МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 2, с. 139-149
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
УДК 621.382
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В БиКМОП БИС ИНТЕРФЕЙСНОГО ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКА
© 2008 г. А. И. Белоус1, Ю. В. Богатырев2, Ф. П. Коршунов2, А. С. Артамонов3, С. В. Шведов1
Научно-технический центр "Белмикросистемы" НПО "Интеграл", Минск
E-mail: office@bms.by
2Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси, Минск
E-mail: bogat@ifttp.bas-net.by 3ЭНПО Специализированные электронные системы E-mail: aynik@spels.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.
Представлены результаты имитационных исследований радиационных эффектов в БиКМОП БИС интерфейсного приемопередатчика последовательных данных 5559ИН2Т. Установлено, что исследованные БИС являются достаточно радиационностойкими: сохраняют основные параметры в пределах ТУ при воздействии эквивалентной мощности дозы импульсного ионизирующего излучения до Р = 1 х 109 ед/с, а также дозы стационарного ионизирующего излучения до D = 2.4 х 105 ед и функционируют до Р = 2 х 1010 ед/с при температурах окружающей среды от -60 до +125°С. Рассмотрены физические механизмы, объясняющие полученные закономерности. Полученные аналитические зависимости тока потребления БИС от дозы облучения в виде полинома второй степени могут быть использованы для прогнозирования устойчивости БиКМОП БИС к воздействию стационарного ионизирующего излучения.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время тактико-технические требования, предъявляемые к аппаратуре систем управления и контроля различного назначения (ракетно-космической и военной техники, связи и энергетики, а также научного физического эксперимента), определяют возможность их эксплуатации в условиях воздействия ионизирующих излучений. Среди радиационных факторов естественного и искусственного происхождения наибольшим поражающим действием по отношению к микроэлектронной элементной базе аппаратуры (по энергетическому критерию) обладает импульсное ионизирующее излучение. Необходимо также учитывать воздействие стационарного ионизирующего излучения на микросхемы в составе радиоэлектронной аппаратуры.
В системах автоматического управления промышленными и оборонными объектами, сбора и обработки информации, поступающей от удаленных периферийных устройств, широкое распространение получили интерфейсные БИС последовательной передачи данных в длинную несогласованную линию, поддерживающие стандарты И8-485, К8-422 [1]. Стандарт К8-485 обеспечивает двунаправленную полудуплексную передачу данных и допускает подключение к общей шине множества приемников и передатчиков; стандарт К8-422
предусматривает применение однонаправленного драйвера, управляющего множеством приемников.
Вопросам исследования радиационных эффектов в биполярных и КМОП интерфейсных БИС посвящено достаточно большое количество публикаций в открытой научно-периодической печати, чего нельзя сказать о БиКМОП - базисе, соединяющем достоинства первых двух типов технологий.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию радиационных эффектов, возникающих в БиКМОП БИС интерфейсного приемопередатчика последовательных данных при воздействии импульсного и стационарного ионизирующего излучения, и рассмотрению физических механизмов, объясняющих наблюдаемые закономерности.
2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектом исследований являлась БИС интерфейсного приёмопередатчика последовательных данных 5559ИН2Т, предназначенного для применения в телекоммуникационных системах с низкой рассеиваемой мощностью, соответствующих стандартам К8-485, И8-422; трансляторах уровня; приемопередающих устройствах, системах управления промышленными объектами.
Сечение А-А
(б)
В
В
(а)
Поликремниевый затвор
окальный окисел
Охранное кольцо
Подзатворный ^окисел
Охранное кольцо
Граница
локального
окисла
Поликремниевый затвор
Сечение В-В
(в)
Поликремниевый затвор Локальный окисел
Охранное кольцо
Рис. 1. Эскиз топологии я-МОП транзистора с повышенной устойчивостью к ионизирующим воздействиям (а) и разрезы (б), (в) его вертикальных сечений.
БИС приемопередатчика 5559ИН2Т является типовым представителем класса интерфейсных микросхем. Она преобразует входной сигнал уровня КМОП в дифференциальный выходной сигнал стандарта К5-485, что требуется для обеспечения надежной передачи сигнала по двухпроводной длинной линии, и наоборот - преобразует дифференциальный входной сигнал уровней К5-485 в выходной сигнал КМОП. Режим работы микросхемы - полудуплексный. Минимальная чувствительность по дифференциальному входу приемника - 200 мВ в диапазоне входных напряжений от -7 до +12 В, скорость передачи данных -2.5 Мбит/с. Диапазон напряжений питания микросхемы приёмопередатчика - исс = 4.5-5.5 В. Предельная температура окружающей среды -от -60 до +125°С.
Микросхемы 5559ИН2Т разработаны по комбинированной технологии БиКМОП, обеспечивающей следующие характеристики: низкий ток потребления, свойственный КМОП-технологии, и быстрое переключение сигналов, свойственное биполярной технологии. Дополнительно эти микросхемы обладают повышенной защитой от электростатических разрядов и высокочастотных электрических и электромагнитных помех, что достигается путем использования специальных технических решений входных каскадов БИС.
При разработке конструкции и технологии интерфейсной БИС за основу была взята двухкар-манная самосовмещенная БиКМОП технология с двумя уровнями поликремния и одним уровнем металла. Использовались подложка р-типа КДБ-12, ориентации (100); эпитаксиальный слой КЭФ-4.5 толщиной 20 мкм; подзатворный окисел толщиной 42.5 нм; пассивация окисной пленкой толщиной 1.5 мкм, полученной плазменно-химическим осаждением.
Устойчивость к воздействию ионизирующих излучений, тиристорному эффекту (ТЭ) и статическому электричеству обеспечивается, в частности, следующими решениями: применение кольцевых затворов МОП-транзисторов, охранных колец; использование низкотемпературного окисления под затвор (пирогенное окисление при температуре Т = 850°С), а также термообработки подзатвор-ного окисла при Т < 850°С.
Так, на рис. 1 приведены эскизы топологии используемого в исследуемой БИС я-канального МОП-транзистора (а) и разрезы (б,в) его вертикальных сечений. Охранное кольцо р+-типа с концентрацией примеси N > 1018 см3, сформированное под локальным слоем 8Ю2, исключает возможность инверсии типа проводимости в процессе облучения. Особенностью данного конструктивно-технологического решения является необхо-
В
(а)
Сечение А-А
Охранное кольцо
Граница
локального
окисла
Поликремниевый затвор
Поликремниевый затвор
Локальный окисел
Охранное кольцо
В
Сечение В-В Поликремниевый
затвор
(б)
Рис. 2. Эскиз топологии (а) и разрез (б) конструкции и-канального МОП транзистора с повышенными значениями пробивных напряжений "сток-исток".
димость выполнения условия - область охранного кольца должна быть выполнена с зазором от области стока на величину > 2.6 мкм (рис. 1в), что исключает вероятность возникновения эффекта снижения пробивных напряжений стока.
Для исключения образования проводящих каналов утечек типа "исток-сток" в области выхода затвора на локальный слой 8Ю2 затвор выводится на область р+-охранного кольца по тонкому подзатворному окислу.
На рис. 2 представлены эскиз топологии (а) и разрез топологии (б) конструкции и-канального МОП-транзистора с повышенной устойчивостью к ионизирующему излучению, где охранное р+-кольцо формируется под тонким слоем подза-творного диэлектрика в технологическом процессе одновременно с формированием областей стока и истока ^-канальных МОП-транзисторов.
Такая конструкция транзистора используется в периферийных блоках кристалла БИС, поскольку кроме эффекта исключения утечек по цепям "исток-сток" в процессе облучения с дозой до 106 рад эта конструкция обеспечивает более высокие (не менее 15В) значения пробивных напряжений области стока.
Элементная база микросхемы 5559ИН2Т: и-МОП- и р-МОП-транзисторы с одинаковыми размерами (длина канала - 3.5 мкм, ширина канала - 50 мкм); вертикальный р-и-р-транзистор; резисторы; конденсаторы. Всего - около двух тысяч базовых элементов.
Перечень параметров БИС, контролируемых в процессе радиационных испытаний, и критериев работоспособности представлен в табл. 1.
Проводились также радиационные испытания тестовых структур вертикального р-и-р-транзи-
Таблица 1. Параметры-критерии работоспособности БИС 5559ИН2Т при испытаниях
Контролируемые параметры Критерии работоспособности
Выходное напряжение высокого уровня приемника, и0н, В >3.5
Выходное напряжение низкого уровня приемника, и0Ь, В <0.4
Дифференциальное выходное напряжение, и0В, В для стандарта ИЗ-485 для стандарта ИЗ-422 >1.5 >2.0
Статический ток потребления, 1сс, мкА высокого уровня низкого уровня <900 <500
Время потери работоспособности, tLS, мс <2.0
Контроль функционирования (при исс = 5.5 В) Отсутствие сбоев и отказов
Контроль тиристорного эффекта (ТЭ) и катастрофических отказов (при Псс = 5.5 В) Отсутствие ТЭ
Таблица 2. Контролируемые параметры тестовых биполярных р-я-р-транзисторов
Параметры Норма
Минимум Максимум
Статический коэффициент передачи тока, р, отн. ед. (при токе базы 10 мкА; напряжении коллектор-эмиттер 5 В) 30 75
Напряжение коллектор-эмиттер, В (при токе утечки 10 мкА) - 15
Напряжение коллектор-база, В (при токе утечки 10 мкА) - 20
Напряжение эмиттер-база, В (при токе утечки 10 мкА) 7.5 11.5
стора, перечень основных контролируемых параметров и нормы отбраковки, которого приведены в табл. 2.
Радиационные испытания БИС и тестовых структур проводились в ЭНПО СПЭЛС (г. Москва) на автоматизированном испытательном комплексе при нормальных условиях (Т = +25°С) и при температурах Т = -60 и +125°С.
Испытания БИС на стойкость к эквивалентному воздействию импульсного гамма-излучения проводились с использованием лазерного имитатора "РАДОН-5М". Использовались следующие режимы: длина волны лазерного излучения -1.08 мкм; энергия излучения в импульсе - 50 мДж; длительность импульса - 12 нс; максимальное значение имитируемой мо
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.