Актуальность исследуемой темы и степень её изучения. Широкое использование интегральных микросхем (ИМС) в вычислительной технике и в системах управления, которые находятся под воздействием ионизирующего излучения (ИИ), требует углубленных исследований надежности активных элементов, определения изменений параметров элементов и ИМС в целом. Одна из актуальных проблем — определение максимального уровня облучения, при котором ИМС будут работоспособны.
Многообразие технологий производства, схемотехнических и конструктивных решений, функциональное назначение и условия эксплуатации приводят к разному поведению элементов и ИМС при воздействии ИИ. В связи с этим необходимо разработать физические модели, которые объяснили бы физические эффекты и поведение параметров элементов и ИМС при облучении.
Высокая степень интеграции и сложность функционирования ИМС требуют дальнейшего исследования для определения деградации параметров элементов и ИМС, разработки быстрых и недорогостоящих методов определения изменения параметров элементов и ИМС, прогнозирования их работоспособности при воздействии ИИ.
Теоретические и практические аспекты этой области, как правило, имеют дискуссионный характер, который объясняется сложностью физических процессов в многослойных структурах при воздействии ИИ. К настоящему времени не скоррелированы результаты исследований из-за многообразия новых технологий производства, не определены чувствительные параметры и корреляция между ними, на основе которых можно было бы определить радиационную стойкость (РС) и прогнозировать надежную работоспособность элементов и ИМС в целом.
В этом контексте необходимо разработать расчетные методы и программные средства для экстракции параметров элементов ИМС до и после воздействия ИИ, на основе которых можно было бы определить РС и прогнозировать работоспособность элементов и ИМС при облучении. Необходимо разработать методы прогнозирования работоспособности при облучении на основе исходных параметров до и после облучения, на основе тестовых облучений и эмпирических моделей.
Данная работа посвящена прогнозированию и оценки надежности.
ИМС на основе разработки физических моделей, позволяющих описать физические эффекты при воздействии ИИ. На базе предложенных расчетных методов и программных средств анализа и обработки информации, из экспериментальных данных (до и после облучения) определяются наиболее чувствительные параметры элементов и ИМС. Используя значение параметров активных элементов ИМС, осуществляется имитационное моделирование для определения РС и прогнозирования работоспособности элементов и ИМС в целом.
Целью диссертационной работы заключаются в прогнозировании и оценки надежности ИМС на основе анализе физических эффектов в активных элементах ИМС, разработке физических моделей, расчетных методов для экстракции параметров элементов ИМС, методов определения РС и в прогнозировании работоспособности элементов и ИМС на основе комплексных методов (расчетно-экспериментальных) при ограниченном количестве экспериментальных данных.
Для достижения предложенной цели необходимо решение следующих задач:
1. Анализ механизмов деградации элементов ИМС при воздействии ИИ для формулирования основных направлений диссертационной работы.
2. Разработка физической модели накопления радиационно-индуцированного заряда (РИЗ) с помощью, которой можно определить радиационные параметры окисла металл-оксид-полупроводник (МОП) структур.
3. Экспериментальные измерение характеристик биполярных и МОП транзисторов (МОПТ) до и после облучения.
4. Разработка модели для прогнозирования деградации параметров МОП структур при облучении низкой интенсивностью, используя экспериментальные лабораторные измерения.
5. Разработка модели разделения радиационно-индуцированного сдвига порогового напряжения на объемную и поверхностную составляющие.
6. Разработка метода нейтрализации РИЗ для прогнозирования поведения параметров элементов ИМС при облучении без осуществления термического отжига.
7. Разработка расчетных методов и программных средств для экстракции параметров биполярных и МОП транзисторов до и после облучении.
8. Разработка метода прогнозирования деградации параметров биполярных и МОП структур при облучении.
9. Определение PC и прогнозирование работоспособности транзисторов и логических элементов (ЛЭ) на основе результатов имитационного моделирования с помощью программы схемотехнического моделирования SPICE.
Научная новизна полученных результатов состоит в: разработке аналитической модели описания РИЗ при облучении в окисле МОП структурразработке расчетных методов определения параметров биполярных и МОП транзисторов, используемых в программе SPICEразработке программ для экстракции параметров биполярных и МОП транзисторов до и после воздействия ИИразработке метода перехода от облучения больших интенсивностей и коротких времен к облучению малых интенсивностей и длительных временопределении значений импульсного напряжения на затворе для отжига РИЗопределении PC биполярных и МОП ЛЭразработке метода прогнозирования работоспособности транзисторов и ЛЭ на основе результатов имитационного моделирования.
Практическое значение работы. Предложенные методы и модели позволяют: объяснить физические эффекты в МОП структурах при облучениирассчитать параметры биполярных и МОП транзисторов до и после облученияиспользовать программу SPICE для имитационного моделирования характеристик ЛЭобъяснить радиационные зависимости параметров ЛЭ при облученииосуществить экстракцию параметров транзисторов до и после облученияопределить изменение параметров биполярных и МОП транзисторов при облученииперейти от результатов облучений при больших интенсивностях и коротких временах к прогнозированию облучения при малых интенсивностях и длительных временосуществить отжиг РИЗ за относительно малые временаопределить уровни облучения работоспособности ЛЭпрогнозировать работоспособность биполярных и МОП ЛЭ на основе результатов имитационного моделирования, используя программу SPICE.
Разработанные методы и программы используются в процессе проектирования и изготовления элементов ИМС с заданным уровнем PC, а также в учебном процессе на кафедрах «Микроэлектроники» Технического Университета Молдовы (ТУМ) и МИФИ для следующих предметов: «САПР», «Основы микроэлектроники», «Физика полупроводниковых приборов» и др.
Предложенные расчетные методы и программные средства экстракции параметров элементов ИМС были внедрены на ОАО &bdquo-НИИМЭ и Микрон" N603921 г. Зеленоград (Россия) (Акт внедрения от 10.02.2003), в МИФИ (Акт внедрения от 17.02.2003) и в ТУМ (Акт внедрения от 18.01.2005).
На защиту выносится:
1. Результаты исследования механизмов деградации биполярных и МОП-структур при воздействии ИИ. Образование и отжиг РИЗ при облучении. Модели отжига РИЗ. Образование поверхностных состояний (ПС) и роль водорода в их образовании. Прогнозирование работоспособности МОП-структур.
2. Эффекты воздействия ИИ на окисел МОП-структур. Методика численного моделирования формирования РИЗ в окисле МОП-структур. Результаты численного и аналитического решения системы уравнений непрерывности, описывающих РИЗ.
3. Измерение параметров элементов ИМС при облучении. Методы облучения и объекты исследования. Измерение характеристик биполярных и МОП транзисторов.
4. Расчетные методы определения параметров биполярных и МОП транзисторов. Математическая модель, используемая при моделировании биполярных и МОП структур.
5. Метод экстракции параметров математической модели транзисторов SPICE LEVEL3. Прогнозирование изменений параметров транзисторов при облучении. Разделение порогового напряжения на объемную и поверхностную составляющие.
6. Конверсионная модель и ее использование при прогнозировании деградации параметров элементов ИМС при облучении. Расчетный метод определения изменения порогового напряжения МОПТ.
7. Использование эффекта радиационно-индуцированной нейтрализации заряда (РИНЗ) для прогнозирования изменений параметров элементов ИМС при облучении.
8. Дозовые зависимости наиболее чувствительных параметров биполярных и МОП транзисторов.
9. Моделирование характеристик биполярных и МОП ЛЭ до и после облучения.
10. Определение PC и прогнозирование работоспособности биполярных и МОП ЛЭ на основе результатов имитационного моделирования.
Публикации. Основные результаты исследований были представлены и опубликованы на 21 международных форумах, научных и по специальности. Всего автором опубликовано 90 работ, по результатам диссертации опубликовано около 70 научных работ, из которых 10 — в журналах и сборниках, 4 учебника и одна монография. Общее число страниц всех опубликованных работ составляет около 2000с.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на (в): International conference on microelectronics and computer science ICMCS, Kishinev, Republic of Moldova. 1992, 1997; Semiconductor Conferences, CAS, Proceedings, IEEE — Romania section, Sinaia, Romania. 1993, 1994, 1995; Proceedings of the international symposium on signals, circuits and systems SCS, Iasi, Romania. 1993, 1995, 1997; Proceedings of the symposium on electronics and telecommunication, Timishoara, Romania. 1994; International Nuclear and Space Radiation Effects, Conference, Indiana Wells, California, USA. 1996; Congres Europeen. Les radiations et leurs effets sur les composants et les systemes, Cannes, France. 1997; Materialele conferintei § tiintifice «Matematica aplicata § i informatica», A§ M, Chi§ inau, Moldova. 1998; Buletinul § tiintific al Universitatii din Pite§ ti, seria «Matematica § i informatica», Pite§ ti, Romania. 1998; Analele Universitatii «Eftimie Murgu», Re§ ita, Romania. 1998; Conferinta international de comunican § tiintifice consacrata aniversarii a 35-a a UTM, Chi§ inau, Moldova. 1999; Simpozionul International «Lumea computerelor § i umanitatea — interactiuni § i divergente», Chi§ inau, Moldova. 1999; Радиационная стойкость электронных систем &bdquo-Стойкость — 99″, Научно-технический сборник СПЭЛС, Москва. 1999; Sesiunea § tiintifica «Symposia Professorum», seria inginerie, ULIM, Chi§ inau,.
Moldova, 2002; Analele § tiintifice ale USM, Chi§ inau, Moldova. 2003; Научная сессия МИФИ-99, &bdquo-Автоматика, электроника, микроэлектроника", Москва. 1999, 2004; Monografia «Actiunea radiatiei ionizante asupra structurilor MOS», Chi§ inau 2004.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, обобщения полученных результатов, выводов и рекомендаций, списка используемых источников (290 наименований) и приложений. Общий объем работы составляет 263 страниц включая 113 рисунков и 13 таблиц.
ОБОБЩЕННЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
Обобщая результаты исследований, можно сделать следующие выводы:
1. Установлено, что деградация МОПТ определяется деградацией порогового напряжения Vtj7 и крутизны gm. Воздействие ИИ приводит к генерации центров захвата на границе раздела оксид-полупроводник и оксид-металл, к накоплению заряда в окисле под затвором, росту концентрации ПС на границе раздела Si-SiO-? и уменьшению подвижности заряда в приповерхностной области полупроводника.
2. Доказано, что изменение параметров не заканчивается при завершении облучения. Релаксация накопленного заряда в окисле связана с туннелированием электронов из подложки, а процессы отжига положительного заряда определяются процессами тунелирования захваченных дырок в подложке и термическим &bdquo-выбросом" дырок из ловушкек в валентную зону окисла.
3. По измеренным ВАХ определены параметры, наиболее чувствительные к облучению различными источниками облучения. Для конкретной технологии, определен коэффициент корреляции между облучением у-квантами и рентгеновском излучением.
4. Изложены методы расчета параметров биполярных и МОП транзисторов для программы SPICE при облучении. На основе этих методов разработана программа экстракции параметров элементов ИМС до и после воздействия ИИ. Предложенные методы расчета параметров позволяют устранить противоречия и трудности использования модели SPICE LEVEL3 для моделирова-ния ВАХ транзисторов с учетом внешних воздействий.
5. Предложены изменения в стандартных моделях SPICE биполярных и МОП транзисторов, учитывающие радиационно-индуцированные эффекты. Проведено моделирование ВАХ биполярных и МОП транзисторов до и после воздействия ИИ. Отклонение экспериментальных и расчетных характеристик не превышает 3%, что подтверждает применимость математической модели экстракции параметров и точность полученных результатов моделирования.
6. Предложена конверсионная модель, которая используется для прогнозирования работоспособности ИМС при облучении низкой интенсивности. Разработан план эксперимента с целью уменьшения экспериментальных ошибок. Новизна модели состоит в возможности описания заряда АОц с помощью коэффициента К0г-.
7. Предложен метод прогнозирования изменения порогового напряжения, А У^ при облучении низкой интенсивности и длительных времен. Экспериментально определены подстроенные коэффициенты, используемые для расчета изменений порогового напряжения МОПТ с п-каналом, А У^ и.
МОПТ с р-каналом АР^. Рассчитаны изменения порогового напряжения.
А У^ и крутизны gm. Несоответствие расчетных и экспериментальных данных составляет не более 13%. Погрешность зависит от корректности определения подстроенных коэффициентов и от точности измерений до и после облучения.
8. Использован эффект РИНЗ для разделения компонент порогового напряжения У^ и эффектов одновременного накопления и отжига дефектов. Определены механизмы накопления заряда на ловушках в объеме заряда А00{, заряда ПС и составляющие порогового напряжения АУ0(и ЬУц, а также их дозовые зависимости. Предложенный метод позволяет экспериментально нейтрализовать заряд за время порядка 100с.
9. Экспериментально определено значение амплитуды положительного импульса, которое соответствует напряжению питания и значение амплитуды отрицательного импульса, которое равно (-1,3 -1,7)В. Число импульсов выбирается таким образом, чтобы суммарная поглощенная доза, во всех моментах положительного смещения, соответствовала максимальной дозе, по которой следует осуществить прогноз.
10. По результатам моделирования определены уровни PC работоспособности ЛЭ. Для биполярных ЛЭ: при облучении нейтронами.
2,4Е+13)н/см2- при облучении у-квантами — (l, 2E+5)rp (SiO) — при рентгеновском излучении — (3,0E+4)rp (SiO2) — Уровень PC работоспособности МОП ЛЭ при рентгеновском излучении составляет (3,0Е+4)Гр (8Ю2).
11. На основе уровня PC работоспособности биполярных ЛЭ, зная мощность дозы, осуществлен прогноз времени их работы: при облучении нейтронами — (2,4Е+10)спри облучении у-квантами — (1,2Е+7)спри рентгеновском излучении — (3,0Е+7)с. Для МОП ЛЭ при рентгеновском излучении — (3,0Е+7)с.
На основе полученных результатов предложено и внедрено следующее:
1. Расчетные методы и программы экстракции параметров, которые позволяют:
— определить параметры биполярных и МОП транзисторов для математической модели программы SPICE LEVEL3 из экспериментальных характеристик, до и после облучения;
— рассчитать дозовые зависимости параметров;
— определить наиболее чувствительные параметры биполярных и МОП структур при облучении.
2. Метод определения PC биполярных и МОП структур на основе результатов имитационного моделирования характеристик с использованием программы SPICE.
3. Расчетный метод изменения порогового напряжения МОПТ.
Метод прогнозирования времени работоспособности транзисторов.
Выражаю искренную благодарность доктору технических наук, проффесору, заведующему кафедрой &bdquo-Микрои наноэлектроники" МИФИ (Россия) г-ну В. С. Першенкову, за оказанную помощь в решении научных проблем, к.т.н., с.н.с., заведующим отделом MIKRON (Россия) г-ну В. А. Вавилову за оказанную помощь при проведения экспериментальных исследований и внедрение научных резудбтатов, к.т.н. TUT (Румыния) г-ну И. А. Аврам за оказанную помощь при проведения экспериментальных исследований и всем сотрудника и соовторам за помощь и сотрудничество.
