автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Лазерные имитационные методы моделирования переходных ионизационных эффектов в полупроводниковых приборах и интегральных схемах

На правах рукописи

АХАБАЕВ Бейбит Адиханович

ЛАЗЕРНЫЕ ИМИТАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления 05.27.01 - Твердотельная электроника и микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

- г -

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)

Научный руководитель: кандидат технических наук.

доцент Скоробогатов П. К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

.с.н.с. Макеев С.Н. кандидат технических наук, . с.н.с. Телец В.А.

Ведущая организация: АО "Ангстрем" .

Защита состоится 23 апреля 1997 г. в 16 час. в ауд. 202 на заседании диссертационного совета К053.03.03 МИФИ по адресу:' 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, телефон 323-91-67. ; С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан 20 марта 1997 г. •

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

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н.. доцент &Онищенко В.М.

Подписано к печати &-03.<$вхаз //5 Тирад </ООэр\

Типография Ы®И, Каширское шоссе,31

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Важнейшим этапом разработки полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных схем (ИС) специального назначения является обеспечение и контроль их радиационной стойкости (РС), в том числе по отношению к переходным ионизационным эффектам, которые возникают при воздействии на них импульсных ионизирующих излучений (ИМ).

Исследование и контроль РС ПП и ИС к воздействию ИИИ в настоящее время проводится на моделирующих установках (МУ) - источниках тормозного рентгеновского излучения, спектр излучения которых близок к спектру реальных факторов. Однако современные МУ не обеспечивают в полной мере требуемых уровней воздействия. Кроме того, проведение экспериментальных работ на МУ связано со значительными затратами времени и средств, а также целым рядом технических проблем: сложность дистанционного съема информации и задания режимов работы ПП и ИС, специальная подготовка обслуживающего персонала, радиационная опасность.

Поэтому актуальной является разработка альтернативных источников ионизации, имитирующих воздействие высокоэнергетичных ИИИ, таких, как лазеры.

Результаты исследований, опубликованные в литературе, показали, с одной стороны, эффективность использования лазеров в качестве источника ионизации для широкого класса ПП и ИС. ас другой - выявили целый ряд дополнительных научных и технических проблем. Основными недостатками проведенных исследований, не позволяющими использовать на практике все преимущества лазерных имитаторов, являются следующие:

- упрощенный, основанный' на линейной модели, анализ процессов взаимодействия лазерного излучения с полупроводником, справедливый при плотностях потока энергии лазерного излучения до Ю6 Вт'см"2;

- отсутствие исследований влияния особенностей конкретного технологического и конструктивного исполнения ПП и ИС на процесс и характеристики воздействия лазерного излучения:

- ориентация на энергетический критерий сравнения воздействия лазерного и высокоэнергетичного ИИИ, что сужает область .

применения лазерной имитации для ИС;

- отсутствие экспериментальных результатов сравнения лазерного и высокоэнергетичного ИИИ в диапазоне мощностей поглощенной дозы выше Ю10 рад(31)/с.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств лазерного имитационного моделирования переходных ионизационных эффектов в кремниевых ПП и ИС, вызванных воздействием высокоэнергетичных ИИИ. на основании анализа адекватности электрофизических процессов в широком классе приборов и структур.

Научная новизна и значимость работы.

Разработана физическая модель взаимодействия лазерного . излучения с элементами ПП и ИС. - основанная на совместном решении уравнений распространения излучения и фундаментальной системы уравнений для носителей заряда в полупроводнике. . учитывающая особенности конструктивно-технологического исполнения элементов и пригодная для использования в диапазоне интенсивностей лазерного излучения до 107 Вт/см2. Модель позволяет рассчитать распределение эквивалентной мощности поглощенной дозы в активных . объемах ПП и ИС и тем самым определить соответствие высокоэнер-гетичного и лазерного излучений до уровня 1013 рад(Б1)/с.

Разработана электрическая модель формирования, ионизационной реакции р-п переходов ПП и ИС. учитывающая неравномерность энер- . , говыделения лазерного излучения в ПП и ИС и эффекты высокой мощности поглощенной дозы. . Модель позволяет определить условия эквивалентности высокоэнергетичного и лазерного излучений по ионизационной реакции ПП и ИС и тем самым сократить объем экперимен-тальных работ на МУ и повысить их достоверность.

Предложены критерии адекватности лазерного имитационного моделирования на различных уровнях модельного описания, существенно расширяющие сферу применения-данных методов и позволяющие, в частности, использовать лазерные имитационные методы для определения уровня стойкости современных БИС, сложной топологии с высоким коэффициентом покрытия металлизацией (высокой неравномерностью распределения ионизации по объему).

Определен набор требований к лазерным источникам и техни-

ческим средствам проведения лазерных имитационных испытаний ПП и ИС. использование которых позволило разработать специализированный лазерный имитатор "РАДОН-5". отличающийся малой неравномерностью распределения интенсивности излучения по поверхности ПП и ИС. широким диапазоном регулировки интенсивности, малым уровнем помех, небольшими габаритами и весом и удобством эксплуатации.

Разработаны методические основы проведения лазерных имитационных испытаний ПП и ИС. позволившие существенно повысить достоверность проведения экспериментов, снизить погрешности и на этой основе сократить объем и продолжительность испытаний на МУ. Определена область применимости лазерных имитационных методов, что позволило рекомендовать данные методы в качестве необходимого этапа при'проведении испытаний ПП и ИС на стойкость к -переходным ионизационным эффектам.

Практическая полезность.

Разработана программа расчета эквивалентной мощности поглощенной дозы, создаваемой лазерным излучением в областях ПП и ИС, с учетом эффектов высокой интенсивности излучения и особенностей конструктивно-технологического исполнения изделий. Программа позволяет оперативно устанавливать связь между параметрами лазерного излучения и эквивалентной мощностью поглощенной дозы в ПП и ИС, что необходимо для проведения имитационных испытаний.

Разработаны узлы и блоки технических средств для проведения лазерных имитационных испытаний, рассчитанные на возможность испытаний современных ПП и ИС. что позволило определить уровни -.. стойкости таких сложных изделий, как ИС запоминающих устройств и микропроцессорных комплектов.

Разработаны и апробированы методики испытаний различных цифровых и аналоговых ИС на лазерном имитаторе, учитывающие специфику испытуемых изделий, позволяющие расширить сферу применения лазерного имитационного моделирования и- повысить точность экспериментальных результатов.

Проведена серия сравнительных испытаний ПП и ИС на лазерном имитаторе и МУ,• подтвердившая достоверность разработанных моделей и методик с точностью, определяемой погрешностью дозиметрии, и неопределенностью, связанной с различием эффективных длительностей импульсов МУ и лазерного имитатора.

Результаты работы использованы на практике при разработке и обеспечении стойкости КМДП ИС серий 1526. 1617. 1619. 1537 на предприятии "Ангстрем", внедрены в виде методики прогнозирования спецстойкости изделий предприятия п/я А-3560, использованы в ЭНПО СПЭЛС при разработке нового поколения лазерных имитаторов, а также использованы при подготовке РД В 22.34.127-89 "Полупроводниковые приборы и интегральные схемы. Моделирование ионизационных эффектов воздействия импульсных, излучений ЯВ лазерными имитаторами".

Автор защищает:

1. Физическую модель'взаимодействия лазерного излучения с элементами ПП и ИС, учитывающую особенности конструктивно-технологического исполнения изделий и обеспечивающую возможность определения соответствия высокоэнергетичного и лазерного излучения в диапазоне интенсивности излучения до 107 Вт/см2 и эквивалентной мощности поглощенной дозы до Ю13 рад(Б1)/с.

2. Электрическую модель формирования ионизационной реакции элементов ПП и ИС, учитывающую неравномерность энерговыделения лазерного излучения в полупроводнике, которая позволяет определить условия эквивалентности высокоэнергетичного и лазерного излучений по ионизационной реакции ПП и ИС и тем самым сократить объем экспериментальных работ на МУ и повысить их достоверность.

3. Критерии адекватности лазерного имитационного моделирования на различных уровнях модельного описания, существенно рас-

■ ширяющие сферу применения лазерных имитационных методов на область современных сложных БИС.

4. Методические основы проведения лазерных имитационных испытаний, обеспечивающие повышение достоверности экспериментальных результатов, снижение погрешности и на данной основе сокращение объема и продолжительности испытаний на МУ.

5. Результаты сравнительных экспериментальных исследований адекватности лазерного имитационного моделирования переходных ионизационных эффектов в ПП и ИС, подтвердившие обоснованность применения предложенных моделей и методов на широком классе полупроводниковых изделий.

Апробация и публикации.

■ Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на II межотраслевом совещании "Проблемы создания ППП и ИС, ■устойчивых к*воздействию внешних факторов", г. Душанбе. 1984 г.; на XXXI научной конференции МИФИ в 1985 г.; на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Лазерные технологии в приборостроении", г. Рига, 1985 г. и г. Москва, 1986 г.; на II Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации п/п приборов", г. Кишинев, 1986 г.: на III.отраслевой научно-технической конференции МПСС, - г. Минск, 1986г.; на XXXII научной конференции МИФИ в 1987.г.: на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Радиационная технология в производстве интегральных схем", г. Ташкент, 1988 г.: на IV межотраслевом совещании-семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов и интегральных схем, стойких к воздействиям внешних факторов (ВВФ), Винница, 1989 г.; на V межотраслевом семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их.основе, стойких к ВВФ", г. Петрозаводск. 1991 г.; на VI межотраслевой конференции "Воздействие ИИ на РЭА, ее элементы и материалы. -Методы испытаний и исследований", 'г.. Лыткарино МО. 1994 г.; на VI семинаре "Радиационные процессы в электронике", г. Москва. 1996 г. и на VII международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине", г. Сергиев Посад МО, 1996 г.

Всего по теме диссертации опубликовано 22 печатных работы.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 13 печатных трудах, а также вошли в отчетные материалы по НИР 85-3-344, 86-3-174, 88-3-374, 90-2-003-183 (МИФИ), "Кашира" и "Перенос" (ЭНПО СПЭЛС) и другие. По результатам работы получено авторское свидетельство. Список основных работ приведен в конце реферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 189 стр. печатного текста (включая приложения), И таблиц и библиографию, включающую 83 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью определения уровней стойкости ПП и ИС к эффектам мощности дозы ИИИ в условиях ограниченных возможностей и производительности современных МУ. В работе показаны преимущество и эффективности ' • использования лазерных имитаторов для моделирования переходных ионизационных эффектрв в ПП и ИС. вызванных воздействием ИИИ. Обоснована необходимость исследования эффектов взаимодействия : лазерного излучения :с ПП и ИС с целью разработки методов и ■ средств лазерного имитационного моделирования и расширения сферы-их применимости. .'

Основными типами дестабилизирующих ИИИ являются гамма- и '■' рентгеновское излучения ядерного взрыва. С точки зрения переходных ионизационных эффектов ионизирующее действие гамма- и рент- . геновского излучений на ПП и ИС определяется мощностью поглощенной дозы и временной формой импульса излучения. Гамма-излучение вызывает . практически однородную ионизацию кристалла ПП и ИС. в то время как при воздействии рентгеновского излучения может возникать неоднородное энерговыделение. " Мощность поглощенной дозы, создаваемая гамма- и рентгеновским излучениями, может достигать 1013 рад(Б1)/с. а эффективные длительности импульсов лежат в диапазоне десятков наносекунд.

Непосредственное моделирование ионизационного воздействия гамма- и рентгеновского* излучений, осуществляемое на источниках тормозного рентгеновского излучения, не может в полной мере удовлетворить потребность в проведении, радиационных испытаний, прежде всего за счет высокой стоимости проведения испытаний, низкой производительности МУ и недостаточной их мощности.

Альтернативными высокоэффективными источниками ИИИ являются лазерные установки. Возможность практического использования лазерного излучения для моделирования воздействия высокоэнергетич-ного ИИИ зависит от решения вопроса об адекватности воздействия излучений. ,'."••'-:/'•.. /'/' .Д" ■." ■ .. ,

Показано,'что решение,вопроса об адекватности лазерного и высокоэнергетичного ИИИ требует использования многоуровневого модельного описания, включающего в себя, функционально-логический, электрический и физический" уровни. Необходимость использо-

вания иерархического подхода обусловлена тем, что критерии адекватности излучений формируются с точки-зрения нарушения работоспособности ПП и ИС. которое характеризуется параметрами электрического, уровня описания (отклонения токов и напряжений) или функционально-логического (сбой, потеря информации и т.п.). В то же время прямое определение связи между параметрами эквивалентных излучений возможно только на языке физических моделей взаимодействия с материалами ПП и ИС.

Использование иерархического подхода позволило установить, что критерии адекватности излучений существенно различаются на разных уровнях иерархии: отсутствие адекватности на низких уровнях не отрицает' возможности обеспечения адекватности на более высоких уровнях, а адекватность на более низком уровне гарантирует заведомую адекватность имитации на всех вышерасположенных уровнях. Показано, в частности, что существенная неоднородность энерговыделения лазерного излучения в активных областях ПП и ИС. обусловленная поглощением излучения в самом полупроводнике и металлизации, не препятствует возможности адекватного моделирования амплитуды и формы ионизационного тока ПП и ИС, то есть ионизационной реакции на электрическом уровне описания. Это существенно расширяет сферу применения лазерного имитационного моделирования.' особенно для современных ПП и ИС. обладающих сложной многослойной физико-топологической структурой.

На,функционально-логическом уровне появляется возможность определения с помощью лазерных имитационных методов уровня стойкости к ИИИ таких функционально сложных БИС, как микросхемы памяти и ИС микропроцессорных комплектов.

Решение задачи об определении.соответствия воздействия вы-сокоэнегетичного ИИИ и лазерного излучения требует анализа особенностей взаимодействия лазерного излучения с материалами ПП и ИС . с учетом эффектов высокой.интенсивности и особенностей конструктивно-технологического исполнения прибора.

В ходе исследования установлено, что для определения характера энерговыделения лазерного излучения в ПП и ИС необходимо совместное решение оптических уравнений с фундаментальной системой уравнений для.переноса носителей заряда. Связано это с тем. что генерированные лазерным излучением неравновесные носители являются источниками дополнительного рассеяния излучения в ' по- ,

лупроводнике.

На этой основе разработана физическая модель взаимодействия лазерного излучения с элементами ПП и ИС, учитывающая конструктивно-технологические особенности приборов. Модель учитывает зависимости времени жизни и подвижности неравновесных носителей от уровня их концентрации, нелинейные эффекты взаимодействия лазерного излучения с полупроводником, влияние отражения излучения от поверхности кристалла и металлизации прибора и пригодна до мощностей поглощенной дозы 1013 рад(Б1)/с.при различных вариантах облучения.

. Результаты расчетов реальных структур с использованием модели показали, что наиболее оптимальным режимом лазерной имитации является режим облучения "снизу" (со стороны подложки ПП или ИС). при котором обеспечивается минимальная неравномерность распределения ионизации по о.бъему. Вместе с тем показано, что и при использовании облучения "сверху" в большинстве практических случаев боковая диффузия неравновесных носителей приводит к быстрому выравниванию их концентрации по кристаллу. Поэтому формирование ионизационного тока происходит в условиях, близких к однородной ионизации, создаваемой гамма-рентгеновским излучением. -

Показано также, что даже при наличии весьма существенной неоднородности энерговыделения по объему активной области ПП или ИС. связанной с влиянием металлизации и поглощением излучения, характер ионизационной реакции на электрическом уровне описания от действия лазерного и высокоэнергетичного ИИИ практически, совпадает. Это обстоятельство позволяет ввести понятие эквивалент-1 ной мощности поглощенной дозы, то есть такой мощности поглощенной дозы, при которой обеспечивается аналогичный воздействию высокоэнергетичного ИИИ ионизационный эффект. Эквивалентная - мощность поглощенной дозы является, в общем случае, функцией параметров излучения и физико-топологических характеристик структуры. • . ' ' .' . - •

На основании результатов анализа взаимодействия лазерного излучения с реальными структурами ПП и .ИС создана программа; "1ЛШ", написанная на языке Турбо С. Программа позволяет определять значение эквивалентной мощности поглощенной дозы, вызванной воздействием лазерного излучения в активных областях ПП и ИС, и.

ее неравномерность и тем самым устанавливать связь между параметрами эквивалентных излучений.. Программа учитывает нелинейные эффекты взаимодействия лазерного излучения с полупроводником, влияние металлизации и пригодна до интенсивностей излучения порядка 107 Вт/см2 в диапазоне длин волн от 0.8 до 1.1 мкм. Программа имеет дружественный интерфейс, не требует высокой квалификации пользователя и позволяет определить эквивалентную мощность поглощенной дозы для двух 'геометрий облучения ПП и ИС: "сверху" и "снизу"..

Сформулированы требования к параметрам лазерного излучения, обеспечивающим наиболее адекватное имитационное моделирование воздействия ИИИ на кремниевые ПП и ИС. Показано, что использование лазерного излучения с длинами волн 1,06 мкм или 1,08. мкм позволяет адекватно имитировать воздействие гамма- и рентгеновского излучений, создающих однородное энерговыделение- в кремниевых ПП и ИС. При этом интенсивность лазерного излучения, необходимая для моделирования воздействия ИИИ с мощностью поглощенной дозы до.Ю13 рад(31)/с, должна доходить до 107 Вт/см2. Имитация воздействия РИ. создающего неоднородное энерговыделение, возможна только по отдельным параметрам ионизационной реакции ПП и ИС.

В работе также разработаны методические основы проведения лазерных имитационных испытаний ПП и ИС на стойкость к ИИИ с учетом конструктивно-технологических, схемотехнических и функциональных особенностей изделий. Разработанные методики позволили существенно - повысить . достоверность проведения экспериментов, снизить погрешности и на этой основе сократить объем и продолжительность испытаний на МУ.

. Показано,' что имитационные испытания ПП и ИС на стойкость к ИИИ могут использоваться на различных стадиях разработки и производства изделий. • Основным преимуществом лазерных имитаторов является возможность их использования в лабораторных условиях во время разработки ПП и ИС. что позволяет оценить эффективность .методов повышения радиационной стойкости на- самых ранних стадиях проектирования.

Сформулированы требования к ' лазерному имитатору и системе дозиметрии, -наиболее полно отвечающие поставленным в работе целям. Показано, что диффузно-рассеянное лазерное излучение обеспечивает более высокую равномерность ионизации по объему ПП и ИС

по сравнению с узконаправленным. Предложен вариант конструкции рессеивателя-гомогенизатора. улучшающего равномерность облучения. Разработан и изготовлен портативный лабораторный вариант конструкции лазерного имитатора иРАД0Н-5" с учетом обеспечения наиболее адекватного моделирования воздействия ИИИ на ПП и ИС с помощью лазерного излучения. Прибор имеет небольшие габариты и вес (около 4 кг), содержит встроенные ослабители для регулировки интенсивности излучения в широких пределах, а также гомогенизатор для выравнивания интенсивности излучения по полю ПП и ИС.

Сформулированы требования к системе контроля параметров ПП и ИС при имитационном моделировании, обеспечивающей проведение испытаний изделий на стойкость к ИИИ. Предложен и реализован вариант системы контроля,, позволяющий проводить лазерные имитационные испытания различных ПП и ИС, включая функционально сложные БИС. Разработаны * общие методические основы проведения лазерных имитационных испытаний ПП и ИС различных конструктивных оформлений. Разработаны частные методики лазерных Имитационных испытаний ПП, а также целого ряда аналоговых и цифровых ИС.

Помимо моделирования переходных ионизационных эффектов лазерное излучение является удобным инструментом анализа свойств полупроводников. В работе описаны лазерные методы контроля параметров ПП и ИС. разработанные на основе модели взаимодействия лазерного излучения с полупроводником. Показано, -что используя сфокусированное лазерное излучение, можно определять электрофизические параметры структуры, такие как время жизни неравновес- . ных носителей заряда, диффузионную длину, необходимые при анализе ионизационной реакции изделия. .

Разработан и защищен авторским -свидетельством способ отбраковки структур, содержащих границу раздела полупроводник-полуизолирующая подложка. Способ основан на использовании лазерного излучения с длиной волны больше длины волны основной полосы поглощения полупроводника и мощностью, достаточной для'полного заполнения ловушек на границе раздела. Использование предложенного способа повышает достоверность контроля за счет обеспечения возможности селективного измерения в заданной области структуры.

Достоверность разработанных методов лазерного имитационного моделирования подтверждается в работе результатами сравнительных испытаний типовых представителей ИС на МУ и лазерных имитаторах.

Определены цели и задачи сравнительных испытаний. Показана необходимость проведения сравнительных испытаний ПП и ИС на двух уровнях модельного описания - электрическом и Функционально-логическом. .

Сформулированы требования к составу ПП и ИС, необходимых для проведения сравнительных испытаний. Показано, что наиболее полные экспериментальные данные могут быть получены в ходе испытаний БИС запоминающих устройств, в которых реализованы последние достижения технологии и схемотехники.

Проведен цикл сравнительных испытаний 30 типов ПП и ИС различных конструктивно-технологических исполнений на электрическом уровне описания. Испытания показали, что отличия показателей стойкости "испытанных ПП и ИС по электрическим параметрам (токи и напряжения), определенные по результатам имитационных испытаний, от соответствующих величин, определенных по результатам испытаний на МУ. не превышают.двух раз. Среднее квадратическое отклонение не превышает 30%. Вид ионизационной реакции (форма токов и напряжений) практически идентичен с точностью 20%,

' "Проведен цикл сравнительных испытаний ряда типов ИС различных конструктивно-технологических исполнений на функционально-логическом уровне описания. Испытания показали, что отличия показателей стойкости испытанных ПП и ИС по функционально-логическим параметрам,' определенные по результатам имитационных испытаний. от соответствующих величин, определенных по результатам испытаний на МУ, не превышают двух раз. Характер потери работоспособности в обоих случаях идентичен.

■ Указанные.отличия результатов' определения показателей стойкости на лазерном имитаторе и МУ могут быть обусловлены влиянием погрешностей дозиметрии и измерений параметров ПП и ИС, а также влиянием различий эффективных длительностей излучений лазерного имитатора и МУ.

.... Сравнительные испытания показали, что необходимый для определения показателей стойкости современных БИС к ИИИ объем экспериментальных данных может быть получен только при высокопроизводительных, имитационных испытаниях.

Отдельные- частные вопросы, представляющие интерес с точки зрения физического обоснования полученных в работе результатов, а также некоторые частные методические решения приведены в при-

ложениях к работе.

В приложении 1 выведены аналитические выражения для ионизационного тока р-п перехода с учетом неоднородности распределения ионизации по глубине кристалла. ■

В приложении 2 описана программа расчета энерговыделения лазерного излучения в ПП и ИС "ЮН", приведены особенности ее использования и пределы применимости.

В приложении 3 приведен анализ ионизационного тока р-п перехода при воздействии лазерного излучения с учетом его поглощения. Показано, что неоднородность распределения энергии лазерного излучения с длинами волн, равными 1,06 и 1,08 мкм, по глубине кристалла не оказывает заметного' влияния на величину и форму ионизационного тока.

В приложении 4 описаны методические вопросы регистрации параметров ионизационной реакции ПП и ИС в широком диапазоне токов и длительностей импульсов. Показаны особенности использования токовых трансформаторов для измерения ионизационных токов испытуемых изделий.

Диссертация содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований, проводимых автором в Московском инженерно-физическом институте в рамках хоздоговорных НИР 85-3-344, 86-3-174, 88-3-374, 90-3-003-183 и других, а также в ЭНПОСПЭЛС в рамках НИР "Кашира" и "Перенос".

Основные результаты'работы сводятся к следующим:

1. Проведен сравнительный анализ воздействия высокоэнерге-тичного ИИИ и лазерного излучений на структуры ПП- и ИС. Показано, что решение вопроса об адекватности воздействия лазерного и выСокоэнергетичного излучений требует использования многоуровневого модельного описания, включающего в себя функционально-логический, электрический и физический уровни. •

2. Сформулированы критерии адекватности излучений на различных уровнях модельного описания. Установлено, что отсутствие адекватности на низких уровнях не отрицает возможности обеспечения адекватности на более высоких уровнях, а адекватность на бо^ лее низком уровне гарантирует заведомую адекватность имитации на всех вышерасположенных уровнях.

3. Обоснована возможность обеспечения адекватности лазерной

имитации гамма- и рентгеновского излучений при отсутствии совпадения характера энерговыделения за счет расширения понятия адекватности на электрический и функционально-логический уровени модельного представления. Установлено, в частности, что даже при существенно 'неоднородном характере энерговыделения лазерного излучения по объему кристалла обеспечивается удовлетворительное моделирование' ионизационной реакции прибора в целом. Это позволило использовать лазерные" имитационные методы для определения уровня стойкости современных БИС сложной топологии с'высоким коэффициентом покрытия металлизацией (высокой неравномерностью распределения ионизации по объему).

4. Разработана физическая модель взаимодействия лазерного излучения с элементами ПП и ИС. учитывающая конструктивно-технологические особенности приборов. Модель основана на совместном решении оптических уравнений для распространения лазерного излучения и фундаментальной системы уравнений для переноса носителей заряда. Модель учитывает зависимости параметров полупроводника от концентрации неравновесных носителей заряда, нелинейные эффекты взаимодействия лазерного излучения с полупроводником, влияние металлизации прибора и позволяет установить уровни соответствия высокоэнергетичного ИИИ и лазерного излучения до интен-сивностей 107 Вт/смг и эквивалентных мощностей поглощенной дозы до ю13 рад(Б!)/с при различных вариантах облучения.

5. На основании результатов анализа взаимодействия лазерного излучения с реальными структурами ПП и ИС создана программа "Юй", написанная на языке Турбо С. Программа позволяет определять значение эквивалентной мощности поглощенной дозы, вызванной воздействием лазерного излучения в активных областях ПП и ИС, и ее неравномерность и тем самым устанавливать связь между параметрами эквивалентных излучений с учетом физико-топологических характеристик структур. Программа учитывает нелинейные эффекты взаимодействия лазерного излучения с полупроводником и пригодна до интенсивностей излучения порядка 107 Вт/смг в диапазоне длин волн от 0,8 до 1.1 мкм.

6.' Разработаны методы улучшения пространственно-энергетического распределения эквивалентной мощности поглощенной дозы, обусловленной воздействием лазерного излучения. На этой основе сформулированы требования . к параметрам лазерного излучения,

обеспечивающим наиболее адекватное имитационное моделирование воздействия ИИИ на кремниевые ПП и ИС. Показано, что использование лазерного излучения с длинами волн 1,06 мкм или 1,08 мкм позволяет адекватно имитировать воздействие гамма- и рентгеновского излучений, создающих, однородное энерговыделение в кремниевых ПП и ИС.

7. Сформулированы требования к лазерному имитат'ору и системе дозиметрии, наиболее полно отвечающие поставленным в работе целям.. Разработан и изготовлен портативный лабораторный вариант лазерного имитатора "РАДОН-5". обеспечивающий моделирование воздействия ИИИ на ПП и ИС в диапазоне эквивалентных мощностей поглощенной дозы до 1013 рад(Б1)/с на площади до 0,5 см2. Прибор отличают малые габариты. • низкий уровень помех, возможность регулировки интенсивности лазерного излучения в широком диапазоне. При разработке й изготовлении лазерного имитатора использованы специальные меры для обеспечения высокой однородности распределения ионизации по поверхности испытуемых приборов.

8. Разработаны общие методические основы проведения лазерных имитационных испытаний ПП и ИС различных конструктивно-технологических исполнений. Сформулированы требования к системе контроля параметров ПП и ИС при имитационном моделировании, обеспечивающей проведение испытаний функционально сложных изделий на стойкость к ИИИ. Разработаны лазерные методы контроля параметров различных классов ПП' и ИС (дискретные приборы, цифровые. ИС, аналоговые ИС), необходимые для оценки параметров изделий при испытаниях. Разработан и защищен авторским свидетельством лазерный, способ отбраковки структур, содержащих границу раздела полупроводник-полуизолирующая подложка. Метод позволяет повысить радиационную стойкость изделий за счет предварительной отбраковки потенциально уязвимых пластин.

9. На основе разработанных методик проведен цикл сравнительных испытаний 30 типов ПП и ИС биполярной и МОП-технологий различного конструктивного исполнения на электрическом и функционально-логическом уровнях контроля параметров. Испытания пока-. зали. что отличия показателей'стойкости испытанных ПП и ИС по электрическим параметрам (токи и напряжения) и функционально-логическим параметрам, определенные по' результатам имитационных испытаний, от соответствующих величин, определенных по результа-

там испытаний на МУ. не превышают, в наихудшем случае,, двух раз. Среднее квадратическое отклонение не превышает 30%. Вид ионизационной реакции (форма тока и напряжения) практически идентичен с погрешностью, не превышающей 20%. Характер потери работоспособности испытанных цифровых ИС на функционально-логическом уровне также аналогичен.

Отмеченные в ходе испытаний отличия результатов определения показателей стойкости на лазерном имитаторе и НУ обусловлены влиянием погрешностей дозиметрии И измерений параметров ПП и ИС, а также влиянием различий 'эффективных длительностей излучений : лазерного имитатора и МУ. Испытания на практике подтвердили высокую эффективность использования лазерных имитаторов для. моделирования переходных ионизационных эффектов в ПП и ИС.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Ахабаев Б.А., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Лазерные ионизационные методы измерения параметров . полупроводниковых структур для контроля качества технологических операций при про. изводстве интегральных•микросхем//Тез. докл. Всес. научно-техн.

семинара "Лазерные технологии в приборостроении". Рига, 1985, с.139-140.

2. Ахабаев Б.А.. Скоробогатов П.К. Физические основы моделирования переходных эффектов в элементах ИМС оптическими мето-

I 'дами// В сб.' Тезисы докладов II Всесоюзной конф. "Физические основы надежности и деградации п/п приборов", Кишинев. 15-16.05.1986.

3. Ахабаев Б. А.. Никифоров А. Ю.. Скоробогатов П. К. Требования 'к . лазерным установкам для контроля качества интегральных микросхем ионизационными методами//В кн. "Лазеры в народном хозяйстве". М.: Знание. 1986, с.117-119.

4. Ахабаев Б.А.. Никифоров А.Ю.. Скоробогатов П.К. Лазерные ионизационные . методы измерения параметров полупроводниковых структур//В кн. "Электроника для экспериментальной физики" под ред. Т.М.Агаханяна. Й.: Знергоатомиздат, 1986, с.8-13.

5. Аствацатурьян Е.Р., Ахабаев Б.А., Никифоров А.Ю. и др. Лазерный имитационный контроль ионизационной реакции КМДП ИС в процессе разработки и производства//Тез. докл. Всесоюзного науч-

но-техн. семинара "Радиационная технология в производстве интегральных схем". М.: 1988, с. 265-266.

6. Аствацатурьян Е.Р.. Ахабаев Б.А., Скоробогатов П.К. Моделирование переходных ионизационных эффектов в ИМС лазерными методами//Зарубежная электронная техника. 1988, вып. 6(325), с. 34-75.

7. Ахабаев Б.А.. Громов Д.В., Прохоцкий Ю.М. и др. Физические основы моделирования импульсного ионизирующего излучения лазерным излучением//В сб. "Вопросы создания PC п/п приборов и ИМС". М.: ЦНТИ "Поиск". 1990. с.58-60.

8. Ахабаев Б.А., Аствацатурьян Е.Р., Громов Д.В. и др. Способ отбраковки структур, содержащих границу раздела полупроводник-полуизолирующая подложка// Авторское свидетельство N 1609397 от 22.07.1990 г. (по заявке N 4464701 ОТ 25.07.1988 Г.).

9. Аствацатурьян Е.Р., Ахабаев Б.А.. Барбашев В.М. и др. Лабораторный имитационный комплекс//В сб. тез. докладов V межотраслевого семинара "Проблемы создания полупроводниковых приборов. ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ". - М.: АДС "Рад-тех-СССР". 1991, с. 89-90.

10. Аствацатурьян Е. Р., ' Ахабаев Б. А., Герасименко A.B. и др. Лазерный имитационный стенд//В сб. тез. докладов V межотраслевого семинара "Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ". - М.: АДС "Радтех-СССР". 1991, с. 91-92.

■ 11. Ахабаев Б. А. Методика лазерных имитационных, испыта-ний//В сб. тез. докладов V межотраслевого семинара "Проблемы создания полупроводниковых приборов. ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ". - М.: АДС "Радтех-СССР"., 1991. с. 95-96.

12. Ахабаев Б. А.. Никифоров А. Ю.. Скоробогатов П. К. и др. Лазерное имитационное моделирование объемных ионизационных эффектов в полупроводниковых приборах и интегральных схемах//Воп-росы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 1995. вып. 1-2, с.81-88.

13. Ахабаев Б. А.. Никифоров А. Ю., Скоробогатов П. К., и др. Адекватность лазерных методов контроля ионизационной реакции ИС//В сб. тезисов докладов VII международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине". - М.: 1996. с. 100-102.