Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ тенденций развития элементной базы КМОП/КНС для объектов ВВТ
1.1. Современное состояние и перспективы применения ИС элементно-технологического базиса КМОП/КНС в объектах ВВТ
1.2. Механизмы воздействия ЭМИ на элементную базу КМОП/КНС в составе аппаратуры. Оценка наводимых импульсов тока и напряжения
1.3. Особенности повреждения КМОП/КНС ИС при воздействии ОИН
1.4. Выводы
Глава 2 Анализ пределов применимости имитационных методов моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС
2.1. Оценка энерговыделения в кристалле КМОПУКНС ИС при непосредственном воздействии поля ЭМИ
2.2. Оценка энерговыделения в приборном слое КМОП/КНС ИС при воздействии наводки от поля ЭМИ
2.3. Условия адекватности имитации воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС воздействию одиночных импульсов напряжения
2.4. Выводы
Глава 3 Разработка моделей повреждения КМОП/КНС ИС под действием ОИН
3.1. Анализ доминирующих механизмов повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием ОИН
3.2. Разработка моделей повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием ОИН
3.3. Анализ влияния формы и параметров ОИН на импульсную электрическую прочность КМОП/КНС ИС
3.4. Выводы
Глава 4 Методическое и техническое обеспечение испытаний КМОП/КНС ИС на НЭП
4.1. Особенности проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП
4.2. Обоснование требований к генератору ОИН для определения ИЭП КМОП/КНС ИС (ТЗ на разработку)
4.3. Разработка генератора ОИН для определения ИЭП КМОП/КНС ИС
4.4. Особенности организации и методики проведения испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к ОИН
4.5. Выводы
Глава 5 Экспериментальная апробация разработанных методов и технических средств испытаний
5.1. Выбор элементной базы для проведения испытаний
5.2. Сравнение результатов испытаний КМОП ИС объемной технологии с результатами испытаний КМОП/КНС ИС
5.3. Выводы
Заключение
Список литературы
- Механизмы воздействия ЭМИ на элементную базу КМОП/КНС в составе аппаратуры. Оценка наводимых импульсов тока и напряжения
- Оценка энерговыделения в приборном слое КМОП/КНС ИС при воздействии наводки от поля ЭМИ
- Анализ влияния формы и параметров ОИН на импульсную электрическую прочность КМОП/КНС ИС
- Особенности организации и методики проведения испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к ОИН
Введение к работе
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена решению важной научно-технической задачи — разработке методов и средств испытаний КМОП микросхем на структурах «кремний-на-сапфире» (КМОП/КНС) на импульсную электрическую прочность, что позволит обеспечить комплектование устройств вычислительной техники и систем управления объектов военного и специального назначения современной элементной базой с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной стойкостью к воздействию электромагнитных источников естественного и искусственного происхождения.
Актуальность темы диссертации. Доля ИС и БИС, выполненных в элементно-технологическом базисе (ЭТБ) КМОП (комплементарные металл-окисел-полупроводник), составляет по количеству и номенклатуре от 60 до 80% общего объема микросхем, комплектующих аппаратуру современных объектов вооружения и военной техники (ВВТ). Стойкость этих изделий к радиационным и электромагнитным воздействиям в значительной мере определяет технические характеристики и ресурсные возможности аппаратуры. Наиболее перспективными КМОП-изделиями для комплектования объектов ВВТ являются КМОП ИС микросхемы, выполненные по технологии «кремний-на-изоляторе» (КНИ), вследствие своей потенциально высокой радиационной стойкости и способности работать в широком температурном диапазоне [1-3].
Наиболее освоенной отечественной КНИ технологией для изготовления КМОП ИС является технология кремний-на-сапфире (КНС). За последние 10 лет созданы отечественные КМОП КНС БИС ЗУ (серия 1620), обеспечивающие уровни сбоеустойчивости ОЗУ (1...5).1010 ед/с для информационной емкости (4...8) Кбит и 1012 ед/с для информационной емкости (2...4) Кбит. Ближайшими задачами являются создание БИС ОЗУ емкостью (32...64) Кбит и БИС ПЗУ 512 Кбит...1
Мбит с уровнем сбоеустойчивости не менее 10 ед/с и БИС спецОЗУ емкостью не менее (8.. .16) Кбит с уровнем сбоеустойчивости (1.. .5).10 ед/с [4].
Однако помимо радиационных факторов на функционирование и работоспособность современных устройств вычислительной техники и систем управления оказывают влияние электромагнитные излучения (ЭМИ) естественного и искусственного происхождения, такие как молниевые разряды, помехи от силового оборудования, излучение радиопередающих станций и т.п. Для аппаратуры объектов ВВТ необходим также учет влияния ЭМИ ядерного взрыва (ЯВ) [5].
Особенностью ЭМИ как воздействующего фактора является практически полное отсутствие его непосредственного влияния на параметры ИС [6, 7]. Воздействие ЭМИ на элементную базу проявляется косвенно через энергию сигналов наводки, способных вызвать сбои и повреждения чувствительных к ним ИС. Экранирование аппаратуры от ЭМИ ЯВ не дает полного эффекта, поскольку взаимодействие гамма- и рентгеновского излучений с материалами экранов приводит к появлению вторичного (внутреннего) ЭМИ [8]. Таким образом, ЭМИ является непременным сопутствующим фактором импульсных радиационных воздействий и должно учитываться при оценке стойкости ИС, предназначенных для использования в аппаратуре объектов ВВТ [9].
В соответствии с нормативным документом [10] стойкость ИС к воздействию наводок от ЭМИ характеризуют импульсной электрической прочностью (ИЭП), под которой понимают зависимости предельно-допустимых значений напряжения (тока, мощности, энергии) от длительности одиночных электрических импульсов (ОИН), возникающих от действия электромагнитного импульса.
Увеличение числа возможных источников ЭМИ, расширение их спектра в сторону высоких частот, повышение степени интеграции современной элементной базы требуют проведения исследований с целью разработки методического аппарата и технических средств для определения уровней стойкости ИС к воздействию ЭМИ современных и перспективных источников.
При всех своих достоинствах по радиационной стойкости КМОП/КНС ИС имеют ряд особенностей, связанных с тонкопленочной структурой рабочих слоев. К ним относятся такие явления как саморазогрев, низкая устойчивость к электростатическим разрядам, малые пробивные напряжения [11], что может накладывать ограничения на их использование в аппаратуре ВВТ.
Возможность проявления латентных (скрытых) механизмов повреждения КМОП/КНС ИС, а также опасность накопления повреждений при воздействии ОИН накладывает дополнительные требования к методике проведения испытаний на ИЭП, предъявляет специальные требования к испытательному оборудованию.
Возможности расчетной оценки стойкости КМОП/КНС ИС к воздействию ОИН существенно ограничиваются сложным характером КНС структур, разбросом технологических параметров, зависимостью электрических и тепловых параметров элементов структур от их геометрических размеров и взаимного расположения.
Поэтому возникла актуальная научная задача, которая заключается в разработке методического обеспечения и технических средств испытаний КМОП/КНС ИС военного и специального назначения на импульсную электрическую прочность.
Важность и актуальность темы диссертации отражена в «Основах политики Российской федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002, в соответствии с которыми создание радиационно-стойкой электронной компонентной базы отнесено к одной из приоритетных задач в области ее дальнейшего развития при разработке, производстве и применении в стратегически значимых системах.
Решению этих вопросов, а именно: анализу механизмов повреждения КМОП/КНС ИС под действием ОИН и разработке на этой основе методического обеспечения и технических средств испытаний КМОП/КНС микросхем военного и специального назначения на импульсную электрическую прочность - посвящены
исследования, проводившиеся с 2003 по 2009 год, итогом которых и является данная диссертация.
Состояние исследований по проблеме. Исследованиям воздействия импульсных ОИН на ИС посвящено значительное число работ как российских, так и зарубежных авторов, результаты которых отражены в большом количестве монографий, статей, докладов на конференциях, стандартов, руководящих документов и методик [5 — 23].
Вопросам создания и развития КМОП КНС ИС посвящены работы Полякова И.В., Герасимова Ю.М., Григорьева Н.Г., Киргизовой А.В. и других специалистов. Трудами Герасимова В.Ф., Посысаева Е.И., Яковлева Е.Н.. Хрулева А.К. исследованы основы физики повреждений ИС при воздействии ОИН, разработаны методические и технические основы проведения испытаний ИС на ИЭП. В диссертации Скоробогатова П.К рассмотрены методические и технические основы проведения испытаний ИС на ИЭП. В работах Ванина В.И. и Макеева С.Н. предложены и развиты аппаратные и программные средства для определения ИЭП широкого класса полупроводниковых приборов (ПП) и ИС.
Проблема воздействия ЭМИ на РЭА усугубляется созданием и появлением в последние годы преднамеренных источников электромагнитных помех с широким спектром излучений [24].
Однако обзор существующих моделей, методик и технических средств испытаний показал, что они не могут в полной мере быть использованы для определения показателей ИЭП современных КМОП/КНС ИС по следующим основным причинам:
- узкий диапазон используемых ОИН, ограниченный требованиями современных нормативных документов и не учитывающий возможность воздействия перспективных источников ЭМИ с расширенным спектром излучения;
отсутствие учета особенностей проявления тепловых механизмов повреждения КМОП/КНС, связанных с тонкопленочным характером КНС структур;
отсутствие возможности учета формы и длительности ОИН на показатели НЭП КМОП/КНС ИС;
отсутствие обоснования требований к параметрам технических средств испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к воздействию ОИН и самих аттестованных средств.
Отмеченные выше недостатки существующих моделей, методик и технических средств сдерживают применение КМОП/КНС ИС в аппаратуре специального назначения и не позволяют им в полной мере реализовать на практике свои преимущества.
Целью диссертации является разработка методов и средств испытаний КМОП/КНС ИС военного и специального назначения на импульсную электрическую прочность, что позволит решить важную научно-техническую задачу расширения сферы применения КМОП/КНС ИС в аппаратуре объектов ВВТ.
Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:
теоретическим анализом, моделированием и экспериментальным исследованием влияния ЭМИ естественного и искусственного происхождения на КМОП/КНС ИС;
развитием имитационных методов моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС с использованием генератора ОИН;
разработкой моделей повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием наведенных ОИН с учетом особенностей процессов теплопереноса в тонкопленочных структурах, нелинейных эффектов переноса носителей в полупроводнике и с учетом возможности воздействия наводок с различной формой импульса;
разработкой методов испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к воздействию ОИН с учетом возможности проявления скрытых и аддитивных механизмов повреждения;
разработкой и изготовление технических средств испытаний КМОП/КНС ИС, включая сложно-функциональные, на стойкость к воздействию ОИН;
проведением экспериментальной апробации разработанных моделей, методов и технических средств.
Научная новизна работы:
На основании электромагнитного анализа взаимодействия ЭМИ с КМОП/КНС ИС, показано, что с расширением спектрального состава ЭМИ растет доля поглощенной в кристалле ИС энергии. Однако, даже с учетом спектра ЭМИ перспективных источников излучения, поглощенной в кристалле ИС энергии недостаточно для заметного энерговыделения в КМОП/КНС ИС и непосредственным влиянием поля ЭМИ на кристалл ИС также можно пренебречь.
На основании электромагнитного и физико-топологического анализа типовой КМОП/КНС структуры показано, что основным источником возможных повреждений при воздействии ЭМИ являются электрические сигналы, наведенные на выводы ИС и соединительные проводники. Это позволяет использовать имитационные методы моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС путем подачи на внешние выводы ОИН от генератора-имитатора.
На основании двумерного численного моделирования электротепловых процессов к КНС структурах определена зависимость ИЭП от длительности ОИН. Показано, что зависимость ИЭП от длительности ОИН слабее, чем предсказывает формула Vm ~ t^ с коэффициентом k = -0,5 (модель Вунша-Белла). Показано также,
что импульсная электрическая прочность р-п переходов КНС структур при воздействии ОИН двухэкспоненциальной формы примерно на 20-30% больше, чем при воздействии ОИН прямоугольной формы.
Практическая значимость работы:
1. Разработана методика проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП,
позволившая стандартизировать процедуру испытаний и распространить ее на
современные КМОП/КНС ИС и БИС высокой функциональной сложности.
Сформулированы и изложены основные требования к генератору-имитатору ОИН для моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС.
Разработан и изготовлен генератор ОИН для определения ИЭП КМОП/КНС ИС, удовлетворяющий поставленной задаче. Проведена аттестация разработанного генератора, подтвердившая необходимые электрические параметры ОИН.
Разработаны типовая структура экспериментальной установки для проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП. Разработана методика проведения испытаний ИС на стойкость к ОИН, учитывающая особенности КМОП/КНС ИС. Предложены и апробированы методические и программные средства, повышающие достоверность проведения испытаний ИС на ИЭП
Результаты экспериментов подтвердили адекватность разработанной численной модели разогрева тонких структур под действием ОИН. Они подтвердили, в частности, что зависимость показателя ИЭП от длительности ОИН для КМОП/КНС ИС существенно слабее, чем для КМОП ИС объемной или эпитаксиальной технологий.
6. Результаты диссертации использованы на практике при разработке и
обеспечении импульсной электрической прочности КМДП/КНС ИС серий 5511 и
1825 предприятия НИИИС, серии 1825 ОАО «Ангстрем», использованы в ОАО
«ЭНПО СПЭЛС» при разработке нового поколения генераторов ОИН.
Результаты, выносимые на защиту:
Модели повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием ОИН с учетом особенностей процессов теплопереноса в тонкопленочных структурах и с учетом особенностей воздействия ЭМИ современных и перспективных источников излучения и ОИН различной длительности и формы.
Методика проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП, позволившая стандартизировать процедуру испытаний и распространить ее на современные КМОП/КНС ИС и БИС высокой функциональной сложности.
3. Разработанные аппаратные и программные средства для проведения
испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП.
4. Результаты экспериментов по определению ИЭП КМОП/КНС ИС
подтвердившие адекватность разработанных моделей разогрева тонких структур
под действием ОИН.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на российских научных конференциях «Радиационная стойкость электронных систем» (Лыткарино, МО, 2003, 2005 - 2009 гг); научных сессиях МИФИ (Москва, 2004, 2005 и 2008 гг.); научных конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника» (г. Кострома, 2003 г., Г.Н.Новгород 2004 г., г. Гатчина, 2006 г.); на научно-практических семинарах «Проблемы создания специализированных радиациионно-стойких СБИС на основе гетероструктур» (г. Н.Новгород, 2003 и 2004 гг.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах (в период с 2003 по 2009 гг.). Две работы опубликованы без соавторов. Две работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Основные результаты диссертации также вошли в отчетные материалы по 5 госбюджетным и хоздоговорным НИР. Список основных работ приведен в конце диссертации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, и заключения. Содержит 176 страниц печатного текста, включая 80 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 97 наименований.
Содержание диссертации
В первой главе дан обзор современного уровня развития КМОП/КНС ИС с точки зрения возможности их использования в объектах ВВТ. Показано, что широкому использованию КМОП/КНС ИС препятствует их повышенная уязвимость к воздействию ОИН, вызванных воздействием ЭМИ. Выполнена оценка наводимых уровней токов и напряжений. Поставлены задачи по анализу ИЭП КМОП/КНС ИС, разработке технических средств и методик проведения испытаний.
Вторая глава содержит анализ пределов применимости имитационных методов моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС. Результаты электромагнитного и физико-топологического анализа типовой КМОП/КНС структуры, показали, что основным источником возможных повреждений при воздействии ЭМИ являются электрические сигналы, наведенные на выводы ИС и соединительные проводники. Это позволяет использовать имитационные методы моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС путем подачи на внешние выводы ОИН от генератора-имитатора.
Третья глава содержит результаты разработки моделей повреждения КМОП/КНС ИС под действием ОИН с учетом особенностей процессов теплопереноса в тонкопленочных структурах. На этой основе получены соотношения для учета влияния формы и длительности ОИН на показатели ИЭП КМОП/КНС ИС.
В четвертой главе обоснованы требования к генератору ОИН и регистрирующей аппаратуре для определения ИЭП КМОП/КНС ИС. Приведено описание разработанного в ходе выполнения работы автоматизированного стенда для поведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП. На этой основе разработана общая методика проведения испытаний КМОП/КНС ИС. Приведено описание
генератора ОИН для определения ИЭП КМОП/ІСНС ИС, удовлетворяющего поставленной задаче. Проведена аттестация разработанного генератора, подтвердившая необходимые электрические параметры ОИН.
В пятой главе приведены результаты апробации разработанных методов и технических средств проведения испытаний. По результатам испытаний выполнен сравнительный анализ ИЭП КМОП/КНС ИС и КМОП ИС, выполненных по объемной технологии.
Механизмы воздействия ЭМИ на элементную базу КМОП/КНС в составе аппаратуры. Оценка наводимых импульсов тока и напряжения
Исследованиям воздействия импульсных ОИН на ИС посвящено значительное число работ как российских, так и зарубежных авторов, результаты которых отражены в большом количестве монографий, статей, докладов на конференциях, стандартов, руководящих документов и методик [5 — 23].
Вопросам создания и развития КМОП КНС ИС посвящены работы Полякова И.В., Герасимова Ю.М., Григорьева Н.Г., Киргизовой А.В. и других специалистов. Трудами Герасимова В.Ф., Посысаева Е.И., Яковлева Е.Н.. Хрулева А.К. исследованы основы физики повреждений ИС при воздействии ОИН, разработаны методические и технические основы проведения испытаний ИС на ИЭП. В диссертации Скоробогатова П.К рассмотрены методические и технические основы проведения испытаний ИС на ИЭП. В работах Ванина В.И. и Макеева С.Н. предложены и развиты аппаратные и программные средства для определения ИЭП широкого класса полупроводниковых приборов (ПП) и ИС.
Проблема воздействия ЭМИ на РЭА усугубляется созданием и появлением в последние годы преднамеренных источников электромагнитных помех с широким спектром излучений [24]. Однако обзор существующих моделей, методик и технических средств испытаний показал, что они не могут в полной мере быть использованы для определения показателей ИЭП современных КМОП/КНС ИС по следующим основным причинам: - узкий диапазон используемых ОИН, ограниченный требованиями современных нормативных документов и не учитывающий возможность воздействия перспективных источников ЭМИ с расширенным спектром излучения; - отсутствие учета особенностей проявления тепловых механизмов повреждения КМОП/КНС, связанных с тонкопленочным характером КНС структур; - отсутствие возможности учета формы и длительности ОИН на показатели НЭП КМОП/КНС ИС; - отсутствие обоснования требований к параметрам технических средств испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к воздействию ОИН и самих аттестованных средств. Отмеченные выше недостатки существующих моделей, методик и технических средств сдерживают применение КМОП/КНС ИС в аппаратуре специального назначения и не позволяют им в полной мере реализовать на практике свои преимущества. Целью диссертации является разработка методов и средств испытаний КМОП/КНС ИС военного и специального назначения на импульсную электрическую прочность, что позволит решить важную научно-техническую задачу расширения сферы применения КМОП/КНС ИС в аппаратуре объектов ВВТ. Указанная цель достигается решением в работе следующих задач: - теоретическим анализом, моделированием и экспериментальным исследованием влияния ЭМИ естественного и искусственного происхождения на КМОП/КНС ИС; - развитием имитационных методов моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС с использованием генератора ОИН; - разработкой моделей повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием наведенных ОИН с учетом особенностей процессов теплопереноса в тонкопленочных структурах, нелинейных эффектов переноса носителей в полупроводнике и с учетом возможности воздействия наводок с различной формой импульса; - разработкой методов испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к воздействию ОИН с учетом возможности проявления скрытых и аддитивных механизмов повреждения; - разработкой и изготовление технических средств испытаний КМОП/КНС ИС, включая сложно-функциональные, на стойкость к воздействию ОИН; - проведением экспериментальной апробации разработанных моделей, методов и технических средств. Научная новизна работы: 1. На основании электромагнитного анализа взаимодействия ЭМИ с КМОП/КНС ИС, показано, что с расширением спектрального состава ЭМИ растет доля поглощенной в кристалле ИС энергии. Однако, даже с учетом спектра ЭМИ перспективных источников излучения, поглощенной в кристалле ИС энергии недостаточно для заметного энерговыделения в КМОП/КНС ИС и непосредственным влиянием поля ЭМИ на кристалл ИС также можно пренебречь. 2. На основании электромагнитного и физико-топологического анализа типовой КМОП/КНС структуры показано, что основным источником возможных повреждений при воздействии ЭМИ являются электрические сигналы, наведенные на выводы ИС и соединительные проводники. Это позволяет использовать имитационные методы моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС путем подачи на внешние выводы ОИН от генератора-имитатора. 3. На основании двумерного численного моделирования электротепловых процессов к КНС структурах определена зависимость ИЭП от длительности ОИН. Показано, что зависимость ИЭП от длительности ОИН слабее, чем предсказывает формула Vm t с коэффициентом k = -0,5 (модель Вунша-Белла). Показано также, что импульсная электрическая прочность р-п переходов КНС структур при воздействии ОИН двухэкспоненциальной формы примерно на 20-30% больше, чем при воздействии ОИН прямоугольной формы. Практическая значимость работы: 1. Разработана методика проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП, позволившая стандартизировать процедуру испытаний и распространить ее на современные КМОП/КНС ИС и БИС высокой функциональной сложности. 2. Сформулированы и изложены основные требования к генератору-имитатору ОИН для моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС. 3. Разработан и изготовлен генератор ОИН для определения ИЭП КМОП/КНС ИС, удовлетворяющий поставленной задаче. Проведена аттестация разработанного генератора, подтвердившая необходимые электрические параметры ОИН. 4. Разработаны типовая структура экспериментальной установки для проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП. Разработана методика проведения испытаний ИС на стойкость к ОИН, учитывающая особенности КМОП/КНС ИС. Предложены и апробированы методические и программные средства, повышающие достоверность проведения испытаний ИС на ИЭП 5. Результаты экспериментов подтвердили адекватность разработанной численной модели разогрева тонких структур под действием ОИН. Они подтвердили, в частности, что зависимость показателя ИЭП от длительности ОИН для КМОП/КНС ИС существенно слабее, чем для КМОП ИС объемной или эпитаксиальной технологий. 6. Результаты диссертации использованы на практике при разработке и обеспечении импульсной электрической прочности КМДП/КНС ИС серий 5511 и 1825 предприятия НИИИС, серии 1825 ОАО «Ангстрем», использованы в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при разработке нового поколения генераторов ОИН.
Оценка энерговыделения в приборном слое КМОП/КНС ИС при воздействии наводки от поля ЭМИ
Видно, что в зависимости от длительности приложенного импульса энергии существенно различается поведение КНИ и КНС структур. В случае КНИ структур можно выделить два возможных тепловых режимов кремниевой подложки: - при коротких импульсах мощности преобладает тепловое сопротивление скрытого оксидного слоя, причем, чем толще слой оксида, тем выше уровень нагрева; - при длительностях импульсов 10"3 с и более начинает сказываться влияние теплопроводности подложки, ограничивающее рост температуры КНИ приборов. В случае КНС структур имеет место один режим работы, связанный с нагревом сапфировой подложки. Это означает, что при коротких длительностях импульсов (высоких частота) в КНС приборах меньше сказываются эффекты саморазогрева по сравнению с КНИ приборами.
Нагрев прибора, в свою очередь, может вызвать снижение подвижности носителей заряда [37], что может проявиться в виде участка с отрицательным сопротивлением на выходных характеристиках КМОП/КНС транзисторов. Этот эффект также должен быть включен в модели, используемые при расчете электрической реакции ИС.
Действительно, с использованием импульсной техники измерений было показано, что постоянные времени собственного нагрева КНС транзистора составляют порядок нескольких десятков наносекунд, и время, в течение которого мощность рассеивается, намного короче, чем тепловая постоянная времени устройств. Поэтому во время работы переключательных цифровых схем с типичными временами переключения меньше 1 наносекунды саморазогрев не влияет на выходные характеристики приборов. Наиболее сильно этот эффект сказывается на работе аналоговых ИС [40], вызывая появление теплового разбаланса схем.
Анализ эффектов, возникающих в электронной аппаратуре при воздействии ЭМИ, показывает, что уровень ее стойкости определяется, в основном, процессами, происходящими в наиболее чувствительных элементах, таких как полупроводниковые изделий (1111 и ИС) [41, 42]. Возникающие при этом физические эффекты можно разделить на две основные группы: непосредственные и косвенные. К непосредственным эффектам относятся явления, связанные с влиянием компонент электромагнитного поля на процессы переноса заряда в полупроводнике (гальваномагнитные, эффекты поля и т.п.). Косвенные эффекты обусловлены воздействием на элементную базу токов и напряжений, возникающих в электрических соединительных цепях аппаратуры под действием электромагнитной наводки от ЭМИ [43].
К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных и моделей, описывающих воздействие ЭМИ на ИЭТ. Спектральная плотность энергии ЭМИ ЯВ такова, что большая часть энергии импульса сосредоточена в области частот до 108 Гц, что соответствует длине волны излучения около 3 м. Это означает, что ЭМИ ЯВ является квазистационарным по отношению к характерным размерам полупроводниковых ИЭТ и небольших блоков аппаратуры. Исследования, проведенные к настоящему времени [43], показывают, что в большинстве практических случаев непосредственным влиянием квазистационарного электромагнитного поля с напряженностями электрической компоненты до 100 кВ/м и магнитной - до 600 А/м на параметры элементной базы можно пренебречь. Исключение составляют отдельные образцы магниточувствительных приборов типа магнитодиодов с длинной базой и магниточувствительных транзисторов с разделенным коллектором. Поэтому современные нормативные документы [10] не предъявляют к полупроводниковым ИЭТ требований по стойкости к ЭМИ, а указывают на необходимость проведения определительных испытаний с целью оценки фактического уровня стойкости изделий к воздействию ОИН, вызванных ЭМИ. В этих условиях задача анализа влияния ОИН, наводимых ЭМИ на полупроводниковые ИЭТ, сводится к двум более частным: - определение параметров косвенной помехи (наводки), создаваемой ЭМИ на электрических межсоединительных цепях электронных устройств, в том числе на выводах полупроводниковых ИЭТ; - анализ поведения полупроводникового элемента (ПП или ИС) под действием наведенных ОИН. Задача определения параметров наводки решается методами и средствами классической электродинамики, основанными на решении уравнений Максвелла для конкретной геометрии электронного устройства в поле ЭМИ [42]. Результатом решения являются параметры эквивалентных генераторов наводки и их импедансы по отношению ко всем выводам исследуемого полупроводникового ИЭТ. Отличительной особенностью наведенных ЭМИ токов и напряжений является их сильная зависимость от положения аппаратуры относительно направления векторов электрического и магнитного полей, конфигурации и взаимного расположения электрических цепей и контуров, номиналов элементов схем, качества экранирования и способа заземления.
Точный расчет параметров генераторов наводки с учетом параметров поля, ориентации и сложной внутренней геометрии устройства крайне затруднителен. Поэтому на практике оценивают сигналы, наведенные на самых протяженных соединительных элементах, подключенных к наиболее чувствительным выводам элементов, для самой неблагоприятной ориентации поля ЭМИ (вызывающей появление максимальных наведенных сигналов).
Решение задачи анализа поведения элемента может быть получено на основе решения систем нелинейных уравнений, описывающих поведение полупроводникового ИЭТ на электрическом и физическом уровнях под действием наводки. Результатом решения второй задачи является определение реакции исследуемого изделия на наведенные сигналы и анализ на этой основе его ИЭП. Временная форма электромагнитного импульса зависит от мощности, высоты взрыва и расстояния от центра взрыва, поэтому все многообразие форм импульсов ЭМИ сведено к нескольким стандартным формам электрического и магнитного полей. Для упрощенных расчетных оценок стойкости устройств вычислительной техники и систем управления вместо сложной аппроксимации форм ЭМИ можно использовать двухэкспонснциальные аппроксимации одиночного импульса вида [41,42]
Анализ влияния формы и параметров ОИН на импульсную электрическую прочность КМОП/КНС ИС
Оценка выделенной на входе КМОП ИС энергии от действия такого ОИН дает величину порядка 10"4 Дж, что меньше оценки для наихудшего случая, но вполне достаточно для вывода входных цепей ИС из строя. Таким образом, воздействие ЭМИ на соединительные элементы электронных устройств может привести к появлению на выводах полупроводниковых ИЭТ токов и напряжений, существенно превосходящих пороговые уровни повреждения полупроводниковых элементов.
Формы импульсов ОИН различны в зависимости от конфигурации линии и вида нагрузки и могут иметь апериодический одно- и двухполупериодный или колебательный затухающий характер. При этом полная длительность импульсов перегрузок может достигать десятков мкс для кабельных соединений длиной в десятки метров при нагрузках, имеющих комплексный характер. В то же время практически всегда в форме импульсной электрической перегрузки имеется первый полупериод, определяющий амплитуду, длительность импульса и фронта. Соотношение длительности фронта первого полупериода перегрузки к длительности импульса составляет приблизительно 1:10 для неэкранированных линий и 1:20 для экранированных. Эта форма импульса, как правило, хорошо аппроксимируется суммой двух экспонент или трапециидальной формой. Длительность импульса первого полупериода в зависимости от вида воздействующего ЭМИ колеблется от 10...15 не до 100...150 не [41]. Эквивалентный импеданс источника наводки может лежать в интервале от единиц до сотен Ом.
Использование менее чувствительных к наводке соединительных линий типа витой пары и коаксиального кабеля позволяет на порядок и более повысить стойкость ИС к ЭМИ в составе устройства, однако это не всегда удается реализовать практически.
Особенность влияния ОИН, вызванных ЭМИ, на ИС в составе аппаратуры заключается в том, что даже при относительно невысоких интенсивностях полей ЭМИ всегда существует возможность появления больших сигналов наводки вследствие неудачной конструкции аппаратуры, наличия длинных линий передачи и т.п. Протяженные элементы конструкции и линий связи могут играть роль антенн, аккумулирующих энергию ЭМИ и передающих ее на чувствительные элементы. Поскольку ЭМИ всегда сопутствует воздействию импульсных ИИ, требования к ИС по импульсной электрической прочности всегда должны учитываться при разработке элементной базы устройств и систем специального назначения.
По времени и характеру развития эффекты разделяются на первичные и вторичные. Первичные эффекты развиваются за счет энергии самого ОИН непосредственно во время его действия. К первичным следует отнести сбой и потерю информации в элементах ИС, тепловой разогрев, пробой подзатворного диэлектрика, лавинный и туннельный пробой, перегорание металлизации под действием наведенных токов. Первичные эффекты могут и не вызывать сами по себе отказа (например, туннельный пробой), но могут способствовать их развитию и переходу во вторичную форму.
Для развития вторичных эффектов необходимо накопление энергии во внутреннем объеме области полупроводника, для чего необходимо некоторое время (например, нагрев области полупроводника до точки плавления при вторичном пробое). Энергия для развития вторичного эффекта может обеспечиваться самим ОИН и (или) заимствоваться из внутренних источников (источник питания, накопительные конденсаторы). Отсутствие паразитных четырехслойных структур в КМОП/КНС ИС исключает возможность появления «тиристорных эффектов» при воздействии ОИН.
По характеру влияния на параметры элементов первичные и вторичные эффекты делят на обратимые (переходные) и необратимые (остаточные). Переходные эффекты вызывают временную потерю работоспособности КМОП/КНС ИС под действием наведенных токов и напряжений, проявляющуюся в форме сбоя (ложного срабатывания), изменения внутреннего состояния элемента, выхода режима за допустимые пределы и т.п. В этом случае после воздействия ОИН происходит восстановление работоспособности элемента через время tnp -время потери работоспособности. Остаточные эффекты (эффекты повреждения) могут носить параметрический характер (выход одного или группы параметров за допустимые пределы) или форму катастрофического отказа. Сложность определения уровней стойкости КМОП/КНС ИС к ОИН обусловлена следующими причинами: - многообразие физических эффектов, происходящих в таких ИС при воздействии ОИН, и связанная с этим необходимость использования многопараметрических критериев стойкости; - зависимость уровня стойкости от выбранных для испытаний выводов элемента; - нелинейный характер большинства происходящих процессов и связанная с этим зависимость стойкости по данной группе выводов ИС от параметров ОИН на других выводах; - зависимость уровня стойкости от формы ОИН и эквивалентного импеданса окружающей схемы, включая организацию цепи питания; - сложность внутренней структуры современных ИС и связанная с этим зависимость уровня стойкости от внутреннего состояния элемента. Поэтому стадии экспериментальных исследований стойкости КМОП/КНС ИС к ОИН должна предшествовать стадия анализа структуры, организации, технологии и схемотехники элемента со следующими задачами: - определение доминирующих механизмов повреждений при воздействии ОИН; - определение равностойких по своим электрическим характеристикам групп выводов элемента; - выявление наименее стойкой группы выводов; - определение механизмов и связей, обусловливающих взаимное влияние ОИН по различным выводам, а также возможной зависимости стойкости от внутреннего состояния элемента.
Особенности организации и методики проведения испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к ОИН
С точки зрения параметров ОИН легче разрушить обратно смещенный переход, чем прямо смещенный, вследствие более высокой рассеиваемой мощности в обедненной области перехода. Связано это с более низким порогом отпирания и меньшим сопротивлением при работе в прямом направлении. Поэтому иногда выделяют токовый вторичный пробой как отдельный механизм повреждения.
При воздействии импульса перенапряжения на р-n переход в прямом направлении для повреждения требуются, как правило, большие уровни по мощности или энергии. Однако если источник наводки имеет достаточно низкий импеданс, разрушение может происходить при прямом смещении, меньшем по абсолютной величине, чем это требуется при лавинном пробое в обратном направлении. Механизм повреждения при этом также имеет тепловую природу, но модели повреждения имеют существенные особенности, связанные с высокими плотностями протекающих токов.
Сам по себе процесс электрического пробоя еще не вызывает необратимого повреждения р-n перехода, если в условиях ограничения тока исключается выделение значительной мощности в объеме полупроводника и переход в режим вторичного пробоя.
Для оценки величины энергии, необходимой для разрушения р-n перехода, обычно используют выражение, полученное на основе решения уравнений теплопроводности в предположении неизменности тепловых констант полупроводника. Так называемая модель Вунша-Белла [47].
Тепловой вторичный пробой. Одним из основных вторичных эффектов, вызывающих повреждение 1111 и ИС, является тепловой вторичный пробой, обусловленный выделением значительной тепловой энергии в активных объемах элементов за короткий промежуток времени. Тепловой вторичный пробой вызывает резкое уменьшение обратного сопротивления р-n перехода при подаче на него напряжения, превышающего пробивное. Время от начала импульса напряжения до момента начала уменьшения сопротивления называется временем задержки. Чем больше полная мощность, рассеянная до вторичного пробоя, тем короче время задержки [41].
Анализ характера повреждений р-n перехода при вторичном пробое (образование расплавленных нитей, замыкающих переход) позволил предположить, что явление вторичного пробоя в обратносмещенном р-n переходе есть результат достижения температуры, соответствующей собственной проводимости, в локализованной области на слаболегированной стороне перехода. При такой температуре локальное сопротивление падает, а локальная плотность тока увеличивается. В результате повышается температура, пока не происходит плавление и, как следствие, короткое замыкание р-n перехода.
Для оценки величины энергии, необходимой для разрушения р-n перехода, обычно используют выражение, полученное на основе решения уравнений теплопроводности в предположении неизменности тепловых констант полупроводника. Для прямоугольного импульса оно имеет вид [47] соответственно; Ср - удельная теплоемкость полупроводника; р - плотность полупроводника; К - коэффициент теплопроводности; ТКТ) - критическая температура возникновения теплового пробоя; Т0 - рабочая температура; t3 - время задержки наступления вторичного пробоя (длительность импульса воздействующего сигнала, при которой наступает повреждение); L - некоторый характерный размер, отражающий процесс распространения тепла в ПП и ИС от области повреждения.
Зависимость энергии повреждения от длительности воздействующего импульса имеет три характерных участка: 1. При воздействии относительно коротких импульсов длительностью распространение тепла из рассматриваемой области незначительно и процесс нагрева во время возбуждения можно считать адиабатическим. переходов ПП и ИС при обратной полярности воздействующего импульса. Токовый вторичный пробой. При воздействии импульса перенапряжения на р-п переход в прямом направлении для повреждения требуются, как правило, большие уровни по мощности или энергии. Связано это с более низким порогом отпирания и меньшим сопротивлением при работе в прямом направлении. Однако, если источник наводки имеет достаточно низкий импеданс, разрушение может происходить при прямом смещении, меньшем по абсолютной величине, чем это требуется при лавинном пробое в обратном направлении. Механизм повреждения при этом также имеет тепловую природу, но модели повреждения имеют существенные особенности, связанные с высокими плотностями протекающих токов. В частности, при работе эмиттерного перехода в прямом направлении падение напряжения на распределенном сопротивлении базы приводит к уменьшению напряжения смещения эмиттерного перехода вдоль нее. Поэтому происходит вытеснение эмиттерного тока к периметру эмиттера. Это вытеснение тока увеличивается с ростом напряжения смещения и вызывает локальный перегрев структуры уже при таких токах, какие были бы допустимы в случае равномерного распределения тока. Эффект вытеснения тока приводит к уменьшению электрической прочности р-n перехода в прямом направлении.
