Главная » 2014 » Июнь » 19 » Скачать Методическое обеспечение и технические средства испытаний КМОП микросхем на структурах кремний-на-сапфире на импульсную бесплатно
5:31 PM
Скачать Методическое обеспечение и технические средства испытаний КМОП микросхем на структурах кремний-на-сапфире на импульсную бесплатно
Методическое обеспечение и технические средства испытаний КМОП микросхем на структурах "кремний-на-сапфире" на импульсную и электрическую прочность
Диссертация
Автор: Герасимчук, Олег Анатольевич
Название: Методическое обеспечение и технические средства испытаний КМОП микросхем на структурах "кремний-на-сапфире" на импульсную и электрическую прочность
Справка: Герасимчук, Олег Анатольевич. Методическое обеспечение и технические средства испытаний КМОП микросхем на структурах "кремний-на-сапфире" на импульсную и электрическую прочность : диссертация кандидата технических наук : 05.13.05 / Герасимчук Олег Анатольевич; [Место защиты: ГОУВПО "Московский инженерно-физический институт (государственный университет)"] - Москва, 2010 - Количество страниц: 156 с. 20 ил. Москва, 2010 176 c. :
Объем: 176 стр.
Информация: Москва, 2010
Содержание:
Глава Анализ тенденций развития элементной базы КМОП/КНС для объектов ВВТ
11 Современное состояние и перспективы применения ИС элементно-технологического базиса КМОП/КНС в объектах ВВТ
12 Механизмы воздействия ЭМИ на элементную базу КМОП/КНС в составе аппаратуры Оценка наводимых импульсов тока и напряжения
13 Особенности повреждения КМОП/КНС ИС при воздействии ОИН
14 Выводы
Глава Анализ пределов применимости имитационных методов моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС
21 Оценка энерговыделения в кристалле КМОП/КНС ИС при непосредственном воздействии поля ЭМИ
22 Оценка энерговыделения в приборном слое КМОП/КНС ИС при воздействии наводки от поля ЭМИ
23 Условия адекватности имитации воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС воздействию одиночных импульсов напряжения
24 Выводы
Глава Разработка моделей повреждения КМОП/КНС ИС под действием ОИН
31 Анализ доминирующих механизмов повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием ОИН
32 Разработка моделей повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием ОИН
33 Анализ влияния формы и параметров ОИН на импульсную электрическую прочность КМОП/КНС ИС
34 Выводы
Глава Методическое и техническое обеспечение испытаний КМОП/КНС ИСнаИЭП
41 Особенности проведения испытаний КМОП/КНС ИС на НЭП
42 Обоснование требований к генератору ОИН для определения ИЭП КМОП/КНС ИС (ТЗ на разработку)
43 Разработка генератора ОИН для определения ИЭП КМОП/КНС ИС
44 Особенности организации и методики проведения испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к ОИН
45 Выводы ^
Глава Экспериментальная апробация разработанных методов и технических средств испытаний
51 Выбор элементной базы для проведения испытаний ^^
52 Сравнение результатов испытаний КМОП ИС объемной технологии с результатами испытаний КМОП/КНС ИС
53 Выводы
Введение:
Общая характеристика работыДиссертация посвящена решению важной научно-технической задачи — разработке методов и средств испытаний КМОП микросхем на структурах «кремний-на-сапфире» (КМОП/КНС) на импульсную электрическую прочность, что позволит обеспечить комплектование устройств вычислительной техники и систем управления объектов военного и специального назначения современной элементной базой с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной стойкостью к воздействию электромагнитных источников естественного и искусственного происхождения.
Актуальность темы диссертации. Доля ИС и БИС, выполненных в элементно-технологическом базисе (ЭТБ) КМОП (комплементарные металл-окисел-полупроводник), составляет по количеству и номенклатуре от 60 до 80% общего объема микросхем, комплектующих аппаратуру современных объектов вооружения и военной техники (ВВТ). Стойкость этих изделий к радиационным и электромагнитным воздействиям в значительной мере определяет технические характеристики и ресурсные возможности аппаратуры. Наиболее перспективными КМОП-изделиями для комплектования объектов ВВТ являются КМОП ИС микросхемы, выполненные по технологии «кремний-на-изоляторе» (КНИ), вследствие своей потенциально высокой радиационной стойкости и способности работать в широком температурном диапазоне [1-3].
Наиболее освоенной отечественной КНИ технологией для изготовленияКМОП ИС является технология кремний-на-сапфире (КНС). За последние 10 летсозданы отечественные КМОП КНС БИС ЗУ (серия 1620), обеспечивающие уровнисбоеустойчивости ОЗУ (15). 1010 ед/с для информационной емкости (4.8) Кбит и1010iZ ед/с для информационной емкости (2.4) Кбит. Ближайшими задачами являются создание БИС ОЗУ емкостью (32.64) Кбит и БИС ПЗУ 512 Кбит.1Мбит с уровнем сбоеустойчивостн не менее 1011 ед/с и БИС спецОЗУ емкостью не12менее (8. 16) Кбит с уровнем сбоеустойчивостн (1.5).10 ед/с [4].
Однако помимо радиационных факторов на функционирование и работоспособность современных устройств вычислительной техники и систем управления оказывают влияние электромагнитные излучения (ЭМИ) естественного и искусственного происхождения, такие как молниевые разряды, помехи от силового оборудования, излучение радиопередающих станций и т.п. Для аппаратуры объектов ВВТ необходим также учет влияния ЭМИ ядерного взрыва (ЯВ) [5].
Особенностью ЭМИ как воздействующего фактора является практически полное отсутствие его непосредственного влияния на параметры ИС [6, 7]. Воздействие ЭМИ на элементную базу проявляется косвенно через энергию сигналов наводки, способных вызвать сбои и повреждения чувствительных к ним ИС. Экранирование аппаратуры от ЭМИ ЯВ не дает полного эффекта, поскольку взаимодействие гамма- и рентгеновского излучений с материалами экранов приводит к появлению вторичного (внутреннего) ЭМИ [8]. Таким образом, ЭМИ является непременным сопутствующим фактором импульсных радиационных воздействий и должно учитываться при оценке стойкости ИС, предназначенных для использования в аппаратуре объектов ВВТ [9].
В соответствии с нормативным документом [10] стойкость ИС к воздействию наводок от ЭМИ характеризуют импульсной электрической прочностью (ИЭП), под которой понимают зависимости предельно-допустимых значений напряжения (тока, мощности, энергии) от длительности одиночных электрических импульсов (ОИН), возникающих от действия электромагнитного импульса.
Увеличение числа возможных источников ЭМИ, расширение их спектра в сторону высоких частот, повышение степени интеграции современной элементной базы требуют проведения исследований с целью разработки методического аппарата и технических средств для определения уровней стойкости ИС к воздействию ЭМИ современных и перспективных источников.
При всех своих достоинствах по радиационной стойкости КМОП/КНС ИС имеют ряд особенностей, связанных с тонкопленочной структурой рабочих слоев. К ним относятся такие явления как саморазогрев, низкая устойчивость к электростатическим разрядам, малые пробивные напряжения [11], что может накладывать ограничения на их использование в аппаратуре ВВТ.
Возможность проявления латентных (скрытых) механизмов повреждения КМОП/КНС ИС, а также опасность накопления повреждений при воздействии ОИН накладывает дополнительные требования к методике проведения испытаний на ИЭП, предъявляет специальные требования к испытательному оборудованию.
Возможности расчетной оценки стойкости КМОП/КНС ИС к воздействию ОИН существенно ограничиваются сложным характером КНС структур, разбросом технологических параметров, зависимостью электрических и тепловых параметров элементов структур от их геометрических размеров и взаимного расположения.
Поэтому возникла актуальная научная задача, которая заключается в разработке методического обеспечения и технических средств испытаний КМОП/КНС ИС военного и специального назначения на импульсную электрическую прочность.
Важность и актуальность темы диссертации отражена в «Основах политики Российской федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002, в соответствии с которыми создание радиационно-стойкой электронной компонентной базы отнесено к одной из приоритетных задач в области ее дальнейшего развития при разработке, производстве и применении в стратегически значимых системах.
Решению этих вопросов, а именно: анализу механизмов повреждения КМОП/КНС ИС под действием ОИН и разработке на этой основе методического обеспечения и технических средств испытаний КМОП/КНС микросхем военного и специального назначения на импульсную электрическую прочность - посвященыисследования, проводившиеся с 2003 по 2009 год, итогом которых и является данная диссертация.
Состояние исследований по проблеме. Исследованиям воздействия импульсных ОИН на ИС посвящено значительное число работ как российских, так и зарубежных авторов, результаты которых отражены в большом количестве монографий, статей, докладов на конференциях, стандартов, руководящих документов и методик [5 — 23].
Вопросам создания и развития КМОП КНС ИС посвящены работы Полякова И.В., Герасимова Ю.М., Григорьева Н.Г., Киргизовой А.В. и других специалистов. Трудами Герасимова В.Ф., Посысаева Е.И., Яковлева Е.Н., Хрулева А.К. исследованы основы физики повреждений ИС при воздействии ОИН, разработаны методические и технические основы проведения испытаний ИС на ИЭП. В диссертации Скоробогатова П.К рассмотрены методические и технические основы проведения испытаний ИС на ИЭП. В работах Ванина В.И. и Макеева С.Н. предложены и развиты аппаратные и программные средства для определения ИЭП широкого класса полупроводниковых приборов (ПП) и ИС.
Проблема воздействия ЭМИ на РЭА усугубляется созданием и появлением в последние годы преднамеренных источников электромагнитных помех с широким спектром излучений [24].
Однако обзор существующих моделей, методик и технических средств испытаний показал, что они не могут в полной мере быть использованы для определения показателей ИЭП современных КМОП/КНС ИС по следующим основным причинам:- узкий диапазон используемых ОИН, ограниченный требованиями современных нормативных документов и не учитывающий возможность воздействия перспективных источников ЭМИ с расширенным спектром излучения;- отсутствие учета особенностей проявления тепловых механизмов повреждения КМОП/КНС, связанных с тонкопленочным характером КНС структур;- отсутствие возможности учета формы и длительности ОИН па показатели ИЭП КМОП/КНС ИС;отсутствие обоснования требований к параметрам технических средств испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к воздействию ОИН и самих аттестованных средств.
Отмеченные выше недостатки существующих моделей, методик и технических средств сдерживают применение КМОП/КНС ИС в аппаратуре специального назначения и пе позволяют им в полной мере реализовать па практике своп преимущества.
Целью диссертации является разработка методов и средств испытаний КМОП/КНС ИС военного и специального назначения на импульсную электрическую прочность, что позволит решить важную научно-техническую задачу расширения сферы применения КМОП/КНС ИС в аппаратуре объектов ВВТ.
Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:- теоретическим анализом, моделированием и экспериментальным исследованием влияния ЭМИ естественного и искусственного происхождения на КМОП/КНС ИС;- развитием имитационных методов моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС с использованием генератора ОИН;- разработкой моделей повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием наведенных ОИН с учетом особенностей процессов теплопереноса в тонкопленочных структурах, нелинейных эффектов переноса носителей в полупроводнике и с учетом возможности воздействия наводок с различной формой импульса;- разработкой методов испытаний КМОП/КНС ИС на стойкость к воздействию ОИН с учетом возможности проявления скрытых и аддитивных механизмов повреждения;- разработкой и изготовление технических средств испытаний КМОП/КНС ИС, включая сложно-функциональные, на стойкость к воздействию ОИН;- проведением экспериментальной апробации разработанных моделей, методов и технических средств.
Научная новизна работы:1. На основании электромагнитного анализа взаимодействия ЭМИ с КМОП/КНС ИС, показано, что с расширением спектрального состава ЭМИ растет доля поглощенной в кристалле ИС энергии. Однако, даже с учетом спектра ЭМИ перспективных источников излучения, поглощенной в кристалле ИС энергии недостаточно для заметного энерговыделения в КМОП/КНС ИС и непосредственным влиянием поля ЭМИ на кристалл ИС также можно пренебречь.
2. На основании электромагнитного и физико-топологического анализа типовой КМОП/КНС структуры показано, что основным источником возможных повреждений при воздействии ЭМИ являются электрические сигналы, наведенные на выводы ИС и соединительные проводники. Это позволяет использовать имитационные методы моделирования воздействия ЭМИ па КМОП/КНС ИС путем подачи на внешние выводы ОИН от генератора-имитатора.
3. На основании двумерного численного моделирования электротепловых процессов к КНС структурах определена зависимость ИЭП от длительности ОИН. Показано, что зависимость ИЭП от длительности ОИН слабее, чем предсказывает формула Vm t^ с коэффициентом к = -0,5 (модель Вунша-Белла). Показано также, что импульсная электрическая прочность р-n переходов КНС структур при воздействии ОИН двухэкспонеициальной формы примерно на 20-30% больше, чем при воздействии ОИН прямоугольной формы.
Практическая значимость работы:1. Разработана методика проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП, позволившая стандартизировать процедуру испытаний и распространить ее на современные КМОП/КНС ИС и БИС высокой функциональной сложности.
2. Сформулированы и изложены основные требования к генератору-имитатору ОИН для моделирования воздействия ЭМИ на КМОП/КНС ИС.
3. Разработан и изготовлен генератор ОИН для определения ИЭП КМОП/КНС ИС, удовлетворяющий поставленной задаче. Проведена аттестация разработанного генератора, подтвердившая необходимые электрические параметры ОИН.
4. Разработаны типовая структура экспериментальной установки для проведения испытаний КМОП/КНС ИС па ИЭП. Разработана методика проведения испытаний ИС на стойкость к ОИН, учитывающая особенности КМОП/КНС ИС. Предложены и апробированы методические и программные средства, повышающие достоверность проведения испытаний ИС на ИЭП5. Результаты экспериментов подтвердили адекватность разработанной численной модели разогрева тонких структур под действием ОИН. Они подтвердили, в частности, что зависимость показателя ИЭП от длительности ОИН для КМОП/КНС ИС существенно слабее, чем для КМОП ИС объемной или эпитаксиальной технологий.
6. Результаты диссертации использованы на практике при разработке и обеспечении импульсной электрической прочности КМДП/КНС ИС серий 5511 и 1825 предприятия НИИИС, серии 1825 ОАО «Ангстрем», использованы в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при разработке нового поколения генераторов ОИН.
Результаты, выносимые на защиту:1. Модели повреждения элементов КМОП/КНС ИС под действием ОИН с учетом особенностей процессов теплопереноса в тонкопленочных структурах и с учетом особенностей воздействия ЭМИ современных и перспективных источников излучения и ОИН различной длительности и формы.
2. Методика проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП, позволившая стандартизировать процедуру испытаний и распространить ее на современные КМОП/КНС ИС и БИС высокой функциональной сложности.
3. Разработанные аппаратные и программные средства для проведения испытаний КМОП/КНС ИС на ИЭП.
4. Результаты экспериментов по определению ИЭП КМОП/КНС ИС подтвердившие адекватность разработанных моделей разогрева тонких структур под действием ОИН.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на российских научных конференциях «Радиационная стойкость электронных систем» (Лыткарино, МО, 2003, 2005 - 2009 гг); научных сессиях МИФИ (Москва, 2004, 2005 и 2008 гг.); научных конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника» (г. Кострома, 2003 г., г.Н.Новгород 2004 г., г. Гатчина, 2006 г.); на научно-практических семинарах «Проблемы создания специализированных радиациионно-стойких СБИС на основе гетероструктур» (г. Н.Новгород, 2003 и 2004 гг.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах (в период с 2003 по 2009 гг.). Две работы опубликованы без соавторов. Две работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Основные результаты диссертации также вошли в отчетные материалы по 5 госбюджетным и хоздоговорным НИР. Список основных работ приведен в конце диссертации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, и заключения. Содержит 176 страниц печатного текста, включая 80 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 97 наименований.