«SOI процессы для ИМС космической силовой электроники»
В докладе будут представлены преимущества использования SOI в технологических процессов для ИМС космической силовой электроники, рассмотрены их отличительные особенности по отношению к обычным радиационно-стойким техпроцессам. Отмечена важность создания единого испытательного центра для исследований воздействия дестабилизирующих излучений космического пространства на ИМС и полупроводниковые приборы.
К качеству и надежности аппаратуры космической техники всегда уделяется колоссальное внимание. На настоящее время к электронной компонентной базе (ЭКБ), применяемой в космической аппаратуре, выдвигаются следующие особенные требования:
• высокая надежность: наработка на отказ не менее 150000 часов, срок службы не менее 25 лет;
•стойкость к воздействию дестабилизирующих излучений космического пространства:
- к накопленной дозе (TID) – не менее 80 - 300 КРад;
- к воздействию тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) (пороговое значение линейных потерь энергии (ЛПЭ)) – не ниже 60 МэВ⋅см2/мг;
• работа в расширенном температурном диапазоне (от –60 до 125 °С);
• работа в условиях вакуума и невесомости (отсутствие конвективного теплообмена).
Создание современной ЭКБ, стойкой к дестабилизирующим излучениям космического пространства, невозможно без сочетания технологических, конструктивных и схемотехнических методов повышения стойкости, а также без проведения моделирования влияния излучений на этапе проектирования компонентов.
К технологическим методам относятся как разработка специализированных техпроцессов изготовления ИМС, так и улучшение радиационных свойств слоев и материалов, входящих в конструкцию ИМС или её элементной базы. В настоящее время это технология с использованием SOI, специализированные операции создания диэлектрических слоев, в особенности, подзатворного диэлектрика (GOX) и скрытого слоя оксида кремния (BOX) в SOI структурах. К конструктивным способам повышения стойкости относятся использование специальных корпусов, методов локальной защиты. К схемотехническим методам относятся специализированные схемотехнические решения блоков ИМС, применение библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, отбор библиотечных компонентов и ряд других приемов.
Целью данного доклада является обсуждение преимуществ использования SOI технологических процессов для ИМС космической силовой электроники.
1. Техпроцессы для ИМС космической силовой электроники
В космической силовой электронике ИМС в основном применяются в DC-DC модулях систем вторичного электропитания, в конечных DC-DC преобразователях систем распределенного питания, в драйверах электромоторов, драйверах плазменных панелей (PDP), электронных трансформаторах и другой преобразовательной аппаратуре.
Схемотехника DC-DC модулей систем вторичного электропитания с бортовым питанием 27 и 100 В построена на использовании ИМС ШИМ-контроллеров, (ОУ) и компараторов, регулируемых стабилитронов, LDO регуляторов. Эти ИМС традиционно изготавливаются по радиационно-стойкой (RadHard) биполярной технологии. Основные производители – фирмы Texas Instruments, STMicroelectronics, Microsemi, LinearTechnology, Aeroflex.
ИМС классических конечных DC-DC преобразователей представляют собой неизолированные импульсные понижающие стабилизаторы напряжения с синхронным или асинхронным выпрямлением и встроенными или внешними силовыми транзисторами.
Малые размеры преобразователей напряжения достигаются за счёт использования высокой частоты переключения (до 1 МГц) и схемы контроля выходного тока, что позволяет, соответственно, уменьшить размер индуктивности и снизить количество компонентов. Так как конечные преобразователи как правило преобразуют напряжение порядка 0.8-1.5-3,3-5,0, то ИМС изготавливается по радиационно-стойким низковольтным (7 – 15 В) биполярной или КМОП технологиям. Основные производители ИМС данного класса – фирмы TexasInstruments и LinearTechnology.
ИМС драйверов предназначены для использования в драйверах электромоторов (управление затворами MOSFET и IGBT), АС - DC инверторах, драйверах плазменных панелей (PDP), электронных трансформаторах. Основным технологическим процессом для изготовления ИМС данного класса является 100 - 400 В радиационно-стойкий ВСD техпроцесс.
Технологические и конструктивные методы, используемые при разработке и изготовлении вышеназванных классов ИМС, обеспечивают стойкость 30 ‑100 КРад и 30 ‑ 60 МэВ⋅см2/мг. Дальнейшее усовершенствование технологического процесса позволяет, как увеличить стойкость ИМС к радиации, так и повысить надежность ИМС за счет упрощения схемотехнических решений. Из последних достижений в этой области следует отметить использование SOI технологии для производства ИМС космической электроники.
В SOI технологии приборный слой монокремния электрически изолирован от остальной части кремниевой подложки, и элементы ИМС электрически изолированы друг от друга канавками, заполненными оксидом кремния. Это позволяет:
- полностью исключить эффект защелки; исключить токи утечки в подложку, которые экспоненциально увеличиваются с ростом температуры; уменьшить паразитные емкости; уменьшить площадь кристалла за счет использования канавочной изоляции; уменьшить паразитное взаимодействие между цифровой и аналоговой частями ИМС; уменьшить эффект паразитного тока подложки, связанного с воздействием ионизирующего облучения; увеличить стойкость к накопленной дозе до 1 МРад и выше, и устойчивость к воздействию ТЗЧ не ниже 60 ‑ 80 МэВ⋅см2/мг.
2. Классы радиационных эффектов в элементах ИМС космической силовой электроники
Можно выделить три основных класса радиационных эффектов, которые могут произойти в элементах ИМС после или во время воздействия дестабилизирующих излучений (таблица 1):
- эффекты накопленной дозы (TID effects);
- эффекты смещения атомов из узлов решетки (Displacement Damage effects);
- эффекты, вызванные воздействием одиночных ионизирующих частиц (Single Event Effects, SEE)
Эффекты накопленной дозы связаны с ионизацией вещества излучением, т. е. с образованием свободных носителей заряда, захват которых на ловушках в объеме облучаемого материала может привести к накоплению заряда в различных областях приборных структур (как правило, это различные диэлектрические слои) и вызвать деградацию параметров элементов ИМС. Ионизационные эффекты такого типа, в частности, определяют деградацию параметров ИМС, выполненных по МОП-технологии, а также биполярных ИМС в случае, если их отказ определяется каналами утечек, связанными с диэлектрическими слоями. Кроме того, вследствие ионизационных эффектов в активных и пассивных областях ИМС могут возникать импульсы ионизационных токов, которые могут привести к различным эффектам как обратимого (импульсные сигналы помех в цепях ИМС, изменение логического состояния триггеров, регистров, ячеек памяти и т. п.), так и необратимого характера (эффект защелки, вторичный пробой в транзисторах, пробой подзатворного диэлектрика и др.).
Таблица 1 - Классификация радиационных эффектов в ИМС
Класс радиационного эффекта | Тип воздействия на приборные структуры | Особенности воздействия |
Накопленная доза | Изменение поверхностных свойств, (МОП и биполярные структуры) | • эффект накопления деградации электрических параметров структур; • воздействие на всю площадь ИМС; • характеризуется максимальным изменением параметра (критерием отказа). |
Смещение атомов из узлов решетки | Изменение проводимости полупроводника (биполярные структуры, солнечные элементы, оптопары) | |
Воздействие одиночных ионизирующих частиц | Изменение проводимости полупроводника, | • вероятностное во времени событие; • короткое время воздействия (<нс); • воздействие на небольшую часть элемента ИМС (позиция трека ТЗЧ); • характеризуется вероятностью / частотой эффекта. |
Эффекты смещения обусловлены перемещением атомов из своего нормального положения в кристаллической решетке, что приводит к появлению радиационных дефектов в объеме облучаемых полупроводниковых материалов и соответствующему изменению их электрофизических параметров. Механизмы отказа при радиационном облучении, связанные с эффектами смещения, наиболее характерны для биполярных ИМС, поскольку их основные характеристики в основном определяются объемными свойствами полупроводниковых материалов.
Воздействие одиночных ионизирующих частиц приводят как ионизации вещества вдоль трека одиночной частицы, так и к эффектам смещения из-за прямого взаимодействия с атомом материала ИМС и выбивания его из узла решетки при сообщении ему некоторой энергии, а также вторичного взаимодействия выбитого атома с соседними атомами (при этом может иметь место каскад атомных соударений, сопровождающийся вторичными смещениями атомов).
Результат действия радиационных эффектов на элементы ИМС космической силовой электроники, изготовленных по биполярным, BCD и КМОП технологиям, приведен в таблицах 2-4. Показано, что использование SOI технологии позволяет исключить токи утечки между соседними элементами, токи утечки элементов ИМС в подложку, ионизационные токи в подложке, т. к. электронно-дырочные пары, созданные в скрытом оксиде и подложке в результате воздействия дестабилизирующих излучений, не дают вклада в общий сбор заряда. Это приводит к существенно меньшим значениям накопленного заряда по сравнению со схемами, изготовленными по объемной кремниевой технологии, в результате чего SOI-схемы гораздо менее чувствительны к одиночным событиям при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства.
Таблица 2 – Влияние эффекта накопленной дозы на чувствительные к нему элементы ИМС
Элемент ИМС | Результат действия эффекта | Технология | |
обычная RadHard | SOI RadHard | ||
МОП - транзисторы | Изменение порогового напряжения, ∆VTH | + | + |
Утечка между соседними n-МОП, ILEAK | + | - | |
Уменьшение крутизны характеристики, GM | + | + | |
NPN /PNP транзисторы | Уменьшение коэффициента усиления, в | + | + |
Р-канальный полевой транзистор | Уменьшение напряжения отсечки, VOFF | + | + |
Уменьшение крутизны характеристики, GM | + | + | |
Резистор р-типа | Увеличение сопротивления, ∆R | + | + |
Все элементы | Ионизационные токи в объёме полупроводника (подложке) | + | - |
Таблица 3 – Влияние эффекта смещения атомов из узлов решетки на чувствительные к нему элементы ИМС
Элемент ИМС | Результат действия эффекта | Технология | |
обычная RadHard | SOI RadHard | ||
NPN /PNP транзисторы | Уменьшение коэффициента усиления, в | + | + |
Увеличение напряжения насыщения, VCES | + | + | |
Увеличение пробивного напряжения диодов, VBR | + | + | |
Р / N-канальные полевые транзисторы | Уменьшение напряжения отсечки, VOFF | + | + |
Уменьшение крутизны характеристики, GM | + | + | |
Уменьшение тока насыщения, IDSS | + | + | |
Высокоомные Si-резисторы | Увеличение сопротивления, ∆R | + | + |
Все элементы | Импульсы ионизационного тока в объёме полупроводника (подложке) | + | - |
Таблица 4 – Влияние эффекта воздействия одиночных ионизирующих частиц на чувствительные к нему элементы ИМС
Элемент ИМС | Результат действия эффекта | Технология | |
обычная RadHard | SOI RadHard | ||
МОП транзисторы | «Прокол» подзатворного диэлектрика, SEGR | + | + |
Вторичный пробой транзистора, SESB | + | + | |
Тиристорный эффект, SEL | + | - | |
Биполярные и МОП элементы | Выгорание транзистора, SEB | + | + |
Одиночный / многократный сбой, SEU / MBU | + | + | |
Все элементы или ИМС в целом | Появление тока утечки/ увеличение тока потребления | ++ | + |
Деградация параметров | + | + | |
Кратковременный импульс («иголка») на выходе аналогового/цифрового элемента, ASET/ DSET | + | + | |
«Залипание» бита в одном состоянии, SEDU | + | + | |
Одиночное функциональное прерывание, SEFI | + | + |
1.Единственный случай вызвал выгорание, тип лучевого повреждения Выгорание транзистора, SEB
2. Вторичный пробой транзистора, SESB
3. «Прокол» подзатворного диэлектрика, SEGR
4. «Залипание» бита в одном состоянии, SEDU
5. Тиристорный эффект, SEL
6. Одиночное функциональное прерывание, SEFI
7. Одиночный / многократный сбой, SEU / MBU
8. Одиночный / многократный сбой, SEU / MBU
9. Кратковременный импульс («иголка») на выходе аналогового/цифрового элемента, ASET/ DSET
10. Кратковременный импульс («иголка») на выходе аналогового/цифрового элемента, ASET/ DSET
Классификация сбоев и отказов, вызванных воздействием одиночных ионизирующих частиц, приведена в таблице.
Таблица 5 – Классификация сбоев и отказов, вызванных воздействием одиночных ионизирующих частиц
SEB | SESB | SEGR | SEDU | SEL | SEFI | MBU | SEU | DSET | ASET |
Катастрофический отказ | X | X | X | X | X | ||||
Функциональный сбой | X | X | X | X | X | X | X | ||
Остаточный сбой | X | X | X | ||||||
Кратковременный сбой | X | X |
Одиночным сбоям вследствие воздействия одиночных ионизирующих частиц в ИМС силовой электроники обычно подвержены регистры и триггера, кратковременный импульс «иголка» характерен для большинства аналоговых и цифровых ИМС, тиристорный эффект и «прокол» проявляется в КМОП ИМС, вторичный пробой обычно наблюдается для МОП и биполярных, в т. ч. паразитных, транзисторах с рабочими напряжениями более 30 В.
3. Особенности радиационно-стойкого SOI биполярного техпроцесса
Из особенностей основных, существующих на настоящее время, SOI биполярных техпроцессов можно выделить метод формирования SOI-изоляции (рисунок 1).
Формирование в N-подложке скрытых слоев |
Формирование в КНИ (Unibond) подложке скрытых слоев |
Хим. травление меза-канавок, окисление стенок канавок, заполнение канавок PolySi, ХМП |
Эпитаксия, формирование глубоких коллекторов NPNи PNP транзисторов |
Спекание структуры с Р-подложкой, ХМП до вскрытия канавок |
Травление глубоких канавок, заполнение канавок окислом (или окислом + PolySi) |
а) | б) |
Далее типовые операции радиационно-стойкого биполярного техпроцесса |
Рисунок 1 –Сравнение методов формирования а) меза-изоляции и б) SOI канавочной изоляции
Для меза-структуры скрытые слои формируются в n-подложке с концентрацией примеси как в эпитаксиальном слое стандартного (не радиационно-стойкого техпроцесса), затем формируются меза-канавки, проводится их окисление и заполнение поликремнием (PolySi). Получившаяся структура «спекается» с подложкой носителем, после чего «лишний» слой n-подложки убирается шлифовкой.
Для SOI техпроцесса с канавочной изоляцией используются SOI-подложки с достаточно толстым 2 – 5 мкм слоем приборного кремния, в котором формируются n+ и р+скрытые слои. Далее выращивается эпитаксиальный слой, формируются диффузионные слои глубоких коллекторов NPN и PNP транзисторов. Формирование канавочной изоляции методом глубокого ПХ-травления обычно проводят после завершения всех необходимых в техпроцессе высокотемпературных операций с температурой выше 1000 °С.
В дополнение к отмеченным (в п.1) достоинствам SOI процесса можно добавить, что для SOI биполярного техпроцесса характерны более низкая емкость коллектор-подложка, отсутствие модуляции величины емкости коллектор – подложка при изменении напряжения на коллекторе, также нет необходимости в дополнительном N-скрытом слое для изоляции вертикального PNP транзистора.
4. Особенности радиационно-стойкого SOI КМОП техпроцесса
В современной радиационно - стойкой SOI КМОП технологии можно выделить три основных типа структур, различающихся в основном по толщине используемого приборного слоя кремния (рисунок 2):
- толстопленочная SOI технология (толщина приборного слоя кремния 0,5-2,0 мкм) со структурой транзисторов, аналогичной обычному радиационно-стойкому SOI КМОП процессу (Bulk-Like Thick Film SOI);
- тонкопленочная SOI технология (толщина приборного слоя кремния 100-200 нм) с частично обедненными КМОП транзисторами (PD, parti ally depleted);
- ультра тонкопленочная SOI технология (толщина приборного слоя кремния меньше 80 нм) с полностью обедненными КМОП транзисторами (FD, fully depleted).
а) б) в)
Рисунок 2 – Структура КМОП транзисторов в
а) толстопленочной SOI технологии,
б) тонкопленочная SOI технология с частично обедненными КМОП транзисторами,
в) ультра тонкопленочная SOI технология с полностью обедненными КМОП транзисторами.
Для всех типов SOI КМОП технологий ключевыми моментами техпроцесса и конструкции, увеличивающими стойкость к излучению, являются:
- уменьшение толщины подзатворного оксида;
- уменьшение температуры отжига в атмосфере азота подзатворного оксида, которая должна быть не более 850-875 °С;
- использование альтернативного подзатворного диэлектрика - переокисленного азотированного оксида (RNO — reoxidized nitridedoxide);
- использование конструкции n-МОП транзисторов с H-затвором и охранной областью р +типа для предотвращения утечек между стоком и истоком вдоль границы бокового оксида, вызванными накоплением в нём положительного заряда в результате действия излучения (рисунок 3).
Сечение А – А | Сечение B – B |
|
а) толстопленочная SOI технология |
б) тонкопленочная SOI технология | |
в) ультра тонкопленочная SOI технология |
Рисунок 3 – Эскиз топологии (слева) и поперечное сечение радиационно – стойкого n-МОП транзистора в различных типах технологий
В космической силовой электронике из всех типов КМОП технологий в основном используется толстопленочная SOI технология в силу следующих преимуществ:
- отличная совместимость с большинством дизайном ИМС, изготовленных ранее по обычной радиационно-стойкой КМОП технологии;
- простота добавления в техпроцесс опций создания биполярных и JFET элементов.
Наличие контакта к карману в радиационно - стойкой тонкопленочной технологии позволяет:
- исключить эффект плавающего тела транзистора (floating body) для обоих типов транзисторов.
- значительно уменьшить эффект влияния радиационно-индуцированного заряда, захваченного в скрытом оксиде на электрические характеристики транзистора. Ещё более значительное снижение влияния данного эффекта получают на структуре транзистора, в котором исток не смыкается со скрытым окислом (BUSFET — body-under-source field effect transistor). Следует отметить, что область стока при этом распространяется на всю толщину SOI-слоя, поскольку в противном случае значительно снизится стойкость транзистора к эффектам мощности дозы и одиночным сбоям вследствие появления дополнительной площади перехода. Так как исток в этом транзисторе только частично проникает вглубь слоя кремния, то инверсионный слой на границе скрытого окисла не образует проводящего канала между истоком и стоком основного верхнего транзистора и не повышает его ток утечки. Использование данной конструкции позволяет повысить радиационную стойкость SOI-транзисторов до уровней доз порядка единиц МРад, в то время как в случае обычных SOI-транзисторов ток утечки, связанный с образованием канала вблизи скрытого оксида, начинает существенно возрастать уже при дозах порядка сотен КРад.
Особенностью радиацинно – стойкой ультра тонкопленочной SOI технологии является использование N - и Р - типа карманов под скрытым окислом и контакта к ним для снижения влияния эффекта плавающего нижнего затвора транзистора, которым является подложка. Данный эффект также связан с накоплением заряда в скрытом окисле как в процессе работы транзистора, так и вследствие воздействия дестабилизирующих излучений.
5. Особенности радиационно-стойкого SOI BCD техпроцесса
Наличие в библиотеке BCD процесса вертикальных NPN и PNP биполярных транзисторов, наряду с КМОП, JFET и ДМОП транзисторами (рисунок 5) предполагает использование толстопленочной SOI структуры со скрытыми слоями в приборном слое кремния.
Рисунок 5 – Поперечное сечение основных транзисторов SOI BCD техпроцесса
Для повышения стойкости к воздействию дестабилизирующих излучений в радиационно – стойком SOI BCD техпроцессе используют те же методы, что и для SOI биполярного и КМОП техпроцессам. Та как в BCD техпроцессе используются n+ и p+ скрытые слои, то они также применяются в конструкции КМОП транзисторов (рисунок 5). Это позволяет снизить коэффициент усиления паразитного биполярного транзистора в КМОП структуре и, тем самым, увеличить стойкость этих транзисторов к воздействию одиночных ионизирующих частиц.
6. Экспериментальные методы исследования воздействия одиночных ионизирующих частиц
На настоящее время существуют достоверные модели, описывающие изменение электрических параметров ИМС и дискретных полупроводниковых приборов (ПП) от накопленной дозы, чего не скажешь о моделях, описывающих воздействие одиночных ионизирующих частиц, к источникам которых относятся:
-- Вы знаете, что галактические и солнечные космические лучи, представляющие собой потоки протонов и ТЗЧ. Помимо протонов и альфа-частиц, существуют другие химические элементы (вплоть до атомов урана) с энергией в диапазоне от 1 до 104 МэВ и плотностью потока 0,1–100 см–2ч–1. Из солнца вылетают протоны и альфа-частиц и ядра от углерода до никеля (с преобладанием кислорода) с энергией 1–100 МэВ/нуклон.
-- высокоэнергетические протоны радиационных поясов Земли;
-- естественный радиационный фон, который помимо альфа-, бетта - и гамма-излучения содержит тяжелые ядра с энергией более 1 ГэВ и атомным номером более 20 (жесткое галактическое излучение);
-- высокоэнергетические продукты распада радиоактивных элементов в керамических деталях корпусов, пластмассе, стекле, золоте. Такими элементами могут являться 235U, 238U, 232Th, 91Zr, которые в результате распада эмитируют альфа-частицы с энергией до 10 МэВ и интенсивностью 4⋅10–3–1⋅102 част.⋅см–2⋅ч–1.
В настоящее время определены две основные группы частиц, вызывающих одиночное событие (ОС). К первой группе относят частицы, способные вызвать ОС за счет первичных ионизационных потерь: все ионы за исключением водорода. Ко второй группе принадлежат частицы, вызывающие ОС за счет ионизации вторичными частицами: высокоэнергетические протоны, электроны, гамма-кванты и нейтроны. Основной вклад здесь дают эффекты, вызванные высокоэнергетическими протонами, вклад электронов и гамма-квантов в общую частоту событий пренебрежимо мал.
Для определения параметров чувствительности ПП и ИМС к одиночным событиям в настоящее время применяются следующие виды экспериментов:
- эксперименты на ускорителях протонов;
- эксперименты на ускорителях тяжелых ионов;
- эксперименты с использованием изотопных источников ТЗЧ;
- эксперименты с использованием ионных микропучков;
- эксперименты с использованием имитаторов.
Основными характеристиками чувствительности ИМС и ПП к одиночным событиям при воздействии ТЗЧ и протонов являются зависимости сечения событий от ЛПЭ ТЗЧ и от энергии протонов. Эксперименты на ускорителях протонов являются идеальными для исследований чувствительности ИС и ПП к ОС, вызванным протонами космического пространства. Эти эксперименты позволяют получить значения сечения ОС для различных значений энергии протонов. Преимуществом таких экспериментов является то, что протоны с энергией порядка десятка МэВ и выше имеют достаточно большие пробеги в кремнии и конструкционных материалах корпусов ИС и ПП, что обеспечивает «пролетную» геометрию эксперимента. В результате испытания ИС на ускорителях протонов можно проводить в их штатных корпусах при нормальном атмосферном давлении. Одним из недостатков экспериментов на ускорителях протонов является наведенная радиоактивность облучаемых образцов.
Эксперименты на ускорителях ионов являются самыми информативными при определении параметров чувствительности ИМС и ПП к ОС, вызванным ТЗЧ, поскольку они позволяют напрямую определить зависимость сечения ОС от ЛПЭ ТЗЧ путем получения значений сечения при различных ЛПЭ ТЗЧ. Основными недостатками таких экспериментов являются, во-первых, короткие пробеги ионов, а во-вторых, уникальность исследовательских установок и как следствие этого высокая стоимость экспериментов.
В экспериментах с использованием изотопного источника (как правило, это252Cf) параметры чувствительности ИМС и ПП к эффектам ОС напрямую не определяются. В ходе эксперимента определяется зависимость частоты возникновения ОС при воздействии осколков деления источника от эффективной толщины защиты между источником и облучаемым образцом. Основными недостатками данного метода исследования ОС являются:
- короткие пробеги ТЗЧ (не более 14,2 мкм), вследствие чего исследоваться могут только образцы с удаленными крышками корпусов и при отсутствии на поверхности кристалла защитных лаков, компаундов и т. п.;
- необходимость использования вакуумной камеры;
- сложность обработки экспериментальных результатов.
Главным преимуществом данного метода исследования является простота и дешевизна используемого оборудования.
Эксперименты с использованием ионных микропучков позволяют не только определить параметры чувствительности исследуемых ИМС и ПП к эффектам ОС, но и выявить локализацию и размеры чувствительных областей на кристалле, ответственных за тот или иной вид ОС. Такая информация особенно важна при разработке ИМС и ПП, стойких к эффектам ОС, и при выборе технологических и схемотехнических методов повышения стойкости к данным эффектам. Данные эксперименты, как правило, дорогостоящие и технически сложные. Обычно здесь приходится разрабатывать специальные технические средства, обеспечивающие изменение размера пятна ионного пучка, а также сканирование ионного пучка по поверхности кристалла.
В ряде случаев возможна оценка параметров чувствительности ИМС и ПП к эффектам ОС с помощью экспериментов с использованием импульсного сфокусированного лазерного излучения пикосекундного диапазона. При проведении таких экспериментов необходимо обеспечить сканирование лазерного пучка по поверхности кристалла и изменение размера светового пятна. Существенным недостатком, ограничивающим применение лазерных имитаторов, является то, что лазерный луч отражается от слоев металлизации, расположенных на поверхности кристалла, также нет возможности испытывать по некоторым эффектам - «Прокол» подзатворного диэлектрика, SEGR/«Залипание» бита в одном состоянии, SEDU. По мере уменьшения топологической нормы проектирования ИС и повышения степени интеграции доля поверхности кристалла, закрытая многослойной металлизацией ( до 7 слоев), увеличивается (и стремится к 100 %), возможности использования данного метода исследований существенно сокращаются.
Так как ИМС и ПП силовой электроники в конечном счете определяют уровни радиационной стойкости РЭА космических аппаратов, то необходимо проводить радиационные испытания (эксперименты) всей критичной элементной конструкторской базы. На настоящее время радиационные испытания проводятся в различных местах по различающимся методикам, причем зачастую без использования специализированной аппаратуры для контроля параметров ИМС. Это приводит к тому, что результаты испытаний одного и того же изделия в разных местах существенно отличаются, что ставит под вопрос их достоверность. В конечном итоге это приводит к построению неверных моделей поведения ИМС и ПП при воздействии ДИ, и к значительному увеличению сроков разработки, т. к. ИМС и ПП не соответствуют требованиям по стойкости к ДИ даже после второй корректировки их конструкции и технологии изготовления.
Необходимо создание единого испытательного центра или холдинга, в котором необходимо реализовать единый методический подход к проведению испытаний, заданию режимов и условий работы ИМС и ПП при облучении, выбору информативных критериальных параметров и методик их контроля в процессе испытаний, разумное применение всех возможных существующих методов испытаний.
Заключение
Полная диэлектрическая изоляции каждого отдельного элемента (транзистора, резистора, конденсатора и пр.) в SOI технологиях позволяет полностью исключить эффект защелки и токи утечки в подложку, уменьшить паразитные емкости, и таким образом, делает данные технологии основными для использования в производстве ИМС космической электроники. Хотя элементы в SOI – технологиях существенно меньше по объему в сравнении с традиционными технологиями, они могут быть чувствительны к воздействию одиночных ионизирующих частиц, что определяется главным образом паразитными электрическими структурами. Для уменьшения влияния этого фактора используются как технологические (специальные методы формирования подзатворного диэлектрика), так и конструктивные (охранные кольца, скрытые слои, H-затвор и пр.), методы.
Для получения достоверных результатов экспериментальные исследований воздействия одиночных ионизирующих частиц на ИМС и полупроводниковые приборы назрела крайняя необходимость в создании единого испытательного центра или холдинга с реализацией единого методического подхода к проведению испытаний.
Термины:
1.Единственный случай вызвал выгорание, тип лучевого повреждения Выгорание транзистора, SEB
2. Вторичный пробой транзистора, SESB
3. «Прокол» подзатворного диэлектрика, SEGR
4. «Залипание» бита в одном состоянии, SEDU
5. Тиристорный эффект, SEL
6. Одиночное функциональное прерывание, SEFI
7. Одиночный / многократный сбой, SEU / MBU
8. Одиночный / многократный сбой, SEU / MBU
9. Кратковременный импульс («иголка») на выходе аналогового/цифрового элемента, ASET/ DSET
10. Кратковременный импульс («иголка») на выходе аналогового/цифрового элемента, ASET/ DSET
11. PoL это конечный DC-DC преобразователь... Point of Load
12. LDO Low Dynamic Output Low Drop Out (LDO) Regulators
13. BCD - Bipolar-CMOS-DMOS
14. ОС от ЛПЭ ТЗЧ - Линейная передача энергии (ЛПЭ, англ. LET - Linear energy transfer
