Введение к работе
Актуальность проблемы.
Важнейшим этапом разработки полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных схем (ИС) специального назначения является обеспечение и контроль их радиационной стойкости (PC), в том числе по отношению к переходным ионизационным эффектам, которые возникают при воздействии на них импульсных ионизирующих излучений (ИИИ).
Исследование и контроль PC ПП и ИС к воздействию ИИИ в настоящее время проводится на моделирующих установках (МУ) - источниках тормозного рентгеновского излучения, спектр излучения которых близок к спектру реальных факторов. Однако современные МУ не обеспечивают в полной мере требуемых уровней воздействия. Кроме того, проведение экспериментальных работ на МУ связано со значительными затратами времени и средств, а также целым рядом технических проблем: сложность дистанционного съема информации и задания режимов работы ПП и ИС, специальная подготовка обслуживающего персонала, радиационная опасность.
Поэтому актуальной является разработка альтернативных источников ионизации, имитирующих воздействие высокоэнергетичных ИИИ, таких, как лазеры.
Результаты исследований, опубликованные в литературе, показали, с одной стороны, эффективность использования лазеров в качестве источника ионизации для широкого класса ПП и ИС. ас другой - выявили целый ряд дополнительных научных и технических проблем. Основными недостатками проведенных исследований, не позволяющими использовать на практике все преимущества лазерных имитаторов, являются следующие:
упрощенный, основанный' на линейной модели, анализ процессов взаимодействия лазерного излучения с полупроводником, справедливый при плотностях потока энергии лазерного излучения до Ю6 Вт-см"2;
отсутствие исследований влияния особенностей конкретного технологического и конструктивного исполнения ПП и ИС на процесс и характеристики воздействия лазерного излучения:
ориентация на энергетический критерий сравнения воздействия лазерного и высокоэнергетичного ИИИ, что сужает область .
применения лазерной имитации для ИС;
- отсутствие экспериментальных результатов сравнения лазерного и высокоэнергетичного ИИИ в диапазоне мощностей поглощенной дозы выше 1010 pafl(Sl)/c.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка методов и средств лазерного имитационного моделирования переходных ионизационных эффектов в кремниевых ПП и ИС, вызванных воздействием высокоэнергетичных ИИИ. на основании анализа адекватности электрофизических процессов в широком классе приборов и структур.
Научная новизна и значимость работы.
Разработана физическая модель взаимодействия лазерного . излучения с элементами ПП и ИС. - основанная на совместном решении уравнений распространения излучения и . фундаментальной системы уравнений для носителей заряда в полупроводнике. . учитывающая особенности конструктивно-технологического исполнения элементов и пригодная для использования в диапазоне интенсивностей лазерного излучения до 107 Вт/см2. Модель позволяет рассчитать распределение эквивалентной мощности поглощенной дозы в активных . объемах ПП и ИС и тем самым определить соответствие высокоэнер-гетичного и лазерного излучений до уровня 1013 pafl(Sl)/c.
Разработана электрическая модель формирования, ионизационной реакции р-п переходов ПП и ИС. учитывающая неравномерность энер- . говыделения лазерного излучения в ПП и ИС и эффекты высокой мощности поглощенной дозы. . Модель позволяет определить условия эквивалентности высокоэнергетичного и лазерного излучений по ионизационной реакции ПП и ИС и тем самым сократить объем экперимен-тальных работ на МУ и повысить их достоверность.
Предложены критерии адекватности лазерного имитационного моделирования на различных уровнях модельного описания, существенно расширяющие сферу применения-данных методов и позволяющие, в частности, использовать лазерные имитационные методы для определения уровня стойкости современных БИС, сложной топологии с высоким коэффициентом покрытия металлизацией (высокой неравномерностью распределения ионизации по объему).
Определен набор требований к лазерным источникам и техни-
ческим средствам проведения лазерных имитационных испытаний ПП и ИС. использование которых позволило разработать специализированный лазерный имитатор "РАДОН-5". отличающийся малой неравномерностью распределения интенсивности излучения по поверхности ПП и ИС. широким диапазоном регулировки интенсивности, малым уровнем помех, небольшими габаритами и весом и удобством эксплуатации.
Разработаны методические основы проведения лазерных имитационных испытаний ПП и ИС. позволившие существенно повысить достоверность проведения экспериментов, снизить погрешности и на этой основе сократить объем и продолжительность испытаний на МУ. Определена область применимости лазерных имитационных методов, что позволило рекомендовать данные методы в качестве необходимого этапа при'проведении испытаний ПП'И ИС на стойкость к -переходным ионизационным эффектам.
Практическая полезность.
Разработана программа расчета эквивалентной мощности поглощенной дозы, создаваемой лазерным излучением в областях ПП и ИС, с учетом эффектов высокой интенсивности излучения и особенностей конструктивно-технологического исполнения изделий. Программа позволяет оперативно устанавливать связь между параметрами лазерного излучения и эквивалентной мощностью поглощенной дозы в ПП и ИС, что необходимо для проведения имитационных испытаний.
Разработаны узлы и блоки технических средств для проведения лазерных имитационных испытаний, рассчитанные на возможность испытаний современных ПІЇ и ИС. что позволило определить уровни стойкости таких сложных изделий, как ИС запоминающих устройств и микропроцессорных комплектов.
Разработаны и апробированы методики испытаний различных цифровых и аналоговых ИС на лазерном имитаторе, учитывающие специфику испытуемых изделий, позволяющие расширить сферу применения лазерного имитационного моделирования и- повысить точность экспериментальных результатов.
Проведена серия сравнительных испытаний ПП и ИС на лазерном имитаторе и МУ, подтвердившая достоверность разработанных моделей и методик с точностью, определяемой погрешностью дозиметрии, и неопределенностью, связанной с различием эффективных длительностей импульсов МУ и лазерного имитатора.
Результаты работы использованы на практике при разработке и обеспечении стойкости ЩЩ ИС серий 1526. 1617. 1619. 1537 на предприятии "Ангстрем", внедрены в виде методики прогнозирования спецстойкости изделий предприятия п/я А-3560, использованы в ЭНПО СПЭЛС при разработке нового поколения лазерных имитаторов, а также использованы при подготовке РД В 22.34.127-89 "Полупроводниковые приборы и интегральные схемы. Моделирование ионизационных эффектов воздействия импульсных, излучений ЯВ лазерными имитаторами".
Автор защищает:
-
Физическую модель'взаимодействия лазерного излучения с элементами ПП и ИС. учитывающую особенности конструктивно-технологического исполнения изделий и обеспечивающую возможность определения соответствия высокоэнергетичного и лазерного излучения в диапазоне интенсивности излучения до 107 Вт/см2 и эквивалентной мощности поглощенной дозы до 1013 рад(51)/с.
-
Электрическую модель формирования ионизационной реакции элементов ПП и ИС, учитывающую неравномерность энерговыделения лазерного излучения в полупроводнике, которая позволяет определить условия эквивалентности высокоэнергетичного и лазерного излучений по ионизационной реакции ПП и ИС и тем самым сократить объем экспериментальных работ на МУ и повысить их достоверность.
-
Критерии адекватности лазерного имитационного моделирования на различных уровнях модельного описания, существенно расширяющие сферу применения лазерных имитационных методов на область современных сложных БИС.
-
Методические основы проведения лазерных имитационных испытаний, обеспечивающие повышение достоверности экспериментальных результатов, снижение погрешности и на данной основе сокращение объема и продолжительности испытаний на МУ.
-
Результаты сравнительных экспериментальных исследований адекватности лазерного имитационного моделирования переходных ионизационных эффектов в ПП и ИС, подтвердившие обоснованность применения предложенных моделей и методов на широком классе полупроводниковых изделий.
Апробация и публикации. Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на II межотраслевом совещании "Проблемы создания ППП и ИС, устойчивых к*воздействию внешних факторов", г. Душанбе. 1984 г.; на XXXI научной конференции МИФИ в 1985 г.; на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Лазерные технологии в приборостроении", г. Рига, 1985 г. и г. Москва. 1986 г.; на II Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации п/п приборов", г. Кишинев, 1986 г.: на III.отраслевой научно-технической конференции МПСС, - г. Минск, 1986г.; на XXXII научной конференции МИФИ в 1987.г.: на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Радиационная технология в производстве интегральных схем", г. Ташкент, 1988 г.: на IV межотраслевом совещании-семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов и интегральных схем, стойких к воздействиям внешних факторов (ВВФ). Винница. 1989 г.; на V межотраслевом семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их.основе, стойких к ВВФ", г. Петрозаводск. 1991 г.; на VI межотраслевой конференции "Воздействие ИИ на РЭА, ее элементы и материалы. -Методы испытаний и исследований", 'г.. Лыткарино МО. 1994 г.; на VI семинаре "Радиационные процессы в электронике", г. Москва. 1996 г. и на VII международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине", г. Сергиев Посад МО. 1996 г. .
Всего по теме диссертации опубликовано 22 печатных работы.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 13 печатных трудах, а также вошли в отчетные материалы по НИР 85-3-344, 86-3-174, 88-3-374, 90-2-003-183 (МИФИ). "Кашира" и "Перенос" (ЭНПО СПЭЛС) и другие. По результатам работы получено авторское свидетельство. Список основных работ приведен в конце реферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 189 стр. печатного текста (включая приложения), И таблиц и библиографию, включающую 83 наименования.
