Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Тенденции развития, основные параметры, принципы построения, особенности радиационного поведения аналого- цифровых и цифро-аналоговых преобразователей 14
1.1. Исследование применяемости, технического уровня и тенденций развития микроэлектронной элементной базы аппаратуры специального назначения 14
1.1.1. Анализ применяемости элементно-технологических базисов АЦП/ЦАП в специальной аппаратуре 18
1.1.2. Состояние и основные тенденции развития отечественной технологии производства БИС АЦП/ЦАП 20
1.2. Особенности радиационного поведения БИС АЦП/ЦАП, анализ используемых методов и средств контроля параметров 22
1.2.1. Радиационные отказы АЦП и ЦАП. 22
1.2.2. Методы контроля работоспособности АЦП и ЦАП при радиационных испытаниях 27
1.3. Основные типы преобразователей и их базовые структуры 35
1.4. Общий методический подход к оценке и прогнозированию радиационной стойкости БИС АЦП/ЦАП по результатам расчет- но-экспериментального моделирования 41
1.4.1. Система параметров-критериев радиационной стойкости БИС АЦП/ЦАП 41
1.4.2. Методы и базовый алгоритм прогнозирования и оценки радиационной стойкости БИС АЦП/ЦАП 45
ГЛАВА 2. Доминирующие механизмы радиационных отказов КМОП АЦП/ЦАП 51
2.1. Особенности реакции КМОП АЦП/ЦАП на воздействие импульсных ионизирующих излучений 51
2.1.1. Типовой характер радиационного поведения КМОП БИС... 51
2.1.2. Анализ типовых условий включения (режима работы) ЦАП на характер радиационного поведения 52
2.1.3. Влияние цепи питания на ионизационную реакцию КМОП АЦП/ЦАП 55
2.2. Расчетно-экспериментальное прогнозирование радиационной реакции КМОП ИС на воздействие стационарного ИИ 65
2.2.1. Доминирующие механизмы деградации параметров активных и паразитных структур 65
2.2.2. Моделирование дозовой деградации паразитных МОП- структур 69
2.2.3. Расчетное прогнозирование радиационной деградации характеристик КМОП ИС с учетом вклада паразитных структур 79
2.2.4. Моделирование деградации функциональных параметров КМОП АЦП и ЦАП 83
ГЛАВА 3. Методические особенности определения показателей радиационной стойкости КМОП АЦП/ЦАП по результатам испытаний 88
3.1. Выбор рационального состава испытаний 88
3.2. Обеспечение адекватности имитационных испытаний БИС АЦП/ЦАП 92
3.2.1. Влияние металлизации 92
3.2.2. Методические особенности рентгеновских имитационных испытаний БИС АЦП/ЦАП 101
3.2.3. Особенности имитационных испытаний БИС иностранного производства 103
3.3. Особенности задания режимов и контроля параметров АЦП/ЦАП при испытаниях 105
3.4. Особенности измерения параметров АЦП/ЦАП 108
3.4.1. Измерение параметров передаточной характеристики ЦАП 108
3.4.2. Измерение параметров передаточной характеристики АЦП 110
3.4.3. Динамические параметры 112
3.5. Методические особенности имитационных испытаний в диапазоне температур 113
3.5.1. Ионизационные токи 114
3.5.2. Защелкивание 115
3.5.3. Особенности дозиметрического сопровождения лазерных имитационных испытаний в диапазоне температур 116
3.5.4. Особенности задания и контроля температуры при испытаниях 118
Глава 4. Унифицированный экспериментальный комплекс для исследований радиационной стойкости БИС АЦП/ ЦАП STRONG 121
4.1. Анализ технических требований к испытательному оборудованию 121
4.2. Состав и структура испытательного комплекса 127
4.3. Реализация основных компонентов комплекса 134
4.4. Основные характеристики комплекса и результаты его аттестации 147
ГЛАВА 5. Особенности и результаты прогнозирования и оценки радиационной стойкости типовых представителей БИС АЦП/ЦАП ... 150
5.1. АЦП двойного интегрирования 150
5.2. АЦП последовательного приближения 161
5.3. Быстродействующий АЦП параллельного преобразования 171
5.4. Быстродействующий ЦАП с выходом по напряжению 175
5.5. Умножающие ЦАП 181
Заключение 187
Литература 189
- Методы контроля работоспособности АЦП и ЦАП при радиационных испытаниях
- Доминирующие механизмы деградации параметров активных и паразитных структур
- Особенности задания режимов и контроля параметров АЦП/ЦАП при испытаниях
- Основные характеристики комплекса и результаты его аттестации
Введение к работе
Современные тактико-технические требования, предъявляемые к аппаратуре специальных систем управления (СУ) ракетно-космической техники, ядерной энергетики и физического эксперимента определяют возможность ее эксплуатации в полях ионизирующих излучений (ИИ) искусственного и естественного происхождения. Обеспечение работоспособности специальных СУ в условиях воздействия ИИ непосредственно связано с уровнем радиационной стойкости (РС) входящей в состав аппаратуры изделий электронной техники (ИЭТ), прежде всего интегральных схем (ИС).
Начало исследованиям по проблеме радиационной стойкости ИЭТ положено в середине 60-х годов, основные модельные представления о радиационных эффектах сформулированы в работах [1-5], опубликованных в 70-х - начале 90-х годах. В данный период проблема обеспечения радиационной стойкости ИЭТ считалась одной из приоритетных и решалась на государственном уровне. В результате была создана функционально полная номенклатура радиационно- стойких ИЭТ, насчитывающая около 1900 типономиналов.
Отметим, что технический уровень ИС с момента опубликования указанных трудов претерпел качественные изменения и в настоящее время достиг функциональной и технологической сложности больших и сверхбольших ИС (БИС и СБИС) с микронными и субмикронными размерами активных элементов. Кроме того, наблюдается повсеместный переход с биполярной на КМОП- технологию производства БИС.
После распада СССР за пределами России осталось более 50% предприятий электронной промышленности. Последовавший за этим экономический спад и резкое снижение объемов государственного оборонного заказа привели к прекращению производства значительной части номенклатуры ИС. Практически утраченными для России оказались технологии производства таких изделий микроэлектроники, как аналоговые микропроцессоры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователей (АЦП и ЦАП), операционные усилители (ОУ) и компараторы напряжения (КН) и др.
Современный этап развития радиационно-стойкой элементной базы аппаратуры систем управления характеризуется следующим [6]:
во-первых, обеспечение серийного производства и обслуживание важнейших образцов аппаратуры ракетно-космической техники, связи и др. требует восстановления или воспроизводства на отечественных предприятиях значительной части утраченной номенклатуры радиационно-стойких микросхем, обеспечив их реализацию на современном конструктивно-технологическом уровне;
во-вторых, повышение требований к тактико-техническим характеристикам аппаратуры специальных СУ требует создания новых типов функционально- сложных БИС и СБИС - микропроцессоров, запоминающих устройств, АЦП/ЦАП и др., которые, очевидно, обладают повышенной чувствительностью к радиационным воздействиям (по сравнению с ИС малой степени интеграции);
в-третьих, вынужденное сокращение объемов микроэлектронного производства (в отдельных случаях до уровня отдельных производственных партий или количества, необходимого для проведения испытаний), его неритмичность и прерывистость требуют поиска новых решений в области повышения стабильности и рентабельности технологических процессов, разработки и внедрения новых высоко эффективных методов обеспечения, прогнозирования и контроля радиационной стойкости на всех этапах жизненного цикла изделий.
Указанные особенности в максимальной степени относятся к таким перспективным классам БИС как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП), которые обеспечивают «интеллектуальный» интерфейс между аналоговым миром входной информации и цифровым миром обработки и принятия решения в современных системах управления.
Особую важность развития номенклатуры и исследований АЦП и ЦАП определяет то обстоятельство, что БИС АЦП/ЦАП с одной стороны образуют самостоятельный класс изделий в составе группы однородной продукции «Микросхемы интегральные». С другой стороны интегральные АЦП/ЦАП являются базовыми функциональными узлами в составе таких перспективных классов изделий микроэлектроники как «интеллектуальные» датчики и актюаторы, микросистемы, многоканальные системы сбора и обработки данных (СОД), а также цифровые процессоры обработки сигнала (ЦПОС) [7,8]. Таким образом, представляется вполне обоснованным выбор интегральных АЦП/ЦАП в качестве основного объекта исследований в диссертации.
Уровень функциональной сложности и особенности элементно- технологического базиса современных БИС АЦП/ЦАП в значительной степени меняют сложившиеся представления о задачах, методических и технических средствах обеспечения, прогнозирования и контроля их РС [9]. Становится необходимым получение по возможности более полного представления о физических механизмах радиационных отказов базовых элементов АЦП/ЦАП, качественных и количественных радиационно-индуцированных изменениях их информативных параметров в зависимости от условий эксплуатации.
Особенности системы параметров-критериев работоспособности БИС АЦП/ЦАП, ориентированной в первую очередь на точностные параметры характеристики преобразования (ХП), не позволяют непосредственно использовать для испытаний имеющиеся методические и технические средства функционального контроля БИС, которые были созданы в основном для цифровых устройств и не ориентированы на прецизионные измерения. Следует отметить, что до последнего времени точностные параметры БИС АЦП/ЦАП вообще не входили в состав параметров, контролируемых в процессе радиационных испытаний. Это было связано в основном с методическими и техническими трудностями дистанционного измерения ХП в процессе облучения на моделирующих установках (МУ). Поэтому показатели РС БИС АЦП/ЦАП, определенные по результатам радиационных испытаний, характеризовались недостаточно высокой информативностью.
Развитие имитационных методов радиационных испытаний [10,11] и возможность автоматизации измерений на основе широкого внедрения ПЭВМ обеспечили предпосылки для измерения точностных параметров АЦП/ЦАП в ходе испытаний. В связи с этим актуальной является задача создания методических и технических средств для измерения параметров ХП при радиационных испытаниях. Важным аспектом обеспечения эффективности и унификации испытательных методик и оборудования является информация о характере радиационного поведения типовых представителей БИС АЦП и ЦАП - поэтому необходимо исследовать и промоделировать доминирующие механизмы их радиационных отказов. Адекватность имитационных испытаний с учетом конструктивно-топологических и топологических особенностей БИС АЦП/ЦАП также требует анализа и проверки. Указанные направления исследований определили выбор темы диссертации.
Важность и актуальность темы диссертации подтверждается основными положениями Концепции развития изделий микроэлектроники военного и специального назначения на период до 2005 года [12], утвержденной МО РФ в 1998г., а также Решением комиссии правительства РФ по военно- промышленным вопросам (от 17 ноября 1999 года, протокол №8).
Таким образом, целью диссертации является разработка научно обоснованных методических и технических средств прогнозирования радиационной стойкости БИС АЦП и ЦАП.
В качестве объекта исследований в диссертации определены КМОП БИС АЦП и ЦАП отечественного и иностранного производства (ИП), как общетехнического исполнения, так и специальные радиационно-стойкие, выполненные по объемной технологии с проектными нормами 1,5...2,0 мкм.
Основными задачами диссертационной работы являются:
1. Анализ тенденций развития микроэлектронной элементной базы и особенностей применения КМОП БИС АЦП и ЦАП в специальных системах управления с учетом современных требований по радиационной стойкости.
2. Сравнительное исследование влияния функциональных элементов и паразитных структур на характер радиационного поведения и показатели РС КМОП БИС АЦП и ЦАП при воздействии импульсных и стационарных ИИ.
3. Исследование ионизационной реакции КМОП БИС АЦП и ЦАП при воздействии импульсного ИИ с учетом влияния организации цепи питания, моделирование доминирующих механизмов отказов (тиристорного эффекта и функциональных сбоев) базовых элементов.
4. Исследование доминирующих механизмов отказов базовых элементов КМОП АЦП/ЦАП при воздействии стационарного ИИ и моделирование дозовых зависимостей параметров МОП элементов с учетом радиационно- индуцированных утечек.
5. Анализ адекватности и методических особенностей лазерных имитационных испытаний БИС АЦП/ЦАП, с учетом их топологического и конструктивно-технологического исполнения.
6. Исследование применимости лазерных имитационных испытаний и моделирование эквивалентной мощности дозы лазерного излучения при повышенных температурах (до 125°С).
7. Развитие методик измерения точностных параметров БИС АЦП и ЦАП применительно к радиационным испытаниям.
8. Разработка унифицированного экспериментального оборудования для испытаний БИС АЦП/ЦАП на радиационную стойкость.
9. Прогнозирование показателей радиационной стойкости и определение доминирующих механизмов отказов типовых представителей номенклатуры БИС АЦП и ЦАП.
Научная новизна работы:
На основе результатов расчетно-экспериментального моделирования и имитационных испытаний выявлены и исследованы доминирующие механизмы отказов базовых элементов КМОП БИС АЦП и ЦАП при воздействии импульсных и стационарных ИИ:
1. Установлено, что порог отказа КМОП БИС АЦП и ЦАП при воздействии стационарного ИИ определяется ростом тока потребления. Предложена модель радиационно-индуцированных утечек в переходной области между под- затворным и изолирующим окислами, позволяющая адекватно прогнозировать дозовые отказы КМОП БИС АЦП и ЦАП.
2. Установлено, что порог отказа КМОП БИС АЦП и ЦАП при воздействии импульсного ИИ определяется тиристорным эффектом и кратковременным уменьшением внутреннего напряжения питания. В результате численного моделирования установлена корреляция между порогами тиристорного эффекта и функционального сбоя АЦП и ЦАП, предложена обобщенная электрическая модель ионизационной реакции цепи питания.
3. Предложено использование рассеянного излучения для лазерных имитационных испытаний КМОП БИС АЦП и ЦАП с целью равномерности ионизации кристалла на основе использования рассеянного излучения, что позволило повысить адекватность имитационного моделирования. Впервые выполнена количественная оценка влияния температуры на эквивалентную мощность дозы при лазерных имитационных испытаниях.
4. Определены особенности и доминирующие механизмы отказов основных функциональных классов БИС АЦП и ЦАП, обнаружен аномально высокий уровень чувствительности КМОП АЦП двойного интегрирования к эффектам мощности дозы, определяемый разрядом накопительных конденсаторов ионизационными токами.
5. Предложена и обоснована система информативных параметров-критериев радиационных отказов БИС АЦП и ЦАП, основанная на точностных параметрах характеристики преобразования, что позволяет повысить достоверность определения показателей радиационной стойкости.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны базовые методики и экспериментальный комплекс, позволяющие проводить измерение параметров характеристики преобразования БИС АЦП/ЦАП при радиационных испытаниях.
2. Развиты методики имитационных испытаний БИС АЦП и ЦАП, в том числе на основе использования рассеянного лазерного излучения, для испытаний изделий в непрозрачных корпусах и при покрытии кристаллов защитными лаками (компаундами), а также для испытаний в диапазоне температур.
3. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований типовых представителей БИС АЦП и ЦАП серий 572, 1175, 1523 на моделирующих установках и имитаторах в широком диапазоне изменения уровней.
4. Результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по НИР "Венера-1", "Перенос-4", "Кашира", "ДУС-ДНГ", "Абордаж", "Магистр- СВВ", "Мрия-20", "Ирбис-ПВ4-Марка", "Минарет", "Ржев-Мальта", выполненных по заказам Минобороны РФ и Росавиакосмоса.
5. Результаты диссертационной работы внедрены в АООТ «НИИМЭ и завод Микрон», АО НПП «Сапфир», ЭНПО СПЭЛС, МОКБ «Марс» при разработке и радиационных испытаниях АЦП/ЦАП серий 572, 1175, 1523 и специальных систем управления на их основе.
6. Полученные результаты реализованы в НД, развивающих положения нового комплекса стандартов «Климат-7» в части методов оценки радиационной стойкости - в РД В 319.03.22-97 «Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общие методики имитационных испытаний» (1997 г.) и в «Методике контроля соответствия ИС требованиям НД по радиационной стойкости при комплектовании изделий 165 и 155», утв. в/ч 25580 и ГП «МИТ» (1998 г.).
Результаты, выносимые на защиту.
1. Модели доминирующих механизмов отказов базовых элементов КМОП БИС АЦП и ЦАП - радиационно-индуцированных утечек при стационарном ИИ и реакции цепи питания при импульсном ИИ. Модели обеспечивают достоверное описание особенностей радиационного поведения БИС АЦП/ЦАП при снижении вычислительных затрат в 2-5 раз.
2. Набор параметров-критериев радиационной стойкости БИС АЦП и ЦАП, основанный на точностных параметрах характеристики преобразования, соответствующие методики испытаний и реализующий их экспериментальный комплекс на основе разработанного универсального контроллера, обеспечивающие повышение информативности испытаний в 2-3 раза.
3. Методика прогнозирования показателей РС БИС АЦП и ЦАП по результатам расчетно-экспериментального моделирования доминирующих механизмов отказов, рационального состава и объема радиационных испытаний, обеспечивающая достоверность результатов при существенном (на порядок и
более) снижении затрат на испытания.
4. Результаты экспериментальных исследований радиационного поведения и параметров отказов типовых представителей БИС АЦП и ЦАП, подтверждающие обоснованность предложенных методических и технических средств прогнозирования радиационной стойкости к воздействиям импульсных и стационарных ионизирующих излучений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 35 Международной конференции IEEE «Nuclear and Space Radiation Effects Conrence» (США, 1998); на Международной конференции RADECS-97 (Франция, 1997г.); на Международной конференции «Electronics for LHC Ех- periments» (Англия 1997, США 1999 гг.); на научных сессиях МИФИ (Москва, 1998,1999,2000 гг.); на Российских научных конференциях "Радиационная стойкость электронных систем" (Лыткарино, 1998, 1999 гг.); на научной конференции "Микро- и наноэлектроника" (Звенигород, 1999); на XVII Международном симпозиуме по ядерной электронике (Варна, 1997 г).
Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 29 работах (в период с 1996 по 2000 гг), в том числе 4 без соавторов.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 223 страницы, в том числе 100 рисунков, список литературы из 106 наименований и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
Методы контроля работоспособности АЦП и ЦАП при радиационных испытаниях
Современные тактико-технические требования, предъявляемые к аппаратуре специальных систем управления (СУ) ракетно-космической техники, ядерной энергетики и физического эксперимента определяют возможность ее эксплуатации в полях ионизирующих излучений (ИИ) искусственного и естественного происхождения. Обеспечение работоспособности специальных СУ в условиях воздействия ИИ непосредственно связано с уровнем радиационной стойкости (РС) входящей в состав аппаратуры изделий электронной техники (ИЭТ), прежде всего интегральных схем (ИС).
Начало исследованиям по проблеме радиационной стойкости ИЭТ положено в середине 60-х годов, основные модельные представления о радиационных эффектах сформулированы в работах [1-5], опубликованных в 70-х - начале 90-х годах. В данный период проблема обеспечения радиационной стойкости ИЭТ считалась одной из приоритетных и решалась на государственном уровне. В результате была создана функционально полная номенклатура радиационно- стойких ИЭТ, насчитывающая около 1900 типономиналов.
Отметим, что технический уровень ИС с момента опубликования указанных трудов претерпел качественные изменения и в настоящее время достиг функциональной и технологической сложности больших и сверхбольших ИС (БИС и СБИС) с микронными и субмикронными размерами активных элементов. Кроме того, наблюдается повсеместный переход с биполярной на КМОП- технологию производства БИС.
После распада СССР за пределами России осталось более 50% предприятий электронной промышленности. Последовавший за этим экономический спад и резкое снижение объемов государственного оборонного заказа привели к прекращению производства значительной части номенклатуры ИС. Практически утраченными для России оказались технологии производства таких изделий микроэлектроники, как аналоговые микропроцессоры, аналого-цифровые и циф- ро-аналоговые преобразователей (АЦП и ЦАП), операционные усилители (ОУ) и компараторы напряжения (КН) и др.
Современный этап развития радиационно-стойкой элементной базы аппаратуры систем управления характеризуется следующим [6]: во-первых, обеспечение серийного производства и обслуживание важнейших образцов аппаратуры ракетно-космической техники, связи и др. требует восстановления или воспроизводства на отечественных предприятиях значительной части утраченной номенклатуры радиационно-стойких микросхем, обеспечив их реализацию на современном конструктивно-технологическом уровне; во-вторых, повышение требований к тактико-техническим характеристикам аппаратуры специальных СУ требует создания новых типов функционально- сложных БИС и СБИС - микропроцессоров, запоминающих устройств, АЦП/ЦАП и др., которые, очевидно, обладают повышенной чувствительностью к радиационным воздействиям (по сравнению с ИС малой степени интеграции); в-третьих, вынужденное сокращение объемов микроэлектронного производства (в отдельных случаях до уровня отдельных производственных партий или количества, необходимого для проведения испытаний), его неритмичность и прерывистость требуют поиска новых решений в области повышения стабильности и рентабельности технологических процессов, разработки и внедрения новых высоко эффективных методов обеспечения, прогнозирования и контроля радиационной стойкости на всех этапах жизненного цикла изделий.
Указанные особенности в максимальной степени относятся к таким перспективным классам БИС как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП), которые обеспечивают «интеллектуальный» интерфейс между аналоговым миром входной информации и цифровым миром обработки и принятия решения в современных системах управления.
Особую важность развития номенклатуры и исследований АЦП и ЦАП определяет то обстоятельство, что БИС АЦП/ЦАП с одной стороны образуют самостоятельный класс изделий в составе группы однородной продукции «Микросхемы интегральные». С другой стороны интегральные АЦП/ЦАП являются базовыми функциональными узлами в составе таких перспективных классов изделий микроэлектроники как «интеллектуальные» датчики и актюаторы, микросистемы, многоканальные системы сбора и обработки данных (СОД), а также цифровые процессоры обработки сигнала (ЦПОС) [7,8]. Таким образом, представляется вполне обоснованным выбор интегральных АЦП/ЦАП в качестве основного объекта исследований в диссертации.
Уровень функциональной сложности и особенности элементно- технологического базиса современных БИС АЦП/ЦАП в значительной степени меняют сложившиеся представления о задачах, методических и технических средствах обеспечения, прогнозирования и контроля их РС [9]. Становится необходимым получение по возможности более полного представления о физических механизмах радиационных отказов базовых элементов АЦП/ЦАП, качественных и количественных радиационно-индуцированных изменениях их информативных параметров в зависимости от условий эксплуатации.
Особенности системы параметров-критериев работоспособности БИС АЦП/ЦАП, ориентированной в первую очередь на точностные параметры характеристики преобразования (ХП), не позволяют непосредственно использовать для испытаний имеющиеся методические и технические средства функционального контроля БИС, которые были созданы в основном для цифровых устройств и не ориентированы на прецизионные измерения. Следует отметить, что до последнего времени точностные параметры БИС АЦП/ЦАП вообще не входили в состав параметров, контролируемых в процессе радиационных испытаний. Это было связано в основном с методическими и техническими трудностями дистанционного измерения ХП в процессе облучения на моделирующих установках (МУ). Поэтому показатели РС БИС АЦП/ЦАП, определенные по результатам радиационных испытаний, характеризовались недостаточно высокой информативностью.
Развитие имитационных методов радиационных испытаний [10,11] и возможность автоматизации измерений на основе широкого внедрения ПЭВМ обеспечили предпосылки для измерения точностных параметров АЦП/ЦАП в ходе испытаний. В связи с этим актуальной является задача создания методических и технических средств для измерения параметров ХП при радиационных испытаниях. Важным аспектом обеспечения эффективности и унификации испытательных методик и оборудования является информация о характере радиационного поведения типовых представителей БИС АЦП и ЦАП - поэтому необходимо исследовать и промоделировать доминирующие механизмы их радиационных отказов. Адекватность имитационных испытаний с учетом конструктивно-топологических и топологических особенностей БИС АЦП/ЦАП также требует анализа и проверки. Указанные направления исследований определили выбор темы диссертации.
Доминирующие механизмы деградации параметров активных и паразитных структур
Высокая скорость преобразования при снижении потребляемой мощности для монолитных 8-12 разрядных преобразователей реализуется в конвейерных АЦП. Конвейерные АЦП [34-38] представляют комбинацию из малоразрядных параллельных АЦП, ЦАП, масштабирующих усилителей, устройств выборки и хранения (УВХ) и т.д. Выходной код такого АЦП представляет сумму кодов отдельных каскадов.
Принцип преобразования таких АЦП сводится к потактному алгоритму параллельного преобразования. На первом такте входное напряжение запоминается в УВХ и измеряется малоразрядным параллельным АЦП. Выходной код этого АЦП поступает на ЦАП. На вход следующего каскада преобразования поступает усиленный сигнал разности между входным и выходным напряжением ЦАП. Далее, в следующих каскадах, процедура повторяется. Общее количество каскадов обычно составляет 3-4 (рис. 1.10). Такая организация позволяет уменьшить количество компараторов и потребляемую мощность в преобразователе до приемлемого значения.
Для обеспечения более высокой пропускной способности преобразователя суммирование в арифметическом устройстве и перезапись в выходной регистр кодов с выходов внутренних АЦП осуществляется одновременно с новой выборкой входного сигнала (конвейерный алгоритм работы), дискретизируемого с частотой тактового генератора. Код, соответствующий значению входного сигнала, появляется на выходе с задержкой в несколько тактов. Задержка в несколько периодов тактового генератора ограничивает применение таких приборов в системах автоматического регулировании, содержащих АЦП в цепи обратной связи, или других устройствах, где недопустима дополнительная вносимая задержка.
Сложность разработки БИС АЦП такого типа связана с наличием большого количества линейных узлов, требование к точностным и динамическим характеристикам которых достаточно велико. Так как ошибка, вносимая в первом каскаде, накапливается и усиливается в последующих, к точностным и динамическим характеристикам первого ЦАП предъявляются повышенные требования. УВХ на входе каждого каскада позволяет получить более точное считывание при большой скорости изменения входного сигнала и использовать в младших каскадах более медленные, но точные АЦП. В свою очередь, УВХ снижает общее быстродействие, так как изготовление широкополосных ОУ (особенно по КМОП технологии) затруднено. Межкаскадное усиление уменьшает влияние неидеальности всех последующих каскадов, за исключением входного, на линейность преобразователя. Погрешность преобразователя в основном определяется смещением УВХ и усилителя разности, погрешностью каскадных АЦП. Эти погрешности уменьшают с помощью цифровой коррекции. Для коррекции вносимых ошибок используется перекрытие на один и более разряд. Кроме высоких требований к ЦАП, важно точно устанавливать коэффициент усиления дифференциальных усилителей, учесть напряжение смещения, обеспечить малый температурный дрейф и временную стабильность характеристик АЦП.
К последовательным АЦП относятся преобразователи интегрирующего типа, последовательных приближений, "сигма-дельта". Все эти АЦП позволяют получить достаточно высокую точность, однако имеют невысокое быстродействие.
Преобразователи последовательного приближения строятся на основе ЦАП и логической схемы, которая управляет ЦАП до момента согласования его выходного сигнала с входным аналоговым сигналом АЦП [34-38]. В логическую схему входит регистр последовательного приближения, который реализует необходимый алгоритм и компаратор, в котором происходит сравнение входного сигнала с выходным сигналом ЦАП, а результат логической обработки вновь поступает в регистр, содержимое ко- компаратор Регистр последовательного приближения торого в конце преобразования соответствует значению входного анало- гового сигнала (рис. 1.11). Точностные характеристики рис. 1.11. Структурная схема АЦП таких АЦП практически полностью последовательного приближения определяются параметрами внутреннего ЦАП. В АЦП с малым количеством разрядов возможна организация ЦАП в виде резистивного делителя, в частности, построенного в виде квадратной матрицы одинаковых сопротивлений. Доступ к внутренним напряжениям матрицы во многом похож на доступ ячейкам памяти ОЗУ: по алгоритму последовательного приближения выбирается строка, в которой затем выбирается нужный столбец. Для ЦАП разрядностью превышающей 8 наибольшее распространение получили структуры, построенные на основе резистивной R-2R матрицы. Для увеличения точности и стабильности ЦАП большой разрядности резистивная R 2R матрица требует лазерной подгонки резисторов.
Обойтись без этой сложной операции позволяют ЦАП построенные на основе метода перераспределения заряда (ЦАП на переключаемых конденсаторах, рис. 1.12), со схемой самокалибровки [34,36]. Такой ЦАП реализован на конденсаторной матрице с отношением емкостей кратным 2П. Данный ЦАП выполняет функцию выборки и хранения, т.е. необходимость в УВХ отсутствует. Работу схемы можно условно разбить на три этапа. На первом этапе, в конденсаторной матрице накапливается заряд, пропорциональный входному напряжению (режим выборки). На втором этапе обкладки конденсаторов, подключенных ранее ко входному сигналу, подключают к земле. В результате, на входе компаратора устанавливается напряжение —Vjn. Далее начинается третий этап - перераспределение заряда. Старший разряд, т.е. конденсатор 2!1С замыкается на землю. На входе компаратора напряжение емкостного делителя: V=0.5Vref-Vin. В зависимости от выходного напряжения компаратора контроллер принимает решение: переключить на "землю" конденсатор 2ПС или оставить в прежнем состоянии. В соответствии с приведенным алгоритмом последовательного приближения, кон троллер переключает конденсаторы между Vref и "землей" до тех пор, пока напряжение на выходе компаратора не станет равным нулю. В этом случае, отношение суммарной емкости подключенной к "земле" и емкости подключенной к Vref, эквивалентно отношению Vin к Vref.
Такая структура пригодна для выполнения процедуры самокалибровки. Так как каждый конденсатор может быть реализован в виде нескольких конденсаторов меньшей емкости (рис. 1.13 [34,36]), то управляя конденсаторами по соответствующему алгоритму, можно подключать или отключать конденсаторы из матрицы до тех пор, пока значение емкости, соответствующие определенному разряду преобразователя не сравняется с суммарной емкостью конденсаторов более младших разрядов (плюс дополнительный младший разряд). Калибровка конденсаторов может осуществляться с точностью 0.25 МЗР и выполняется периодически или по команде.
Полное время одного преобразования N-разрядного АЦП складывается из времени, необходимого для проведения N последовательных приближений, что и определяет его быстродействие. Реальное время преобразования этого типа АЦП ограничивается 1 мкс. Преимуществом этого типа АЦП, получившего широкое распространение, является возможность создания монолитных приборов с большой разрешающей способностью (достигает 16 разрядов).
Особенности задания режимов и контроля параметров АЦП/ЦАП при испытаниях
В диссертационной работе автором на основе обобщения опыта и результатов выполненных исследований разработан базовый алгоритм прогнозирования и оценки радиационной стойкости БИС АЦП/ЦАП, который включает следующие основные этапы: 1. Анализ элементно-технологического базиса БИС АЦП/ЦАП с целью определения доминирующих радиационных эффектов и выбора рационального состава радиационных испытаний. Выполненный в п. 1.1 анализ применяемости БИС различных элементно- технологических базисов в аппаратуре, технического уровня и тенденций развития изделий микроэлектроники отечественного и иностранного производства позволили сделать вывод, что наиболее перспективными являются БИС АЦП/ЦАП, изготовленные по КМОП-технологии. В соответствии с [1-4,43] доминирующими радиационными эффектами в КМОП БИС АЦП/ЦАП являются эффекты мощности дозы при воздействии импульсного ИИ и дозовые эффекты при воздействии стационарного ИИ. 2. Анализ заданных требований по РС, системы параметров, и критериев работоспособности БИС АЦП ЦАП с целью уточнения системы параметров- критериев радиационной стойкости, а также выявления возможных механизмов радиационных отказов БИС при воздействии импульсного и стационарного ИИ. 3. Анализ функциональной и схемотехнической организации БИС АЦП/ЦАП, исследование основных функциональных узлов с целью декомпозиции БИС АЦП/ЦАП на базовые аналоговые и цифровые элементы. 4. Анализ проектных норм, топологических и конструктивно- технологических особенностей БИС АЦП/ЦАП и их элементов (включая тип корпуса и характеристики защитных покрытий кристалла) с целью прогнозирования характера радиационного поведения основных функциональных и паразитных элементов и структур, выбора радиационных моделей и средств расчетного моделирования, а также оценки адекватности имитационных методов испытаний. 5. Экспериментальное исследование радиационного поведения базовых функциональных элементов и паразитных структур на тестовых схемах (предпочтительно) или в составе БИС АЦП/ЦАП с целью верификации и идентификации параметров радиационных моделей. 6. Расчетное моделирование базовых структур, элементов и информационных трактов с целью определения доминирующих механизмов радиационных отказов и исследования влияния режимов и условий эксплуатации БИС АЦП/ЦАП на характер радиационного поведения. В качестве основного средства моделирования эффектов мощности дозы при воздействии импульсного ИИ на полупроводниковые структуры БИС АЦП/ЦАП в диссертации выбрана система "Г)1СЮЕ-21)" [54], которая решает нестационарную фундаментальную систему уравнений в двумерном приближении с учетом нелинейных эффектов высокой концентрации свободных носителей заряда (Оже-рекомбинации и эффекта сужения ширины запрещенной зоны). В качестве средства моделирования дозовых эффектов при воздействии стационарного ИИ на МОП структуры в диссертации выбрана система ТСАБ [55], которая решает фундаментальную систему уравнений с учетом реальной формы диэлектрических областей, краевых эффектов и распределения электрического поля в областях. 6.2. Построение электрических эквивалентных схем базовых элементов и структур в составе БИС АЦП/ЦАП, отражающих основные особенности их радиационного поведения с учетом функциональных и паразитных связей между элементами. 6.3. Схемное электрическое моделирование радиационного поведения эквивалентных схем, их композиций и отдельных информационных трактов с целью выявления доминирующих механизмов отказов, а также критических элементов и режимов БИС АЦП/ЦАП. В качестве основного средства схемного электрического моделирования в диссертации выбрана система "РБРГСЕ" [56], широко распространенная среди разработчиков БИС и являющаяся в настоящее время стандартной. Расчетная схема базируется на эквивалентных схемах элементов (см.п.6.2) с учетом всех существенных функциональных и паразитных связей, а также электрических режимов и условий нагрузки элементов. Идентификация параметров моделей элементов осуществляется по результатам экспериментальных исследований тестовых структур и элементов в составе БИС АЦП/ЦАП (см.п.5 алгоритма), а также по результатам конструктивно-технологического моделирования (см.п.6.1). 7. Разработка и отладка программы-методики радиационных испытаний БИС АЦП/ЦАП, включая выбор и обоснование состава испытаний, объема испытаний на МУ и имитаторах, системы контролируемых параметров-критериев РС, уточнение режимов функционирования и условий работы БИС при облучении. 8. Проведение радиационных испытаний БИС АЦП/ЦАП на МУ и имитаторах в соответствии с разработанной программой-методикой, экспериментальное определение характера радиационного поведения БИС, верификация доминирующих механизмов отказов и основных зависимостей параметров-критериев от характеристик ИИ, режимов и условий функционирования. 9. Обработка и оценка корреляции результатов радиационных испытаний на МУ и имитаторах, оценка запаса и разброса результатов. Исследование корреляции результатов испытаний и расчетного моделирования. Итерационная коррекция (при необходимости) методики испытаний и процедур моделирования. 10. Заключение по значениям показателей РС БИС АЦП/ЦАП и их соответствию требованиям НД. Разработка предложений по составу и периодичности контроля стойкости на различных этапах жизненного цикла БИС, в том числе, по мониторингу радиационной стойкости в техпроцессе.
Основные характеристики комплекса и результаты его аттестации
Накопление положительного заряда в окисле активных МОП- транзисторов приводит главным образом к отрицательному сдвигу порогового напряжения МОПТ. Уменьшение порогового напряжения в п-канальных приборах может приводить к существенному увеличению тока потребления ИС в статическом и динамическом режимах и возникновению параметрических и функциональных отказов ИС.
Другой проблемой, имеющей принципиальное значение при прогнозировании реакции КМОП ИС приборов, является образования ПС на границе Бь 8Ю2. Важнейшей особенностью процесса является продолжение образования ПС после прекращения облучения [2]. Наиболее существенную роль в определении радиационной реакции МОПТ играют амфотерные ПС, заряд которых отрицателен в рабочей области п-МОПТ и положителен в р-МОПТ. Образование ам- фотерных ПС при больших временах после начала облучения может приводить к возникновению новых механизмов параметрических и функциональных отказов в МОП ИС. Многочисленные эксперименты свидетельствуют [2], что предельное количество ПС, образующихся в конкретной структуре в результате облучения, не зависит от мощности дозы и определяется полной поглощенной дозой ИИ. При расчетно-экспериментальном моделировании низкоинтенсивного воздействия это позволяет считать, что количество агентов, приводящих к образованию ПС, независимо от их природы может быть адекватно воспроизведено при лабораторном воздействии. Таким образом, важным вопросом остается кинетика генерации ПС в процессе и после прекращения облучения.
Образование ПС в п- и р-МОПТ приводит к уменьшению эффективной крутизны и снижению быстродействия схемы в целом. Кроме того, в активных приборах совместное влияние процессов формирования ПС и релаксации положительного заряда окисла определяют реакцию ИС к воздействию ИИ низкой интенсивности. Особенно критичными к интенсивности воздействия являются п- канальные МОПТ, в которых знаки зарядов окисла и ПС противоположны. В результате происходит частичная компенсация сдвига порогового напряжения п- МОПТ при облучении. При низкоинтенсивном воздействии за счет отжига положительного заряда и медленного довстраивания ПС общий сдвиг порогового напряжения п-МОПТ может оказаться положительным и привести к отказу ИС. Это обстоятельство определяет необходимость учета реальных условий эксплуатации при проведении радиационных испытаний КМОП ИС, в первую очередь - определения наиболее критичного режима облучения.
Повышение степени интеграции приводит к возрастанию роли паразитных структур в формировании радиационного поведения ИС. Это связано, в первую очередь, с повышением качества и уменьшением толщины подзатворного окисла современных МОП-транзисторов до 5-10 нм. Поскольку радиационная чувствительность основных параметров активного МОПТ приблизительно пропорциональна Р , где с1 -толщина подзатворного окисла [2], г\- параметр, близкий к 2, отказ ИС из-за деградации полевого окисла МОПТ может наблюдаться при уровнях доз, недостаточных для заметного изменения параметров современных активных приборов. Как показывают исследования [2,53,59-60], стойкость коммерческих КМОП ИС, выполненных по субмикронным проектным нормам, во многих случаях определяется возникновением при облучении утечек вдоль канала под переходной областью толстого окисла («птичий клюв» -рис. 2.18). Важнейшей особенностью толстого окисла, по сравнению с подзатворным, является преобладание (во всем практически значимом диапазоне доз) положительного заряда над зарядом ПС. Роль релаксационных процессов при этом сводится к уменьшению токов утечки. Особенности деградации изолирующего (другие названия: «толстый», «полевой») окисла и формирования утечек необходимо учитывать при разработке методик расчетно-экспериментального прогнозирования характеристик КМОП БИС и СБИС.
В современных КМОП ИС общетехнического исполнения наиболее распространенной является структура изоляции, изображенная на рис. 2.18, получаемая по технологии локального окисления. Как показывают исследования [2], основным механизмом отказа таких КМОП ИС, связанным с радиационной деградацией паразитных структур, является возникновение утечек вдоль боковой области затвора под переходной областью изолирующего окисла («птичий клюв») (рис. 2.18). В большинстве технологий изготовления радиационно- стойких КМОП ИС для предупреждения утечек предпринимаются специальные меры технологического характера (например, формируются дополнительные высоколегированные области под «птичьим клювом»), В ИС, выполненных по коммерческой технологии, область подложки под «птичьим клювом» имеет тот же уровень легирования, что и полупроводник под «активным» затвором. Часть полевого окисла, покрытая затвором, может рассматриваться как подзатворный изолятор паразитного МОП-транзистора.
Предлагаемая модель радиационной деградации такого паразитного МОПТ строится на следующих основных предположениях: практически во всем значимом диапазоне доз заряд окисла существенно превосходит заряд ПС; дырочные ловушки в толстом окисле, как и в тонком, расположены вблизи от границы с кремнием; напряженность поля в изолирующем окисле при облучении достаточно велика для того, чтобы пренебречь процессами диффузии радиационно- генерированных электронов и дырок по сравнению с дрейфом; работа паразитного прибора описывается обычными выражениями одномерной задачи в приближении плавного канала. Первое допущение связано с тем, что темп формирования положительного заряда в области «птичьего клюва» существенно превышает темп образования ПС. Так, для типичных представителей современных ИС уровень отказа, вызванного деградацией паразитных структур, составляет десятки крад [2,60]. В результате в большинстве случаев к моменту фактического отказа ИС ввиду возникновения утечек вдоль края полевого окисла количество образовавшихся ПС оказывается несущественным. Данное обстоятельство позволяет в рассматриваемом приближении не учитывать вклада ПС в радиационное поведение паразитного МОПТ.
