научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 2, с. 85-90

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

УДК 621.382

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

© 2004 г. Т. М. Агаханян

ЭНПО "Специализированные электронные системы" Поступила в редакцию 28.04.2003 г.

Рассматриваются особенности моделирования микросхемы на основе математической модели, отражающей ее реакцию на ионизирующее излучение. Моделирование проводится с учетом его использования для решения проблемы повышения радиационной стойкости как самих микросхем, так и электронной аппаратуры, построенной на их основе.

В настоящее время радиационную стойкость интегральных микросхем, как правило, устанавливают на основании результатов экспериментальных испытаний. Недостатком такого подхода является не только в том, что это - довольно дорогостоящие испытания. Более существенным является то, что эти испытания в большинстве своем практически невозможно использовать для усовершенствования микросхемы с целью повышения ее радиационной стойкости. Многочисленные испытания интегральных микросхем [1-6] свидетельствуют о том, что радиационная стойкость однотипных микросхем оказывается существенно различной не только из-за разнообразия технологии изготовления и конструктивного оформления, но и в зависимости от функционального назначения и схемотехнической реализации электронных устройств на основе данной интегральной микросхемы. В связи с этим для увеличения запаса по радиационной стойкости аппаратуры необходимо располагать информацией не только о зависимости основных параметров элементов интегральных микросхем от радиационного воздействия, но и об особенностях их проявления в различных интегральных структурах, а также о влиянии структурной и функциональной организации интегральных микросхем и схемотехнической реализации конкретных электронных устройств, включая особенности их режима работы [5-8] и алгоритмической реализации. Поэтому проблема повышения радиационной стойкости электронной аппаратуры не может быть решена в рамках традиционного подхода [5, 6], ориентированного, в основном, на количественное накопление и систематизацию конкретных, но частных результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Эффективное решение указанных проблем возможно при дополнении экспериментальных исследований математическим моделированием радиационных эффектов в интегральных микро-

схемах. Модели поведения элементов интегральных микросхем, начиная от транзисторов, кончая усилительными каскадами и логическими элементами разработаны с учетом почти всех известных факторов радиационного воздействия [5, 6, 8-11]. Однако многочисленные экспериментальные исследования радиационной стойкости современных интегральных микросхем свидетельствуют о том, что создания моделей поведения отдельных элементов далеко не достаточно для однозначного прогнозирования изменения характеристик микросхемы в целом при радиационном воздействии. Нельзя согласиться также с рекомендацией установить поведение к спецвоздействию целых микросборок, надеясь, что на основе испытаний элементов интегральных микросхем можно определить пределы применимости электронной аппаратуры в условиях радиационного воздействия.

1. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ

РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Проблемы, возникающие при прогнозировании радиационного поведения интегральных микросхем и, в особенности, связанные с повышением радиационной стойкости электронной аппаратуры на интегральных микросхемах, наиболее эффективно можно разрешить на основании макромоделей отдельных блоков микросхемы, образуемых группой элементов, радиационное поведение которых является определяющим для рассматриваемой микросхемы в целом [5, 6, 12].

Моделирование радиационных эффектов целесообразно проводить на всех этапах, начиная с разработки и изготовления интегральных микросхем, испытаний на работоспособность и проектирования электронной аппаратуры. Как извест-

но [5, 6], при разработке и изготовлении интегральных микросхем наряду с конструктивно-топологической моделью используют электрическую модель, которую можно составлять либо на основе решения фундаментальной системы уравнений [6, 13, 14], либо представив ее в виде макромодели. Первый способ моделирования, помимо известных недостатков [6], неудобен тем, что не всегда позволяет выявить критические элементы, определяющие низкую радиационную стойкость интегральной микросхемы, что особенно важно на стадии ее разработки. При использовании макромоделей, построение которых осуществляется на основе анализа вклада отдельных групп элементов в радиационные эффекты, с исключением второстепенных элементов, не оказывающих существенное влияние на радиационную стойкость, проблема усовершенствования микросхемы значительно успешно решается [12].

Применение макромоделей может внести значительный вклад в радиационные испытания на всех этапах [6], начиная с аттестационных и кончая исследовательскими, когда проводится отработка и оптимизация конструктивно-топологических решений элементов интегральных микросхем. Особенно заметен вклад макромоделей при определении типовых значений критериальных параметров, необоснованное определение которых приводит к грубым просчетам при установлении пределов применимости интегральных микросхем в условиях радиационного воздействия. Так, например, нормативная документация на интегральные операционные усилители устанавливает приведенное ко входу отклонение выходного напряжения

Аивх.оТ - АиВыХ/Ки

при воздействии импульсного ионизирующего излучения в качестве критериального параметра при определении уровня бессбойной работы и времени потери работоспособности микросхемы. Как показывают проведенные имитационные испытания целого ряда интегральных операционных усилителей различных предприятий изготовителей [15, 16] Аивхот. (определяемое отношением амплитуды выходного импульса к коэффициенту усиления Ки, охваченного обратной связью интегральной микросхемы оказывается неинформативной и приводит к ошибочной оценке радиационной стойкости интегральных операционных усилителей. Составленные макромодели интегральных операционных усилителей [12], позволяющие прогнозировать воздействие переходных ионизационных эффектов, дали возможность установить научно обоснованные критериальные параметры для определения уровня бессбойной работы и времени потери работоспособности.

Обоснованное установление критериальных параметров особенно важно при оценке имеющихся запасов по радиационной стойкости ИМС, которые определяют в критических условиях работы микросхемы с учетом электрического режима функционирования, мощности дозы излучения и внешних факторов работы [17]. Такую оценку необходимо проводить на этапе разработки интегральных микросхем или при изменении ее конструктивно-топологических параметров с тем, чтобы принимать меры по повышению радиационной стойкости интегральных микросхем при ее изготовлении. Прогнозирование запасов стойкости интегральных микросхем непременно связано с моделированием с учетом результатов экспериментальных исследований в критических условиях работы микросхемы. Применение макромоделей позволяет существенно упростить рассматриваемую процедуру, связанную с установлением доминирующих механизмов радиационного воздействия.

Использование макромоделей целесообразно и при имитационных испытаниях, применение которых позволяет сократить сроки испытаний и уменьшить затраты на их проведение [6, 18, 19]. Однако надо учитывать, что при имитационных испытаниях ионизационные эффекты качественно воспроизводятся достоверно, но количественно - не всегда. Это объясняется неполной адекватностью воздействий на интегральные микросхемы ионизирующих импульсов, формируемых имитационными устройствами и реальными источниками. При имитационных испытаниях проявляются изменения только тех параметров интегральных микросхем, которые зависят от скорости рекомбинации носителей заряда и их подвижности в объеме полупроводника, уменьшающиеся из-за заметного увеличения концентрации свободных носителей заряда под воздействием ионизирующего источника. Изменение же параметров, которые происходят из-за эффектов смещения, приводящие к образованию структурных дефектов в кристалле (причем не только в объеме, но и в поверхностных слоях и изолирующих областях), не проявляются. Этот недостаток имитационных исследований исключают моделирование интегральных микросхем [7-11, 20, 21], изменение параметров которой определяют ее тестированием при воздействии натурного ионизирующего источника. Однако, в условиях большого числа степеней свободы состояний интегральных микросхем, а также неопределенности параметров и критериев отказов, объем натурных испытаний неограниченно возрастает [6]. Применение макромоделей позволяет установить критические эффекты в интегральных микросхемах при воздействии ионизирующего излучения и тем самым существенно сократить объем натурных испытаний.

Использование макромоделей является наиболее эффективным способом решения важнейшей проблемы радиационной электроники - повышения радиационной стойкости электронной аппаратуры схемотехническими средствами.

Как известно [5, 6], при моделировании влияние эффектов смещения и остаточных эффектов за счет ионизационных процессов в диэлектриках (появление которых связано с накоплением заряда в диэлектрике и увеличением плотности поверхностных состояний) учитывают соответствующее изменение электрофизических параметров элементов интегральных микросхем. В макромодели это реализуется отысканием некоторого оператора Ф(р), определяющего реакцию рассматриваемого блока микросхемы на радиационное воздействие. Так же как при составлении аналогичного оператора, применяемого для проектирования электронных устройств [22, 23], оператор Ф(р) представляется для аналоговых микросхем (интегральных микросхем) в виде непрерывной функции, для цифровых устройств - дискретной функцией. Синтез оператора Ф(р) производится на основании макромодели рассматриваемого блока, составленного с учетом экспериментальных результатов радиационны

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»