 15
1.1.1 Ионизационные дозовые эффекты в ЭКБ в условиях космического пространства 18
1.1.2 Эффекты структурных повреждений в полупроводниковых приборах и микросхемах в условиях космического пространства 45
1.1.3 Одиночные радиационные эффекты при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства 57
1.2 Методы расчтно-экспериментального моделирования радиационных эффектов в ЭКБ в условиях космическогопространства 63
1.2.1 Моделирование дозовых эффектов с учетом эффектов структурных повреждений 63
1.2.2 Моделирование ионизационных дозовых эффектов в условиях низкоинтенсивного облучения 66
1.2.3 Моделирование одиночных радиационных эффектов при воздействии тяжелых заряженных частиц 77
1.3 Изделия электронной техники космического назначения 79
1.3.1 Конструктивно-технологический базис радиационно-стойких изделий электронной техники космического назначения 80
1.3.2 Методы обеспечения радиационной стойкости изделий электронной техники космического назначения 82
1.4 Выводы по обзору 90
2 Развитие методов экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов в аналоговых кремниевых микросхемах в условиях низкоинтенсивного облучения 92
2.1 Экспериментальное моделирование ионизационных дозовых эффектов в аналоговых биполярных схемах с учетом эффекта ELDRS 93
2.2 Экспериментальное моделирование ионизационных дозовых эффектов в аналоговых схемах БиКМОП-технологии с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения 100
2.3 Экспериментальное моделирование ионизационных дозовых эффектов в аналоговых схемах МОП-технологии с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения 106
2.4 Определительные испытания кремниевых интегральных схем с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения 112
2.5. Выводы 113
3 Развитие методов расчетно-экспериментального моделирования дозовых эффектов с учетом структурных повреждений 115
3.1 Разработка методов расчетно-экспериментального моделирования деградации изделий с аддитивным характером ионизационных дозовых эффектов и эффектов структурных повреждений 117
3.1.1 Методика расчетно-экспериментальной оценки срока службы изделий с аддитивным характером ионизационных и структурных эффектов в заданных радиационных условиях космического пространства 120
3.1.2 Пример реализации методики расчетно-экспериментальной оценки срока службы изделий с аддитивным характером ионизационных и структурных эффектов в заданных радиационных условиях космического пространства 124
3.2 Разработка методов расчетно-экспериментального моделирования деградации изделий с неаддитивным характером ионизационных дозовых эффектов и эффектов структурных повреждений 128
3.2.1 Результаты исследования деградации оптронов вследствие ионизационных дозовых эффектов и эффектов структурных повреждений 128
3.2.2 Методика расчетно-экспериментальной оценки срока службы изделий с неаддитивным характером ионизационных и структурных эффектов в заданных радиационных условиях космического пространства 137
3.3 Развитие расчетно-экспериментальных методов определения срока службы солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений A3B5 в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства 141
3.3.1 Анализ существующих методов расчетно-экспериментального моделирования деградации солнечных батарей при воздействии радиационных факторов космического пространства 142
3.3.2 Результаты экспериментальных исследований деградации GaAs/Ge солнечных батарей при облучении нейтронами и электронами 152
3.3.3 Методика расчетно-экспериментальной оценки срока службы солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений A3B5 с использованием нейтронного облучения 161
3.4 Выводы 163
4 Развитие методов расчетного моделирования ионизационных дозовых эффектов в моп-структурахи приборах на их основе 165
4.1 Моделирование радиационного накопления заряда в диэлектрике МОП-структуры при высокой и средней мощности дозы ионизирующего излучения 170
4.2 Моделирование накопления заряда в диэлектрике МОП-структуры при воздействии импульсного ионизирующего излучения 179
4.3 Моделирование накопления заряда в диэлектрике МОП-структуры при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства 182
4.4 Выбор значений параметров, определяющих кинетику накопления заряда в диэлектрике при радиационном облучении 185
4.5 Моделирование процесса накопления поверхностных состояний при радиационном облучении МОП-структур 185
4.6 Учет влияния вносимых при облучении структурных повреждений на кинетику накопления зарядов в МОП-структуре 188
4.7 Моделирование влияния накопления заряда в полевом диэлектрике на периферии основного n-канального транзистора 193
4.7.1 Общая методология моделирования радиационно-индуцированного накопления заряда в диэлектрике МОП-транзистора с учетом влияния полевого оксида 194
4.7.2 Геометрическое представление периферийной области полевого оксида 197
4.7.3 Консервативный метод оценки заряда, накопленного в полевом оксиде 198
4.8 Выводы 203
5 Развитие методов расчетного моделирования одиночных радиационных эффектов при воздействии отдельных тяжелых заряженных частиц 204
5.1 Описание общих подходов, применяемых при моделировании диффузионного сбора заряда из треков тяжелых заряженных частиц 204
5.2 Консервативный метод моделирования сбора заряда из треков тяжелых заряженных частиц 212
5.3 Выводы 221
6 Применение результатов диссертации при проектировании и испытаниях изделий электроннойтехники космического назначения 222
6.1 Применение разработанных методов моделирования при проектировании цифровых интегральных схем космическогоназначения с учетом одиночных радиационных эффектов 222
6.1.1 Краткий анализ типов избыточности 223
6.1.2 Оптимизация методов защиты сложных цифровых блоков от одиночных сбоев 22
6.1.3 Определение вероятности безотказной работы при комплексной оптимизации элементов сложных функциональных
блоков в САПР 230
6.2 Применение результатов диссертации в нормативно-методическом обеспечении радиационных испытаний электронной компонентной базы космического назначения 238
6.3 Выводы 240
Заключение 242
Список сокращений 245
Литература 247
- Моделирование ионизационных дозовых эффектов в условиях низкоинтенсивного облучения
- Экспериментальное моделирование ионизационных дозовых эффектов в аналоговых схемах МОП-технологии с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения
- Методика расчетно-экспериментальной оценки срока службы изделий с аддитивным характером ионизационных и структурных эффектов в заданных радиационных условиях космического пространства
- Моделирование процесса накопления поверхностных состояний при радиационном облучении МОП-структур
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном мире электронная компонентная база (ЭКБ) во многом определяет развитие научно-технического потенциала любой страны и, в частности, непосредственно влияет на развитие таких отраслей промышленности, как разработка и создание специальной и космической техники. Срок активного существования космических аппаратов (КА) в условиях воздействия ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства (КП) напрямую зависит от показателей радиационной стойкости ЭКБ, а также её способности сохранять работоспособность в различных условиях внешних воздействий (механических, температурных, электрических и др.). Следовательно, обеспечение радиационной стойкости ЭКБ космического применения является важнейшей проблемой, решение которой необходимо для успешного развития космической техники, причем значимость этой проблемы возрастает по мере увеличения сроков активного существования проектируемых КА.
Важным элементом обеспечения радиационной стойкости ЭКБ космического применения является моделирование (расчетное, экспериментальное и расчетно-экспериментальное) радиационных эффектов, возникающих при воздействии ИИ КП. Работы в этой области проводятся, начиная с 1960-х годов, и сейчас имеют широкое распространение. К таким работам следует отнести исследования сотрудников АО «НИИЭТ» (г. Воронеж) В.Н. Ачкасова, В.П. Крюкова, И.П. Потапова, В.А. Смерека; ФГУ «ФНЦ НИИСИ РАН» (г. Москва) В.Б. Бетелина; НИЯУ «МИФИ» (г. Москва) В.С. Першенкова, В.А. Тельц, А.Ю. Никифорова, А.И. Чумакова; АО «НИИП» (г. Лыткарино Московской области) В.Н. Улимова, В.В. Емельянова, В.Ф. Зинченко и многих других. В этих работах были предложены математические модели, описывающие физические процессы деградации ЭКБ, методы защиты и способы определения параметров чувствительности ЭКБ к воздействию ИИ КП.
В определенное время казалось, что проблема обеспечения радиационной стойкости ЭКБ разрешима, как это было в 80-х годах прошлого века с биполярными микросхемами малой и средней степени интеграции. В те годы для изделий данного класса были достигнуты предельно высокие уровни стойкости к воздействию ИИ КП. Однако развитие систем управления специального и космического назначения потребовало использования новых технологий, а также конструктивных и схемотехнических решений для реализации специфических задач предметной области. Развитие ЭКБ переориентировалось от создания унифицированных изделий на разработку и изготовлению функционально-ориентированных изделий. Появились «системы на кристалле» и, как частный случай, «системы в корпусе», что, прежде всего, было достигнуто за счет уменьшения проектных норм, глубокой интеграции элементов на кристалле, применения новых конструктивных и схемотехнических решений по их расположению и взаимодействию. В результате изменился характер проявления радиационных эффектов, некоторые физические процессы, которые раньше игнорировались, стали доминировать, появились радиационные эффекты нового вида. Примером могут служить локальные эффекты от воздействия отдельных ядерных частиц, называемые одиночными радиационными эффектами (ОРЭ). Если вплоть до конца прошлого века эти эффекты практически не учитывались при разработке КА, то в настоящее время они рассматриваются как один из основных видов эффектов, определяющих вероятность безотказной работы бортовой аппаратуры за требуемый срок активного существования КА.
Другой важной составляющей стало уточнение радиационной обстановки в космическом пространстве. Были уточнены характеристики полей ИИ КП на околоземных орбитах, был освоен дальний космос, получены данные по деградации ЭКБ в условиях длительного воздействия излучений в течение 10–15 лет срока активного существования КА на околоземных орбитах с учетом низкоинтенсивного воздействия, комплексного воздействия нескольких видов излучения и др.
Важным фактором также явилось насущное требование контроля радиационной стойкости ЭКБ в процессе её производства, предъявляемое промышленностью. Если ранее стойкость определялась в ходе приемо-сдаточных испытаний при сдаче опытно-конструкторской работы, то теперь было поставлено требование определения стойкости каждой выпускаемой партии изделий.
К настоящему моменту получено множество экспериментальных данных по радиационной деградации ЭКБ, которые невозможно объяснить с помощью существующих моделей радиационных эффектов (либо расчет по существующим моделям обладает значительными погрешностями,
устранение которых требует крайне большого объема работ и технологического оборудования высочайшего класса чистоты для экстракции параметров моделей). Кроме того, ограничение временных и технологических средств оценки стойкости при крайне высокой функциональности изделия в ряде случаев приводит к невозможности адекватно оценить стойкость с помощью существующих аппаратных и методических средств. Это послужило причиной возникновения множества новых проблем и задач в области обеспечения радиационной стойкости ЭКБ космического применения, в частности:
возникла необходимость учета влияния интенсивности излучения КП на степень деградации ЭКБ, которая зависит от конструкции, технологии и схемотехники (низкая интенсивность в некоторых случаях приводила к уменьшению степени деградации, а в некоторых — к увеличению; были обнаружены «окна», когда при накоплении дозы изделие отказывало, а потом, при последующем облучении, становилось работоспособным);
появилась неоднозначность в оценке деградации ЭКБ за счет дозовых эффектов в заданных радиационных условиях КП для изделий с аддитивным и неаддитивным характером ионизационных эффектов и эффектов структурных повреждений;
возникла необходимость разработки оперативных методов оценки срока службы в заданных радиационных условиях КП для некоторых элементов, полученных с использованием новых ге-тероструктурных технологий, в частности, для солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений A3B5 (существующие методы требуют большого объема экспериментов с использованием ускорителей электронов и протонов разных энергий, а также большого количества образцов испытываемых изделий, что определяет высокую стоимость испытаний и практически исключает оперативный контроль радиационной стойкости в процессе производства);
в существующих моделях радиационных эффектов не учтено влияние на кинетику протекания физических процессов одновременного воздействия различных видов ИИ, а также условий облучения;
появились локальные сбои и отказы при воздействии тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического пространства, при которых отказывает не один элемент, а целые «кластеры», причем форма этих кластеров существенно зависит от топологии изделия, расположения и «геометрии» шин металлизации, а также применяемых конструктивно-технологических и схемотехнических решений;
появились локальные радиационные эффекты за счет прямой ионизации при воздействии протонов КП, что требует своего особого решения, которое в настоящий момент отсутствует в существующих методах расчетно-экспериментального моделирования радиационных эффектов;
функциональное усложнение ЭКБ, её насыщенность различными элементами, временные ограничения при проведении испытаний и ограничения в доступных технологических средствах, а также отсутствие методической базы консервативной оценки стойкости в ряде случаев определяет невозможность адекватной оценки стойкости испытываемой ЭКБ к воздействию ИИ КП.
Это далеко не полный перечень задач, требующих решения и воплощения в методах испытания и оценки стойкости ЭКБ к воздействию ИИ КП, а также в методах моделирования радиационных эффектов. При этом развитие методов расчетно-экспериментального моделирования радиационных эффектов актуально как для проектирования, так и для испытаний радиационно-стойкой ЭКБ космического применения.
Актуальность развития методов моделирования радиационных эффектов при проектировании радиационно-стойкой ЭКБ и интеграции разрабатываемых моделей физических процессов в системы автоматизированного проектирования (САПР) определяется тремя основными причинами. Во-первых, при проектировании ЭКБ необходимо определить параметры чувствительности к воздействию ТЗЧ КП, что позволит применить необходимые способы защиты. Во-вторых, из-за высокой размерности задачи моделирования воздействия ТЗЧ в элементах ЭКБ, число которых в современных цифровых интегральных схемах (ИС) может достигать нескольких сотен миллионов вентилей, необходима достаточно высокая степень автоматизации данного процесса. В-третьих, для радиационно-стойкой ЭКБ космического применения необходимо уже на этапе проектирования провести оценку параметров чувствительности к воздействию поглощенной дозы ИИ КП, причем важность этой задачи возрастает с увеличением срока активного существования разрабатываемых космических аппаратов.
Актуальность задачи развития методов экспериментального и расчетно-экспериментального моделирования радиационных эффектов при испытаниях ЭКБ космического назначения определяется рядом факторов. Во-первых, в настоящее время практически отсутствуют методики испытаний с целью определения фактических характеристик стойкости ЭКБ к воздействию поглощенной дозы ИИ КП, учитывающие комплексный характер деградации за счет ионизационных эффектов и эффектов структурных повреждений. Существующие методы испытаний, в частности, методы, определенные в ОСТ 134-1034-2012, направлены на подтверждение соответствия заданным требованиям, т. е. относятся к контрольным испытаниям. Во-вторых, существующие методы испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию ИИ КП в части ионизационных дозовых эффектов с учетом эффектов длительного низкоинтенсивного облучения требуют развития в таких направлениях, как выявление эффекта повышенной чувствительности к низкоинтенсивному облучению для изделий биполярной технологии, разработка методов испытаний с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения для изделий «смешанных» технологических вариантов (например, БиКМОП), учет при радиационных испытаниях специфики деградации аналоговых схем КМОП-технологии в условиях низкоинтенсивного облучения.
Решению указанных актуальных задач, являющихся неотъемлемой частью важнейшей проблемы обеспечения радиационной стойкости ЭКБ космического применения, посвящена настоящая диссертация.
Актуальность работы подтверждается участием автора в ряде работ данной направленности в соответствии с программами Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом», Федерального космического агентства, которые осуществлялись АО «НИИП», а также НИТУ «МИСиС», в частности:
НИР: «Комплекс работ в обеспечение создания ядерных энергетических установок в составе космических комплексов с высокой энерговооруженностью»; «Развитие методической и экспериментальной базы радиационных исследований и испытаний элементов и систем вооружений, военной техники и ядерных энергетических установок»; «Разработка методов испытаний элементов и блоков РЭА к воздействию электронов, протонов и тяжелых заряженных частиц космического пространства на моделирующих установках НИИП»;
ОКР: «Радиационные испытания ЭРИ и аппаратуры МЦА»; федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», проект «Исследование влияния радиационно-термической обработки на фотоэлектрические характеристики наногетеро-структурных солнечных элементов», 12.04.2010-26.07.2011;
федеральные целевые программы: «Развитие электронной компонентной базы», проект «Разработка перспективных технологий и конструкций изделий интеллектуальной силовой электроники», 05.03.2014-15.11.2015; федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», проект «Разработка нового типа детекторов ядерного излучения, обладающих внутренним усилением, на основе GaAs и его твердых растворов», 28.10.2011-03.06.2013; федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», мероприятие 1.3, проект «Разработка автономного источника питания на основе радиоизотопных материалов и кремниевой p-i-n структуры», 27.06.2014-31.12.2016;
договор № 086/035 от 09 ноября 2009 г. между НИТУ «МИСиС» и Фондом инфраструктурных и образовательных программ Роснано по разработке и апробации образовательной программы опережающей подготовки кадров и учебно-методического комплекса (УМК), ориентированных на инвестиционные проекты ГК «Роснанотех» в области производства мультикаскадных наногетероструктурных солнечных элементов и солнечных батарей космического назначения на основе полупроводниковых материалов А3В5 (разработан учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы надёжности элементной базы электроники в условиях ионизирующего излучения космического пространства»).
Объектом исследования являются приборы твердотельной электроники, радиоэлектронные компоненты, изделия микро- и наноэлектроники.
Предметом исследования являются методы и модели радиационных эффектов в элементах ЭКБ в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства.
Цель исследования состоит в разработке средств расчётно-экспериментального моделирования радиационных эффектов при проектировании и испытаниях ЭКБ космического применения. Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:
проанализировать состояние средств моделирования радиационных эффектов в ЭКБ, оценить их недостатки и определить направления их устранения;
определить направления развития методов экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов в аналоговых кремниевых микросхемах в условиях низкоинтенсивного облучения;
разработать методы и модели для расчетно-экспериментального моделирования дозовых эффектов с учетом структурных повреждений;
разработать методы и модели для расчетного моделирования ионизационных дозовых эффектов в МОП-структурах и приборах на их основе;
разработать методы и модели для расчетного моделирования одиночных радиационных эффектов при воздействии отдельных тяжелых заряженных частиц;
с помощью разработанных средств определить применение разработанных методов моделирования при проектировании изделий электронной техники космического назначения с учетом одиночных радиационных эффектов.
Методика исследования. Для достижения поставленной цели и решения указанных задач использованы: методы численного моделирования физических процессов, экспертные оценки, эксперименты с применением моделирующих установок.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов в аналоговых микросхемах на основе кремния, отличающиеся учетом «усиленной» деградации биполярных изделий в условиях низкоинтенсивного облучения, в первую очередь, в части выявления данного эффекта, а также особенностей проявления эффектов низкоинтенсивного облучения в аналоговых БиКМОП и КМОП-микросхемах;
методы расчетно-экспериментального моделирования дозовых эффектов с учетом структурных повреждений для ЭКБ c аддитивным и неаддитивным характером деградации за счет ионизационных эффектов и эффектов структурных повреждений и разработанные на их основе новые методики оценки срока службы данных изделий в условиях воздействия ИИ КП;
экспериментальный и аналитический методы оценки срока службы солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений A3B5 в заданных радиационных условиях космического пространства, основанные на использовании облучения быстрыми нейтронами, а также на обобщении результатов исследования деградации гетероструктурных солнечных батарей различных конструктивно-технологических вариантов при воздействии высокоэнергетических электронов и протонов;
методы расчетного моделирования ионизационных дозовых эффектов в МОП-структурах и приборах на их основе, учитывающие различные условия облучения (стационарное облучение при высокой или средней интенсивности, импульсное облучение, длительное низкоинтенсивное облучение), влияние вносимых при облучении структурных повреждений на кинетику накопления зарядов в МОП-структуре, а также влияние заряда, накопленного в полевом оксиде, на деградацию МОП-транзисторов;
метод моделирования сбора заряда из трека ТЗЧ, позволяющий оптимизировать процесс оценки стойкости КМОП интегральных схем к воздействию ТЗЧ в части одиночных радиационных эффектов за счет использования консервативной оценки основных характеристик чувствительности на основе полученных результатов моделирования.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов в аналоговых кремниевых микросхемах, позволяющие определить изменение их параметров с учетом характеристик низкоинтенсивного излучения космического пространства;
методы расчетно-экспериментального моделирования дозовых эффектов с учетом структурных повреждений для ЭКБ с аддитивным и неаддитивным характером ионизационных эффектов и эффектов структурных повреждений;
экспериментальный и аналитический методы оценки срока службы солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений A3B5 в заданных радиационных условиях космического пространства;
методы расчетного моделирования ионизационных дозовых эффектов в МОП-структурах и приборах на их основе, обеспечивающие широкий комплексный подход для различных технологий изготовления и возможность оценки стойкости изделий в условиях стационарного облучения при высокой и низкой интенсивности, а также в условиях импульсного облучения;
метод моделирования сбора заряда из треков отдельных тяжелых заряженных частиц, обеспечивающий комплексный подход с возможностью консервативной оценки основных характеристик чувствительности к воздействию ТЗЧ КП в части одиночных радиационных эффектов.
Практическая значимость и результаты внедрения:
-
Разработаны рекомендации по совершенствованию существующих методов испытаний аналоговых биполярной ЭКБ в части ионизационных дозовых эффектов с учетом особенностей длительного низкоинтенсивного облучения. Применение данных рекомендаций в процессе радиационных испытаний позволяет снизить трудозатраты на их проведение и при этом повысить достоверность получаемых результатов.
-
Предложены методы испытаний кремниевых аналоговых ИС, изготовленных по технологии «смешанного» типа (БиМОП, БиКМОП) на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ КП с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения. Данные методы дополняют существующие методы испытаний ЭКБ биполярной и КМОП-технологии, что обеспечивает полный охват методическим обеспечением всех классов кремниевой ЭКБ в части испытаний данного вида.
-
Разработанные рекомендации по оптимизации экспериментальных методов оценки стойкости аналоговой КМОП ЭКБ к воздействию поглощенной дозы ИИ КП с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения позволяют учесть вклад генерируемого излучением ионизационного тока, что повышает достоверность результатов радиационных испытаний.
-
Разработанные расчетно-экспериментальные методы оценки срока службы ЭКБ в заданных радиационных условиях космического пространства для изделий с аддитивным и неаддитивным характером ионизационных дозовых эффектов и эффектов структурных повреждений решают проблему отсутствия методов определительных испытаний на стойкость к воздействию ИИ КП в части дозовых эффектов для изделий, деградация которых в условиях КП определяется совместным действием этих эффектов.
-
Разработаны методы аналитической и расчетно-экспериментальной оценки срока службы солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений A3B5 в условиях воздействия ИИ КП. Внедрение данных методов в практику радиационных испытаний позволит оптимизировать затраты на их проведение и повысить достоверность получаемых результатов.
-
Разработанные методы расчетного моделирования дозовых эффектов и одиночных радиационных эффектов могут быть использованы в системах автоматизированного проектирования радиационно-стойкой ЭКБ космического применения.
Разработанные методы расчетного моделирования радиационных эффектов внедрены в АО «НИИЭТ» (г. Воронеж) при создании систем проектирования радиационно-стойких микросхем, а также в АО «НИИП» (г. Лыткарино Московской области) при разработке методического обеспечения испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию ИИ КП. Предложенные методы проектирования были внедрены в учебный процесс ВГЛТУ (г. Воронеж) для направления подготовки «Информационные системы и технологии» и дополнительного образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий» в виде элементов лекций, лабораторных, курсовых и дипломных работ. Полученные автором результаты использовались при разработке ряда нормативно-технических документов, выпущенных Министерством обороны и Федеральным космическим агентством и регламентирующих методы испытаний и оценки стойкости ЭКБ к воздействию ИИ КП: РД В 319.03.38-2000, РД 134-0139-2005, РД В 319.03.58-2010, РД 134-0191-2011, РД 134-0192-2011. Результаты диссертационной работы были использованы в НИТУ «МИСиС» (г. Москва) при разработке учебно-методического комплекса по дисциплине «Основы надёжности элементной базы электроники в условиях ионизирующего излучения космического пространства» по направлению подготовки магистров 11.04.04 «Электроника и нано-электроника», а также рабочей программы дисциплины «Основы радиационной стойкости при-
боров и изделий электронной техники» по направлению подготовки бакалавров 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника». Результаты внедрения показали высокую эффективность разработанных средств.
Соответствие паспорту специальности. Работа защищается по специальности 05.27.01 — «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах» и соответствует областям исследований: разработка и исследование схемотехнических и конструктивных основ создания и методов совершенствования ЭКБ; разработка и исследование технологических основ создания и методов совершенствования ЭКБ; разработка и исследование физических и математических моделей ЭКБ, в том числе для систем автоматизированного проектирования; исследование и моделирование функциональных и эксплуатационных характеристик ЭКБ, включая вопросы качества, долговечности, надежности и стойкости к внешним воздействующим факторам, а также вопросы эффективного применения.
Апробация работы. Предложенные в работе научные результаты прошли апробацию на отраслевых совещаниях и научно-технических конференциях.
Результаты докладывались на конференциях:
международных - ISROS-2012 (Кальяри, Италия, 2012), ESREF-2014 (Берлин, Германия, 2014), ISROS-2014 (Тулуза, Франция, 2014), IEEE NSREC - 2014 (Париж, Франция, 2014); ШЕЕ Aerospace conference - 2014 (Биг Скай, США, 2014); RADECS-2015 (Москва, Россия, 2015), IS-ROS-2016 (Отвоцк, Польша, 2016);
российских - «Радиационная стойкость электронных систем» (г. Лыткарино Московской области, ежегодно с 1996 по 2016 гг.), «Сертификация ЭКБ» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 гг.), «МЭС-2010» (г. Черноголовка, 2010 г.).
Результаты использовались при подготовке лекций, представленных на международной школе-семинаре SERESSA (ежегодно с 2013 по 2016 гг.), а также на Российской летней школе-семинаре «Методы оценки и обеспечения радиационной стойкости изделий электронной техники» (2015, 2016 гг.).
Публикация результатов работы. По тематике диссертации всего опубликовано 126 печатных работ, в том числе 37 статей, включенных в Российский индекс научного цитирования, в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 14 статей в зарубежных журналах и материалах международных научно-технических конференций, из которых 9 входят в международную базу цитирования Scopus, 6 монографий, 2 учебных пособия, одно из которых имеет гриф УМО, 45 тезисов докладов российских научно-технических конференций. Общий объем публикаций, не считая монографии и учебные пособия, составляет 331 стр., при этом лично автором выполнено не менее 70 % данного объема.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений. Материалы диссертации изложены на 269 страницах, включая 87 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 174 наименований, 4 приложения.
Моделирование ионизационных дозовых эффектов в условиях низкоинтенсивного облучения
Тематика ионизационных дозовых эффектов наиболее актуальна для приборов и микросхем, изготовленных на основе кремния, составляющих основную долю активных электронных компонентов бортовой аппаратуры космических объектов. Одним из основных элементов ЭКБ на основе кремния является структура Si/SiO2. Данная структура может выступать в роли одного из активных элементов (например, подзатворные диэлектрики МОП-транзисторов) или как пассивный элемент (граница раздела пассивирующего оксида с кремнием имеется во всех технологических вариантах изготовления ЭКБ на основе кремния). Главным свойством данной структуры с точки зрения радиационно-индуцированной деградации является накопление зарядов в диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик при радиационном облучении [1–13]. Вследствие этого происходит изменение электрофизических характеристик элементов ИС: изменяется пороговое напряжение МОП-транзисторов, возрастают токи утечки транзисторов в закрытом состоянии, образуются каналы утечки, связывающие различные элементы ИС, и др. Данные эффекты относят к классу поверхностных радиационных эффектов, и они заметно проявляются при относительно небольших дозах: порядка 103–104 рад(Si) в зависимости от конструктивно-технологического исполнения изделия (в ряде случаев и при меньших дозах). Вследствие этого зачастую радиационная стойкость кремниевой ЭКБ определяется именно поверхностными радиационными эффектами (объемные радиационные эффекты проявляются при более высоких значениях поглощенной дозы, когда уже произошел отказ из-за поверхностных эффектов).
Механизм деградации структуры Si/SiO2 проиллюстрирован на рис. 1.1 [12]. Здесь показана зонная диаграмма МОП-структуры для конденсатора с подложкой p-типа проводимости при подаче положительного смещения на затвор. Сразу после образования электронно-дырочных пар большинство электронов быстро дрейфуют (в течение пикосекунд) по направлению к затвору, а дырки дрейфуют по направлению к границе Si/SiO2 [13, 14]. Однако перед тем как электроны покидают оксид, часть из них успевает про-рекомбинировать с дырками. Та часть электронно-дырочных пар, которая избежала рекомбинации, называется электронно-дырочным выходом (выходом электронно-дырочных пар, или выходом заряда). Дырки, избежавшие «начальной» рекомбинации, будут перемещаться по оксиду по направлению к границе Si/SiO2, перескакивая по локализованным в оксиде состояниям. При подходе к границе часть дырок захватывается, образуя положительный встроенный заряд оксида. В процессе переноса дырок через оксид и при их захвате вблизи границы Si/SiO2 легко высвобождаются ионы водорода (протоны). Эти ионы могут дрейфовать по направлению к границе Si/SiO2, где они вступают в реакции с образованием поверхностных состояний (ПС). В зависимости от положения уровня Ферми на поверхности кремния заряд ПС может быть как положительным (в основном наблюдается в случае p-канальных транзисторов), так и отрицательным (в основном наблюдается в случае n-канальных транзисторов).
Кроме накапливающихся при облучении в подзатворных оксидах, встраивание заряда также будет иметь место и в других оксидах, включая полевые оксиды и захороненные оксиды в приборах на основе структур КНИ (кремний на изоляторе). Радиационно-индуцированное встраивание зарядов в подзатворных, полевых и захороненных оксидах может привести к деградации приборов и отказу микросхемы. Встроенный в подзатворном оксиде положительный заряд может инвертировать область канала и привести к возникновению тока утечки в выключенном состоянии (при напряжении затвор-исток VGS = О В). Это приведет к повышению статического тока потребления, а также может вызвать отказ ИС. Подобным образом положительный заряд, захваченный в полевом или захороненном оксиде, также может вызвать значительное повышение статического тока потребления ИС вследствие возникновения паразитных каналов утечки в транзисторе. В действительности для современных ИС с очень тонкими подзатворными оксидами радиационная деградация обычно определяется радиационно-индуцированным встраиванием заряда в полевых и встроенных оксидах. Высокая концентрация поверхностных состояний может привести к снижению подвижности носителей заряда и повышению порогового напряжения n-канального транзистора. Это ведет к снижению быстродействия транзисторов с ухудшением временных параметров ИС.
Для количественного описания доли дырок, сгенерированных в оксиде ионизирующим излучением и избежавших начальной рекомбинации, используется величина выхода заряда [12]. Выход заряда зависит от степени ионизации и электрического поля в оксиде. Сильно ионизирующие частицы создают плотные «колонки» заряда (треки), в которых скорость рекомбинации достаточно высока, что приводит к низким значениям выхода заряда. Слабо ионизирующие частицы создают относительно изолированные зарядовые пары, и скорость рекомбинации будет ниже, что приводит к высоким значениям выхода заряда. С увеличением напряженности поля в оксиде выход заряда возрастает, стремясь к насыщению. Указанные особенности проиллюстрированы на рис. 1.2 [13].
Доля избежавших начальной рекомбинации дырок (выход заряда) при облучении рентгеновскими лучами, низкоэнергетическими протонами, гамма-квантами и альфа-частицами [13] Для электронного излучения с энергией порядка нескольких мегаэлектронвольт и гамма-излучения 60Со известно эмпирическое соотношение [25] f (Е ) = f(E ) = Со ох / J е ох У Г 0,27 0,084+ [МВ/см] OX + ті (1.5) где f 60 и fe — выход заряда при воздействии гамма-квантов 60Со и высоко Co энергетичесих электронов соответственно; Eox — напряженность электрического поля, приложенного к оксиду, МВ/см. Можно также использовать эмпирическую формулу [11, 26, 27] [МВ/см] f(E ) ox 1,35 a+E 2 о + a (1.6) Данная формула обобщенно описывает действие излучений различного спектрального состава с помощью параметров а1 и а2 и согласуется с известными экспериментальными данными. При а1 = –0,9 и а2 = 0 выражение (1.6) переходит в известную формулу для полевой зависимости выхода заряда в SiO2 при облучении рентгеновскими квантами с энергией 10 кэВ [14]. При а1 = 0,25 и а2 = –0,065 формула (1.6) дает результаты, близкие к результатам расчета по формуле (1.5).
Принимая во внимание эффекты выхода заряда и рекомбинации электронно-дырочных пар, поверхностную плотность дырок в оксиде Nh (за исключением эффектов дозового усиления), избежавших начальной рекомбинации, можно записать в виде [12] Nh = f[Eox) goD tox,
Экспериментальное моделирование ионизационных дозовых эффектов в аналоговых схемах МОП-технологии с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения
Основным методом экспериментального моделирования ОРЭ, возникающих при воздействии ТЗЧ КП, является проведение экспериментов на ускорителях тяжелых ионов. Целью данных экспериментов является получение зависимости сечения конкретного вида ОРЭ от ЛПЭ ТЗЧ. Для этого испытываемые изделия последовательно облучаются ионами различного вида, обеспечивающими различные значения ЛПЭ на поверхности полупроводникового кристалла.
Основными недостатками таких экспериментов являются, во-первых, короткие пробеги ионов, а во-вторых, уникальность исследовательских установок и, как следствие этого, высокая стоимость экспериментов. Вследствие того, что ионы, получаемые на ускорителях, которые способны вызвать в ЭКБ возникновение одиночных событий, имеют очень малые пробеги в облучаемых материалах (в кремнии обычно не более 30-40 мкм), проводить испытания изделий в их штатных корпусах не представляется возможным. Поэтому перед началом экспериментов удаляются крышки корпусов у исследуемых образцов. Кроме того, эксперименты на ускорителях ТЗЧ проводятся в условиях вакуума, чтобы исключить торможение ионов слоем воздуха. Это создает дополнительные технические трудности при организации и проведении экспериментов.
При проведении испытаний используются ускорители ионов с ЛПЭ частиц в кремнии от 1 до 100 МэВ-см2/мг и с энергией 0,1-40 МэВ/нуклон. Неоднородность поля излучения ускорителей в пределах площади облучаемого образца не должна превышать +10 %. В соответствии с имеющимися в настоящее время нормативными документами ускорители ионов должны обеспечивать пробеги частиц в кремнии не менее 30 мкм. В этом случае можно пренебречь изменением ЛПЭ ТЗЧ по мере их прохождения через чувствительный слой ИС. Плотность потока ионов варьируется в диапазоне 102-105 см– с–1. Общее количество ТЗЧ, падающих на кристалл облучаемых ИС, должно быть таким, чтобы с достаточной степенью уверенности можно было считать, что все чувствительные области были облучены. Исходя из этих соображений, при работе вблизи порога рекомендуется выбирать флюенс ионов порядка 107 ион/см2. При работе в надпороговой области испытания рекомендуется проводить до набора достаточной статистики событий (для микросхем памяти это обычно порядка 10 % от информационной емкости) или до набора флюенса ионов 107 ион/см2. Кроме того, при выборе флюенса частиц необходимо принимать во внимание возможные дозовые эффекты: для каждого облучаемого образца должна фиксироваться суммарная доза за все циклы облучения, и предварительно должна быть оценена предельная доза, определяющая радиационную стойкость данного изделия к дозовым эффектам.
Полученные экспериментальные зависимости сечения ОРЭ от ЛПЭ обычно аппроксимируются функцией Вейбулла (1.30), см. п. 1.1.3. Далее эти аналитические зависимости используются для расчета частоты и вероятности возникновения ОРЭ данного вида в заданных радиационных условиях КП.
Основными нормативно-техническими документами в России, в соответствии с которыми проводятся испытания ЭКБ на ускорителях ионов, являются следующие руководящие документы Роскосмоса: - РД 134-0175-2009 — определяет методы испытаний цифровых ИС на стойкость к воздействию отдельных ТЗЧ и протонов КП; - РД 134-0191-2011 — определяет методы испытаний аналоговых и аналого-цифровых ИС на стойкость к воздействию отдельных ТЗЧ и протонов КП (в части эффектов SET); - РД 134-0192-2011 — определяет методы испытаний мощных МОП-транзисторов на стойкость к воздействию отдельных ТЗЧ и протонов КП (в части эффектов SEB и SEGR); В большинстве случаев результатом испытаний является зависимость сечения ОРЭ от ЛПЭ ТЗЧ. Данная зависимость используется для расчета частоты и вероятности возникновения ОРЭ в заданных радиационных условиях КП. Расчет частоты и вероятности осуществляется с учетом изотропного облучения ЭКБ в условиях КП в трехмерной геометрии. В большинстве случаев данные задачи решаются с использованием методов Монте-Карло или с использованием рассчитанных распределений длин хорд внутри объема чувствительных областей, ответственных за возникновение ОРЭ данного типа. В последнем случае чувствительная область часто представляется в виде прямоугольного параллелепипеда, что является упрощением и не всегда соответствует реальной геометрии чувствительных областей.
Основным нормативным документом в России, регламентирующим методы расчета частоты и вероятности возникновения ОРЭ в условиях КП по полученным экспериментальным характеристикам чувствительности, является руководящий документ Роскосмоса РД 134-0174-2009 «Методы расчета показателей стойкости интегральных микросхем к воздействию заряженных частиц космического пространства по одиночным сбоям и отказам по результатам прямых испытаний на ускорителях заряженных частиц».
Во многих случаях результатом испытаний на ускорителях ТЗЧ является не зависимость сечения ОРЭ от ЛПЭ, а оценки порогового значения ЛПЭ для данного вида ОРЭ и сечения насыщения. После этого возможно восстановление всей зависимости с использованием консервативных оценок для оставшихся параметров аппроксимации функцией Вейбулла. Аналогиный подход может быть использован при проведении расчетных оценок чувствительности к воздействию ТЗЧ. В этом случае оценка порогового значения ЛПЭ может быть осуществлена на основе расчета сбора заряда из трека ТЗЧ чувствительной областью, ответственной за возникновение ОРЭ данного вида, а оценка сечения насыщения — на основе анализа топологических размеров приборных областей, ответственных за данный вид ОРЭ. Подобные подходы обычно являются консервативными, но они будут крайне полезны на этапе проектирования радиационно-стойкой ЭКБ с заданными характеристиками стойкости к воздействию ТЗЧ. Один из таких методов разработан в рамках настоящей диссертации, и он будет подробно рассмотрен в п. 5.
Основные требования, стоящие перед разработчиками аппаратуры космического применения, — это улучшение массово-габаритных характеристик аппаратуры, увеличение ее функциональных возможностей и повышение сроков ее активного существования. Это, в свою очередь, накладывает жесткие условия на характеристики ЭКБ, предназначенных для комплектования бортовой аппаратуры КА.
Ввиду разнообразия задач, выполняемых КА, возникает необходимость использования широкой номенклатуры типономиналов ЭКБ, при этом может наблюдаться крайне малая их количественная потребность. Такая крайне малая серийность идет вразрез с общими тенденциями в производстве изделий для массовой электроники: существующая тенденция уменьшения проектных норм в общепромышленной и потребительской электронике в первую очередь связана со стремлением получить как можно больше кристаллов с одной пластины. Кроме того, аппаратура космического приборостроения, как правило, имеет достаточно длительный жизненный цикл. В частности, для относительно серийных компонентов служебной аппаратуры (контрольно-измерительные системы, системы управления электропитанием, системы телеметрии и др.) срок эксплуатации прибора может составлять 20 лет и более. В результате имеет место противоречие между требованиями к жизненному циклу аппаратуры и реальной сменяемостью поколений ЭКБ. В результате перед разработчиками и производителями ЭКБ космического назначения возникает задача обеспечения приемлемой стоимости малосерийного производства при безусловном обеспечении требований широкой номенклатуры, длительного жизненного цикла, надежности, стойкости к дестабилизирующим факторам и отказоустойчивости.
Широкая функциональная номенклатура ЭКБ требует при производстве применения разнообразных технологий, в том числе уникальных. Жесткие требования по сроку активного существования КА и отсутствие при этом возможностей ремонта бортовой аппаратуры в процессе ее эксплуатации в составе КА приводят к сверхжестким требованиям по надежности и стойкости ЭКБ к воздействию дестабилизирующих факторов космического пространства. В частности, требуемые уровни поглощенной дозы ИИ, при которой ЭКБ космического назначения должна сохранять свою работоспособность, составляют от 80 до 300 крад(8і). С учетом того, что значительная часть номенклатуры ЭКБ для комплектования бортовой аппаратуры приходится на изделия МОП- и КМОП-технологии (особенно это касается цифровых ИС), которые характеризуются высокой чувствительностью к ионизационным дозовым эффектам (см. п. 1.1.1), обеспечение таких жестких требований для изделий общепромышленного и потребительского назначения практически невозможно.
В части ОРЭ также предъявляются жесткие требования: для ЭКБ космического назначения пороговое значение ЛПЭ ТЗЧ для событий необратимого характера должно быть не менее 60 МэВ-см2/мг, а для одиночных сбоев (или других ОРЭ обратимого характера) — не менее 20 МэВ-см2/мг. Такие жесткие требования не могут быть обеспечены на конструктивно-технологическом базисе общепромышленного назначения. Вследствие этого при проектировании и производстве ЭКБ космического назначения применяются различные методы повышения стойкости: технологические, схемотехнические, архитектурные, методы восстановления от сбоев. Все это приводит к усложнению конструкции и технологии ЭКБ и, как следствие, к удорожанию элементной базы.
Особенностью условий эксплуатации ЭКБ космического назначения является широкий диапазон изменения рабочей температуры: от -60 С до +125 С. Поскольку механизмы радиационно-индуцированной деградации во многом зависят от температуры (см. п. 1.1) при радиационных испытаниях ЭКБ космического назначения, как правило, требуется подтверждать сохранение характеристик радиационной стойкости во всем рабочем диапазоне температур, что дополнительно усложняет процедуры испытаний, повышает их трудоемкость и стоимость.
Методика расчетно-экспериментальной оценки срока службы изделий с аддитивным характером ионизационных и структурных эффектов в заданных радиационных условиях космического пространства
Если кратко охарактеризовать сложившееся к настоящему моменту состояние области экспериментального и расчетно-экспериментального моделирования дозовых эффектов в изделиях электронной техники с учетом структурных повреждений, то можно выделить следующие основные моменты.
Во-первых, испытания с учетом эффектов структурных повреждений принято проводить не для всех классов ЭКБ, а только для тех из них, которые известны как чувствительные к деградации за счет данных эффектов. В частности, для изделий МОП- и КМОП-технологии обычно проводятся испытания только в части ионизационных дозовых эффектов, и данный подход закреплен на уровне нормативно-технических документов, регламентирующих испытания на стойкость к воздействию ИИ КП (см., например, [136]).
Во-вторых, широко распространено раздельное моделирование ионизационных эффектов и эффектов структурных повреждений. Ионизационные дозовые эффекты обычно моделируются с помощью облучения гамма-квантами [134-137], тогда как для моделирования деградации за счет эффектов структурных повреждений может применяться облучение быстрыми нейтронами [136] или облучение высокоэнергетическими протонами [66, 101, 103, 107, 115, 137, 148]. Применение данного подхода вполне обоснованно в случаях, когда деградация испытываемого изделия преимущественно определяется либо ионизационными дозовыми эффектами, либо эффектами структурных повреждений: в таких случаях действительно можно ограничиться моделированием при испытаниях доминирующего радиационного эффекта и пренебречь другими эффектами, даже если они имеют место. Более того, в случаях, когда ионизационные дозовые эффекты и эффекты структурных повреждений имеют аддитивный характер, что характерно, например, для биполярных транзисторов и микросхем (см. п. 1.1.2), по кривым деградации, полученным раздельно при воздействии гамма-квантов и нейтронов (или протонов), можно рассчитать суммарную деградационную кривую для любых заданных радиационных условий КП (такая методика разработана в рамках данной диссертации, и она будет представлена ниже). Если же ионизационные дозовые эффекты и эффекты структурных повреждений не являются аддитивными, что свойственно, например, оптронам, то полученные раздельно кривые деградации при воздействии гамма-квантов и нейтронов (или протонов) в большинстве случаев не дают возможности прогнозировать срок службы испытываемых изделий в заданных радиационных условиях КП. Тем не менее, как будет позже показано в настоящей работе, использование раздельного моделирования ионизационных эффектов и эффектов структурных повреждений может служить основой для методики прогнозирования срока службы изделий с неаддитивным характером данных эффектов в любых заданных радиационных условиях КП (применительно к протонам такая методика разработана в рамках данной диссертации, и она будет представлена позже).
В-третьих, существующие методы испытаний ПП и ИС в части дозо-вых эффектов с учетом ионизационных и структурных эффектов ориентированы, как правило, на проведение контрольных испытаний с целью определения соответствия заданным требованиям. Имеющиеся методики определительных испытаний позволяют моделировать либо отдельно ионизационные дозовые эффекты, либо отдельно эффекты структурных повреждений. Методики определительных испытаний, одновременно учитывающие ионизационные и структурные эффекты, в настоящее время отсутствуют (такие методики разработаны в рамках настоящей диссертации, и они будут представлены позже).
В-четвертых, для моделирования деградации солнечных батарей используются свои специфические экспериментальные подходы. Они основаны на облучении релятивистскими электронами с относительно невысокими энергиями порядка 1 МэВ и/или протонами с энергией 10 МэВ [116], при этом принимается во внимание только деградация за счет эффектов структурных повреждений. Использование относительно низких энергий электронов и протонов обусловлено минимальной эффективной толщиной защиты для солнечных батарей при их эксплуатации в условиях КП и, как следствие, большим вкладом низкоэнергетической части энергетических спектров электронов и протонов КП в поглощенную дозу структурных повреждений. При расчете доз структурных повреждений, создаваемых электронами, обычно не рассматривается специфика передачи энергии релятивистскими частицами материалу в пределах активных слоев наноразмерной толщины (что особенно важно для СБ на основе полупроводниковых соединений A3B5). Это приводит к завышению расчтных значений дозы структурных повреждений от электронов, и в ряде случаев (см., например, [116]) для корректировки этих значений могут использоваться поправочные коэффициенты, для определения которых используются деградационные кривые, полученные при облучении электронами и протонами.
Исходя из текущего состояния вопроса, в качестве цели в настоящей работе были сформулированы следующие направления развития методов экспериментального моделирования дозовых эффектов с учетом структурных повреждений: - разработка расчетно-экспериментальных методов определения срока службы в условиях воздействия ИИ КП для изделий с аддитивным характером ионизационных дозовых эффектов и эффектов структурных повреждений (на примере биполярных ИС); - разработка расчетно-экспериментальных методов определения срока службы в условиях воздействия ИИ КП для изделий с неаддитивным характером ионизационных дозовых эффектов и эффектов структурных повреждений (на примере оптронов); - разработка расчетно-экспериментальных методов определения срока службы в условиях воздействия ИИ КП для солнечных батарей на основе полупроводниковых соединений А3В5 с использованием облучения быстрыми нейтронами.
В настоящее время основным методическим подходом к расчетно-экспериментальному моделированию деградации в условиях воздействия ИИ КП для ЭКБ с аддитивным характером ионизационных дозовых эффектов и эффектов структурных повреждений является использование моноэнергетических пучков электронов и протонов или замена электронного и протонного излучений КП на облучение гамма-квантами и нейтронами. Данные методические подходы закреплены на уровне отраслевого стандарта Роскосмоса ОСТ 134-1034-2012 [136] — основного нормативно-методического документа, регламентирующего испытания космической аппаратуры и е составных элементов на стойкость к воздействию ИИ КП в части дозовых эффектов. Следует отметить, что как при использовании облучения электронами и протонами, так и при использовании облучения гамма-квантами производится замена видов излучения. В первом случае проводят облучение моноэнергетическими пучками электронов и протонов вместо воздействия этих излучений, характеризующихся широкими энергетическими спектрами. Во втором случае электронное и протонное излучение КП заменяется на воздействие гамма-квантов и нейтронов.
Основу указанных выше методических подходов составляет допущение об аддитивном характере ионизационных и структурных эффектов, возникающих при воздействии ИИ КП. Это означает, что общее изменение информативного параметра может быть найдено как сумма изменений, определяющихся ионизационными дозовыми эффектами и эффектами структурных повреждений (см., например, формулу (1.25) в п. 1.1.2). Исходя из этого, для моделирования деградации за счет дозовых эффектов в условиях ИИ КП необходимо раздельно промоделировать ионизационные дозовые эффекты и эффекты структурных повреждений, для чего требуется обеспечить при испытаниях такие радиационные воздействия, которые воспроизводили бы уровни ионизационной поглощенной дозы Dион и дозы структурных повреждений D стр, эквивалентные соответствующим дозам для предполагаемых условий применения на борту КА.
При использовании облучения моноэнергетическими пучками электронов и протонов в соответствии с [136] доза структурных повреждений моделируется на этапе облучения протонами, а ионизационная доза — на этапе облучения электронами (с учетом ионизационной дозы, полученной при облучении протонами). Такой подход, во-первых, содержит определенный консерватизм, поскольку здесь пренебрегают структурными повреждениями, создаваемыми электронами, в результате чего в реальных условиях эксплуатации на борту КА доза структурных повреждений будет ниже, чем полученная при испытаниях. Во-вторых, данный метод может быть применим не во всех случаях: для некоторых орбит и защит возможна ситуация, когда облучение протонами с эквивалентным по структурным повреждениям флюенсом даст значение ионизационной дозы, превышающее суммарное значение ионизационной дозы, рассчитанное для данной орбиты и данной толщины защиты. Это проиллюстрировано на рис. 3.1, на котором показано соотношение между ионизационной дозой при облучении протонами с энергией 50 МэВ и протонами на геостационарной орбите (ГСО) при одинаковых Dстр в зависимости от толщины сферической защиты из алюминия (данные результаты были представлены в работе [122], опубликованной автором настоящей диссертации). Из рисунка видно, что во всем исследуемом диапазоне значений эффективной толщины защиты (до 3 г/см2) ионизационная поглощенная доза при облучении протонами с энергией 50 МэВ превышает значение Dион, рассчитанное для ГСО. В результате степень деградации испытываемого изделия будет завышаться, т. е. оценка стойкости испытываемых изделий к воздействию ИИ КП будет консервативной.
Моделирование процесса накопления поверхностных состояний при радиационном облучении МОП-структур
Поскольку МОП-структура представляет собой гетерогенный поглотитель, то при определении мощности дозы следует учитывать переходные дозовые эффекты у границ раздела материалов с существенно различающимися эффективными атомными номерами. Этот учет осуществляется введением коэффициента усиления дозы, который зависит от вида и спектрального состава излучения, а также от материала затвора и толщины SiO2 [12, 17]. Данный коэффициент показывает, во сколько раз возрастает доза излучения из-за выхода в диэлектрик низкоэнергетических электронов, генерированных излучением в затворе МОП-структуры. Для МОП-транзисторов с поликремниевым затвором, содержащим слои вольфрама, и диэлектриком толщиной 100 нм коэффициент дозового усиления при облучении рентгеновскими квантами с энергией 10 кэВ может достигать 1,5-1,7; для толщины оксида 100 нм этот коэффициент изменяется примерно обратно пропорционально толщине оксида [12]. Для транзисторов с алюминиевым затвором коэффициент дозового усиления уменьшается примерно на 10 %. При облучении гамма-квантами радионуклида 60Со со свинцово-алюминиевым фильтром для поглощения низкоэнергетической компоненты и моноэнергетическими электронами с энергией порядка нескольких мегаэлектронвольт коэффициент усиления дозы следует полагать равным единице.
Разделение электронно-дырочных пар, образовавшихся при радиационном облучении в объеме Si02, принято характеризовать выходом заряда f[Eox\ который определяется как доля дырок, избежавших начальной рекомбинации, и является функцией от электрического поля в оксиде. Типичные зависимости выхода заряда от электрического поля приведены на рис. 1.2 (см. п. 1.1.1). Ранее уже указывалось, что для аппроксимации зависимости выхода заряда от напряженности электрического поля можно использовать эмпирические выражения (1.5) и (1.6) (см. п. 1.1.1).
Как уже отмечалось ранее (см. п. 1.1.1), электроны очень быстро (в течение пикосекунд) покидают диэлектрик, дрейфуя по направлению к затвору. Поэтому можно пренебречь их участием в процессе накопления заряда диэлектрика. Перенос дырок через SiC 2 может осуществляться как за счет диффузии, так и за счет дрейфа. Степень преобладания этих процессов определяется напряженностью электрического поля в диоксиде кремния.
Дырки, перемещаясь по оксиду, могут разрывать напряженные связи (НС), что приводит к накоплению заряда диэлектрика. По сути дела, НС являются ловушками для дырок. В качестве НС могут выступать связи Si-O, а также нестехеометрические связи Si-Si. В любом случае при разрыве одной НС образуется комплекс трехвалентного кремния (Е -центр). При разрыве одной НС происходит релаксация нескольких соседних связей [10, 15, 16, 45, 47]. Следовательно, число прорелаксировавших связей будет определяться выражением Nрел = KрелANt, (4.2) где TVрел — количество прорелаксировавших НС в единице объема при образовании оборванных связей (Е -центров) с концентрацией ANt; рел — число НС, релаксирующих при одном разрыве. Концентрация НС при этом будет уменьшаться с ростом Ш;. A(t) = А0 - (Крел + 1)ANh (4.3) где А0 — исходная концентрация НС; A(i) — концентрация НС в момент времени t. 167 Взаимодействие дырок с соединениями =Si-H приводит к образованию свободных ионов водорода (протонов). Далее эти ионы перемещаются посредством диффузии и дрейфа по направлении к границе Si/Si02, где они вступают в реакции с соединениями =Si-H и =Si-OH, а также могут разрывать напряженные связи. Все эти процессы приводят к образованию комплексов трехвалентного кремния. В зависимости от локализации образовавшихся комплексов указанные процессы будут приводить либо к накоплению заряда диэлектрика, либо к росту плотности ПС. Согласно современным представлениям процессы, протекающие с участием протонов, главным образом ведут к увеличению плотности ПС [12]. Реакции для перечисленных выше процессов записываются следующим образом: =Si–0–Sb + h+ - =Si+ + O-Sb; (4.4) =Si-Si= + h+ - =Si+ + Si=; (4.5) =Si-H + h+ - =Si + H+; (4.6) =Si-OH + h+ - =Si+ + OH; (4.7) =Si–0–Si= + ЇҐ - =Si+ + =Si-OH; (4.8) =Si-H + Yf - =Si+ + H2; (4.9) =Si-OH + ЇҐ - =Si+ + н2о. (4.10) На основании материала, изложенного в п. 1.1.1, можно считать, что накопление заряда в диэлектрике происходит за счет процессов, протекающих с участием дырок (реакции (4.4)-(4.7)), а накопление ПС — за счет реакций, протекающих с участием свободных ионов водорода (реакции (4.8)-(4.10)).
Реакции (4.4) и (4.5) описывают разрыв НС при захвате дырок. Эти реакции в основном будут определять накопление заряда в диэлектрике. Также вклад в накопление заряда в диэлектрике дают реакции (4.6) и (4.7). Однако максимум распределения водородсодержащих соединений находится вблизи границы раздела Si/Si02, особенно в структурах с сухим оксидом, где водород попадает в Si02 за счет диффузии из кремния. В таких структурах высвобождение протонов за счет реакции (4.6) происходит вблизи границы раздела Si/Si02. В структурах с влажными оксидами концентрация соединений =Si-H будет более значительной (по сравнению с сухими оксидами) на некотором удалении от границы раздела Si/Si02, и вклад реакции (4.6) в процесс накопления заряда в оксиде будет более значительным.
При моделировании процессов радиационного накопления заряда диэлектрика и плотности ПС можно условно разделить диэлектрик на две области, схематично представленные на рис. 4.1.
Область 1 — это тонкий (JCI «tox) приграничный слой порядка двух атомных слоев, т. е. 1 нм, который отвечает за процессы, приводящие к накоплению ПС. При моделировании можно считать, что процессы, протекающие с участием высвобожденных протонов, идут в основном в этой области.
Область 2 отвечает за накопление зарядов диэлектрика. Здесь происходит захват дырок на различные ловушки, что ведет к образованию положительно заряженных Е -центров. Кроме того, здесь происходит высвобождение протонов, которые затем перемещаются в область 1 и вступают в реакции, ведущие к образованию ПС. Реакции с участием протонов могут также протекать и в области 2. В этом случае образующиеся комплексы трехвалентного кремния будут давать вклад в заряд диэлектрика.
Как уже упоминалось выше, основной вклад в рост заряда диэлектрика дают процессы, связанные с захватом дырок на различные ловушки, а увеличение плотности ПС главным образом определяется реакциями с участием высвобожденных протонов. Исходя из этого, при моделировании накопления заряда в оксиде в данной работе рассматриваются только реакции (4.4)-(4.7), при этом берутся в рассмотрение лишь те предшественники для образующихся комплексов трехвалентного кремния (напряженные связи, соединения =Si-H и =Si-OH), которые локализованы в области 2. При моделировании накопления ПС учитываются только реакции (4.8)-(4.10), при этом рассматриваются предшественники для образующихся комплексов трехвалентного кремния, локализованные в области 1.