Развитие методов лазерного моделирования эффектов в полупроводниковых структурах электронной компонентной базы при предельных уровнях импульсного ионизирующего воздействия

• Автор: Егоров, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Моделирование и анализ эффектов импульсного ионизирующего
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ СТРУКТУРЫ В ДИАПАЗОНЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ МОЩНОСТЕЙ ДОЗЫ
1.1. Доминирующие эффекты от воздействия импульсного ионизирующего излучения на изделия электронной техники
1.2. Особенности ионизационной реакции при предельных уровнях воздействия
1.3. Моделирование ионизационных эффектов импульсного ионизирующего воздействия на полупроводниковые структуры ЭКБ в области сверхвысоких уровней ИИВ
1.3.1. Одномерное приближение
1.3.2. Двумерное приближение
1.4. Оценка роли термомеханических эффектов в области сверхвысоких
уровней ИИВ
2. Лазерное имитационное моделирование объемных ионизационных эффектов в кремниевых полупроводниковых структурах
2.1. Общие принципы лазерного имитационного моделирования импульсного отклика микроэлектронных структур
2.2. Исследование границ применимости лазерных имитационных испытаний в диапазоне предельных уровней ИИВ
2.2.1. Режим облучения «снизу»
2.2.2. Режим облучения «сверху»
2.3. Выбор оптимальных параметров лазерного излучения для моделирования объемных ионизационных эффектов в кремниевых микросхемах
2.3.1. Использование лазерного излучения с длиной волны 0,53 мкм для моделирования объемных ионизационных эффектов в тонкопленочных структрах и микросхемах
2.3.2. Моделирование импульсного ионизирующего воздействия на КМОП
ИС на основе тонкопленочных структур
2.3.3. Выбор оптимальных параметров лазерного излучения для испытаний КМОП микросхем, выполненных по объемной технологии
3. Реализация лазерных установок для испытаний микроэлектронных СТРУКТУР на стойкость к мощным импульсным ионизирующим ВОЗДЕЙСТВИЯМ
3.1.Модернизация лазерной имитационной установки «РАДОН-5ЕМ»
3.2. Лазерная имитационная установка «РАДОН-7»
3.3. Лазерная имитационная установка «РАДОН-8»
3.4. Аппаратно-программный комплекс ЛАПК-0
3.5. Лазерная имитационная установка с манипулятором (ЛИУМ)
4. Результаты экспериментальной апробации разработанных методических и технических средств лазерных имитационных испытаний в диапазоне предельных мощностей дозы
4.1. Тонкопленочные КМОП структуры
4.2. Объемные КМОП структуры
4.3.Влияние когерентности и состояния поляризации лазерного излучения на результаты лазерных имитационных испытаний
4.3.1. Влияние поляризации
4.3.2. Влияние когерентности
4.4.Исследование катастрофических отказов КМОП ИС при лазерном
облучении
4.5. Некоторые результаты радиационных испытаний
Заключение
Список литературы
Список сокращений

Введение
Диссертация направлена на решение важной научно-технической задачи развития методов и средств оценки и прогнозирования стойкости изделий полупроводниковой микроэлектроники к импульсному ионизирующему воздействию (ИИВ), основанных па подобии эффектов и импульсных реакций полупроводниковых структур при воздействиях мощного гамма и лазерного излучения (ЛИ), имеющей существенное значение для создания бортовых устройств вычислительной техники и систем управления ракетных и ядерных комплексов.
Работы в области обеспечения радиационной стойкости образцов вооружения и военной техники (ОВВТ) ведутся в России и за рубежом, начиная с середины 50-х годов прошлого столетия [1-19]. Все это время значительное внимание уделялось вопросам обеспечения и оценки радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), входящей в состав образцов вооружения и военной техники (ОВВТ). Это связано с тем, что во многих случаях уровни функциональных отказов и сбоев ОВВТ при воздействии радиационных факторов ядерного оружия, космического пространства и оружия на новых физических принципах во многих случаях определяются радиационной стойкостью РЭА. При этом существующие и разрабатываемые методики оценки уровней радиационной стойкости электронной аппаратуры ОВВТ основаны на известных показателях радиационной стойкости существующих изделий ЭКБ.
Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что радиационная стойкость является важнейшей эксплуатационной характеристикой изделий электронной компонентной базы (ЭКБ), определяющей ее живучесть и функциональную эффективность в составе бортовых устройств вычислительной техники и систем управления.
За последние десятилетия изделия ЭКБ претерпели качественные изменения, связанные с ростом их функциональной сложности и реализацией в виде сверхбольших интегральных схем (СБИС), в том числе с субмикронными размерами элементов и числом выводов 500 и более. Заданные требования по радиационной стойкости бортовых систем ракетных и ядерных комплексов к воздействию импульсных радиационных факторов ГОСТ РВ 20.39.414.2 по группам 5Ус-6Ус и 2Р-ЗР потребовали

полупроводниковыми, диэлектрическими и металлическими материалами изделий ЭКБ с учетом особенностей используемого полупроводника и конструкции изделия.
Для большинства используемых на практике полупроводников необходимая для ионизации энергия лежит в пределах от долей электронвольта (для узкозонных) и до единиц электронвольт (для широкозонных полупроводников). В случае кремния, ширина запрещенной зоны которого составляет при комнатной температуре 1,12 эВ, возможно использование ЛИ с длиной волны от 1,15 мкм и ниже. Воздействие ЛИ с такой энергией квантов на полупроводники обладает рядом принципиальных отличий от более высокоэнергетичного (гамма- или рентгеновского) ИИВ:
- коэффициент поглощения ЛИ с энергией квантов, достаточной для ионизации полупроводника, в сильной степени зависит от энергии квантов и, как правило, больше коэффициента ослабления потока энергии высокоэнергетичного ИИВ. Поэтому распределение ионизации по объему полупроводника может существенно отличаться от однородного;
- коэффициент поглощения энергии ЛИ, а следовательно, и его ионизирующая способность в значительной степени зависят от типа полупроводника, уровня его легирования, соотношения компонентов (для полупроводниковых соединений типа твердых растворов). Поэтому в полупроводниках, содержащих гетероструктуры, сильнолегированные области, твердые растворы, проявляются дополнительные источники неравномерности распределения ионизации по объему ПП;
- металлические элементы корпуса и металлизация кристалла изделия ЭКБ практически полностью отражают или поглощают ЛИ. Это приводит к появлению теневых областей под металлизацией при облучении изделия ЭКБ «сверху» или дополнительного отражения ЛИ при облучении «снизу», что является еще одним дополнительным источником неоднородности ионизации;
- ЛИ с энергией квантов, достаточной для ионизации полупроводника, как правило, не ионизирует диэлектрические материалы кристаллов изделий ЭКБ (БЮг, Б1зН1, различные стекла), ширина запрещенной зоны которых составляет порядка (6-9) эВ. Поэтому адекватная имитация воздействия гамма- и рентгеновского