автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Диагностирование интегральных схем по параметрам нелинейности характеристик энергопотребления

Г 1 и УН

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

САЗОНОВ СЕРГЕЯ НИКОЛАЕВИЧ (УЗБШКТАЮ

УЛК 621. 396: 658.56П

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ШГЕГРАЛЬШХ СХЕМ ПО ПАРАМЕТРАМ НЕЛИНЕЙНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой сге..<?ни кандидата технических наук

Киеп -

Работа выполнена в Киевском политехническом институте

Научные руководитель: доктор технических наук, профессор Сердюк Г. Е.

Официальные оппоненты-, доктор технических наук, профессор 7 сиг икс В. Г.

кандидат технических наук, вед. науч. сотр. Мартынюк Я В.

Ведущая организация: институт проблей моделирования в энергетике АН Украины (г.Киев)

Зашита состоится " "ая 1993 г. в М ~ часов

на заседании Специализированного Совета Д 063.14.09 в Киевском политехническом институте.

Отзывы на автореферат в двух эиаенпдяра.", заверенные печатью учреждения, проспи направлять по адресу;

252066, г. Киев, проспект Победы, 3?, КПИ, Ученому секретарю.

С диссертацией можно огяакошться в библиотеке Кпезск-сгс; политехнического института.

Автореферат „дослан " апреля г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, - . ^

д. т. и. ; профессор ¿¡¿¡¿ыМс?. О. В. Буковский

X ь

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ РГ6 ОД ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

'] 5 ПОЯ ШзЗ

На правах рукописи

ГАДОЕВ Сабзаали Мухшулович

"ПАРАЗИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЩЩ ИМС БРИ РАБОТЕ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР"

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления 05.27.01 - твердотельная электроника и никроэлектрони ка

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Скоробогвтов П.К. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Гафуров В.Г. доктор технических наук, профессор Шагурин И.И. Ведущая организация: научно-технический центр испытаний

радиоэлектронных средств НПО "Взлёт" .

Запета состоится "В " У2 1993 г. в час, ¿^мин. на заседании специализированного совета Д-053-03.03 в Московском инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31, 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ,

Просим принять участие в работе совета и прислать.отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан " " _ / / 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета В'.М.Онишенко

г

ОБЩАЯ ХЛРМТЕРИСТЖА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Развитие современной элементной базы на основе широкого внедрения интегральной технологии сопровождается появлением, целого ряда сопутствующих факторов, оказывающих существенное влияние на ее работоспособность и стойкость при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Одним из основных эффектов, вызванных совершенствованием технологии и ростом степени интеграции микросхем, является срабатывание (защелкивание) паразитных четы-рехслойных структур, в том числе под влиянием дестабилизирующих воздействий. Особенно это относится к элементам, выполненным по технологии КВДП, которые находят широкое применение в РЭА спецназначения,, предназначенной для работы в интервале температур 210°- 400°К, а в отдельных случаях до 500°К.

Анализ и прогнозирование этих эффектов усложняется существенной зависимостью значений параметров •■ защелкивания микросхем от местоположения паразитной структуры в ИМС, схемотехнической и функциональной организации схемы в целом, а также от ее электрического режима, функционального состояния и условий эксплуатации. Кроме того, при наличии в КМС нескольких паразитных структур, была установлена возможность их сильного взаимного влияния. При этом характер внешнего проявления защелкивания в реальных ИМС существенно отличается от традиционного поведения одиночной четырехслойной структуры. Работа в широком температурном диапазоне дополнительно усложняет картину процессов.

Однако, до настоящего времени .отсутствует достаточно полная и адекватная модель защелкивания паразитных четырехс-лойньк структур КМДП микросхем современных технологий в широком диапазоне температур, на основании которой можно было бы дать обоснованные рекомендации по обеспечению их надежной работы, разработать методики испытаний. Это обстоятельство сдерживает применение КМДП микросхем в аппаратуре спецназначения, ядерно-физических установках, скважинкой аппаратуре, для которых характерны высокие температурные уровни, электромагнитные и радиационные воздействия.

Поэтому актуальность работы по выявлению закономерностей проявления' паразитных эффектов в КЩП ИМС и разработки

модели, адекватной при работе в широком диапазоне температур не вызывает сомнения. Актуальность работы подтверждается техническими заданиями на НИР "Кавказ", ОКР "Такт-ГОУ256КР" и др., финансируемыми в 1991-92 г. из Госбюджета Российской федерации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является разработка методов и средств расчетного и экспериментального моделирования защелкивания паразитных 4-х слойных структур в современных КВДП ИМС, адекватно отражающих зтот эффект в широком диапазоне температур. Поставленная цель требует решения целого ряда вопросов, тесно связанных друг с другом:

а) Выделение системы параметров, определяющих стойкость микросхемы к эффекту защелкивания и разработка модели, адек-

-ватно описывающей этот эффект в широком диапазоне температур;

б) Определение температурных зависимостей параметров модели;

в) Разработка методики измерения для идентификации системы параметров модели защелкивания;

г) Разработка и создание экспериментального лазерного стенда с температурным полем для исследования ИМС и тестовых структур;

д) Выработка рекомендаций по применению КВДП микросхем в широком диапазоне температур.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы определяется следующими результатами:

1. Выделены доминирующие механизмы, определяющие стойкость КВДП структур к защелкиванию с учетом влияния температуры и способа возбуждения.

2. Разработана достаточно полная модель защелкивания, пригодная для использования в широком диапазоне температур, а также варианты моделей для использования в КМДП ИМС конкретных технологий. Разработанная модель позволяет достоверно прогнозировать температурные зависимости параметров защелкивания паразитных 4-слойных структур, что позволяет рекомендовать ее для использования в составе САПР КМДП ИМС.

3. На основании анализа физических эффектов получены

Н

соотношения, позволяющие рассчитывать эквивалентную мощность поглощенной дозы, создаваемой в кремнии лазерным излучением, с учетом поглощения на свободных носителях и температурных воздействий.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:

а) Разработана методика проведения эксперимента на лазерном имитаторе высокоэнергетичного ИИ, позволяющая достоверно контролировать параметра защелкивания 4-х слойных структур в широком диапазоне температур;

б) На основании теоретических и экспериментальных результатов полученных в работе, разработана и изготовлена экспериментальная установка, обеспечивающая необходимые для эксперимента равномерность и интенсивность облучения, требуемые температурные режимы и возможность подключения диагностической аппаратуры;

в) На базе экспериментальной установки определены температурные зависимости параметров используемой модели, позволяющие произвести расчетную идентификацию параметров модели в широком диапазоне температур.

АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции по исследованию полупроводниковых материалов в твердом и жидком состоянии (Душанбе - 1987), на Всесоюзной конференции по проблемам создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ (Петрозаводск -1991), Республиканской конференции по физико-техническим основам получения и исследования полупроводниковых материалов в твердом и жидком состоянии (Куляб -1992).

Материалы диссертации опубликованы в восьми печатных трудах. ■ .

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Страниц машинописного текста 51, рисунков 34, .таблиц 3, библиография 60 наименований. Общий объем работы 88 страниц.

Автор защищает:

- электрическую модель защелкивания паразитных 4-х слойных структур, адекватную в широком диапазоне температур для КМДП ШС различных технологий;

- методику расчетной идентификации параметров модели защелкивания с учетом температурных зависимостей;

- методику экспериментального моделирования совместного воздействия ионизирующего излучения и температуры с использованием лазерного имитационного стенда.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи работы, практическая ценность и даны положения, выносимые на вашиту.

Первая глава посвящена обзору литературных данных, не-, обходимых для решения поставленной задачи, а также рассмотрены основные исходные положения для анализа паразитных 4-х слойных структур в ИМС:

- особенности эффекта защелкивания в ИМС различных технологий;

- виды и уровни дестабилизирующих факторов;

- влияние электрического режима и схемно-функциональной организации ИМС на эффект защелкивания.

Анализ литературы свидетельствует о наличии существенной зависимости параметров защелкивания паразитных 4-х слойных структур КВДП ИМС от их схемно-технсшогического исполнения и температуры. При разработке модели защелкивания в КМШ ИМС, адекватно описывающей этот процесс в широком диапазоне температур, необходимо учитывать следующие факторы:

- многообразие вариантов конструктивно-технологического исполнения КВДП ИМС;

- возможность активизации паразитных структур различными внешними факторами;

- взаимное влияние ЩЩ1 элементов в БИС, приводящее к зависимости параметров защелкивания от внутреннего состояния схемы;

- возможность расчетной и экспериментальной идентификации параметров модели.

Во второй главе предложены и теоретически обоснованы методы расчетного моделирования эффекта защелкивания , выделены основные закономерности проявления эффекта защелкивания. определена базовая модель и точность задания параметров элементов ее эквивалентной схемы (ЭС), а также преложены смешанные методы моделирования эффекта защелкивания. В этой

главе с учетом комплекса требований, предъявленных в работе, • в качестве модели для описания эффекта защелкивания выбрана двухтранзисторная эквивалентная схема и показана возможность использования выбранной модели для адекватного описания изменения параметров защелкивания в широком температурном диапазоне от 210 до 400°К для различных способов возбуждения: радиационного, электрического и т.п. Приведены варианты учета в двухтранзнсторной эквивалентной схеме электрического режима работы структуры и взаимного влияния элементов.

Разработаны также упрощенные варианты моделей для конкретных технологий с учетом способа возбуждения. Выделены доминирующие параметры, определяющие стойкость к защелкиванию в диапазоне температур до 350-400°К в зависимости от способа возбуждения.

В третьей главе работы приводятся результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей параметров физического и электрического уровней, влияющих на характеристики паразитных 4-х слойных структур, a также методы повышения стойкости структур и оценка возможностей их активизации в КЩП ИМС различного типа. Определена взаимосвязь параметров физического уровня (время жизни неравновесных носителей, коэффициент диффузии, ширина обедненного слоя р-п перехода) с электрическими параметрами используемой модели, такими как напряжение отпирания р-n перехода, коэффициент передачи тока транзистора, ионизационный ток перехода, позволяющая произвести расчетную идентификацию параметров модели в интервале температур от 200 до 400°К с учетом особенностей технологии и режима работа ШС.

Проведен анализ потенциально уязвимых паразитных структур и на этой основе выбраны методы повышения стойкости КМДП ИМС к эффекту защелкивания с учетом их эффективности при повышенных температурах. Результаты проведенных экспериментов подтверждают достоверность используемой модели и методов идентификации параметров в широком диапазоне температур.

В четвертой главе рассмотрены физические аспекты моделирования и описана методика проведения эксперимента. Показана необходимость учета зависимости коэффициента поглощения лазерного излучения от концентрации свободных носителей й

получены соотношения, позволяющее рассчитать эквивалентную мощность поглощенной дозы в кремниевых ШС в интервале температур до 350-400°К. С целью определения этих данных была проведена серия экспериментов на кремниевых тестовых структурах, облучаемых неодкмовым лазером с длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса порядка 15 не и энергией в импульсе 70 мДк, что позволяет создавать у поверхности кристалла эквивалентную мощность поглощенной дозы до 1012 рад(Б1)/с. Изготовлена экспериментальная установка на основе лазера Радон-5, обеспечивающая необходимую для эксперимента равномерность облучения во всем диапазоне интенсивностей, требуемые режимы работы и температурное поле для испытуемой МО.

Разработана методика проведения эксперимента, позволяющая достоверно и с требуемой точность измерять параметры защелкивания 4-х слойных структур различных КВДП ИМС в диапазоне температур 200-400°К.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулированы основные требования к модели защелкивания паразитных 4-х слойных структур в КВДП ИМС, пригодной для использования в широком диапазоне температур.

2. Показана возможность использования двухтранзисторной эквивалентной схемы в качестве модели, адекватно описывающей изменение параметров защелкивания в широком температурном диапазоне для различных технологий и способов возбуддения.

3. Разработана базовая модель защелкивания- с учетом воздействия ионизирующих излучений, а также варианты моделей для 'использования в КВДП ИМС различных технологий.

4. Выделены доминирующие параметры модели, определяющие стойкость КВДП структур к защелкиванию с учетом способа возбуддения.

5. Определены температурные зависисмости параметров используемой модели, позволяющие произвести расчетную иденти-

■ фикадто параметров модели в диапазоне температур до 350-400°К, подтвержденные экспериментально.

6. На основании анализа нелинейных физических эффектов получены соотношения, позволяющие рассчитывать эквивалентную мощность поглощенной дозы, создаваемой в кремнии лазерным

излучением, с учетом поглощения на свободных носителях и температурных воздействий.

7. Разработана методика проведения эксперимента на лазерном имитаторе высокоэнергетичного ИИ, позволяющая достоверно контролировать параметры защелкивания 4-х слойных КВДП структур в диапазоне теиператур от 200 до 400°К при интенсивности облучения до 1012 рад(31)/с.

8. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, обеспечивающая необходимые для эксперимента равномерность и интенсивность облучения, требуемые температурные и электрические режимы исследуемой схемы и возможность подключения диагностирующей аппаратуры.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в работах:

1. "Влияние температуры на активизацию четырехслойных структур ЩЦП ИС" / П.К.Скоробогатов, А.В.Раткин, С.М.Гадо-ев. В кн.: Физико-химические основы получения и исследования полупроводниковых материалов в,твердом и жидком состоянии (Тезисы докладов), г. Куляб, ноябрь 1989, стр. 129.

2. "Имитационные испытания КВДП ИС на защелкивание при воздействии импульсного лазерного излучения в условиях повышенной температуры". / П.К.Скоробогатов, С.М.Гадоев. В кн.: Физико-химические основы получения и исследования полупроводниковых материалов в твердом и жидком состоянии (Тезисы докладов), г. Куляб, ноябрь 1989, стр. 130.

3. "Схемотехническое моделирование базовых элементов ИС с учетом воздействия импульсного ионизирующего излучения" / А.В.Головин, С.М.Гадоев, А.Ю.Никифоров, П.К.Скоробогатов. В кн.: Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ (Тезисы докладов), г. Петрозаводск, сентябрь 1991, стр.

4. "Модель для расчета влияиия температуры на радиационные защелкивания КВДП структур" / П.К.Скоробогатов, Н.С.Султанов. С.М.Гадоев. В кн.: Вестник Таджикского госуниверситета, 1991, N5, стр. 168.

5. "Паразитные эффекты в КВДП ИМС при работе в широком диапазоне температур" / С.М.Гадоев. В кн.: Полупроводниковые и микроэлектронные устройства обработки данных (Сборник научных трудов), г. Москва: МИ®, 1991, стр. 18.

6. "Физические проблемы моделирования воздействия высо-коэнергетичного ионизирующего излучения лазером в широком диапазоне температур" / П.К.Скоробогатов, Н.С.Султанов, С.М.Гадоев. В кн.: Доклады Академии наук Республики Таджикистан, 1992, N2, стр. 52.

7. "Температурная зависимость параметров физического уровня в паразитных 4-х слойных структурах КЩП ИС" / С.М.Гадоев, П.К.Скоробогатов, Н.С.Султанов. В кн.: Физико-химические основы получения и исследования полупроводниковых материалов в твердом и жидком состоянии (Тезисы докладов), г. Куляб, декабрь 1992, стр.

8. Гадоев С.М., Саломов Л.А. "Методы повышения стойкости паразитной 4-х слойной структуры ". В кн.: Физико-хими-

'ческие основы получения и исследования полупроводниковых материалов в твердом и жидком состоянии (Тезисы докладов), г. Куляб, декабрь 1992, стр. 53.

Подписано в печать£.-.'■/• Заказ Тираж

Типография ШШ, Каширское шоссе, 31