Введение

Практическая работа №7. Повышение радиционной стойкости элементов микросхем.

План практической работы

1. Введение

2. Описание эффекта "Защелки".

3. Методы предотвращения эффекта "Защелки"

4. Особенности технологии изготовления КМОП БИС с повышенной радиационной стойкостью

4.1 Оптимизация технологического маршрута изготовления КМОП БИС с целью повышения стойкости к ионизирующим облучением

4.2 Результаты испытаний тестоых транзисторов.

5. Повышение устойчивости КМОП схем к импульсам ионизирующего излучения большой мощности.

6. Контрольные вопросы.

Введение

В настоящее время постоянно расширяется круг и сложность задач, решаемых бортовой радиоэлектронной аппаратурой космических аппаратов, поэтому использование microPC с системным и программным обеспечением является перспективным. Однако, многие орбиты космических аппаратов характеризуются высоким уровнем радиационного фона, а элементная база microPC не является радиационно стойкой, поскольку в них применяются коммерческие интегральные схемы или микросхемы класса “industrial”, весьма чувствительные к радиационному воздействию.

В настоящее время известно несколько путей обеспечения работоспособности микросхем при радиационном воздействии. Во-первых, применение защитных экранов. Для этой цели служат номограммы “Поглощённая годовая доза — толщина защиты”, рассчитанные для конкретных орбит [1]. Но такой путь значительно увеличивает вес бортовой аппаратуры, что снижает количество функциональных устройств на борту космического аппарата и, следовательно, его эффективность. Второй метод — резервирование, широко применяемое для повышения отказоустойчивости аппаратуры. В частности, аппаратное троирование — традиционный, проверенный на практике способ, выручающий при всех видах случайных отказов. Однако в случае накопления доз, близких к предельным, имеет место период радиационно-стимулированного старения, и такой метод становится малоэффективным. Третий путь — системные методы повышения надёжности, которые хорошо себя зарекомендовали в бортовых спутниковых системах [2].

Кроме дозовых эффектов, в СБИС ОЗУ возникают сбои при попадании космических частиц высоких энергий в “чувствительный” объём микросхемы. При этом в ней искажается записанная информация при сохранении работоспособности. В [3] представлена структурная схема бортового контроллера (рис. 1), устойчивая к сбоям. При сбое одной микроЭВМ происходит переключение на другую и так далее.

Описание эффекта "Защелки"

Эффект «защелки» («тиристорный эффект», latch-up) возникает как при мощном воздействии ионизирующего излучения, так и при воздействии отдельных тяжелых заряженных частиц высокой энергии. В КМОП ИМС при изготовлении элементов образуются паразитные транзисторы, которые показаны на рисунке 6.8. Эти транзисторы могут образовывать паразитную структуру p–n–p–n (тиристор), которая при скачке напряжения питания, при воздействии мощного импульса ионизационного излучения или в случае ИМС высокой степени интеграции при попадании ТЗЧ может вызвать «закоротку» шины питания на общую шину. Используются КМОП ИМС как с р-карманом (рис. 2.25), так и с п-карманом (рис. 6.8). В данном подразделе рассмотрим КМОП ИМС с n-карманом. Структура, в которую входят сток и(или) исток р-канального МОПТ (p+), подложка (n) и p-карман (p), образует паразитный вертикальный p–n–p транзистор с p+-эмиттером (рис. 6.8а), а образованная стоком и(или) истоком n-канального МОПТ (n+), p-карманом (p) и подложкой (n) структура

представляет собой горизонтальный n–p–p транзистор с n+ эмиттером (рис. 6.8б). Такая структура имеется не только в КМОП ИМС, но и образуется при изготовлении диодных защитных цепочек (рис. 5.16б). Упрощенная схема соединения паразитных транзисторов приведена на рисунке 6.9. Как правило, p–n–p транзистор имеет широкую базу и поэтому имеет меньший коэффициент усиления базового тока, чем n– p–n транзистор. В случае p-кармана n–p–n транзистор будет вертикальным, а p–n–p транзистор — горизонтальным. В структуре p–n–p–n от истока pМОПТ, подключенного к шине питания, инициируется ток к истоку n-канального МОПТ, подключенного к общей шине («земле»). Причиной возникновения увеличения этого тока может быть скачок напряжения питания, напряжение помехи в схеме или воздействие импульса ионизирующей радиации при ядерном взрыве или при попадании тяжелой заряженной частицы из космического пространства. Ток базы p–n–p-транзистора усиливается в ß.рпр раз и попадает в базу n–p–n транзистора и, в свою очередь, усиливается в.ß прп раз [60]. Таким образом, при.ßрпр.ßпрп > 1 ток между шиной питания и общей шиной возрастает, паразитные транзисторы входят в режим насыщения. Эквивалентная схема тиристора и его ВАХ показаны на рисунке 6.10. При переходе с нижнего участка ВАХ на верхний происходит резкое возрастание тока и уменьшение напряжения до Uуд. Протекающий ток приводит к отказу ИМС. При больших токах наблюдается расплавление (перегорание) металлических межсоединений, а при малых токах схема становится нечувствительной к сигналам. Этот эффект получил название «защелка» (в зарубежной литературе — latchup effect). При использовании КМОП ИМС высокой степени интеграции в бортовых устройствах космических аппаратов «защелка» возникает при попадании одной тяжелой заряженной частицы в чувствительную область микросхемы. Этот эффект получил название “Single Event Latch-up” (SEL).

Методы предотвращения "Защелки"

Для предотвращения эффекта «защелки» в общем случае применяют следующие конструктивные методы.

1. Снижение коэффициентов усиления.ßрпр и.ßпрп. Это достигается расположением истоков и стоков МОПТ перпендикулярно шинам питания. В этом случае рабочими будут торцы эмиттеров паразитных транзисторов, обращенные к шине (сравните топологии КМОП(инверторов на рисунках).

2. Применение охранных колец и диэлектрических слоев (trench), отделяющих карман от подложки

. 3. Уменьшение времени жизни носителей заряда в кармане и подложке. Для этого применяют облучение пластины с изготовленным карманом быстрыми нейтронами.

4. Применение технологии КНС («кремний на сапфире») и КНИ («кремний на изоляторе») В случае воздействия мощного импульса ионизирующего излучения появлению эффекта «защелки» препятствует включение в цепь питания резистора R 100 Ом [61]. Недостатком такого решения является то, что на больших частотах получается большое падение напряжения на резисторе. Для ограничения падения напряжения рекомендуется включение в цепь питания индуктивности, которая совместно с паразитной емкостью С создает RLC-фильтр. Схема такого фильтра показана на рисунке 6.11. Он может быть реализован с помощью гибридной технологии. В [61] рекомендуются следующие параметры фильтра: R =20 Ом, L = 10 мкГн, C = 0,1 мкФ. Диод на этой схеме отражает защитную цепочку МОП ИМС

Особенности технологии изготовления КМОП БИС с повышенной радиационной стойкостью. Оптимизация технологического маршрута изготовления КМОП БИС с целью повышения стойкости к ионизирующим облучением

При разработке технологии и конструкции интегральных микросхем на основе КМОП элементной базы, устойчивых к воздействию фактора ИЗ, следует учитывать, что для этого класса схем наибольшее влияние на работоспособность схем в условиях ионизирующей радиации оказывает не объемные эффекты в кремнии, а поверхностные эффекты, связанные с границей раздела кремний - диэлектрик. Под действием ионизирующего излучения в кремнии и диэлектрике генерируются электронно-дырочные пары. Значительная их часть подвергается рекомбинации в течении очень короткого промежутка времени. Оставшаяся часть под действием внутренних и внешних электрических полей в окисле начинает двигаться. Электроны, имеющие большую подвижность, перемещаются к аноду, а дырки, имеющие низкую подвижность, захватываются на ловушках в диэлектриках КМОП интегральной схемы. В результате захвата дырок на ловушки происходит изменение характеристик емкость - напряжение и проводимость - напряжение в рабочих и паразитных структурах микросхемы. Плотность захваченного заряда стремиться к насыщению по мере увеличения поглощенной дозы и слабо зависит о мощности дозы. Наведенный таким образом положительный заряд в окисле изменяет пороговые напряжения рабочих и паразитных МОП транзисторов в очень широких пределах. Величина изменения пороговых напряжений рабочих и паразитных МОП транзисторов зависит от величины и полярности напряжения на затворе во время облучения и от конструкции и технологии микросхемы. Максимальный сдвиг порогового напряжения происходит у п- канальных транзисторов при положительном напряжении на затворе. Таким образом, при проектировании и разработке КМОП микросхем, устойчивых к ионизирующему облучению возникают две основные проблемы: разработка блока изоляции и разработка конструкции и технологии рабочих транзисторов, обеспечивающих высокую стабильность характеристик при воздействии ионизирующего излучения. Как уже говорилось, под действием ионизирующего излучения в окисле кремния и на границе окисел - кремний захватывается положительный заряд. Рост плотности положительного заряда на границе кремний - окисел приводи к уменьшению порогового напряжения паразитных п канальных транзисторов и увеличению пороговых напряжений паразитных р- канальных транзисторов. Таким образом, проблема состоит в том, чтобы после облучения пороговые напряжения паразитных п канальных транзисторов не уменьшились ниже напряжения питания схемы. Для повышения пороговых напряжений паразитных п канальных транзисторов КМОП схем под слоем локального окисла формируется охранное кольцо Р- типа (рис.1). Так как область охранного кольца р типа располагается встык с областями истока и стока п типа, концентрация примеси в области р охранного кольца не может быть выбрана большей чем 1017 см-1. При больших концентрациях примеси пробивные напряжения стока уменьшаются до 8-10В.

Описанная структура позволяет получать пороговые напряжения паразитных п канальных транзисторов >50В, при толщине локального окисла порядка 0.6-0.8мкм. Такая структура обеспечивает работоспособность КМОП схем при дозах облучения до рад. При облучении дозами рад и выше, при положительном напряжении на затворе, в локальном окисле под областью затвора накапливается положительный заряд, достаточный для инверсии типа проводимости кремния и появления утечек между истоком и стоком п канального транзистора. На рис.2 показана топология п канального транзистора и показаны области инверсии типа проводимости, возникающие под действием ионизирующего излучения.

Рис. 2 Топология п-канального транзистора и области инверсии типа проводимост.

Для повышения стойкости паразитных п канальных транзисторов до доз 10 рад и выше при разработке данной микросхемы использовалась структура с высоколегированным охранным кольцом р типа.

Рис.3 Топология п-канального транзистора и сечения транзистора вдоль и поперек затвора. Охранное кольцо р- типа сформировано под локальным окислом 13

На рис.3 приведена топология п канального транзистора с охраной, устойчивой к воздействию ионизирующего излучения с дозами > рад

Дата добавления: 2015-08-13