Моделирование дозовых и одиночных радиационных эффектов в кремниевых микро- и наноэлектронных структурах для целей проектирования и прогнозирования (31.08.2009)

Автор: Зебрев Геннадий Иванович

На рис.10 показана рассчитанная зависимость значения нормированного эффективного выхода заряда (eff/(G как функция двух переменных: мощности дозы P и температуры облучения T (а), а также мощности дозы P и величины электрического поля в окисле Eox при облучении (б).

Рис. 10 (б). Рассчитанный выход заряда (eff/(G как функция мощности дозы и электрического поля в окисле (T = 300 K, min Eox =104 В/см)

Результаты расчета, показанные на рис. 10(а) являются иллюстрацией того факта, что облучение при повышенной температуре является хорошим способом проведения ускоренных испытаний, имитирующих низкоинтенсивное облучение. Ситуация осложняется тем, что при увеличении температуры облучения имеет место конкуренция двух разнонаправленных процессов: (1) увеличения выхода зарядов и (2) термического отжига части рекомбинационных центров. Поэтому, в биполярных приборах высокоинтенсивное облучение (~ 100…300 рд/c) при повышенных температурах не всегда приводит к уровню деградации, эквивалентному воздействию излучений низкой интенсивности (<< 1 рд/c).

В диссертации описана модель рекомбинационных токов биполярных транзисторов при накоплении и отжиге рекомбинационных центров с двумя типами дефектов (6)

Временные константы отжига (a1(2) = (a0 exp((a1(2)/kB T) были получены из сравнения с экспериментами (a0 ( 10-7 с, (a1 ( 0.8 эВ, (a2 ( 1.2 эВ.

Рис.11. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей тока базы от температуры облучения для разных доз. Интенсивность облучения 294 рд(SiO2)/с Рис.12. Рассчитанные кривые эквивалентной деградации для переменных «мощность дозы – температура облучения»

Оптимальное соотношение температур и интенсивности облучения зависит от конкретного изделия (и даже от контролируемого параметра), требуемой дозы облучения, выбранного коэффициента запаса, и может быть установлено только путем предварительных испытаний. Предложенный подход позволяет предсказать поведение транзистора при радиационном воздействии (рис. 11) и выбирать эквивалентные условия с разными параметрами «температура-доза» для ускоренных испытаний (рис. 12), что может служить основой для экспериментальной методики прогнозирования, что проиллюстрировано на рис. 12.

В диссертации разработана математическая модель совместного описания эффекта временного логарифмического отжига и эффекта усиления выхода заряда при низкой интенсивности [39]. Экспериментально наблюдаются два вида зависимостей от мощности дозы. Во-первых, это временной эффект одновременного отжига (релаксации) накопленного радиационного заряда в окисле. Уменьшение интенсивности облучения для фиксированной дозы приводит к увеличению эффективного времени сопутствующего отжига и, соответственно, к уменьшению радиационного заряда в окисле. Этот эффект доминирует в тонких подзатворных окислах МОП транзисторов с высокими значениями характерных электрических полей. Во-вторых, имеет место истинный эффект мощности дозы, связанный с увеличением выхода радиационного заряда с уменьшением интенсивности, что характерно для приборов биполярных технологий с толстыми слоями изоляции и относительно низкими электрическими полями в них. Проведенные расчеты показали, что туннельный отжиг в значительной мере компенсирует аномальную зависимость от мощности дозы в боковой изоляции МОП транзисторов. Это объясняет тот факт, что аномальные эффекты интенсивности не проявляются, либо не очень выражены для радиационно-индуцированных токов утечки МОП транзисторов.

4. Моделирование одиночных радиационных эффектов

Проблема отказов элементов микроэлектроники, вызванных отдельными частицами спектра космических излучений, стала в последнее время доминирующей проблемой обеспечения надежности функционирования аппаратуры космических аппаратов.

??!?>

??????????!?а

1дов. С другой стороны, расчетные методы сами по себе не обеспечивают полной достоверности прогнозирования. Прямой контроль стойкости электронной компонентной базы к одиночным радиационным эффектам в космическом пространстве предполагает использование ускорителей высокоэнергетических частиц. В настоящее время ведется работа по организации экспериментального центра на базе ускорителя ИТЭФ РАН для проведения испытаний изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) на воздействие одиночных протонов и ТЗЧ. Соискатель принимал непосредственное участие в разработке методического и программного обеспечения для этого центра [46-51].

Проблема прогнозирования интенсивности единичных сбоев имеет несколько аспектов. Стойкость цифровых элементов к воздействию одиночных частиц определяется технологическими и схемотехническими параметрами элементной базы. Радиационная стойкость по отношению к ОРЭ определяется помехоустойчивостью ячеек памяти и является по своей природе схемотехнической величиной. Это означает, что при наличии полной информации от изготовителя и/или проектировщика о схемотехнических характеристиках ячейки памяти параметры радиационной стойкости, - например, критический заряд ячейки памяти, - могут быть рассчитаны с помощью стандартных средств САПР. Значительная часть физико-технологических, электрических и топологических параметров явно закладывается при проектировании, но проблема состоит в том, что радиационная стойкость часто является функцией скрытых параметров, не контролируемых явным образом проектировщиком и изготовителем. Поэтому параметры чувствительности к радиационным эффектам (например, ОРЭ) не могут быть рассчитаны независимо от эксперимента даже при наличии полной технологической информации от изготовителя и проектировщика. На практике полная информация о схемотехнических параметрах либо отсутствует, либо носит весьма приблизительный характер. Поэтому для обеспечения достоверности прогнозирования необходимо привязывать расчетные результаты к опорным экспериментам.

Тем не менее, расчетные методы, во-первых, могут существенно сократить набор необходимых дорогостоящих экспериментов и тем самым удешевить и ускорить процедуры испытаний; во-вторых, оценку скорости сбоев в условиях космического пространства можно получить только расчетными методами, и, наконец, расчетные методы оценки параметров радиационной чувствительности незаменимы при проектировании радиационно-стойких ИМС.

На рис. 13 представлена блок-схема комплексной программы работ по прогнозированию интенсивности ОРЭ в космическом пространстве, включающая в себя: расчеты спектров космического излучения на заданных орбитах при заданной защите; экспериментальное определение параметров чувствительности к ОРЭ в ходе наземных испытаний; схемотехнические расчеты с привлечением данных от изготовителя и проектировщика, расчет интенсивности сбоев в заданных условиях космического пространства.

Рис.13. Блок схема расчета интенсивности сбоев в космическом пространстве

Частично эта программа реализуется в рамках широкой кооперации, организуемой под эгидой НИИКП и Роскосмоса, с участием ИТЭФ РАН и НИИП (экспериментальная установка и методика испытаний), НИИЯФ МГУ (расчет спектров космических излучений) и МИФИ (методики обработки результатов и программа расчета скорости сбоев, разработанные под руководством соискателя).

5. Схемотехническое моделирование параметров чувствительности ячеек памяти КМОП технологий

В главе 4 рассмотрены схемотехнические методы расчетов параметров чувствительности ячеек памяти к ОРЭ, дополняющие традиционные экспериментальные методы, использование которых часто затруднено по экономическим причинам. В частности, подробно описан метод эквивалентного генератора тока, имитирующего ионизационный импульс тока при прохождении отдельной ионизирующей частицы [52, 53]. Критический заряд, характеризующий помехоустойчивость, например, КМОП ячейки статической памяти, является интегральной характеристикой ячейки и зависит от совокупности всех топологических и электрических параметров данной ячейки, таких как крутизна, пороговые напряжения и емкости транзисторов и может быть рассчитан с помощью стандартных систем схемотехнического проектирования (например, CADENCE SPECTRE или ORCAD).

Импульс ионизационного тока от тяжелой заряженной частицы моделируется генератором тока:

где Q0 - индуцированный одиночной частицей заряд, (F - время спада тока, связанное со временем собирания заряда (~ 0.2…0.4 нс), (R - время нарастания тока, связанное со временем дрейфа носителей через ОПЗ p-n перехода (~ 10..50 пс). Времена считаются фиксированными, а рассчитанное значение собранного заряда Q0, при котором происходит переключение, считается критическим зарядом QС. Входной информацией для расчетов является набор SPICE параметров BSIM3 для всех компонентов ячейки памяти. В свою очередь, расчетные значения критического заряда являются входной информации для программы расчета скорости сбоев в условиях космического пространства (PRIVET).

Параметры транзисторов ячейки задаются с использованием системы модели BSIM3v3, позволяющей работать с субмикронными длинами каналов. Было проведено исследование влияния основных параметров ячейки памяти на величину ее критического заряда. В частности, были исследованы: влияние топологических характеристик (рост отношения ширины к длине канала W/L приводит к увеличению критического заряда и, соответственно, меньшей вероятности сбоя); порогового напряжения (увеличение порогового напряжения приводит к снижению QC); крутизны (чем больше крутизна, тем больше QC); емкости узлов (QC и время переключения зависят от соотношения емкостей обратных связей); сопротивления в цепи обратной связи (увеличивает QC) и напряжения питания (см. рис. 14). Было показано, что влияние схемотехнических и технологических параметров на чувствительность ячейки памяти к отдельным частицам часто носит противоречивый характер.

Например, увеличение крутизны p-канального МОПТ за счет увеличения его ширины при фиксированной ширине 2-х транзисторов, с одной стороны, увеличивает критический заряд при попадании частицы в сток n-МОПТ, но снижает QС при попадании в сток p-МОПТ (см. рис. 15). Таким образом, детальное схемотехническое моделирование позволяет проводить оптимизацию радиационной стойкости ячейки памяти вообще, и чувствительности к воздействию отдельных ионизирующих частиц в частности.

Рис.14. Расчетные значения критического заряд ячейки памяти как функция напряжения питания для попадания в n-МОПТ и p-МОПТ Рис.15. Расчетные зависимости критического заряда от ширины транзисторов (в мкм) в ячейке памяти (суммарная ширина двух транзисторов составляет 3.9 мкм)

Инжекция заряда основных носителей в изолированную базу КНИ транзистора при прохождении отдельной ионизирующей частицы может приводить к возникновению паразитного биполярного эффекта, что может существенно снизить помехоустойчивость ячейки.

Табл. 2. Экспериментальные параметры чувствительности для КМОП объемной и КНИ 0.5 мкм технологии

объемная технология КНИ с плавающим телом КНИ с заземленным телом

сечение насыщения, 10-7 cм2/бит 14 1 1

критическое ЛПЭ, МэВ см2 /мг 6 2 8

Развитая физическая модель паразитного биполярного эффекта в КНИ транзисторах [54, 55] вместе со схемотехническим моделированием показали, что КНИ КМОП ячейки памяти с изолированным (плавающим) телом имеют в общем случае существенно меньшее значение критической энергии (ЛПЭ) по сравнению с ячейками с заземленным телом (см. табл. 2), что нашло полное экспериментальное подтверждение (см. ссылки в [1]).

6. Методы расчета интенсивности одиночных сбоев от тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства

Разработка микроэлектронных систем для космических и специализированных применений требует автоматизированных средств и методов расчета и предсказания скорости сбоев и вероятности отказов в заданном радиационном окружении и для заданных значений технологических параметров элементов интегральных структур, описанию которых посвящена глава 5.

Методы прогнозирования скорости сбоев (отказов) цифровых компонентов интегральных схем от одиночных высокоэнергетических частиц космического пространства основываются на сечениях, определяемых экспериментально в ходе наземных испытаний. Понятие сечения сбоя в литературе определено неоднозначным образом. Дифференциальное сечение сбоя от одиночных частиц строго определяется как

[см-2 стерад-1 (МэВ-см2/мг)-1] – дифференциальный поток частиц на единицу телесного угла и на единицу ЛПЭ. С учетом (7), формула для полного количества сбоев приобретает вид

На практике спектр ЛПЭ считается изотропным и тогда предыдущая формула упрощается и принимает вид

– сечение сбоев, усредненное по полному телесному углу. Усреднение по телесному углу можно выполнить с использованием большого набора экспериментальных зависимостей сечений от ЛПЭ для разных углов падения. На практике это невозможно по экономическим причинам. Поэтому усреднение по полному углу можно заменить усреднением по длинам хорд чувствительного объема ячейки памяти

с привлечением распределения f(s) по длинам хорд для заданной формы чувствительного объема и концепции критического заряда (и соответствующего критического энерговыделения) EC.

Тогда количество сбоев представляется в виде функционала на двумерной области «ЛПЭ – длина хорды» [55, 56]

где S0 – площадь поверхности чувствительного объема, K(( - EC) – функция чувствительности, имеющая вид размытой ступеньки, которая параметризуется распределением Вейбулла, извлекаемого из экспериментальной зависимости сечения сбоев от ЛПЭ. Эта формула является наиболее общей математической структурой в рассматриваемом приближении и в разных частных приближениях сводится к известным и используемым в мировой практике методам расчета. Для каждого элемента этой области вычисляется вероятность сбоя, определяемая произведением дифференциального распределения длин хорд, ЛПЭ спектра и функции чувствительности. Вид подынтегрального выражения изображен на рис. 16; полная скорость сбоев равна интегралу по всей области, т.е. объему фигуры под поверхностью.


загрузка...