Практическая работа №7. Повышение радиционной стойкости элементов микросхем.
План практической работы
Введение
Описание эффекта "Защелки".
Методы предотвращения эффекта "Защелки"
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).