автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Прогнозирование стойкости КМОП ИС к совместному воздействию стационарного ионизирующего излучения и температуры

На правах рукописи

СОГОЯНАРМЕН ВАГОЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СТОЙКОСТИ КМОП ИС К СОВМЕСТНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ СТАЦИОНАРНОГО ИО! 1ИЗИРУ10ЩЕГ0 ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ •

05.27.01 - , Твердотельная электропика, микроэлектроника и наноэлектроника 05.13.05 - 'Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученом степени кандидата технических наук

Автор:

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

Научные руководители: кандидат технических наук.

с.н.с. Герасимов Ю.М. кандидат технических наук, доцент Чумаков Л.И.

Официальные оппоненты: доктор фнзико- математических наук

Масловский В. М. . кандидат технических наук, Герасимов В.Ф.

Ведущая организация: ОАО "Ангстрем"

Защита состоится " Q&UCtJfUJ) 1997г. и (í час °Q мни na

заседании диссертационного совета К053. 03. ОЛ н .МИФИ но адресу: 115-409. г.Москва, Каширское шоссе, д.31. тел. 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в Спю.шоюке MI !Ф1 1.

Автореферат разослан " /у " _191»7 г.

Просим принять участие в работе concia или прислан. ипин и сипом экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент С?/нщ-/'rtfiCu Н.М.Онпшенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Интегральные схемы (ИС) средней и высокой степени интеграции широко используются в современных системах управления и вычислительной техники. Наибольшее распространение, особенно в электронной аппаратуре, предназначенной для автономного функционирования, нашли ИС на КМОП-структурах. Применение КМОП ИС в аппаратуре, эксплуатируемой в условиях воздействия ионизирующих излучений (ИИ) (космическая и военная аппаратура, системы ЭФУ) делает актуальной задачу прогнозирования их радиационной стойкости.

Особое значение имеет прогнозирование стойкости КМОП ИС в условиях воздействия ИИ низкой интенсивности, характерных для космических аппаратов, ядерных установок и других. Прямое экспериментальное определение стойкости изделия, как правило, невозможно из-за большой продолжительности и высокой стоимости радиационных испытаний. Вследствие этого требуется развитие научно-обоснованных методов ускоренных испытаний и расчетно-экспериментальных методов прогнозирования стойкости КМОП ИС. Решение проблемы осложняется тем, что уровень стойкости зависит не только от интенсивности воздействия, но и от температуры окружающей среды и изменяющегося во времен!! режима функционирования.

К настоящему времени установлено, что при воздействии

о

стационарного ИИ формируется положительный заряд в окисле и поверхностные состояния (ПС) на границе раздела кремний-оксид. После прекращения облучения происходит медленная нейтрализация положительного заряда и довстраивание ПС. Совместное действие процессов отжига положительного заряда и медленного встраивания ПС при облучении определяет зависимость радиационного поведения МОП-схем от мощности дозы и температуры. Существующие модели, как правило,. опираются только на узкую часть экспериментальных наблюдений и описывают группу частных явлений. С другой стороны, развитие расчетно-эксперимеиталышх методов требует разработки моделей, учитывающих комплексный характер воздействий и условий эксплуатации МОП-приборов. Другим аспектом проблемы определения стойкости современных ИС является необходимость учета влияния паразитных структур и эффектов геометрического масштабирования.

В связи с этим актуальной задачей является разработка расчетно-

экспериментальных методов определения показателей стойкости КМОП ИС к совместному воздействию ИИ и температуры с учетом специфики реальной эксплуатационной обстановки.

Цель диссертационной работы.

Целью работы является разработка физико-математических моделей элементов КМОП ИС, учитывающих совместное воздействие ИИ низкой и средней интенсивности и температуры, и расчетно-экспернментапьных методов прогнозирования радиационной стойкости КМОП И С на их основе.

Научная новизна работы.

1. Предложена физическая модель туннельно-термоактнвашшшюго обмена дефектов подзатворного окисла МОП-структуры с подложкой, позволяющая расширить температурный диапазон расчстно-эксперимектального прогнозирования стойкости КМОП ИС до -80...+ 130С.

2. Разработана физико-математическая модель накопления и релаксации радиацнонно-нндуцированного заряда (РИЗ) и встраивания поверхностных состояний. Учет совместного вклада водородных соединений и электронной подсистемы .материала подложки позволяет повысить адекватность моделирования эффектов деградации МОПТ и расширить диапазон применимости модели до уровней доз 1С рад и времен воздействия до Ю10 с.

3. Предложена модель радиационного изменения характеристик МОП транзисторов (МОПТ), предназначенная для работы в составе системы схемотехнического моделирования, учитывающая влияние интенсивное! и ИИ, температуры и электрического режима функционирования при прогнозировании радиационной стойкости КМОП 1 )С. Разработка методика определения ее параметров, позволяющая повыещь точность прогнозирования на 25-30%.

4. Предложена математическая модель латентных релаксационных процессов в окислах МОПТ при облучении, позволяющая существенно повысить адекватность ускоренных методов определения стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ в условиях космического пространства. Обоснованы требования к процедуре ускоренных испытаний, направленных на выявление латентных процессов.

5. Обоснованы требования и определен минимальный состав тестовых структур для прогнозирования стойкости ИС с учетом влияния паразитных структур и эффектов геометрического масштабирования.

Практическая значимость работы.

1. Разработан комплекс программных средств, позволяющий на основе пакета схемотехнического моделирования РБР1СЕ проводить расчетно-экспериментальное прогнозирование радиационной стойкости КМОП ИС в диапазоне температур -80...+ 130С до уровней доз Ю7 рад и времен воздействия до I О10 с.

2. Предложена методика проведения ускоренных испытаний, направленных на выявление потенциального вклада релаксационных процессов с большими постоянными времени (латентные процессы) в КМОП ИС, позволяющая существенно повысить адекватность ускоренных методов определения стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ низкой интенсивности.

3. Разработана методика идентификации параметров радиационной модели МОП транзисторов, предназначенной для работы в составе системы схемотехнического моделирования, позволяющая повысить точность прогнозирования на 25-30%.

4. Предложены и обоснованы варианты тестовых структур для оперативного контроля параметров радиационной стойкости КМОП ИС в процессе изготовления.

5. Проведены серии сравнительных испытаний КМОП ИС на рентгеновских имитаторах и изотопных источниках при различных интенспвностях воздействия и температурах среды, подтвердившие

адекватность предложенных физико-математических моделей. «

Результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по НИР "Перенос-4", "Кашира", ^Авторитет", "Андромеда-СПЭЛС", "ДУС-ДНГ". "Абордаж-СПЭЛС", "Абориген-СПНЦ-П-СПЭЛС", "Абрис-СВВя, "Венера-Г, "Плутон-5", "Магистр-СВВ".

Результаты диссертационной работы использованы в ОАО "Ангстрем" и ЭНПО СПЭЛС (подтверждено актами).

Результаты, выносимые на защиту.

1. Физико-математическая модель туннельно-термоактивационных механизмов зарядовой релаксации в системе подложка-дефектная подсистема окисла МОП-структур.

2. Модель встраивания ПС, учитывающая совместный вклад водородных соединений и электронной подсистемы материала подложки.

3. Расчетно-экспериментальный метод прогнозирования радиационной стойкости КМОП ИС в условиях воздействия ИИ, позволяющий учесть влияние интенсивности ИИ, температуры среды и электрического режима функционирования.

4. Математическая модель латентных релаксационных процессов в окислах МОПТ при облучении. Требования к минимальному составу тестовых структур и процедуре ускоренных испытаний.

Апробация и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "Машинная (рафика и автоматизация проектирования в радиоэлектронике", г. Челябинск, 1990; на Всесоюзной конференции по радиотехнике и электронике, г. Минск, 1990; на Всесоюзной школе-семинаре "Опыт разработки и применения приборно-технологических САПР", г. Львов, 1991; на 2-й и 3-й межотраслевых научно-технических конференциях "Влияние низконнтененвпых излучений космического пространства и атомных электростанций па элементы и устройства радиоэлектроники и электротехники" (г. Лыткарино. 1995.1997 гг.); на 6-й межотраслевой научно-технической конференции "Воздействие ионизирующих излучений на радиоэлектронную аппаратуру, элементы и материалы. Методы испытаний и исследовании" (г. Лыткарино, 1996 г.); на . Международной научно-технической конференции "Электрическая релаксация в высокоомных материалах", г. С.-Поербург. 1994: на .12.33 и 34 Международных конференциях ШЕЕ №КПС (США, 1995,1996.1997 п . с на Международной конференции ЯАОЕСЬ-97 (Франция, 1997 г.).

Всего по теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печашых трудах, а также в 13 научно-технических отчетах. Список основных рабог приведен в конце реферата.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 219 страниц печатного текста (включая приложения), 57 рисунков, 10 таблиц и библиографию, включающую 190 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведен анализ и выделены доминирующие физические механизмы деградации МОП-структур при воздействии стационарного ИИ. Рассмотрены существующие модельные представления для описания таких процессов и проанализирована их применимость при прогнозировании радиационной стойкости КМОП ИС с учетом специфики радиационной обстановки и условий эксплуатации. Установлено, что процессы долговременной релаксации РИЗ, связанные с электронным обменом между подложкой и окислом, обладают рядом существенных особенностей, в достаточной мере не учитываемых традиционными моделями. К ним относятся:

-термоактнвацнонный характер процесса обмена; -обратимость части отжига при обратном смещении затвора; -преимущественная зависимость темпа перезаряда дефектов окисла от расположения квазнуровней Ферми в приповерхностной области полупроводника (инверсия/аккумуляция) по сравнению с влиянием напряженности поля.

Совместное действие процессов отжига положительного заряда и медленного встраивания ПС при облучении определяет зависимость радиационного поведения МОП-схем от мощности дозы и температуры. Традиционно эффекты пострадиационного встраивания ПС интерпретируются в рамках "водородной" и "конверсионной" моделей.

О

Проведенный анализ показал, что обе трактовки в своей традиционной формулировке по отдельности не могут объяснить ряда экспериментальных результатов. Обоснован вывод о необходимости разработки модели встраивания ПС, учитывающей вклад как соединений водорода, так и электронной подсистемы подложки.

Проведенный анализ опубликованных данных показал, что экспериментальные наблюдения соответствуют предположению об_ обратимом характере перезаряда Е'-центров, являющихся доминирующим типом радиацнонно-генерируемых дефектов окисла, ответственных за положительный заряд. В соответствии с принципами термодинамики, энергетические уровни перезаряжающиеся дефектов в первом приближении должны соответствовать области изменения уровня Ферми полу проводи ика, то есть запрещенной зоне В рамках этой гипотезы в работе рассматривается механизм, обусловливающий электронный обмен между подложкой и дефектами, расположенными в объеме окисла и имеющими

Рис.1. Схематическое изображение процессов перезаряда дефекта- -

энергетические уровни напротив запрещенной зоны кремния.

Наличие потенциального барьера на »ранние лолулроволннк-окисел делает необходимым привлечение туннельного .механизма для описания процессов перезаряда. Традиционная трактовка предполагает, что туннельный переход электрона может осуществляться только па стационарный энергетический уровень дефекта, соответствующий энергии электрона в кремнии. Без дополнительных предположении такое ограничение делает (в одночастичном приближении) невозможным электронный обмен с состояниями напротив запрещенной зоны .4!. В работе показано, что в системах с конечной величиной члектрон-фопошнч о взаимодействия за счет термического возбуждения происходит "ушнреиие" уровня дефекта, что приводит к появлению вероятности туннельной) обмена дефекта с подложкой (рис.1). С использованием аниарша теории возмущений и формализма эффективного гамильтониана Кардшш получено выражение для вероятности »V перехода электрона на уровень дефекта в единицу времени:

"Ьа" 1 ] 1 Ма {£, - Е,):

2л . и>= Т

А

2якТ у еХр[ кТ 2у'

(!)

где квадрат матричного элемента туннельного перехода, у - константа электрон-фононного взаимодействия, «»-характерная частота доминирующей колебательной моды, ¿^энергетический уровень дефекта, Е, -энергия электрона в кремнии. -Полученное выражение (!) объясняет сильную зависимость процессов туннельного обмена дефектов с подложкой от

температуры. В соответствии с предложенной моделью, у ловушки, имеющей энергетический уровень напротив запрещенной зоны кремния, существует возможность захвата электрона из зоны проводимости с частотой и из валентной зоны с частотой Уз (процессы 1 и 3 на рис, 1) и эмиссии электрона в зоны проводимости (уг) и валентную (у4) (процессы 2 и 4 на рис.1). Получены выражения для частотных факторов переходов угу4, учитывающие пространственно- энергетическое - распределения зонных электронов кремния. Предложенная модель хорошо описывает наблюдаемые _ термополевые зависимости кинетик релаксаций положительного заряда окисла в предположении о гауссовском распределении энергетических уровней дефектов., Показано, что зависимость частотных, факторов от энергетического уровня ловушки приводит к возникновению "энергетического" фронта туннелирования наряду с пространственным.

Предложена модель встраивания ПС при больших (>Ю5с) временах. Образование ПС, по структуре отличных от /уцентров, представляется возможным при участии трех компонентов: радиационно-генернрованного дефекта с оборванными связями (в основном- Е- центра), заряженного либо нейтрального водородосодержащего комплекса (ВСК) и электрона из подложки или зоны проводимости окисла. Каждая компонента может являться фактором, ограничивающим скорость встраивания ПС в конкретных условиях. Если количество водородных комплексов у границы ^¡-ЯЮ;, мало, то можно ожидать, что темп и энергия активации встраивания ПС в целом определяются диффузией соединений водорода в окисле

а

(например, при латентном встраивании). Напротив, при Наличии соединений водорода у границы раздела возможно образование ПС с участием электронов из подложки или зоны проводимости окисла. В этом случае кинетика, энергия активации и полевая зависимость процесса связаны с туннелыю-термоактивацнонным обменом с подложкой. Результаты проведенных экспериментальных исследований соответствуют выдвинутому предположению о роли заряженных ВСК и электронов в образовании части ПС.

Рассмотрены конкретные реакции формирования ПС, предполагающие участие радиационно-генерированных дефектов окисла, ВСК и электронов кремния. Проанализирована специфика реакций образования активных ВСК в окисле при облучении.

Разработана математическая модель, отражающая основные наблюдаемые закономерности формирования РИЗ в окисле и ПС МОП-приборов в процессе облучения и отжига. Модель, позволяет

удовлетворительно описать процессы накопления и релаксации РИЗ в МОП-приборах при различных полях и температурах.

Получены экспериментальные результаты, подтверждающие вывод модели о том, что процессы туннельно-термоактнвационной релаксации РИЗ протекают приблизительно одинаково при облучении и отжиге. Это позволяет считать эффект инжекции горячих носителей в окисел подавленным по сравнению с туннельным обменом в рабочих режимах МОПТ. Определяемое из исследования процессов релаксации значение энергии активации является характеристикой структуры и может использоваться для прогнозирования поведения прибора в различных условиях облучения.

Деградация характеристик МОПТ при облучении зависит не только от смещения на затворе и подложке, ио и от потенциалов истока и стока. Изменение поверхностного потенциала вдоль канала приводит к возникновению неоднородных условий накопления заряда в окисле и формирования ПС на граннне кремний-оксид. Анализ показал, что и цифровых КМОП схемах этот эффект оказывается наиболее существенным и р-канальных МОПТ. Обоснованы электрические режимы, к которых необходимо исследовать стойкость МОПТ с учетом эффектов влияния смещений стока и истока.

Исследовано влияние нестационарного электрического режима при облучении и отжиге на процессы дефектообразовання. Экспериментальные результаты обнаружили слабую зависимость сдвига порогового напряжения от частоты. Эффект объяснен нестационарносчыо распределения дырок в окисле при частотах выше критической. Ввиду .дисперсионного харанера переноса распределение дырок не успевает установип.ся за время, н течении которого на затвор подано нулевое смещение. Разработан мегод апа.пна нестационарного режима по результатам облучения при екщиопарных смещениях, соответствующих уровням логической "1" и "0". Me юд позволяет с приемлемой для практики точностью рассчитывать кинетику накопления РИЗ и формирования ПС при нестационарном электрическом смещении.

Проведены исследования эффектов латентного дефектообразовання в МОП-приборах из состава ИС 564J1H2B. Наблюдалось совпадение спектров ПС, образовавшихся в n-МОП транзисторах в результате латентной релаксации и После выдержки облученных приборов в среде 1Ь, что является аргументом в пользу участия молекулярного водорода в латентных процессах. Согласно диффузионной модели, момент начала латентных

процессов определяется локализацией источника 11: и температурой среды. В настоящее время источник водорода, участвующего в латентных процессах, достоверно не установлен. Исходя из характерных времен процессов релаксации, оценено характерное расстояние от него до границы раздела Б^БЮ: - порядка 300 мкм, что указывает на возможное участие краевых -областей кристалла либо кремниевой подложки. Предложена методика ускоренных испытаний, направленных на выявление роли латентных процессов » приборах конкретной партии. Обоснованы требования к продолжительности и температурному режиму ускоренных испытаний..

Проведен анализ областей -эффективного применения методов прогнозирования радиационной стойкости типа "эксперимент-расчет" и методов асимптотической эквивалентности. Сделан вывод о взаимодополняющем характере указанных подходов и целесообразности развития Методов прогнозирования обоих типов, предполагающих различные области применения.

Проанализированы предпосылки применимости стандартных средств электрического .моделирования для учета специфики прогнозирования радиационной реакции МОП-приборов. Сделан вывод о том, что в приборах, не являющихся коротко- и узкокалальнымн стационарное облучение, в нервом приближении, не создает новых механизмов, влияющих на условия функционирования МО! Л". ")ю дает основания распространить применение • скшдаршых моделей на описание характеристик длинно- и ширококанальных МОПТ при облучении, тогда как для МОПТ с малыми геометрическими размерами необходимо уточнение моделей.

Рассмотрена проблема адекватного перехода от описания физических эффектов деградации к изменению параметров модели элемента с учетом многоэкстремального характера задачи идентификации параметров модели МОПТ. 11а основе анализа физических процессов в МОПТ при облучении получена временная зависимость формирования и релаксации РИЗ. Предполагается, что деградация всех параметров электрической модели МОПТ описывается временной зависимостью единого вида. В каждой точке временной зависимости по ВАХ прибора проводится идентификация параметров модели прибора. Впоследствии по всему массиву данных для каждого параметра модели прибора проводится определение параметров радиационной модели. Метод позволяет отказаться от неоднозначной процедуры перевода изменения значений физических параметров в изменения параметров модели. Сделан вывод об узкой применимости

. . Л ( II'. 1С

14 •¡^и-.и.

',(2)

У,

■ ••/.■•'•12 У-"--

линейных моделей для прогнозирования функционирования отдельных приборов и схем в целом.

Выделен набор параметров модели описывающих статические

ВАХ МОПТ, относительная радиационная чувствительности характеристик к которым максимальна. Показано, что использование линейного приближения для зависимости параметров И; от приращений плотностей РИЗ (ДМ,,) п ПС (А/У,) не всегда оправдано. Предложено перейти к "спрямляющим" функциям О,(К,) с целыо минимизации нелинейности предполагаемой зависимости параметра модели от физического параметра.

Предложена математическая модель изменения параметров 8Р1СП-моделн МОПТ при воздействии стационарною ИИ заданной интенсивности в диапазоне температур. Показано, что разность кннетнк ^изменения параметра АС,'" (О) =<7,(Д/\\Т:)-С,(1Х/';. Т:) при воздействии с различными мощностями доз Р, и Р2 при температурах среды, соответственно, Т( и I": описывается выражением:

1-ехр(-цО) Г. ./> Г'' ' " "''

где ¡V- эффективная энергия активации процесса туннельно-термоактивационной релаксации, а: -дозовая постоянная, соответствующая температуре Г/, £).,-. максимальная расчетная доза. Я,»,- коэффициент, уг агрегированный характеристический показатель релаксации /"-го параметра.

Разработана методика экспериментального определения параметров радиационной модели. Обоснован рациональный выбор режимов экспериментального исследования тестовых МОПТ с учетом требований минимизации погрешностей, вносимых - измерительными' процедурами. Проведены исследования деградации МОП-приборов из состава ПС при различных интснсивностях воздействия, показавшие приемлемое совпадение экспериментальных и расчетных результатов.

Предложен расчетный метод прогнозирования стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ, основанный на функционально-иерархической декомпозиции схемы. Проанализированы основные типы параметрических отказов КМОП-схем при воздействии ИИ, определена относительная иерархия доминирующих параметрических и функциональных отказов в схемах различных типов, содержащих элементы "с отношением", асинхронные и синхронные автоматы, чисто комбинационные подсхемы. Предложен простой метод прогнозирования статического тока потребления КМОП ИС, соответствующий наихудшему эксплуатационному режиму.

■ .--л. ; . Ч - . 13

Проведен анализ функционирования шеетнтранзисторного КМОП элемента памяти (ЭП) статического ОЗУ при воздействии стационарного ИИ различной интенсивности в диапазоне температур. Установлено, что:

-отказ ЭП имел однопараметрический характер, определялся нарушением условий неразру тающего считывания и был обусловлен разбалансом схемы из-за неравномерной деградации МОПТ в различных электрических режимах;

-зависимость дозы отказа Ц, от мощности дозы имеет сложный характер. Показана возможность возникновения диапазонов мощностей доз, внутри которого р« существенно (более чем на порядок) возрастает ("окно"). В общем случае при ннзкоинтенсивном воздействии доза отказа может быть существенно меньше, чем при высокоинтенсивном ИИ;

-нарушение условий неразрушающего считывания может проявляться в виде эффектов "впечатывания" или "инверсии", характерных для различных типов радиационного поведения МОПТ;

, Показано, что повышение температуры уменьшает дозу отказа Ои ЭП при низкоингенсишюм воздействии, а понижение - уменьшает О« при высокой мощности дозы. Обоснован вывод о необходимости проведения расчетно-экспериментальных оценок стойкости к инзкоинтснснвному ИИ при повышенной температуре и к высокоинтеисипному воздействию при пониженной мри исследовании радиационной стойкости КМОП НС.

Рассмотрена проблема взаимосвязи стабильности параметров 1схн0.-|01 пческого процесса производства компонентов аппаратуры и возможности построения прогноза поведения отдельных образцов РЭА. (.'делан вывод о том, что корректное прогнозирование функционирования аппаратуры и полях ИИ возможно при включении в блоки РЭА исключительно элементов, изготовленных по технологии, аттестованной с учетом требований радиационной стойкости.

Установлено, что комплексное исследование дозовых эффектов при воздействии стационарного ионизирующего излучения на КМОП ИС т ребует сравнительного анализа трех групп эффектов: ■ деградация окисла активных структур; в вклад эффектов геометрического масштабирования; * деградация паразитных структур.

Па основе ^развиваемой модели дефектообразования предложено использовать радиационный отжиг РИЗ для проведения ускоренной сортировки приборов на стадии производства.

Установлено, что в ИС, выполненных по объемной КМОП-технологии, паразитные структуры, в частности, изолирующий ("толстый") окисел, могут оказывать существенное влияние на радиационную чувствительность МОП-структур с субмикронными размерами. Предложена физико-математическая модель зависимости радиационной чувствительности МОПТ от ширины канала. Показано, что в области толстого окисла, прилегающей к тонкому окислу, за счет краевых электростатических эффектов создаются условия для более интенсивного накопления положительного заряда. Заряд толстою окисла вызывает изменение пространственного распределения поверхностного потенциала у краен затвора. При определенных условиях возможно образование проводящих каналов у края затвора при напряжениях ниже порогового.

Разработаны методические основы и тестовые структуры для оперативного контроля параметров радиационной стойкости КМОП ИС в процессе изготовления, учитывающие выявленные группы эффектов.

Проанализированы требования, предъявляемые к техническим и программным средствам поддержки раечетно-экспернментального моделирования. Разработана подсистема "1<АОАК-2", включающая программные средства расчетного прогнозирования поведения схем:

в экстракции параметров моделей МОГ1Т;

и спектрального анализа ВАК;

и идентификации параметров радиационных моделей; ■ я прогнозирования характеристик МОПТ.

Отдельные частные вопросы, связанные с физическим и математическим обоснованием полученных в работе результатов, а также некоторые дополнительные сведения приведены в приложениях к работе.

В приложении 1 проводится математическое обоснование выражении для частотных факторов туннельных переходов зонных элект ронов.

В приложении 2 анализируется влияние центров захвата на выход свободных носителей.

В приложении 3 анализируется кинетика ' . формирования

положительного заряда окисла и ПС.

В приложении 4 рассматривается влияние смещений стока и истока на деградацию параметров МОПТ при облучении.

В приложении 5 анализируется формирование заряда окисла и ПС в нестационарном электрическом режиме при облучении.

В приложении 6 содержится описание программной подсистемы "ИАОАМ-2". 5

о

В приложении 7 обосновывается рациональный выбор режимов экспериментального исследования МОПТ в методе "эксперимент-расчет".

В приложении 8 описана методика определения спектральных характеристик ПС на основе анализа ВЛХ.

В приложении 9 рассматривается состав тестового модуля для контроля параметров радиационной стойкости.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Проведен анализ и выделены доминирующие физические механизмы деградации МОП-структур при воздействии стационарного ИИ. Рассмотрены существующие модельные представления для описания таких процессов и проанализирована их применимость для прогнозирования стойкости КМОП ПС с учетом специфики радиационной обстановки и уел о он й ) ксплуата пни.

2. Обоснованы предположения о пространственно-энергетической локализации раднаниопно-генериронанных дефектов окисла и показано, что электронный обмен дефекта с кремниевой подложкой происходит по туннельно-термоактивационному механизму. Полученные результаты позволили объяснить ряд экспериментально наблюдаемых термополевых зависимостей облученных МОП-структур, которые не описываются I радпцноннымп моделями.

л. Предложен:» модель встраивания ПС, учитывающая совместный вклад водородных соединении и электронной подсистемы материала подложки и позволяющая объяснить ряд наблюдаемых особенностей кинет нк формирования ! 1С, повысить адекватность моделирования эффектов деградации МОПТ, расширить диапазон применимости расчетных Методов до уровней доз 10 рад и времен облучения до 1010 с в диапазоне температур -80...+ 130С.

4. Разработан метод, позволяющий по результатам облучения при стационарных смещениях рассчитывать кинетику накопления РИЗ и формирования Г1С при нестационарном электрическом смещении на затворе и с учетом напряжений на стоке и истоке МОПТ. Предложена методика ускоренных испытаний, направленных на выявление роли латентных процессов в приборах конкретной партии, позволяющая существенно повысить адекватность ускоренных методов определения стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ в условиях космического пространства. Обоснованы требования к продолжительности и температурному режиму ускоренных испытаний.

5. Разработан расчетно-экспсриментальпый метод моделирования стойкости КМОП ИС к воздействию ИИ, позволяющий учесть влияние интенсивности воздействия, температуры среды и режима функционирования. Предложена методика экспериментального определения параметров радиационной модели. Проведены расчеты ряда типовых узлов КМОП ИС, подтвердившие эффективность данного подхода в широком диапазоне мощностей доз.

6. Обоснованы требования и определен минимальный состав тестовых структур для прогнозирования и оперативного контроля параметров радиационной стойкости КМОП ИС с учетом влияния паразитных структур и эффектов геометрического масштабирования. Проведены серии сравнительных испытаний КМОП ИС на рентгеновских имитаторах и моделирующих установках при различных иитснсинностях воздействия и температурах среды, подтвердившие адекватность предложенных фичнко-математических моделей и расчстно-экспериментальных методов.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Согоян A.B. Моделирование накопления заряда в МДП-приборах в нестационарном электрическом поле при облучении //Тез. докл. Международной научно-технической конференции "'Электрическая релаксация в высокоомиых материалах", С.-Петербург, 1994, с.88-89.

2. V.S.Pershenkov, V.V.Belyakov, S.V.Chcrepko, A.Y.Nikiforov, A.V.Sogoyan, V.N.UIimov, V.V.Emelianov. Effect of Electron Traps on Reversibility of Annealing. //ШЕЕ Trans.Nucl.Sci., NS-42,No.6, p.p. 1750-1757, 1995.

3. Согоян A.B. Аналитическая модель радиационной чувствительности МДПТ с узким каналом // Вопросы атомной науки и техники, сер. "Физика радиационного воздействия иа радиоэлектронную аппаратуру", 1995, вып. 1-2, стр.63-70.

4. V.V.Emelianov, A.V.Sogoyan, O.V.Mcshurov, V.N.UIimov, V.S.Pershenkov. Modelling the Field and Thermal Dependence of Radiation-Induced Charge Annealing in MOS Devices //IEEE Trans.Nucl.Sci., NS-43, No.6, pp.2572-2578,1996.

. 5. V.S.Pershenkov, S.V.Cherepko, A.V.Sogoyan, V.V.Belyakov,

V.N.UIimov, V.V.Abramov, A.V.Shalnov, V.l.Rusanovsky. The Conception of j

s>.

Two-Level AD Centers and Nature of Switching Traps in Irradiated MOS Structures //IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-43, No.6, pp. 2579-2586, 1996.

. 6. Емельянов B.B.r Мещуров O.B., Согояп Л.В. Полевая зависимость отжига радиацнонно-индуцировнпого заряда в подзатвориом окисле МОП-приборов// Вопросы атомной науки и техники, сер. "Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру", 1995, вып. 3-4, стр.35-44.

7. Беляков В.В., Першенков B.C., Череико С.В..Никифоров Л.Ю., Согоян Л.В., Улимов В.Н. Влияние электронных ловушек на эффекты обратимого отжига в облученных МОП-транзисторах // Вопросы атомной науки и техники, сер. "Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру", 1995, вып. 3-4, стр.92-97.

8. A.V.Sogoyan. S.V.Cherepko, V.S.Pershenkov, V.I.Rogov, V.N.Ulimov, V.V.Emelianov, "Thermal- and Radiation-Induced Interlace Traps in MOS Devices", RADIX'S European Conference Abstracts, 1997, A25-A26.

9. V.V.Kmelianov, АЛ'.Яоиоуап, S.V.Cherepko, O.V.Meshurov, V.N.Ulimov, A.I.Chumakov, V.I.Rogov, A.Y.N'ikil'orov, "Thermal and Field Dependencies of Latent Relaxation Processes in Irradiated MOS Devices", RADIX'S European Conference Abstracts,1997, A16-AI9.

Подписано в печать Я. if? Заказ HVi Тираж 40 экз.

Типография "МИФИ, Каширское шоссе, 31