автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Моделирование радиационных отказов пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах

На правах рукописи

БОЙЧЕНКО ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ОТКАЗОВ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА КРЕМНИЕВЫХ, КАРБИДКРЕМНИЕВЫХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор: ^

(/ Москва-2009 г.

003470030

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

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Никифоров Александр Юрьевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

Шелепин Николай Алексеевич

Кандидат технических паук Фигуров Валерий Сергеевич

Ведущая организация: ФГУ «22 ЦНИИИ Минобороны России»

Защита состоится 15 июня 2009 г. в 15 час. 00 мим. На заседании диссертационного совета Д212.130.02

в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409 Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 324-84-98, 323-91-76

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан /у мая 2009 г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

П.К. Скоробогатов

Общая характеристика работы

Диссертация направлена на решение научно-технической задачи разработки и развития расчстно-эксперимснтальных методов моделирования радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин (ПМВ) па кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, имеющей большое значение для создания новых перспективных радиациоппо-стойких элементов, устройств и систем управления, сбора и обработки информации военного, космического и другого специального назначения, определения возможных областей использования и повышения эффективности их применения.

Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки и развития эффективных методов расчетпо-эксперимснталыюго моделирования радиационных эффектов в ПМВ на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах как нового важного класса изделий микроэлектроники в условиях ограниченных возможностей определения информативных параметров преобразователей на испытательных моделирующих установках (МУ) и имитаторах.

Перспективным направлением развития аппаратуры военного, космического и другого специального назначения, является создание новых классов изделий на основе автономного и полуавтономного принципа функционирования. Перспективной элементной базой для новых систем, отвечающей требованиям по надежности, ресурсу, массогабарит-ным показателям, энергопотреблению являются изделия микросснсорики и микросистсм-пой техники, выполненные по технологиям микроэлектроники. Создание таких изделий предполагает использование в их составе широкой номенклатуры элементов и систем сбора и обработки информации, в частности, пьезопреобразователей механических величин -давления, ускорения, силы и т.д. Современный пьезопреобразователь механической величины представляет собой интегрированное устройство, выполненное в едином конструктивно-технологическом базисе, в состав которого, как правило, входят первичный пьезопреобразователь механической величины, предназначенный для преобразования сигнала измерительной или управляющей информации в электрический сигнал и вторичный преобразователь (ВП), выполняющий функцию преобразования, обработки и коммутации электрического сигнала и, как правило, реализованный в виде аналоговой микросхемы.

Современные тактико-технические требования, предъявляемые к микросистемам специального назначения, определяют условия их эксплуатации при радиационных воздействиях. При этом одними из наиболее уязвимых к радиационным воздействиям элементов современных электронных систем являются преобразователи механических величин, расположенные в начале измерительной цепи. Т.о. необходимость создания новых перспективных микросистем специального назначения, исследования возможных областей их применения определяет важность и актуальность научных задач исследования и моделирования закономерностей радиационного поведения ПМВ и определения доминирующих механизмов их радиационных отказов в условиях трудностей определения точностных па-

з

раметров характеристики преобразования в ходе дистанционных измерений и помех при испытаниях на МУ и отсутствия широкого опыта применения имитаторов для этих задач.

Развитие микросистемной техники и ее реализация по технологиям микроэлектроники привело к тому, что в 90х годах преобразователи физических величин и компоненты датчиков (ПФВ и КД) стали восприниматься не только как средства измерений, а в качестве микроэлектронпых устройств. Это привело к необходимости подтверждения соответствия ПМВ требованиям нормативной документации на микросхемы по радиационной стойкости. Однако ранее исследования радиационного поведения ПМВ в основном проводились в составе аппаратуры и не позволяли определять наиболее информативные - точностные параметры их радиационной деградации. Т.о. актуальной стала задача развития методических и технических средств расчетно-эксперименталыюго моделирования радиационного поведения ПМВ как отдельного класса микроэлектронных изделий.

Поэтому в качестве объектов исследования в диссертации выбраны ПМВ, реализованные по трем конструктивно-технологическим направлениям, в наибольшей степени ориентированным на радиационные применения - кремниевые мембранные пьезопреобра-зователи (например, серий ИПД, ТДМ, АВИ - ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ), - карбидкремниевые мембранные пьезопреобразователи (Центр Микротехнологии и Диагностики СПбГЭТУ) и - пьезокерамические преобразователи. В настоящее время модели, методические и технические средства определения доминирующих механизмов и характерных уровней радиационных отказов указанных первичных преобразователей пьезоре-зистивного и пьезокерамического типов отсутствуют.

В условиях запрета натурных облучательных опытов и ограниченных возможностей МУ широко используются имитационные методы радиационных исследований изделий микроэлектроники, позволяющие существенно расширить систему контролируемых параметров и повысить информативность результатов. Однако, опыт системного использования имитационных методов радиационных исследований для пьезорезистивных и, особенно, для пьезокерамических преобразователей отсутствует. Т.о. актуальным становится исследование возможностей применения, развитие и адаптация имитационных методов оценки и прогнозирования радиационной стойкости ПМВ.

Отдельной задачей является выбор системы параметров-критериев работоспособности ПМВ, как самостоятельного класса изделий микроэлектроники, и разработка методик их определения в процессе радиационного эксперимента.

Наиболее распространенными элементами вторичных преобразователей (ВП) являются микросхемы операционных усилителей (ОУ), интегральных компараторов напряжения (ИКН) и аналоговых ключей и коммутаторов (АКК). В многочисленных работах широко представлены исследования радиационного поведения аналоговых микросхем, в результате чего были разработаны методические и технические средства оценки их радиационной стойкости. Однако в последнее время произошла существенная модернизация тех-

4

нологии производства аналоговых микросхем с использованием новых технологических норм и топологических решений (ОУ 140, 1463, 1467 серий; ИКН , 521 и 1467 серий; ЛКК 590 серии), а увеличение функциональной сложности систем обработки и коммутации выходного сигнала привело к широкому использованию специализированных БИС. Испытания на МУ, проводимые до недавнего времени, не обладали достаточной информативностью из-за невозможности контроля большинства информативных параметров аналоговых микросхем вследствие дистанционного характера измерений и больших уровней помех на МУ. Т.о. необходимо провести расчстно-экспсрименталыюе моделирование доминирующих механизмов радиационных отказов современных аналоговых узлов вторичных преобразователей для учета новых технологических и топологических решений с использованием преимуществ имитационных методов. При этом важно определить влияние радиационной деградации параметров ВП на стойкость ПМВ в целом.

Значимость и актуальность темы диссертации отражена в «Основах политики Российской федерации в области развития электронной компонентной базы па период 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002, в соответствии с которыми создание радиационно-стойкой электронной компонентной базы (ЭКБ) отнесено к одной из основных задач в области ее дальнейшего развития при разработке, производстве и применении в стратегически значимых системах.

Состояние исследований по проблеме

Базовые физические представления о природе взаимодействия радиационных воздействий с полупроводниковыми структурами ИС сформированы в трудах Ухина H.A., Ладыгина Е.А., методологические подходы и принципы моделирования основных радиационных эффектов в элементах ИС развиты в работах д.т.н. Агаханяна Т.М., д.т.н. Скоро-богатова П.К. (эффекты мощности дозы в кремниевых приборах и ИС), д.т.н. Псршснкова B.C., д.т.н. Зинченко В.Ф., к.т.н. Согояна A.B. (дозовые эффекты в биполярных и МОП-структурах), д.т.н. Чумакова А.И. (эффекты воздействия отдельных ядерных частиц в БИС), д.т.н. Улимова В.Н., к.т.н. Романснко A.A., к.т.н. Фигурова B.C. (методы радиационных испытаний). Однако все эти работы практически не рассматривали ПМВ и не учитывали их специфики в качестве объектов радиационных исследований.

Вопросы разработки, изготовления и развития преобразователей механических величин и датчиков широко представлены в трудах д.т.н. Вернера В.Д., д.т.н. Кузина А.Ю., д.т.н. Лучинина В.В., д.т.н. Саурова А.Н., д.т.н. Тельца В.А., д.т.н. Чаплыгина Ю.А., д.т.н. Шслепина H.A., к.т.н. Ваганова В.И. и многих других специалистов. Однако в этих трудах практически не рассматривались вопросы моделирования радиационных эффектов в ПМВ.

В работах к.т.н. Подлепецкого Б.И. и к.т.н. Никифоровой М.Ю. рассмотрены дозовые эффекты в химических датчиках (водорода и др.) на МОП-структурах, в работах д.т.н. Мордковича В.Н. и д.т.н. Мальцева П.П. - дозовые эффекты в преобразователях магнитной индукции, однако доминирующие механизмы их радиационных отказов отличны от ПМВ.

5

Обширное исследование радиационного поведения интегральных преобразователей информации (ИПИ) проведено в работах д.т.н. Никифорова А.Ю., которым предложен методологический подход к развитию теоретических и экспериментальных методов моделирования доминирующих радиационных эффектов и закономерностей радиационного поведения современных сложно-функциональных ИПИ при воздействии импульсного ИИ в широком диапазоне уровней воздействий и с учетом конструктивно-технологической реализации, режимов и условий работы. Однако при этом пьезорезистивные преобразователи затронуты лишь кратко наряду с многими другими классами ИПИ, а пьезокерамические преобразователи вообще не анализировались. Отметим, что работы Никифорова А.Ю. ограничивались рассмотрением только эффектов воздействия импульсного ИИ на ИПИ практически без анализа эффектов стационарных радиационных воздействий.

В ранее проведенных исследованиях широко освещена проблема использования лазерного и рентгеновского имитационного моделирования при проведении радиационных исследований микросхем. Однако использование в ПМВ новых материалов (пьезокерами-ки и т.д.) привело к необходимости анализа адекватности применения и выбора оптимальных параметров имитаторов и в целом рационального выбора испытательных установок.

Новые технологические и топологические решения (проектные нормы, БиКМОП и т.д.) требуют развития методических и технических средств оценки радиационной стойкости аналоговых элементов вторичных преобразователей (ОУ, ИКН, АКК и др.).

Таким образом, диссертация направлена на разрешение научного противоречия, которое заключается одновременно в необходимости и невозможности обеспечить достоверное расчстно-экспериментальное моделирование доминирующих радиационных эффектов в ПМВ на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, оставаясь в рамках имеющихся методов и средств теоретического и экспериментального моделирования без их существенного научно-технического развития.

Целью диссертации является развитие научных методов и разработка методических и технических средств моделирования радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах с учетом характеристик радиационных воздействий, а также режимов и условий работы преобразователей в аппаратуре.

Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:

- Анализ тенденций развития ЭКБ и особенностей применения ньезопреобразовате-лей механических величин в радиационно-стойкой аппаратуре.

- Выявление, теоретический анализ, моделирование и экспериментальные исследования основных закономерностей поведения, доминирующих радиационных эффектов и механизмов отказов в первичных пьезопреобразователях на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах и их элементах при стационарных и импульсных ионизирующих воздействиях.

- Анализ адекватности и методических особенностей имитационного экспериментального моделирования первичных пьсзопрсобразоватслсй механических величин на кремниевых, карбидкрсмнисвых и диэлектрических структурах, развитие методики дозиметрического сопровождения имитационных исследований применительно к ПМВ для различных вариантов конструктивного исполнения изделий.

- Разработка радиациоипо-испытателыюго комплекса, обеспечивающего возможность одновременного задания радиационного воздействия, температуры и измеряемой механической величины, разработка рекомендаций по выбору необходимого и достаточного набора параметров-критериев годности и обеспечению радиационной стойкости пьезо-прсобразоватслей механических величин.

- Исследование и моделирование доминирующих механизмов радиационных отказов аналоговых элементов вторичных преобразователей с учетом расширенной системы их информативных параметров-критериев работоспособности, получение и систематизация оригинальных экспериментальных данных о радиационном поведении вторичных преобразователей в широких диапазонах режимов работы, температуры и уровней воздействий.

Научная новизна работы:

1. Разработана модель ионизационного отклика кремниевых мостовых пьезопреоб-разователей, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений в программном пакете «ОЮОЕ-21)», в соответствии с которой синфазный отклик выходного напряжения преобразователей на импульсное ионизирующее воздействие определяется реакцией паразитных диодных структур между контактами пьезорезисторов и подложкой, а парафазный - асимметрией топологии преобразователя.

2. Разработана модель ионизационного отклика мостовых пьезопреобразователей на карбидкрсмнисвых структурах, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений в программном пакете «01СЮЕ-81С», в соответствии с которой основным механизмом отклика преобразователей является радиационно-иидуцированная ионизационная проводимость диэлектрических слоев.

3. Разработана модель ионизационного отклика пьсзоксрамических преобразователей, учитывающая распределение центров захвата дырок на межзеренной границе, в соответствии с которой зависимость ионизационного тока преобразователя от интенсивности ионизирующего воздействия является сублинейной, что соответствует выводам теории множественного захвата и подтверждается экспериментально.

4. Установленное влияние накопленного радиационно-индуцированного положительного заряда на величину ионизационного тока пьезокерамических преобразователей приводит к необходимости совместного анализа эффектов дозовых и мощности дозы, что определяет неадекватность для этих задач методов лазерного имитационного моделирования. Экспериментально показано, что ионизационный отклик пьезокерамических преобразователей при воздействии лазерных имитаторов определяется термомеханическими нро-

7

цессами в результате импульсного неоднородного энерговыделения и вторичным пироэф-фектом.

5. Результаты проведенного теоретического моделирования в системе GEANT показывают, что относительные значения поглощенной дозы в пьезокерамических преобразователях уменьшаются на порядок на глубине до 40 мкм, что не позволяет использовать рентгеновские имитаторы для моделирования дозовых эффектов в пьезокерамике в связи с существенной неоднородностью распределения поглощенной дозы в чувствительном элементе пьезокерамического преобразователя.

Практическая значимость работы:

1. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований эффектов смещения и дозовых эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых и карбидкремниевых структурах с использованием моделирующих установок. Установлено, что стойкость пьезопреобразователей механических величин по указанным эффектам существенно (более чем на порядок величины) выше по сравнению с элементами вторичных преобразователей. Результаты диссертации внедрены в ГНЦ НПК «Технологический центр» МИЭТ, ФГУП ФНПЦ «НИИИС им. Е.Ю.Седакова» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при разработке и радиационных испытаниях интегральных преобразователей давления и ускорения (ИПД, ПДМ, АВИ), использованы в отчетности по НИР, выполненным по заказам Минобороны России и предприятий оборонного комплекса (НИР «Мида», «Вельвет», «Латинист» и др.).

2. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований аналоговых элементов вторичных преобразователей, выполненных по биполярной, КМОП, БиК-МОП, КМОП КНС технологиям, в том числе операционных усилителей, компараторов напряжения, аналоговых ключей и коммутаторов и специализированных СБИС. Впервые исследования проводились с контролем расширенной системы параметров критериев радиационной стойкости в диапазоне температур. Разработано более 50 методик испытаний элементов вторичных преобразователей, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «Светлана-Полупроводники», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Миландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС».

3. Предложена методика выбора информативного набора параметров-критериев радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, основанная на контроле электрических и точностных параметров в процессе воздействия.

4. Разработана методика дозиметрического сопровождения имитационных радиационных исследований пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, базирующаяся на методе калибровки по результатам испытаний на моделирующих установках и методе расчетной дозиметрии с

учетом наличия слоев различных материалов в составе конструкции, сложности формы и большого объема чувствительных областей элементов.

5. Полученные в диссертации результаты реализованы в Нормативных документах Минобороны России (ОСТ В 11.073.013 часть 10), а также в более чем 50 программах-методиках и протоколах испытаний ПМВ и элементов вторичных преобразователей, согласованных с ФГУ «22 ЦНИИИ Минобороны России» в рамках Государственной Программы Вооружений.

Результаты, выносимые на защиту

1. Расчетная модель ионизационного отклика кремниевых мостовых пьсзопрсобра-зоватслсй, связывающая радиационно-индуцированный разбаланс их выходного напряжения при импульсном ионизирующем воздействии с ионизациониым током, протекающий через паразитные диодные структуры между контактами иьезорезисторов и подложкой. Модель позволяет прогнозировать величину и длительность синфазной и парафазной составляющих отклика выходного разбаланса пьезопреобразователей при импульсном ионизирующем воздействии.

2. Расчетная модель ионизационного отклика карбидкремнисвых мостовых пьезопреобразователей, связывающая радиационно-индуцированный разбаланс их выходного напряжения при импульсном ионизирующем воздействии с радиационно-индуцированной ионизационной проводимостью диэлектрических слоев. Модель позволяет прогнозировать величину и длительность выходного разбаланса пьезопреобразователей при импульсном ионизирующем воздействии.

3. Расчетная модель зависимости ионизационного тока пьсзоксрамичсских преобразователей от интенсивности ионизирующего воздействия, учитывающая распределение центров захвата дырок на межзеренной границе и объясняющая экспериментально наблюдаемые сублинейный характер данной зависимости и уменьшение величины ионизационного тока пьезокерамических преобразователей при накоплении радиационно-индуцированного положительного заряда.

4. Методики и реализующий их экспериментальный комплекс, позволяющие проводить определение всех информативных параметров пьезопреобразователей механических величин при совместном воздействии ионизирующих излучений, измеряемой механической величины и температуры, а также полученные с их использованием оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационного поведения типовых представителей пьезопреобразователей механических величин.

5. Методики и оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационной стойкости основных аналоговых элементов вторичных преобразователей (операционные усилители, компараторы, аналоговые коммутаторы, БИС управления), обеспечивающие контроль расширенной системы параметров-критериев в диапазоне температур,

что повышает достоверность определения показателей радиационной стойкости пьезопре-образователей механических величин в целом.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на Международных научных конференциях по радиационным эффектам RADECS-2001 (Франция, 2001г.) и RADECS-2007 (Франция, 2007г.); на научных сессиях МИФИ (Москва, 2000-2009 гг.); на Российских научных конференциях "Радиационная стойкость электронных систем" (Лыткарино, 20002008 гг.); па научной конференции "Микро- и наноэлектроника" (2001-2008 гг.).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах (в период с 2000 по 2009 гг.), в том числе 1 - в реферируемом журнале и 4 - без соавторов.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 150 страниц, в том числе 82 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 59 наименований и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Содержание диссертации Введение обосновывает актуальность работы, выбор объектов исследований, обобщает краткие результаты анализа ранее выполненных научных работ по тематике и на этой основе обосновывает наличие научного противоречия, которое заключается одновременно в необходимости и невозможности обеспечить достоверное расчетно-эксперимепталыюе моделирование доминирующих радиационных эффектов в ПМВ на кремниевых, карбид-кремниевых и диэлектрических структурах, оставаясь в рамках имеющихся методов и средств теоретического и экспериментального моделирования без их существенного научно-технического развития.

Первая глава посвящена анализу проблемной ситуации в области развития ПМВ для радиационно-стойких систем; в ней описываются типовая структура и особенности построения современных пьезопреобразователей механических величин, радиационные эффекты в ПМВ и существующие методы их моделирования, приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие высокую потенциальную стойкость ПМВ пьезорезистивного типа на кремнии и карбиде кремния к воздействию эффектов смещения и дозовым эффектам, обоснована постановка задач исследований.

Вторая глава содержит анализ доминирующих механизмов ионизационной реакции ПМВ на кремниевых структурах, модель радиационного поведения ПМВ на кремниевых структурах при ИИВ, а также методы повышения радиационной стойкости ПМВ па кремниевых структурах.

Третья глава содержит описание доминирующих радиационных эффектов в ПМВ на карбидкремпиевых структурах, обоснование адекватности применения лазерного имитационного моделирования эффектов мощности дозы в ПМВ на карбидкремпиевых структу-

pax, моделирование и экспериментальные исследования эффектов мощности дозы в ПМВ на карбидкремииевых структурах.

Четвертая глава содержит анализ применимости имитационных методов исследований эффектов дозы и мощности дозы в ПМВ на пьезокерамичсских структурах, описывается методика дозиметрического сопровождения имитационных радиационных исследований ПМВ и определяются границы их применимости, приводится модель доминирующих механизмов радиационных отказов ПМВ на пьезокерамичсских структурах с учетом совместного воздействия дозовых эффектов и эффектов мощности дозы.

Пятая глава посвящена исследованиям радиационной стойкости номенклатуры ИС вторичных преобразователей с учетом расширенной системы параметров критериев в диапазоне температур, разработке рекомендаций по оптимизации системы параметров критериев радиационной стойкости ПМВ в целом с учетом особенностей радиационного поведения первичного пьезопреобразоватсля и элементов вторичных преобразователей.

Предложена методика выбора критериальных параметров стойкости ПМВ па кремниевых структурах при воздействии эффектов мощности дозы, описан универсальный комплекс для расчетно-эксперимснтального моделирования доминирующих радиационных эффектов в ПМВ, позволяющий проводить исследования при совместном воздействии ионизирующих излучений, измеряемой механической величины и температуры.

Заключение обобщает основные теоретические и практические результаты диссертации.

Анализ проблемной ситуации в области развития ПМВ на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах для радиациопно-стойких систем

В результате анализа литературных источников и результатов исследований отечественных ПМВ установлено, что подавляющее большинство современных ПМВ построено па основе первичных преобразователей (ПП) пьезорсзистивного типа па кремнии и карбиде кремния. Применение новых для микроэлектроники материалов привело к широкому распространению ПМВ на диэлектрических структурах, в частности па пьезокерамике. Обобщенная структура современного ПМВ приведена на рис. 1.

Пьезорезистивный Дискретные ОУ и КН Дискретные БиКМОП БИС

аналоговые ключи и

Пьезокерамичесшй коммутаторы КМОП БИС

Рис. 1. Структура интегрального пьезопреобразователя механической величины.

и

Современные ПП на кремнии и карбиде кремния (§¡0) построены по мостовой пьезо-резистивной схеме. В ПП на диэлектрических структурах используются пьезоэлектрические свойства материалов, в частности пьезокерамик (PZT и т.д.).

ПМВ пьезорезистивного типа (кремниевые и карбидкремниевые) изготавливаются в рамках базовой микроэлектронной технологии, что обосновывает возможность применения существующих в микроэлектронике методических и технических подходов к оценке их радиационного поведения. Результаты впервые проведенных в работе экспериментальных исследований радиацио7шого поведения показывают более высокую стойкость первичных кремниевых и карбидкремниевых пьезопреобразователей к дозовым эффектам и структурным повреждениям по сравнению с типовыми уровнями для микросхем (рис. 2).

-2.5

и„, мВ

0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6

О Исследуемый прибор (Д1)

□ Контрольный прибор (Д2)

о о__

□

□ °

О

0.0-10® 4.0-10" е.О-Ю15 1.2.10й 1.6.10м 2.О.1ОмФ0ед./см^

Рис. 2а. Зависимость выходного напряжения пьезорезистивного кремниевого преобразователя от флюенса нейтронов.

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 Р, крад

Рис. 26. Дозовая зависимость напряжений разбаланса исследуемого и контрольного пьезорезистивных кремниевых преобразователей относительно начального значения.

Измерение электрических параметров пьезорезистивного моста на основе ЗЮ, до и после нейтронного облучения (1,51015 см"2) показало незначительные изменения номинального сопротивления и начального разбаланса моста, которые находятся в пределах погрешности измерения этих параметров на кристалле с помощью внешних зондов.

Экспериментальные результаты показывают, что в диапазоне доз до З'Ю6 ед. изменение чувствительности пьезорезистивного кремниевого преобразователя не превышает 0.1%, что находится в пределах погрешности эксперимента (рис 26).

В результате экспериментальных исследований на МУ установлено, что при уровнях воздействия до 106 ед. изменение напряжения разбаланса пьезорезистивного моста на основе 85С не превышает 2%. Это говорит о высокой, по сравнению с ИС, стойкости карбид-кремниевых пьезопреобразователей к дозовым эффектам.

Обобщенный анализ проблемной ситуации показал невозможность решения поставленных задач с помощью существующих па момент начала работы методических и технических средств радиационного эксперимента и радиационного моделирования ПМВ без их развития и подтвердил необходимость и актуальность темы и цели диссертации.

Анализ стойкости мостовых пьсзонрсобразоватслсй МВ на кремнии к воздействию импульсного ионизирующего излучении

В качестве основного средства расчетного моделирования эффектов мощности дозы в мостовых пьезопреобразователях МВ на кремнии принят программный комплекс «ЭЮОЕ-20», основанный на численном решении фундаментальной системы диффузионно-дрейфовых уравнений непрерывности, переноса и Пуассона в двумерном приближении на основе метода прямых и жсстко-устойчивых методов Гира.

Л.

р+ р р+ р р+ р р+ р р+

О 100 200 300 40С 490 530 «20

О 1070 11101200 130014001500 К

►5В о <} +2,5 В 9 +2.5В

I П«- Пи--^ь-^

а. б.

Рис.3. Эквивалентная двумерная схема мостового преобразователя для анализа синфазной (а) и парафазной (б) составляющих ионизационного отклика выходного напряжения.

Проведенное расчетное моделирование (рис. За) показало, что синфазная составляющая ионизационного отклика кремниевых пьезорезистивных ПП определяется паразитными диодными структурами, образованными пьезорезисторами и соединительными диффузионными областями. Парафазная составляющая отклика определяется асимметрией, связанной с различным расположением пар резисторов по отношению к контакту питания, соединенному с подложкой (рис. 36). Результаты расчетного моделирования находятся в хорошем качественном и количественном соответствии с полученными экспериментальными данными (рис. 4, 5).

С помощью расчетного моделирования установлено, что повышение УБР мостовых ПМВ на кремнии достигается улучшением симметрии топологии преобразователя. Уменьшение ВПР преобразователей достигается вводом дополнительного заземления нижней части мембраны либо снижением времени жизни неосновных носителей заряда.

2 В/дел; 500 нс/дел а. б.

Рис. 4. Расчетные (а) и экспериментальные (б) временные зависимости синфазной составляющей ионизационной реакции мостового преобразователя давления при воздействии импульса ИИ мощностью дозы 1,Н09 (1), 1,8-109 (2) и 4,3109 (3) рад^/с.

----- Ш----

II.

I

_______ ___ _____

а. б.

Рис. 5. Расчетные (а) и экспериментальные (б) временные зависимости парафазной составляющей выходного напряжения мостового преобразователя давления при воздействии ИИ мощностью дозы 2,0-10 рад^Ус.

Анализ стойкости мостовых пьсзонрсобразователсй МВ на карбиде кремния к воздействию импульсного ионизирующего излучения

Анализ ионизационной реакции мостовых ПМВ на карбиде кремния с использованием программного комплекса «0100Е-81С» показал, что основным механизмом ионизационной реакции приборов данной конструкции является наведенная ионизационная проводимость диэлектрических слоев. Асимметрия площадей диэлектрических слоев может приводить к тому, что уже при относительно невысоких уровнях ИИ (порядка Ю10 ед./с) наблюдается существенный разбаланс моста, достигающий значений 0,4В во время воздействия. При дальнейшем росте мощности дозы ИИ разбаланс моста уменьшается, однако при этом резко уменьшается его чувствительность за счет шунтирования рабочих сопротивлений моста ионизационной проводимостью диэлектрических слоев (рис. 6). Модуляция сопротивления резисторов импульсом ИИ практически не сказывается на параметрах ионизационной реакции датчика. Это связано с чрезвычайно низкими значениями подвижности и времени жизни носителей в используемом карбиде кремния (рис. 7). Результаты моделирования качественно и количественно подтверждены полученными экспериментальными данными.

Рис. 6. Расчетная зависимость напряжения Рис. 7. Результаты расчетов модуляции со-разбаланса на выходе 8¡С пьезопреобразо- противления пьезорезистора преобразователя от мощности дозы ИИ с учетом ио- вателя при воздействии 22 не импульса ИИ низационной проводимости диэлектрика и с максимальным уровнем 1012 рад(81С)/с. асимметрии моста.

Время потери работоспособности пьезопреобразователей на основе карбида кремния практически полностью определяется длительностью импульса ИИ (без заметных запаздывающих эффектов).

Расчетным путем показано, что повышение стойкости 81С пьезопреобразователей к воздействию импульса ИИ возможно при увеличении толщины диэлектрических слоев прибора и выполнении топологии разводки металлизации прибора с максимально возможной симметрией по отношению к площади каждого из выводов моста.

Анализ зависимости коэффициента поглощения светового излучения от длины волны основных политипов карбида кремния показал, что для целей лазерного имитационного моделирования наиболее пригоден участок вблизи 3 эВ в области полосы основного поглощения.

Проведенная теоретическая оценка дает для энергии ионизации 611-81С при плотности 3,166 г/см3 величину энергии ионизации равную 9 эВ, близкую к экспериментально определенному значению 9,3±1 эВ. Следовательно, фактор ионизации карбида кремния составляет go з 2,3-1013 пар/(см3 рад). Поэтому эквивалентная мощность дозы у поверхности карбида кремния, создаваемая лазерным имитатором (ЛИ), при коэффициенте отражения Я = 0,21 может быть оценена по формуле:

Р,кв(0,1) = 0,79а[1л(1)/(2,3-10'3 Ну)]. (1)

Выбор оптимальной волны ЛИ для целей имитации требует учета технологических особенностей конкретных типов приборов на основе 81С. Так, для тонкопленочных пьезопреобразователей на основе карбида кремния с толщиной активного слоя до 1 мкм можно использовать практически весь диапазон длин волн короче 0,41 мкм.

Модель радиационного поведения ПМВ на диэлектрических структурах при импульсном ионизирующем воздействии

Принципиальное значение для прогнозирования радиационного отклика пьезопреоб-разователей на PZ^- керамике имеет зависимость ионизационного тока от интенсивности ИИ. Специфика ионизационной реакции Р2Т-керамик обусловлена совместным вкладом кристаллитов и межзеренной границы. Кристаллофаза представляет собой зерна РЬ(2г/П)Оз (Е§~3.5 эВ) с характерными размерами от долей до десятков микрон. В процессе формирования PZT происходит вытеснение избыточного свинца на границы кристаллитов, и образование фазы оксида свинца (Eg~1.7 эВ). При этом именно межзеренная граница играет важнейшую роль в формировании проводимости Р2Т-керамики. Можно ожидать, что межзеренная граница, вследствие высокой дефектности, вносит также важнейший вклад в протекание рекомбинационпых процессов. По мере снижения доли кристаллической фазы и увеличения доли стеклофазы в пьезокерамике наблюдается уменьшение показателя зависимости ионизационного тока от мощности дозы ИИ 1 00 Р" от 1 до

Для описания радиационной проводимости пьезокерамик применяется модель множественного захвата (Роуза-Фаулера). Она, в частности, предполагает монополярный (электронный) тип проводимости и бимолекулярный характер рекомбинации без участия ловушек. Применительно к радиационной составляющей проводимости ?Z1 керамики указанные предпосылки не являются очевидными, особенно в части канала рекомбинации.

Предполагаемая в работе модель ионизационной реакции Р2Т-керамики выглядит следующим образом. Электронно-дырочные пары, генерируемые излучением в объеме кристаллитов, разделяются полем и перемещаются к границам зерен. Часть носителей ре-комбинирует в объеме кристаллита, часть - захватывается глубокими приграничными центрами. Оставшиеся носители преодолевают барьер и переходят в межзерновую область. В этой области, вследствие высокой концентрации структурных дефектов, протекают активные рекомбинационные процессы.

Рассматривалась рекомбинация через ловушки, распределенные вблизи дна зоны проводимости по экспоненциальному закону:

Результирующий темп рекомбинации носителей у границы зерен и в межзеренной области в этом случае составит:

-0,7.

ЩЕ) =

(2)

"С,+РСР „ кТ х = р =

где , ^ , 2 - гипергсометрическая функция, А^. - эквивалентная плотность

состояний дефектов в области проводимости, Л', -объемная плотность дефектов, /:'/, - параметр энергетического распределения ловушек. При относительно малых уровнях возбуждения имеем:

■К

(4)

Данный результат, аналогичный выводам теории Роуза-Фаулера, подтверждается экспериментальными результатами (рис. 8).

Рис.8. Экспериментальная зависимость ионизационного тока Р2Т пьезопреобразователя от интенсивности гамма излучения.

Захват ловушками свободных носителей в приэлектродпых областях или на границах зерен приводит к появлению внутренних электрических полей, противонаправленных вектору суммарного поля в каждом сегнетоэлектрическом домене. Данное предположение может объяснить отличие мгновенного значения ионизационного тока от его установившегося значения, наблюдавшееся в эксперименте (рис. 9).

Рис. 9а. Зависимость ионизационного тока Р7.Т преобразователя от времени облучения. Режим «восстановления» соответствовал облучению при смещении ОВ.

Рис. 96. Зависимость максимального (белые фигуры) и установившегося (темные фигуры) значения ионизационного тока PZT преобразователя от напряжения смещения.

При переключении полярности внешнего смещения внешнее поле и поле захваченного заряда оказываются сонаправленными, что приводит к увеличению мгновенной составляющей отклика.

При численной оценке модели предполагалось, что захват положительного заряда имеет место в тонких (~ 10-30 нм) слоях возле границ зерен. В этом случае стационарное состояние системы может быть описано системой уравнений:

СУ" +г-и-{И„,-р,)/,ет=0

дх ь у " и,и' ' (5)

дх (6)

а>=_ , л

(7)

дх2

Ф, д!

--Мы/р<тр-р,{/р(гр+/„&„)

дп„

(8)

дх .........., (9)

п(0)=р(0)=п(ф=р(ф=0, где ё=к-Р - темп генерации электрон-дырочных пар при интенсивности Р, N1,, -плотность глубоких центров захвата положительного заряда,/?, - плотность захваченного положительного заряда, сг„ ,стр — сечения захвата электронов и дырок, и- коэффициент рекомбинации, <1 - размер зерна.

При типовых значениях стр~3-10"14 см2, ст„~

■10"12 см2 система уравнений была числен-

но решена для размера зерен 1...10 мкм. Рассчитанная зависимость фототока от приложенного напряжения (рис. 10) носит омический характер до определенного критического значения поля Ег,

(Ю)

где т среднее время жизни носителей заряда в зерне. При с1=1-10 мкм и ю"8™"10 см2/В , получаем Ес~104 - 105 В/см.

0,5 0,4

о> г

о 0,2 п

0,1 0,0

- без учета захвата

- с учетом

Рис.Ю. Рассчитанная зависимость фототока PZ7 пьезопреобразователя от приложенного напряжения.

20 40 60 80 100 120 Е, кВ/см

Выработанные модельные представления подтверждают влияние поля захваченного положительного заряда и хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Особенности имитационного моделирования радиационного поведения ПМВ на диэлектрических структурах

Излучение рентгеновских имитаторов («РЕИМ») обладает относительно мягким спектром, в результате чего необходимым становится учет неоднородности и неравновесности энерговыделения в объеме пьезопреобразователя. На рис. 11 приведено сопоставление расчетного и экспериментального спектров излучения имитатора РЕИМ-М. Расчет проводился в пакете GEANT4 (в рамках подсистемы Penelope) для трубки с Re-анодом (3 мкм) и окном из бериллия (200 мкм). Хорошее согласие расчетного и экспериментального спектров позволяет применять полученные результаты для расчета поглощенных доз, обусловленных излучением имитатора, в чувствительных объемах ПМВ.

На рис. 12 показаны профили распределения поглощенной дозы в чувствительном элементе типового пьезоэлектрического преобразователя PKGS-90LC-R (ф. Múrala) при воздействии различных спектров излучения рентгеновских имитаторов. Проведенные в рамках системы GEANT расчеты показывают, что в случае пьезоэлектрических преобразователей на базе титапага-циркопата свинца (PZT) применение имитационных методов не обеспечивает однородности энерговыделения в объеме структуры.

Е.кэВ

Рис. 11. Спектр излучения имитатора РЕИМ-М фигуры - эксперимент, линия - расчет GEANT.

Рис. 12. Расчетные профили распределения поглощенной дозы в PZT пьезоэлектрическом преобразователе.

Помимо равенства энерговыделения в чувствительном объеме от различных видов воздействия (имитаторов и МУ) необходимо учитывать зависимость выхода первичной рекомбинации в диэлектрике от вида и энергии ИИ и напряженности поля в чувствительной области. Оценка «эффективной» дозы Dcn- в чувствительном объеме может быть получена на основании соотношения:

еЖ fAE)

Ol)

где символы "х" и "О" относятся к рентгеновскому и моделируемому излучению соответственно; /у (Е)- выход первичной рекомбинации, зависящий от электрического поля Е\ Цг расчетная поглощенная доза рентгеновского излучения в чувствительном объеме.

Проведенные в ходе работы экспериментальные исследования показали (рис. 13), что реакция на воздействие импульса лазерного излучения обусловлена процессами релаксации заряда, индуцированного за счет пироэффекта, и колебательными модами преобразователя. Колебательный процесс содержит моды, соответствующие основной резонансной частоте преобразователя (20 кГц) и моды, соответствующие распространению продольных акустических волн. Для адекватного имитационного моделирования эффектов мощности дозы в ПМВ на пьезоэлектриках необходимо учитывать:

Рис.13. Импульсная реакция Р/Л' преобразователя при воздействии импульса лазерного излучения.

- вторичный пироэффект, являющийся результатом пьезоэлектрической поляризации образца при его деформации за счет теплового расширения материала и определяющий длительность отклика пьезоэлектрического преобразователя на воздействие лазерного излучения. Определение поля в пьезоэлектрике должно проводиться совместно с определением деформации:

D =d а. + у АТ + е Е. (12а)

л nj j / Я nj J V/

S =s XT.+d.E. (126)

n nj J jn j \ /

VÛ=Pl (12b)

VxË = 0 (12r)

где D„, E„ — компоненты вектора электрической индукции и напряженности поля, соответственно, S„ -компоненты тензора деформации в сокращенной нотации, d„s - компоненты пьезоэлектрического модуля, s„j - компоненты тензора упругой податливости, enj - компо-

центы тензора диэлектрической проницаемости, о] - компоненты тензора механических напряжений в сокращенной нотации, у- вектор пироэлектрических коэффициентов (первого рода), ЛТ- изменение температуры, р, - плотность некомпенсированного радиационно-генерировашюго заряда.

- термомеханические процессы, развивающиеся в преобразователе в результате импульсного неоднородного энерговыделения и приводящие к появлению колебательных процессов при воздействии лазерного излучения. Процессы возникновения и распространения волн могут быть описаны соотношениями теории термоупругости:

рС¥ д1 -кАТ + Г0/Л7 • д" = (2(х,у,гЩ1 - О (13)

о/ д!

рд f-Ч-(сЧи)+р-УТ = 0 (14)

5/

Р = а Е 1 -2У

где [1- константа термомеханической связи, Т0 - температура среды, а - коэффициент температурного расширения, Е - модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона, и - величина деформации, (5 - плотность источников тепла, р - плотность, Су - теплоемкость, к - коэффициент теплопроводности, с - скорость звука. Распространение волн механических напряжений в материале пьезоэлектрика приводит к модификации импульсной электрической реакции преобразователя.

На основании проведенных исследований была разработана методика дозиметрического сопровождения имитационных радиационных испытаний ПМВ па кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, базирующаяся на научно обоснованном применении методов калибровки по результатам испытаний на моделирующих установках (МУ) и методов расчетной дозиметрии с учетом наличия слоев различных материалов в составе конструкции, сложности формы и большого объема чувствительных областей элементов.

Исследование и прогнозирование стойкости аналоговых микросхем вторичных преобразователей к импульсному ионизирующему воздействию

Впервые проведены экспериментальные исследования радиационного поведения аналоговых элементов вторичных преобразователей (ОУ, ИКН, АКК и специализированные СБИС) с контролем расширенного набора параметров (табл. 1) в диапазоне температур. Установлено, что в зависимости от технологии изготовления и схемотехнических решений информативным может оказаться любой параметр из расширенного набора.

Табл.1. Расширение системы параметров-критериев при исследованиях АКК

_Контролируется при испытаниях АКК па МУ_

Выходное напряжение высокого уровня Выходное напряжение низкого уровня Ток потребления, импульсный ток потребления Время потери работоспособности Контроль функционирования

Контроль тиристорного эффекта и катастрофических отказов_

_Дополнительно контролируется с использованием имитаторов_

Выходное сопротивление ключа

Ток потребления при низком (высоком) уровне выходного напряжения

Входной ток при высоком (низком) уровне управляющего напряжения

Ток утечки закрытого ключа

Падение напряжения па открытом ключе

Максимальный ток утечки на выходе

Ток утечки аналогового входа

Ток утечки на управляющем входе

Время задержки распространения входного сигнала при включении и выключении Время задержки распространения сигнала «запрет» при включении и выключении Время задержки распространения управляющего сигнала при включении и выключении

0 Н.У., статика № Н.У., динамика в- Н.У.. статика О Н.У., динамика А Т = -60С, статика

250

5

к 200

<й 150

100

50

я.......• п..................■......... ■

4 6 8 10 Эх 103, ед.

104

105 О, ед.

10е

Рис. 14а. Зависимость тока потребления КМОП Рис. 146. Зависимость тока потребления ИС 590КНЗЗУ от уровня поглощенной дозы КМОП КНС ИС Б1825КН1 от уровня

поглощенной дозы

Установлено, что уровни стойкости КМОП КНС аналоговых ключей и коммутаторов при импульсном ИВ выше, чем у КМОП АКК, что связано с отсутствием в их составе паразитных биполярных структур (рис. 14). Отсутствие четкой температурной зависимости дозовой деградации информативных параметров свидетельствует о необходимости их контроля во всем температурном диапазоне (рис. 14а).

Р. Гц

Рис. 15а. Зависимость АЧХ ИС 544УД17УЗ от Рис. 156. Осциллограмма нарушения уровня поглощенной дозы. функционирования (ТЭ) ИС 1467САЗТ

при уровне воздействия 1,4 10" ед./с.

Анализ и экспериментальные исследования с контролем расширенного набора параметров, включая амплитудно-частотных характеристик (АЧХ - рис. 15а) операционных усилителей и компараторов напряжения показали, что сбой выходного напряжения при ИИВ, как правило, определяется реакцией входной схемы преобразования двухфазного сигнала в однофазный и может быть адекватно промоделирован электрическими эквивалентными схемами. Установлено, что исследования при повышенной температуре являются наиболее критичными для этого класса элементов ВП, что связано со снижением уровня ТЭ и проявлением эффектов низкой интенсивности. Использование имитационных методов исследований позволяет существенно расширить диапазон уровней воздействий и обнаруживать нехарактерный для аналоговых ИС тиристорный эффект (рис. 156).

Установлено, что уровни стойкости специализированных аналоговых СБИС, выполненных по КМОП и БиКМОП технологиям выше, чем у дискретных ИС, что связано с уменьшением проектных норм и повышенной чистотой технологического процесса изготовления.

Основные экспериментально определенные уровни радиационной стойкости элементов вторичных преобразователей приведены в табл.2.

В результате проведенных экспериментальных исследований разработаны рекомендации по выбору информативного состава радиационных испытаний основных элементов вторичных преобразователей МВ.

Элементы ВП по эффектам мощности дозы по дозовым эффектам

УБР* УТЭ* УКО* УПО* УФО*

ОУ 10*...10" ед./с 10*... 10" ед./с >10" ед./с > 103 ед. >10"ед.

ИКН 10\..108ед./с 10*...10"ед./с >10" ед./с >103 сд. >10" ед.

ЛКК Ю6...10"сд./с 10*... 10" ед./с >10'"ед./с >103 ед. >103 ед.

СБИС и БМК 10ь...10"сд./е 108...10ш ед./с >10" ед./с >105 ед. >105ед.

*УБР - уровень бессбойиой работы, УТЭ - уровень тиристорного эффекта, УКО - уровень катастрофического отказа, УПО - уровень параметрического отказа, УПО - уровень функционального отказа.

Выбор информативного набора параметров-критериев радиационной стойкости ПМВ в целом предлагается проводить исходя из физических принципов преобразования энергии. В общем случае для описания характеристики преобразования ПМВ с точки зрения радиационной стойкости необходимо контролировать максимальную чувствительность элемента, диапазон преобразования элемента и смещение нуля. Если элемент представляет собой активную структуру, то целесообразно также контролировать основной электрический параметр элемента, например, ток потребления.

В результате разработаны методические и технические средства, позволяющие проводить измерение информативных параметров ПМВ при совместном воздействии ионизирующих излучений, измеряемой механической величины и температуры. Структурная схема экспериментального комплекса для исследований дозовых эффектов в пьезопреоб-разователях давления приведена на рис. 16. Исследуемый и контрольный (эталонный) пьс-зопреобразователи (П1 и П2 соответственно) через единый воздухопровод (ВП) подключаются к электрокомпрессору К. Выходные сигналы пьезопреобразователей усиливаются схемой предварительного усиления (ПУ) и через блок согласования и коммутации (БСК) поступают на блок измерения статических характеристик (БИСХ) на базе ПЭВМ. Компрессор (К) и источник излучения (И) управляются программно посредством БИСХ через исполнительные устройства ИУ1 и ИУ2 соответственно.

ИУ2

Рис. 16. Структурная схема экспериментального комплекса для исследований дозовых эффектов в пьезопреобразователях давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Предложена модель ионизационного отклика кремниевых мостовых пьезопреобразователей, основанная па численном решении фундаментальной системы уравнений, в соответствии с которой синфазный отклик выходного напряжения преобразователей на импульсное ионизирующее воздействие определяется реакцией паразитных диодных структур между контактами пьезорезисторов и подложкой, а парафазный - асимметрией топологии преобразователя. Для повышения уровня бессбойиой работы кремниевых мостовых пьезопреобразователей предложено улучшать симметрию топологии моста, а для уменьшения времени потери работоспособности - вводить дополнительное заземление донной части мембраны и снижать время жизни неосновных носителей заряда.

2. Предложена модель ионизационного отклика мостовых пьезопреобразователей на карбидкремниевых структурах, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений, в соответствии с которой основным механизмом отклика преобразователей является радиационпо-индуцированиая ионизационная проводимость диэлектрических слоев. Асимметрия площадей диэлектрических слоев приводит к тому, что уже при относительно невысоких уровнях импульсного ионизирующего воздействия (порядка Ю10 ед./с) наблюдается существенный разбаланс моста по сравнению с номинальным выходным сигналом.

3. Предложена модель ионизационного отклика пьезокерамических преобразователей, учитывающая распределение центров захвата дырок на межзеренной границе, в соответствии с которой зависимость ионизационного тока преобразователя от интенсивности ионизирующего воздействия является сублинейной, что соответствует выводам теории множественного захвата и подтверждается экспериментально. Расчетно-экспериментальным путем обосновано, что накопление радиационно-индуцированпого положительного заряда приводит к уменьшению величины ионизационного тока пьезокерамических преобразователей.

4. Разработаны базовые методики и экспериментальный комплекс, позволяющие проводить измерение параметров пьезопреобразователей механических величин при совместном воздействии ионизирующих излучений, измеряемой механической величины и температуры. Впервые получены оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационного поведения типовых представителей пьезопреобразователей механических величин.

5. Развиты методики имитационных исследований основных аналоговых элементов вторичных преобразователей (операционные усилители, компараторы, аналоговые коммутаторы, БИС управления) обеспечивающие контроль расширенной системы параметров-критериев в диапазоне температур, что повышает достоверность определения показателей радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин в целом.

25

Основной практический результат диссертации заключается в разработке методических и технических средств обеспечивающих диагностирование информативных параметров пьезопреобразователей механических величин непосредственно в процессе и после ионизирующего воздействия при совместном воздействии измеряемой механической величины и температуры. Разработанные средства внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС», ОАО «Ангстрем», ОАО «Светлана-Полупроводники», ОАО «НИИМЭ и Микрон» при проведении исследований пьезопреобразователей механических величин на моделирующих установках и имитаторах.

Частные практические результаты работы и их реализация:

1. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований эффектов смещения и дозовых эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых и карбидкремниевых структурах с использованием моделирующих установок. Установлено, что стойкость пьезопреобразователей механических величин по указанным эффектам существенно (более чем на порядок величины) выше по сравнению с элементами вторичных преобразователей.

2. Проведены исследования аналоговых элементов вторичных преобразователей, выполненных по биполярной, КМОП, БиКМОП, КМОП КНС технологиям, в том числе операционных усилителей, компараторов напряжения, аналоговых ключей и коммутаторов и специализированных СБИС. Показана необходимость контроля расширенной системы информативных параметров радиационной стойкости элементов ВП в диапазоне температур. Разработано более 50 методик испытаний элементов вторичных преобразователей, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Ми-ландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС».

3. Предложена методика выбора информативного набора параметров-критериев радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, основанная на контроле электрических и точностных параметров в процессе воздействия.

4. Разработана методика дозиметрического сопровождения имитационных радиационных исследований пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, базирующаяся на методе калибровки по результатам испытаний на моделирующих установках и методе расчетной дозиметрии с учетом наличия слоев различных материалов в составе конструкции, сложности формы и большого объема чувствительных областей элементов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Никифоров Л.Ю., Скоробогатов П.К., Бойчепко Д.Ii. Анализ стойкости мембранных датчиков давления па основе карбида кремния к воздействию импульсного ионизирующего излучения // Известия вузов. Электроника. - 2003. -№1. - С. 57-62.

2. Single-chip pressure sensor radiation hardness research / Artamonov A.S., Boychcnko D.V., Niki-forov A.Y., Sogoyan A.V., Shelcpin N.A., Tclcts V.A., Tvcrskoy M.G. // Proc. of 8th European Conf. "Radiation and its Effects on Components and Systems" (RADECS 2001), Sept. 10-14, 2001, Cap d'Aglc, Francc, pp. 296-299.

3. Бойчепко Д.В. Исследование влияния технологии па радиационную стойкость операционных усилителей // Научная сессия МИФИ-2002. Сб. научи, трудов. - М.: МИФИ, 2002. - Т.14. - С. 73-74.

4. Бойчепко Д.В. Прогнозирование радиационного отклика операционных усилителей по результатам исследований тестовых структур // Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научи, трудов. -М.: МИФИ, 2003.-Т.14.-С. 123-124.

5. Бойчепко Д.В. Сравнительное исследование радиационного поведения БИС управления микрогироскоиов и микроакселерометров // Научная сессия МИФИ-2004. Сб. научи, трудов. - М.: МИФИ, 2004. - Т. 15. - С. 85-86.

6. Бойчепко Д.В. Моделирование ионизационной реакции интегрального датчика давления // Научная сессия МИФИ-2001. Сб. научи, трудов. -М.: МИФИ, 2001. - Т.14.-С. 107-108.

7. Бойченко Д.В., Согоян A.B. Модель прогнозирования радиационного поведения пьезопре-образователей на основе PZT керамики // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2008. - С. 222-224.

8. Бойченко Д.В., Согоян A.B. Исследование радиационного поведения пьезопреобразовате-лей на основе Pb(Zr,Ti)C>3 керамики // Радиационная стойкость электронных систем. - 2006. - Вып. 9.-С. 147-148.

9. Исследование радиационного поведения интегральных преобразователей давления и ускорения резистивного типа / Бойченко Д.В., Ванжа М.М., Шелепин H.A., О.В.Папкратов, А.А.Орлов // Радиационная стойкость электронных систем. -2004. - Вып. 7. - С. 141-142.

10. Исследование радиационного поведения интегральных компараторов напряжения в диапазоне температур / Бойченко Д.В., Ванжа М.М., Архангельский IO.K. // Радиационная стойкость электронных систем. - 2004. - Вып. 7. - С. 85-86.

11. Исследование радиационного поведения интегральных КМОП КНС коммутаторов аналоговых сигналов / Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Борисов A.A., И.В.Поляков // Радиационная стойкость электронных систем. - 2005. - Вып. 8. - С. 83-84.

12. Влияние технологии изготовления на радиационную стойкость аналоговых мультиплексоров / Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Ванжа М.М., С.А.Красноперов // Радиационная стойкость электронных систем. - 2006. - Вып. 9. - С. 83-84.

13. Исследование влияния топологии на радиационную стойкость аналоговых ИС / Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Архангельский 10.К. // Радиационная стойкость плектром пых систем. -2007.-Вып. 10.-С. 21-22.

14. Бойченко Д.В., Ванжа М.М. Влияние температуры и приложенного давления на стойкость кремниевых датчиков давления к воздействию импульсного ионизирующего излучения // Научная сессия МИФИ-2004. Сб. научи, трудов. - М.: МИФИ, 2004. - Т.1. - С. 199-200.

15. Исследование радиационного отклика интегральных датчиков давления / Бойченко Д.В., Никифоров А.Ю., Согоян A.B. Артамонов A.C., Шелепин H.A.// Научная сессия МИФИ-2000. Сб. научн. трудов. -М.: МИФИ, 2000. - Т. 1. - С. 97-98.

Подписано в печать 28.04.2009 г. Печать лазерная цифровая Тираж 100 экз.

Типография Aegis-Print 115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Тел.: (495) 785-00-38 www.autoref.webstolica.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Области применения и основные тенденции развития ПМВ 18 для спецаппаратуры.

1.1. Тенденции развития и типовая структура ПМВ

1.2. Основные конструктивно-технологические особенности ПМВ

1.3. Оценка радиационной стойкости ПМВ

1.4. Особенности ' применения имитационных методов 39 исследований ПМВ на радиационную стойкость

1.5. Основные задачи и структура исследований

1.6. Выводы

ГЛАВА 2. Доминирующие радиационные эффекты в ПМВ на 48 кремниевых структурах

2.1. Анализ синфазной составляющей ионизационной реакции 50 ПМВ на кремниевых структурах

2.2. Анализ парафазнон составляющей ионизационной реакции 56 ПМВ на кремниевых структурах

2.3. Методы повышения стойкости ПМВ на кремниевых структурах 62 к воздействию эффектов мощности дозы

2.4. Экспериментальные исследования радиационного поведения 67 ПМВ на кремниевых структурах

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. Доминирующие радиационные эффекты в ПМВ на карбидкремниевых структурах

3.1. Моделирование эффектов мощности дозы в ПМВ на 74 карбидкремниевых структурах

3.2. Учет вклада модуляции проводимости SiC-резисторов на 81 величину ионизационного отклика ПМВ на карбид кремниевых структурах

3.3. Анализ применимости лазерного имитационного 82 моделирования эффектов мощности дозы в ПМВ на карбидкремниевых структурах

3.4. Экспериментальные исследования радиационного поведения 85 ПМВ на карбидкремниевых структурах

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. Доминирующие радиационные эффекты в ПМВ на 90 диэлектрических структурах

4.1. Моделирование доминирующих механизмов радиационных 90 отказов ПМВ на пьезокерамических структурах

4.2. Анализ применимости имитационных методов исследований 98 эффектов дозы и мощности дозы в ПМВ на диэлектрических структурах

4.3. Методика дозиметрического сопровождения имитационных 106 радиационных испытаний ПМВ

4.4. Выводы

ГЛАВА 5. Методики, технические средства и результаты 118 экспериментальных исследований радиационного поведения ПМВ на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах

5.1 Общая методика и экспериментальный комплекс для 118 исследований радиационной стойкости ПМВ

5.2 Общая методика исследований и экспериментальный 124 комплекс для оценки стойкости аналоговых элементов вторичных преобразователей к специальным внешним воздействиям

5.3 Результаты экспериментальных исследований 132 доминирующих механизмов радиационных отказов основных аналоговых элементов вторичных преобразователей

Диссертация направлена на решение научно-технической задачи разработки и развития расчетно-экспериментальных методов моделирования радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин (ПМВ) на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, имеющей большое значение для создания новых перспективных радиационно-стойких элементов, устройств и систем управления, сбора и обработки информации военного, космического и другого специального назначения, определения возможных областей использования и повышения эффективности их применения.

Актуальность темы диссертации

Перспективным направлением развития аппаратуры военного, космического и другого специального назначения является создание новых классов изделий на основе автономного и полуавтономного принципа функционирования. Перспективной элементной базой для новых систем, отвечающей требованиям по надежности, ресурсу, массогабаритным показателям, энергопотреблению, являются изделия микросенсорики и микросистемной техники, выполненные по технологиям микроэлектроники.

Создание перечисленных изделий невозможно без использования систем сбора и обработки информации, неотъемлемой частью которых являются пьезопреобразователн механических величин, таких как давление, ускорение, сила и т.д. Современный преобразователь механической величины представляет собой интегрированное устройство, выполненное в едином конструктивно-технологическом базисе, в состав которого обязательно входят первичный преобразователь механической величины, предназначенный для преобразования сигнала измерительной информации в электрический сигнал и вторичный преобразователь (ВП), выполняющий функцию преобразования, обработки и коммутации электрического сигнала.

Современные тактико-технические требования, предъявляемые к микросистемам специального назначения, определяют условия их эксплуатации при радиационных воздействиях. При этом одними из наиболее уязвимых элементов современных электронных систем к радиационным воздействиям являются пьезопреобразователи механических величин, расположенные в начале измерительной цепи. Т.о. необходимость создания новых перспективных микросистем специального назначения, исследования возможных областей их применения определяет важность и актуальность научных задач исследования и моделирования закономерностей радиационного поведения ПМВ и определения доминирующих механизмов их радиационных отказов в условиях запрета натурных облучательных опытов и ограниченных возможностей современных моделирующих установок (МУ).

Развитие микросистемной техники и ее реализация по технологиям микроэлектроники привело к тому, что в 90х годах преобразователи физических величин и компоненты датчиков (ПФВ и КД) стали восприниматься не только как средства измерений, а в качестве микроэлектронных устройств. Это привело к необходимости подтверждения соответствия ПМВ требованиям нормативной документации на микросхемы по радиационной стойкости. Однако ранее исследования радиационного поведения ПМВ в основном проводились в составе аппаратуры и не позволяли определять наиболее информативные - точностные параметры их радиационной деградации. Т.о. актуальной стала задача развития методических и технических средств расчетно-эксперпментального моделирования радиационного поведения ПМВ как отдельного класса микроэлектронных изделий. Специфика решения поставленной задачи сводится к необходимости проработки нескольких основных направлений:

Развитие технологии производства первичных пьезопреобразователей (ПП) MB привело к появлению в последнее время целого ряда интегральных пьезопреобразователей, работа чувствительных элементов которых построена на нехарактерных для микроэлектроники физических принципах преобразования сигнала измерительной информации [4-7]. Наиболее используемыми в аппаратуре специального назначения являются кремниевые мембранные пьезопреобразователи давления и ускорения (например, серии ИПД, ТДМ, АВИ - ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ), карбидкремниевые мембранные пьезопреобразователи давления (Центр Микротехнологии и Диагностики

СПбГЭТУ) и пьезокерамические первичные преобразователи. В связи с этим моделирование и экспериментальные исследования радиационного поведения первичных пьезопреобразователей актуально проводить для ПП пьезорезистивного типа, а также пьезокерамических ПП с целью определения доминирующих механизмов и характерных уровней радиационных отказов. Наиболее распространенными элементами вторичных преобразователей (ВП) MB являются ИС операционных усилителей (ОУ), интегральных компараторов напряжения (ИКН) и аналоговых ключей и коммутаторов (АКК). В литературе широко представлены исследования радиационного поведения элементов вторичных преобразователей ПМВ [15], в результате чего были разработаны методические и технические средства оценки их радиационной стойкости [1]. В последнее время произошла существенная модернизация технологии производства аналоговых ИС с использованием новых технологических норм и топологических решений (ОУ 140, 1463, 1467 серий; ИКН , 521 и 1467 серий; АКК 590 серии). Более того, испытания на моделирующих установках (МУ), проводимые до недавнего времени, не обладали достаточной информативностью из-за невозможности контроля большинства параметров ИС (было необходимо проводить измерения дистанционно, большие уровни помех на МУ). В настоящее время широко используются имитационные методы исследования радиационной стойкости, позволяющие существенно расширить систему контролируемых параметров и повысить информативность исследований. Т.о. актуальными становятся исследование и обоснование возможности применения имеющихся имитационных методов, развитие существующих имитационных методов оценки и прогнозирования радиационной стойкости ПМВ и определение системы параметров-критериев их радиационной стойкости.

Увеличение функциональной сложности систем обработки и коммутации выходного сигнала первичных преобразователей и переход от ИС типа ОУ и аналоговых коммутаторов к специализированным БИС. Т.о. необходимо провести расчетно-экспериментальное моделирование доминирующих механизмов радиационных отказов новых функционально сложных узлов вторичных преобразователей. Важно определить, какие типы элементов вторичных преобразователей будут определять радиационные отказы ВП и ПМВ в целом.

Новые нормативные документы, регламентирующие проведение оценки радиационной стойкости электронной элементной базы, подразумевают проведение испытаний в диапазоне температур. Это привело к необходимости исследования влияния температуры на радиационное поведение ПМВ.

На решение указанных задач на основе создания и развития методов и . средств расчетно-экспериментального моделирования доминирующих радиационных эффектов в ПМВ на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах и направлена эта диссертация.

Значимость и актуальность темы диссертации отражена в «Основах политики Российской федерации в области развития электронной компонентной базы на период 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002, в соответствии с которыми создание радиационно-стойкой электронной компонентной базы (ЭКБ) отнесено к одной из основных задач в области ее дальнейшего развития при разработке, производстве и применении в стратегически значимых системах.

Состояние исследований по проблеме. Базовые физические представления о природе взаимодействия радиационных воздействий с полупроводниковыми структурами ИС сформированы в трудах Ухина Н.А., Ладыгина Е.А., методологические подходы и принципы моделирования основных радиационных эффектов в элементах ИС развиты в работах д.т.н. Агаханяна Т.М., д.т.н. Скоробогатова П.К. (эффекты мощности дозы в кремниевых приборах и ИС), д.т.н. Першенкова B.C., д.т.н. Зинченко В.Ф., к.т.н. Согояна А.В. (дозовые эффекты в биполярных и МОП-структурах), д.т.н. Чумакова А.И. (эффекты воздействия отдельных ядерных частиц в БИС), д.т.н. Улнмова В.II., к.т.н. Романенко А.А., к.т.н. Фигурова B.C. (методы радиационных испытаний). Однако все эти работы практически не рассматривали ПМВ и не учитывали их специфики в качестве объектов радиационных исследований.

Вопросы разработки, изготовления и развития преобразователей механических величин и датчиков широко представлены в трудах д.т.н. Вернера

В.Д., д.т.н. Кузина А.Ю., д.т.н. Лучинина В.В., д.т.н. Саурова А.Н., д.т.н. Тельца В А., д.т.н. Чаплыгина Ю.А., д.т.н. Шелепина Н.А., к.т.н. Ваганова В.И. и многих других специалистов. Однако в этих трудах практически не рассматривались вопросы моделирования радиационных эффектов в ПМВ.

В работах к.т.н. Подлепецкого Б.И. и к.т.н. Никифоровой М.Ю. рассмотрены дозовые эффекты в химических датчиках (водорода и др.) на МОП-структурах, в работах д.т.н. Мордковича В.Н. и д.т.н. Мальцева П.П. — дозовые эффекты в преобразователях магнитной индукции, однако доминирующие механизмы их радиационных отказов отличны от ПМВ.

Обширное исследование радиационного поведения интегральных преобразователей информации (ИПИ) проведено в работах д.т.н. Никифорова А.Ю., которым предложен методологический подход к развитию теоретических и экспериментальных методов моделирования доминирующих радиационных эффектов и закономерностей радиационного поведения современных сложно-функциональных ИПИ при воздействии импульсного ИИ в широком диапазоне уровней воздействий и с учетом конструктивно-технологической реализации, режимов и условий работы. Однако при этом пьезорезистивные преобразователи затронуты лишь кратко наряду с многими другими классами ИПИ, а пьезокерамические преобразователи вообще не анализировались. Отметим, что работы Никифорова А.Ю. ограничивались рассмотрением только эффектов воздействия импульсного ИИ на ИПИ практически без анализа эффектов стационарных радиационных воздействий.

В ранее проведенных исследованиях широко освещена проблема использования лазерного и рентгеновского имитационного моделирования при проведении радиационных исследований микросхем. Однако использование в ПМВ новых материалов (пьезокерамики и т.д.) привело к необходимости анализа адекватности применения и выбора оптимальных параметров имитаторов и в целом рационального выбора испытательных установок.

Новые технологические и топологические решения (проектные нормы, БиКМОП и т.д.) требуют развития методических и технических средств оценки радиационной стойкости аналоговых элементов вторичных преобразователей (ОУ, ИКН, АКК и др.).

Таким образом, диссертация направлена на разрешение научного противоречия, которое заключается одновременно в необходимости и невозможности обеспечить достоверное расчетно-экспериментальное моделирование доминирующих радиационных эффектов в ПМВ на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, оставаясь в рамках имеющихся методов и средств теоретического и экспериментального моделирования без их существенного научно-технического развития.

Целью диссертации является развитие научных методов и разработка методических и технических средств моделирования радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах с учетом характеристик радиационных воздействий, а также режимов и условий работы преобразователей в аппаратуре.

В качестве объекта исследований в диссертации выбраны ПМВ, реализованные по трем конструктивно-технологическим направлениям, в наибольшей степени ориентированным на радиационные применения -кремниевые мембранные пьезопреобразователи (например, серий ИПД, ТДМ, АВИ - ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ), - карбидкремниевые мембранные пьезопреобразователи (Центр Микротехнологии и Диагностики СПбГЭТУ) и - пьезокерамические преобразователи. В настоящее время модели, методические и технические средства определения доминирующих механизмов и характерных уровней радиационных отказов указанных первичных преобразователей пьезорезистивного и пьезокерамического типов отсутствуют.

Основными задачами диссертационной работы являются:

- Анализ тенденций развития ЭКБ и особенностей применения пьезопреобразователей механических величин в радиационно-стойкой аппаратуре.

- Выявление, теоретический анализ, моделирование и экспериментальные исследования основных закономерностей поведения, доминирующих радиационных эффектов и механизмов отказов в первичных пьезопреобразователях на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах и их элементах при стационарных и импульсных ионизирующих воздействиях.

- Анализ адекватности и методических особенностей имитационного экспериментального моделирования первичных пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, развитие методики дозиметрического сопровождения имитационных исследований применительно к ПМВ для различных вариантов конструктивного исполнения изделий.

- Разработка радиационно-испытательного комплекса, обеспечивающего возможность одновременного задания радиационного воздействия, температуры и измеряемой механической величины, разработка рекомендаций по выбору необходимого и достаточного набора параметров-критериев годности и обеспечению радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин.

- Исследование и моделирование доминирующих механизмов радиационных отказов аналоговых элементов вторичных преобразователей с учетом расширенной системы их информативных параметров-критериев работоспособности, получение и систематизация оригинальных экспериментальных данных о радиационном поведении вторичных преобразователей в широких диапазонах режимов работы, температуры и уровней воздействий.

Научная новизна работы:

1. Разработана модель ионизационного отклика кремниевых мостовых пьезопреобразователей, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений в программном пакете «DIODE-2D», в соответствии с которой синфазный отклик выходного напряжения преобразователей на импульсное ионизирующее воздействие определяется реакцией паразитных диодных структур между контактами пьезорезисторов и подложкой, а парафазный - асимметрией топологии преобразователя.

2. Разработана модель ионизационного отклика мостовых пьезопреобразователей на карбидкремниевых структурах, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений в программном пакете «DIODE-SiC», в соответствии с которой основным механизмом отклика преобразователей является радиационно-индуцированная ионизационная проводимость диэлектрических слоев.

3. Разработана модель ионизационного отклика пьезокерамических преобразователей, учитывающая распределение центров захвата дырок на межзеренной границе, в соответствии с которой зависимость ионизационного тока преобразователя от интенсивности ионизирующего воздействия является сублинейной, что соответствует выводам теории множественного захвата и подтверждается экспериментально.

4. Установленное влияние накопленного радиационно-индуцированного положительного заряда на величину ионизационного тока пьезокерамических преобразователей приводит к необходимости совместного анализа эффектов дозовых и мощности дозы, что определяет неадекватность для этих задач методов лазерного имитационного моделирования. Экспериментально показано, что ионизационный отклик пьезокерамических преобразователей при воздействии лазерных имитаторов определяется термомеханическими процессами в результате импульсного неоднородного энерговыделеиия и вторичным пироэффектом.

5. Результаты проведенного теоретического моделирования в системе GEANT показывают, что относительные значения поглощенной дозы в пьезокерамических преобразователях уменьшаются на порядок на глубине до 40 мкм, что не позволяет использовать рентгеновские имитаторы для моделирования дозовых эффектов в пьезокерамике в связи с существенной неоднородностью распределения поглощенной дозы в чувствительном элементе пьезокерамического преобразователя.

Практическая значимость работы:

1. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований эффектов смещения и дозовых эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых и карбидкремниевых структурах с использованием моделирующих установок. Установлено, что стойкость пьезопреобразователей механических величин по указанным эффектам существенно (более чем на порядок величины) выше по сравнению с элементами вторичных преобразователей. Результаты диссертации внедрены в ГНЦ НПК «Технологический центр» МИЭТ, ФГУП ФНПЦ «НИИИС им. Е.Ю.Седакова» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при разработке и радиационных испытаниях интегральных преобразователей давления и ускорения (ИПД, ПДМ, АВИ), использованы в отчетности по НИР, выполненным по заказам Минобороны России и предприятий оборонного комплекса (НИР «Мида», «Вельвет», «Латинист» и др.).

2. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований аналоговых элементов вторичных преобразователей, выполненных по биполярной, КМОП, БиКМОП, КМОП КНС технологиям, в том числе операционных усилителей, компараторов напряжения, аналоговых ключей и коммутаторов и специализированных СБИС. Впервые исследования проводились с контролем расширенной системы параметров критериев радиационной стойкости в диапазоне температур. Разработано более 50 методик испытаний элементов вторичных преобразователей, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «Светлана-Полупроводники», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Миландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС».

3. Предложена методика выбора информативного набора параметров-критериев радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, основанная на контроле электрических и точностных параметров в процессе воздействия.

4. Разработана методика дозиметрического сопровождения имитационных радиационных исследований пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, базирующаяся на методе калибровки по результатам испытаний иа моделирующих установках и методе расчетной дозиметрии с учетом наличия слоев различных материалов в составе конструкции, сложности формы и большого объема чувствительных областей элементов.

5. Полученные в диссертации результаты реализованы в Нормативных документах Минобороны России (ОСТ В 11.073.013 часть 10), а также в более чем 50 программах-методиках и протоколах испытаний ПМВ и элементов вторичных преобразователей, согласованных с ФГУ «22 ЦНИИИ Минобороны

России» в рамках Государственной Программы Вооружений.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Расчетная модель ионизационного отклика кремниевых мостовых пьезопреобразователей, связывающая радиационно-индуцированный разбаланс их выходного напряжения при импульсном ионизирующем воздействии с ионизационным током, протекающий через паразитные диодные структуры между контактами пьезорезисторов и подложкой. Модель позволяет прогнозировать величину и длительность синфазной и парафазной составляющих отклика выходного разбаланса пьезопреобразователей при импульсном ионизирующем воздействии.

2. Расчетная модель ионизационного отклика карбидкремниевых мостовых пьезопреобразователей, связывающая радиационно-индуцированный разбаланс их выходного напряжения при импульсном ионизирующем воздействии с радиационпо-индуцированной ионизационной проводимостью диэлектрических слоев. Модель позволяет прогнозировать величину и длительность выходного разбаланса пьезопреобразователей при импульсном ионизирующем воздействии.

3. Расчетная модель зависимости ионизационного тока пьезокерамических , преобразователей от интенсивности ионизирующего воздействия, учитывающая распределение центров захвата дырок на межзеренной границе и объясняющая экспериментально наблюдаемые сублинейный характер данной зависимости и уменьшение величины ионизационного тока пьезокерамических преобразователей при накоплении радиационно-индуцированного положительного заряда.

4. Методики и реализующий их экспериментальный комплекс, позволяющие проводить определение всех информативных параметров пьезопреобразователей механических величин при совместном воздействии ионизирующих излучений, измеряемой механической величины и температуры, а также полученные с их использованием оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационного поведения типовых представителей пьезопреобразователей механических величин.

5. Методики и оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационной стойкости основных аналоговых элементов вторичных преобразователей (операционные усилители, компараторы, аналоговые коммутаторы, БИС управления), обеспечивающие контроль расширенной системы параметров-критериев в диапазоне температур, что повышает достоверность определения показателей радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин в целом.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международных научных конференциях по радиационным эффектам RADECS-2001 (Франция, 2001г.) и RADECS-2007 (Франция, 2007г.); на научных сессиях МИФИ (Москва, 2000-2009 гг.); на Российских научных конференциях "Радиационная стойкость электронных систем" (Лыткарино, 2000-2008 гг.); на научной конференции "Микро- и наноэлектроника" (2001-2008 гг.).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах (в период с 2000 по 2009 гг.), в том числе 1 - в реферируемом журнале и 4 - без соавторов.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 150 страниц, в том числе 82 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 59 наименований и состоит из введения, пяти'глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в табл. 5.7.

Заключение

Основным результатом диссертации являлось решение актуальной научно-технической задачи разработки и развития расчетно-экспериментальных методов моделирования радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, имеющей большое значение для создания новых перспективных радиационно-стойких элементов, устройств и систем управления, сбора и обработки информации военного, космического и другого специального назначения, определения возможных областей использования и повышения эффективности их применения.

Проведенный обобщенный анализ проблемной ситуации позволил (а) констатировать отсутствие к началу диссертационной работы единого подхода к моделированию и оценке радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах и (б) выявить научное противоречие, которое заключается одновременно в необходимости и невозможности обеспечить достоверное расчетно-экспериментальное моделирование доминирующих радиационных эффектов в ПМВ на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах, оставаясь в рамках имеющихся методов и средств теоретического и экспериментального моделирования без их существенного научно-технического развития.

Поэтому целью диссертации являлась развитие научных методов и разработка методических и технических средств моделирования радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах с учетом характеристик радиационных воздействий, а также режимов и условий работы преобразователей в аппаратуре.

Основные научные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Предложена модель ионизационного отклика кремниевых мостовых пьезопреобразователей, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений, в соответствии с которой синфазный отклик выходного напряжения преобразователей на импульсное ионизирующее воздействие определяется реакцией паразитных диодных структур между контактами пьезорезисторов и подложкой, а парафазный - асимметрией топологии преобразователя. Для повышения уровня бессбойной работы кремниевых мостовых пьезопреобразователей предложено улучшать симметрию топологии моста, а для уменьшения времени потери работоспособности - вводить дополнительное заземление донной части мембраны и снижать время жизни неосновных носителей заряда.

2. Предложена модель ионизационного отклика мостовых пьезопреобразователей на карбидкремниевых структурах, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений, в соответствии с которой основным механизмом отклика преобразователей является радиационно-индуцированная ионизационная проводимость диэлектрических слоев. Асимметрия площадей диэлектрических слоев приводит к тому, что уже при относительно невысоких уровнях импульсного ионизирующего воздействия (порядка 1010 ед./с) наблюдается существенный разбаланс моста по сравнению с номинальным выходным сигналом.

3. Предложена модель ионизационного отклика пьезокерамических преобразователей, учитывающая распределение центров захвата дырок на межзеренной границе, в соответствии с которой зависимость ионизационного тока преобразователя от интенсивности ионизирующего воздействия является сублинейной, что соответствует выводам теории множественного захвата и подтверждается экспериментально. Расчетно-экспериментальным путем обосновано, что накопление радиационно-индуцированного положительного заряда приводит к уменьшению величины ионизационного тока пьезокерамических преобразователей.

4. Разработаны базовые методики и экспериментальный комплекс, позволяющие проводить измерение параметров пьезопреобразователей механических величин при совместном воздействии ионизирующих излучений, измеряемой механической величины и температуры. Впервые получены оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационного поведения типовых представителей пьезопреобразователей механических величин.

5. Развиты методики имитационных исследований основных аналоговых элементов вторичных преобразователей (операционные усилители, компараторы, аналоговые коммутаторы, БИС управления) обеспечивающие контроль расширенной системы параметров-критериев в диапазоне температур, что повышает достоверность определения показателей радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин в целом.

Основной практический результат диссертации заключается в разработке методических и технических средств обеспечивающих диагностирование информативных параметров пьезопреобразователей механических величин непосредственно в процессе и после ионизирующего воздействия при совместном воздействии измеряемой механической величины и температуры. Разработанные средства внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС», ОАО «Ангстрем», ОАО «Светлана-Полупроводники», ОАО «НИИМЭ и Микрон» при проведении исследований пьезопреобразователей механических величин на моделирующих установках и имитаторах.

Частные практические результаты работы и их реализация:

1. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований эффектов смещения и дозовых эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых и карбидкремниевых структурах с использованием моделирующих установок. Установлено, что стойкость пьезопреобразователей механических величин по указанным эффектам существенно (более чем на порядок величины) выше по сравнению с элементами вторичных преобразователей.

2. Проведены исследования аналоговых элементов вторичных преобразователей, выполненных по биполярной, КМОП, БиКМОП, КМОП КНС технологиям, в том числе операционных усилителей, компараторов напряжения, аналоговых ключей и коммутаторов и специализированных СБИС. Показана необходимость контроля расширенной системы информативных параметров радиационной стойкости элементов ВП в диапазоне температур. Разработано более 50 методик испытаний элементов вторичных преобразователей, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Миландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС».

3. Предложена методика выбора информативного набора параметров-критериев радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, основанная на контроле электрических и точностных параметров в процессе воздействия.

4. Разработана методика дозиметрического сопровождения имитационных радиационных исследований пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, базирующаяся на методе калибровки по результатам испытаний на моделирующих установках и методе расчетной дозиметрии с учетом наличия слоев различных материалов в составе конструкции, сложности формы и большого объема чувствительных областей элементов.

Полученные в диссертации результаты реализованы в Нормативных документах Минобороны России (ОСТ В 11.073.013 часть 10), а также в более чем 50 программах-методиках и протоколах испытаний ПМВ и элементов вторичных преобразователей, согласованных с ФГУ «22 ЦНИИИ Минобороны России», созданных в рамках Государственной Программы Вооружений.

Результаты диссертации внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «Светлана-Полупроводники», ОАО «НИИМЭ и Микрон» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС», в том числе в ходе разработки и радиационных испытаний большинства отечественных ПМВ и элементов вторичных преобразователей (ОУ 140, 1463, 1467 серий; ИКН 597, 521 и 1467 серий; АКК 590 серии), а также аппаратуры систем управления на их основе.

Таким образом, в ходе работы над диссертацией достигнута ее основная цель, а именно, развиты научные методы и разработаны методические и технические средства моделирования радиационных эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах с учетом характеристик радиационных воздействий, а также режимов и условий работы преобразователей в аппаратуре. Достоверность вынесенных на защиту результатов диссертации можно считать научно обоснованной.

1.39.305-98. КГВС «Мороз-6».

2. КСОТТ ГОСТ РВ 20 39.414.2-97. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Требования по стойкости к воздействию спецфакторов.

3. ОСТ В 11 998-99. Микросхемы интегральные. Общие технические условия. -22 ЦНИИИ МО, 2000, 138 с.

4. Критенко М.И., Малюдин С.А., Телец В.А. Состояние и концептуальные задачи развития военной и специальной микроэлектроники // В сб. научных трудов «Научная сессия МИФИ-99». М., 1999. Т. 6. С. 128-129.

5. Преобразователи информации в аналого-цифровых вычислительных устройствах и системах/ Г.М.Петров, А.П.Лосев, Г.В.Москаленко и др.; Под ред. Г.М. Петрова. М.: Машиностроение, 1973. С. 14-19.

6. Кузин А.Ю., Строителев В.Н. Направления совершенствования систем контроля на основе датчиков // Тез. докл. научно-технической конференции "Датчик-93". -Гурзуф, 1993. С. 38-39.

7. Чаплыгин Ю.А. Конструктивно-технологический базис мнкроэлектронных датчиков // Измерительная техника. 1994.- № 11.- С. 10-14.

8. Телец В.А. Развитие микроэлектронных преобразователей информации для датчиковых п информационно измерительных систем военного назначения и методы их контроля: Диссертация на соиск. уч. ст. д.т.н. Мытищи: 22 ЦНИИИ МО РФ, 1999, 245с.

9. Физика ядерного взрыва: В 2 т. Развитие взрыва. М.: Наука, 1997. Т. 1.- 528 с.12LarinF. Radiation effects in semiconductor devices.- N.Y., 1969.-480 p.

10. Rickets L.W. Fundamentals of Nuclear Hardening of Electronic Equipment. N.Y.: Wiley - Interscience, 1972. - 548 p.

11. Messendger G.C., Ash M.S. The Effects of Radiation on Electronic Systems. New York: Van Nostrand Reinhold, 1986. - 577.

12. Агаханян T.M., Аствацатурьян E.P., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных схемах. М.: Энергоатомиздат, 1989.-256 с.

13. Устюжанинов В.Н., Чепиженко А.З. Радиационные эффекты в биполярных интегральных микросхемах. М.: Радио и связь, 1989.-144 с.

14. Вавилов B.C., Ухин Н.А. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Атомиздат, 1969.- 310 с.

15. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Бойченко Д.В. Анализ стойкостимембранных датчиков давления на основе карбида кремния к воздействию импульсного ионизирующего излучения // Известия вузов. Электроника. -2003. -№1.~ С. 57-62.

16. Бойченко Д.В. Исследование влияния технологии на радиационную стойкость операционных усилителей // Научная сессия МИФИ-2002. Сб. научн. трудов. -М.: МИФИ, 2002. Т. 14. - С. 73-74.

17. Бойченко Д.В. Прогнозирование радиационного отклика операционных усилителей по результатам исследований тестовых структур // Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научн. трудов. -М.: МИФИ, 2003. Т. 14. - С. 123-124.

18. Бойченко Д.В. Сравнительное исследование радиационного поведения БИС управления микрогироскопов и мнкроакселерометров // Научная сессия МИФИ-2004. Сб. научн. трудов. -М.: МИФИ, 2004. Т. 15. - С. 85-86.

19. Бойченко Д.В. Моделирование ионизационной реакции интегрального датчика давления // Научная сессия МИФИ-2001. Сб. научн. трудов. М.: МИФИ, 2001. - Т.14. - С. 107-108.

20. Бойченко Д.В., Согоян А.В. Модель прогнозирования радиационного поведения пьезопреобразователей на основе PZT керамики // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. М.: МИФИ, 2008. - С. 222224.

21. Бойченко Д.В., Согоян А.В. Исследование радиационного поведения пьезопреобразователей на основе Pb(Zr,Ti)03 керамики // Радиационная стойкость электронных систем. — 2006. — Вып. 9. — С. 147-148.

22. Исследование радиационного поведения интегральных преобразователей давления и ускорения резистивного типа / Бойченко Д.В., Ванжа М.М., Шелепин Н.А., О.В.Панкратов, А.А.Орлов // Радиационная стойкость электронных систем. 2004. - Вып. 7. - С. 141-142.

23. Исследование радиационного поведения интегральных компараторов напряжения в диапазоне температур / Бойченко Д.В., Ванжа М.М., Архангельский Ю.К. // Радиационная стойкость электронных систем. 2004. -Вып. 7. - С. 85-86.

24. Исследование радиационного поведения интегральных КМОП КНС коммутаторов аналоговых сигналов / Бойченко Д.В. Кессаринский JI.H., Борисов А.А., И.В.Поляков // Радиационная стойкость электронных систем. — 2005. Вып. 8.-С. 83-84.

25. Влияние технологии изготовления на радиационную стойкость аналоговых мультиплексоров / Бойченко Д.В., Кессаринский JI.H., Ванжа М.М., С.А.Красноперов // Радиационная стойкость электронных систем. 2006. -Вып. 9. - С. 83-84.

26. Исследование влияния топологии на радиационную стойкость аналоговых ИС / Бойченко Д.В., Кессаринский JI.H., Архангельский Ю.К. // Радиационная стойкость электронных систем. — 2007. — Вып. 10. — С. 21-22.

27. Бойченко Д.В., Ваюка М.М. Влияние температуры и приложенного давления на стойкость кремниевых датчиков давления к воздействию импульсного ионизирующего излучения // Научная сессия МИФИ-2004. Сб. научн. трудов. -М.: МИФИ, 2004. Т.1. - С. 199-200.

28. Исследование радиационного отклика интегральных датчиков давления / Бойченко Д.В., Никифоров А.Ю., Согоян А.В. Артамонов А.С., Шелепин Я.АЛ Научная сессия МИФИ-2000. Сб. научн. трудов. М.: МИФИ, 2000. -Т.1.-С. 97-98.

29. V.V.Belyakov, A.I.Chumakov, A.Y.Nikiforov, V.S.Pershenkov, P.K.Skorobogatov, A.V.Sogoyan IC's radiation effects modeling and estimation// Microelectronics Reliability, 2000, v. 40, No. 12. P.1997-2018.

30. Скоробогатов П.К. Методология расчетно-экспериментального моделирования объемных ионизационных эффектов в ИС с позиции многоуровневого иерархического подхода// Сборник научных трудов. В 11 частях. 4.5. М.: МИФИ, 1998. - С.208-210.

31. Е. Fieller. Some problems in interval estimation. J. Roy. Statist. Soc. Ser. В., 16:175-185, 1954.

32. S. Agostinelli et.al. Geant4—a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506 (2003), pp. 250-303

33. Koester, D., A. Cowen, R. Mahadevan, and B. Hardy, PolyMUMPs Design Handbook: a MUMPSr process. Revision 8.0, MEMSCAP, 2002.

34. Schwank, J.R. Nasby, R.D. Miller, S.L. Rodgers, M.S. Dressendorfer, P.V. Total-dose radiation-induced degradation of thin film ferroelectric capacitors. IEEE Trans. Nucl. Sci, NS-37, Vol. 6, 1990, pp. 1703 1712

35. Moore, R.A. Benedetto, J. Rod, B.J. Total dose effect on ferroelectric PZT capacitors used as non-volatile storage elements. IEEE Trans. Nucl. Sci, NS-40, Vol. 6, 1993, pp. 1591 1596

36. Holbert, K.E. Sankaranarayanan, S. McCready, S.S. Response of lead metaniobate acoustic emission sensors to gamma irradiation. IEEE Trans. Nucl. Sci, NS-52, Vol. 6, 2005, pp. 2583 -2590

37. Lee, S.C. Teowee, G. Schrimpf, R.D. Birnie, D.P., III Uhlmann, D.R. Galloway, K.F. Total-dose radiation effects on sol-gel derived PZT thin films. IEEE Trans. Nucl. Sci, NS-39, Vol. 6, 1992, pp 2036 2043

38. Moore, R.A. Benedetto, J.M. McGarrity, J.M. McLean, F.B. Neutron irradiation effects on PZT thin films for nonvolatile-memory applications. IEEE Trans. Nucl. Sci, NS-38, Vol. 6, 1991, pp. 1078 1082

39. А.Ф. Аккерман. Моделирование траекторий заряженных частиц в веществе.

40. Y Harada, Y Kanemitsu, Y Tanaka, N Nakano, H Kuroda and К Yamanaka. Picosecond laser generation of ultrashort acoustic pulses in silicon1989 J. Phys. D: Appl. Phys. 22 569-571

41. Сивухин. Курс общей физики, т. 3. Электричество.

42. Новацкий В. Динамические задачи термоупругости. М.: Мир, 1970

43. Borisenok, V.A.; Novitskii, E.Z.; Simakov, V.G.; Physical effects in pyroelectric pulsed ionizing radiation detectors Applications of Ferroelectrics, 1990., IEEE 7th International Symposium . 1990. pp. 378 382.

44. S. R. Kim and S. K. Choi. Effects of Grain Size and Doping on Photovoltaic

45. Current in (Pbi~xLax)Ti03 Ferroelectric Ceramics. Ferroelectric Letters, 31:63-72, 2004

46. A. Kholkin et. al. Transient photocurrents in lead zirconate titanate thin films. Applied Physics Letters, Volume 72, Issue 1, 1998, pp. 130-132

47. Th. Holbling, R. Waser. Simulation of the charge transport across grain boundaries in p-type SrTi03 ceramics under dc load: Debye relaxation and dc bias dependence of long-term conductivity. Journal of Applied , 2002, Volume 91, Issue 5, pp. 30373043.

48. R. Wager, R. Hagenbeck. Grain boundaries in dielectric and mixed-conducting ceramics. Acta mater. 48 (2000) 797-825.

49. A. L. Kholkin, S. O. Iakovlev, and J. L. Baptista . Direct effect of illumination on ferroelectric properties of lead zirconate titanate thin films. Applied Physics Letters September 24, 2001 - Volume 79, Issue 13, pp. 2055-2057

50. M.Tada et.al, Photoconducting properties of oxygen-deficient Bi4Ti012. Key Engineering Materials Vol. 301 (2006), pp.7-10

51. Л.Д.Ландау, E.M. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. М.: 1959

52. E.D.Palik "Handbook of Optical Constants of Solids" Academic Press. 1997

53. Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения AniBv). Пер. с англ. под. ред. Е.Ф.Гросса. М.: Мир, 1970.

54. Лучинин В.В., Мальцев П.П., Маляков Е.П. Широкозонные материалы -основа экстремальной электроники будущего//Микроэлектроника. 1999. Том28, №1. С. 21-29.

55. Choyke W.J., Patric L. Higher Absorption Edges in 6H SiC// Physical Review. -1968. Vol.172, N3 P.769 - 773.

56. Shah P., Mitin V Dependence of the Injection Current at Lasing Threshold on Structure and Losses in AlGaN/GaN Lasers// IEEE Trans. 1997. Vol. ED-44, N1. -P. 197 - 199.