научная статья по теме ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УРОВНЕЙ ОТКАЗОВ И СБОЕВ ИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМОЙ ИМПУЛЬСА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УРОВНЕЙ ОТКАЗОВ И СБОЕВ ИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМОЙ ИМПУЛЬСА»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 2, с. 129-136

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ =

НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

УДК 621.382

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УРОВНЕЙ ОТКАЗОВ И СБОЕВ ИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМОЙ ИМПУЛЬСА

© 2004 г. А. И. Чумаков*, В. В. Гонтарь**

*Экспериментальное научно-производственное объединение "Специализированные электронные системы"

**Централъный физико-технический институт Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 28.04.2003 г.

Проведено расчетное моделирование зависимости уровней стойкости ИС от длительности, формы и последовательности воздействующих импульсов ионизирующего излучения. Предложена и обоснована методика по оценке уровней радиационной стойкости ИС при воздействии импульсного излучения произвольной формы или последовательности импульсов. Методика основана на экспериментальном определении значений уровней стойкости ИС при двух длительностях импульсов ионизирующего излучения. Результаты прогнозирования подтверждены экспериментальными данными по изменению уровней стойкости ИС при воздействии ионизирующего излучения различной формы и длительности.

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы оценки стойкости при воздействии импульсов ионизирующего излучения произвольной длительности и формы, в том числе и при воздействии нескольких импульсов, изучены не в полной мере. Существующие методики ориентированы на оценку стойкости к импульсам определенной формы с произвольной длительностью и базируются на линейных моделях ионизационной реакции полупроводниковых структур [1-3]. Значительным недостатком существующих методик является усложненная процедура идентификации параметров модели. К тому же они неприменимы при наличии двух и более конкурирующих процессов, определяющих сбои и/или отказы ИС, и не учитывают влияние нагрузочных элементов на критерий возникновения сбоя или отказа. Анализ показывает, что в явном или неявном виде существующие модели используют следующие предположения:

линейная модель ионизационной реакции; отказы и сбои ИС определяются только одним механизмом;

уровни сбоев или отказов связаны с выходной ионизационной реакцией ИС;

характеристики импульса ионизационной реакции пропорциональны форме импульса ионизационного тока.

Очевидно, что ни одно из указанных предположений фактически не реализуется во всем диапазоне длительностей импульсов ионизирующего излучения. Действительно, в современных ИС сбои определяются эффектами просадки питания

[2, 4, 5]. Для ряда ИС возможно проявление нескольких конкурирующих механизмов, например, эффектов защелкивания и сбоев в цифровых кМоП ИС и т.п. [6, 7]. Оценка уровней сбоев и отказов ИС по величине ионизационного тока в большинстве случаев невозможна, так как критерий сбоя или отказа элемента ИС проявляется в виде ограничения на величину приращения напряжения А и.:

А и. > Дипом, (1)

где А и. максимально возможное суммарное приращение напряжения при протекании импульса ионизационного тока, Дипом - помехоустойчивость элемента, величина которой для большинства цифровых ИС находится около 1 В, а для аналоговых ИС меняется в широких пределах от единиц мВ до десятков вольт.

ЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ

В рамках линейной модели для ИС необходимо выделить характерные виды ионизационной реакции с тем, чтобы полученные результаты можно было применить и в случае их нелинейных откликов при воздействии импульсного ионизирующего излучения. Поэтому в рамках линейного приближения анализ проводился на примере простейшей модели (рис. 1). Очевидно, что в этом случае характер ионизационной реакции зависит от соотношений между постоянной времени релаксации ионизационного тока - т, длительностью импульса - Ги и инерционностью внешней цепи -ЯС [7]. В общем случае в зависимости от соотно-

онной реакции.

шений между инерционностью внешней цепи и постоянной времени релаксации ионизационного

тока можно выделить два характерных случая:

- инерционная схема ЯС > т;

- быстродействующая схема ЯС < т.

В каждой схеме существует три временных интервала:

короткий импульс ионизирующего излучения Ти < ЯС, т;

стационарный случай Ти > ЯС, т;

промежуточная область Ти ~ ЯС, т.

В итоге имеем 4 типовых случая, при этом ионизационная реакция при воздействии очень короткого импульса ионизирующего излучения и при стационарном воздействии выражается аналитически:

(2) (3)

Ли(г) - Dqg0АрЩ/ ехр(-г/ЯС)/С, Ти < ЯС, т, А и(г) - PqgoАрп ^^е/Я, Ти > ЯС,т,

где Р, D - мощность дозы ионизирующего излучения и суммарная доза ионизирующего излучения за импульс; q - заряд электрона; g0 - скорость генерации = 4.3 х 1013 пар/(рад см3) для кремния); Арп - площадь р-п-перехода; Ще/ - эффективная толщина области собирания р-п-переходом; Я, С - эквивалентные величины сопротивления и емкости нагрузки.

Эффективная толщина области собирания определяется толщинами областей, прилегающих к р-п-переходу [1]. Например, для относительно толстых областей (например, кремниевая подложка) эта величина определяется толщиной обедненной области р-п-перехода и диффузионной длиной в базовой области. В случае, если диффузионная длина существенно больше толщины базовой области (например, эпитаксиаль-ный слой), Ще/ равна этой толщине.

В линейном приближении для очень инерционной схемы (ЯС > т) можно получить аналитическую зависимость уровня стойкости от длительности импульса ионизирующего излучения Ти:

Рс - Аипом^ АрпЩе/Я[1 - ехр(-Ти/ЯС)]}. (4)

При ЯС > т можно воспользоваться следующим приближением для оценки критериального уровня стойкости:

Рс - Липом/{ qgoApnWe]Я[1 - ехр(-Ти/тЯС)]}. (5)

где

1ЯС

= ЯС

1

(1 + т / ЯС)

+ 52

1 + 52

Щрп - ширина р-п-перехода; Ьп - диффузионная длина в базовой области.

Обращает на себя внимание, что все кривые имеют очевидную и простую асимптотику при очень коротких и длинных импульсах. Поэтому вместо использования физических параметров, которые в ряде случаев невозможно определить, целесообразно перейти на параметры, которые можно относительно просто измерить в ходе экспериментальных исследований. Очевидно, что к таким параметрам относятся критериальные уровни стойкости, измеренные на очень коротком Рс0 и длинном Рс^ импульсах воздействия ионизирующего излучения. Анализ показывает, что в этом случае соотношение преобразуется к следующему виду:

Рс(Ти) = РСЯ1 - ехр(-ТиРс„Юс0)];

(6)

где Dc0 = Рс0Тио - критериальный уровень суммарной поглощенной дозы за импульс ИИ длительностью равной Тио.

Гораздо сложнее определить аналогичные зависимости в случае быстродействующей схемы. Однако здесь также проявляются те же асимптоты, что и в выше рассмотренном случае. Поэтому можно попытаться использовать также соотношение (6) для оценки критериального уровня стойкости в функции длительности импульса (рис. 2). Нетрудно заметить, что указанная аппроксимация справедлива только в случае выполнения условия ЯС > т. Реально на практике выполняется, как правило, обратное неравенство. Анализ показал, что в случае быстродействующей схемы более приемлемой является функция вида:

5 = К;

Рс(Ти) = РсЛ1 + (ТиРс^о)1^;

(7)

где V - показатель степени, величина которого в общем случае зависит от формы импульса ИИ, 5г, ЯС и т. На рис. 3 в качестве примера представлено сравнение результатов численного моделирования с результатами, полученными при использовании функции вида (7).

Как видно из представленных результатов, эта функция имеет больший диапазон изменений, чем предыдущая. Поэтому в ряде случаев она лучше приближается к результатам численного моделирования. Поэтому именно соотношение (7) в дальнейшем будет взято за основу при прогнозировании уровней стойкости ИС к воздействию импульса ионизирующего излучения произвольной длительности. Однако предварительно необходимо оценить возможности его использования и в случае, когда ИР определяется принципиально нелинейными эффектами.

НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ

Анализ нелинейных эффектов проводился на примере двух типовых случаев - эффектов просадки питания на внутренних шинах и защелкивания [2, 5, 7]. В первом случае с помощью системы физико-топологического численного моделирования "ВЮВЕ-2" моделировалась я-р-я-структура с узкой, длинной и высокоомной базой. К базовому выводу была подключена внешняя ЯС-цепь. В каче-

стве критерия сбоя было выбрано условие отпирания торцевой части эмиттерного р-я-перехода.

На рис. 4 представлены результаты численного моделирования (символы) критериального уровня стойкости в зависимости от длительности импульса ионизирующего излучения. Кривые соответствуют функции вида (7) при V = 1.5. Заметим, что между этими зависимостями наблюдается удовлетворительное соответствие, несмотря на то что в структуре проявляются сугубо нелинейные эффекты.

Аналогичные результаты были получены и при сравнении результатов численного моделирования эффекта защелкивания с зависимостями вида (7) (рис. 5). Здесь же для сравнения представлена зависимость, полученная при локальном облучении наиболее чувствительной области моделируемой структуры, с тем чтобы уменьшить влияние эффектов просадки питания.

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА

Влияние формы импульса ионизирующего излучения на изменение критериального уровня стойкости производилось в линейном приближении для быстродействующей схемы. В процессе моделирования были выбраны пять различных форм импульса ионизирующего излучения:

1. Рх(г) = Р0([п(г) - П(г - Ти)]; прямоугольная;

2. Р2(г) = Р0(зт2(п/2Ги); колоколообразная;

3. Р3(г) = Р0([ехр(-г/Ти) - ехр(-г/0.01Ти)]; двухэкспоненциальная;

4. Р4(г) = Р0г/2Ти нарастающая треугольная;

5. Р5(г) = Р0(1 - г/2Ти) спадающая треугольная.

На рис. 6. представлено сравнение расчетных зависимостей с аппроксимационными кривыми вида (7), полученных при различных значениях показателя степени. Нетрудно заметить, что наилучшее соответствие будет иметь место, если коэффициент V сделать зависящим от формы импульса ионизирующего излучения. Однако делать его слишком большим нельзя, так как при этом ухудшается соответствие при воздействии очень коротких и длинных импульсов ионизирующего излучения. В первом приближении без учета различий в "несимметрии" формы импул

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»