Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Мустафаев Г.А. 1 Панченко В.А. 1 Мустафаев А.Г. 2 Панченко Д.В. 1 Черкесова Н.В. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет»

2 ГАОУ ВПО «Дагестанский государственный институт народного хозяйства»

Проведено компьютерное моделирование процесса взаимодействия протонов и ионов железа с кристаллической структурой логического элемента на основе транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ). С использованием программы TRIM проведено моделирование треков и ионизационных потерь энергии. Вычислены трехмерные профили распределения потерь энергии на ионизацию. Результаты моделирования позволяют оценить величину избыточного заряда поступающего в активную область транзистора при взаимодействии частиц. Определены наиболее критичные режимы, возникающие при взаимодействии частиц и исследуемых структур, определены параметры импульсов тока, соответствующие этим режимам. Показано, что для всех типов ионов в исследованном диапазоне энергий попадание частицы в карманы кристалла с резисторами сбоев в работе микросхемы не вызывает. Электрическая схема логического элемента с ТТЛШ смоделирована при помощи Micro-Cap.

Статья в формате PDF

282 KB

ТТЛШ технология

логический элемент

ионизирующее излучение

моделирование

1. Гольдман Е.И., Кухарская Н.Ф., Нарышкина В.Г., Чучева Г.В. Проявление избыточных центров рождения электронно-дырочных пар, возникших в результате полевого и термического стрессов и их последующей аннигиляции, в динамических вольтамперных характеристиках Si-МОП структур со сверхтонким окислом. Физика и техника полупроводников, 2011. Т. 45. Вып. 7. С. 974–979.

2. Мустафаев Г.А., Панченко Д.В., Ефимов М.Ю., Уянаева М.М. Расчет и моделирование уровней размерного квантования в структуре GaN–GaSb–GaN. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. Т. 1, № 3, Нальчик, 2014. С. 66–71.

3. Мустафаев Г.А., Панченко Д.В., Панченко В.А. Аппроксимация функции ионизационных потерь энергии протонов в кремнии. Материалы Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике». Нальчик, 2009. С. 121–124.

4. Мустафаев Г.А., Мустафаев А.Г. Влияние конструкции на характеристики субмикронных КНИ МОП – транзисторов. Нано- и микросистемная техника, № 7, 2010. С. 8–12.

5. Ziegler J.F. SRIM – The stopping and range of ions in matter (2010) / J.F. Ziegler, M.D. Ziegler, J.P. Biersack. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 2010, Vol. 268. P. 1818–1823.

Для повышения оперативности разработки изделий электронной техники и оценки их стойкости к проникающей радиации применяют моделирование процессов взаимодействия заряженных частиц с кристаллами интегральных структур. С помощью компьютерного моделирования можно определить ионизационные потери энергии при взаимодействии одиночных заряженных частиц с кристаллом микросхемы [2-4].

В работе моделирование взаимодействия протонов и ионов железа в диапазоне энергий 1–100 МэВ со структурами кристалла логической микросхемы, выполненной по технологии транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ) (рис. 1), проведено с применением версии SRIM 2013 компьютерной программы TRIM [5].

а) б)

Рис. 1. Фрагмент топологии кристалла (стрелками показаны области со структурами SiO2-Si и Al-Si) и схематическое изображение исследуемых структур

Время нарастания тока определяется временем прохождения иона вдоль трека. Скорость движения протона и иона железа в структуре определяли с учетом их первоначальной энергии, затем вычисляли максимальный ток, возникающий в структуре микросхемы при прохождении ионизирующей частицы.

Исследовались две типовые структуры, представленные на рисунке 1:

1) структура, состоящая из слоя металлизации (Al), эпитаксиальной пленки и скрытого слоя кристалла микросхемы, имитирующая попадание частицы в область контакта (рис. 1, а);

2) структура, состоящая из слоя диоксида кремния, эпитаксиальной пленки и скрытого слоя кристалла микросхемы, имитирующая попадание частицы в активную область элемента микросхемы вне области контакта, занятой металлизацией (рис. 1, б).

На рисунке 2 представлены треки, ионизационные потери энергии и трехмерный профиль распределения потерь энергии на ионизацию для протонов с энергией 1 и 100 МэВ в структуре SiO2–Si. Аналогичные зависимости для ионов железа с энергией 30 и 100 МэВ при взаимодействии со структурой Al–Si представлены на рисунке 3.

Расчеты показывают, что характер взаимодействия протонов с двумя типами структур практически идентичен, и основной вид потерь энергии частицы приходится на ионизацию. Выделение энергии при бомбардировке структур протонами с энергией 1 МэВ происходит в основном в эпитаксиальной пленке и скрытом слое структуры с максимумом распределения вблизи нижней границы скрытого слоя (средний пробег протона в структуре около 14,5 мкм). Для протонов с энергиями 30 МэВ и 100 МэВ пробег значительно превышает толщину рассматриваемой области, и ионизационные потери энергии распределяются практически равномерно по всей толщине эпитаксиальной пленки и скрытому слою.

Вследствие большой атомной массы иона Fe+ поглощение ионов происходит в объеме эпитаксиальной пленки и скрытого слоя структуры, причем для ионов Fe+ с энергией 1 МэВ потери энергии наблюдаются либо непосредственно в слое Al, либо вблизи границы раздела SiO2–Si. При взаимодействии ионов железа с энергиями 30 МэВ и 100 МэВ потери энергии на ионизацию значительны. Это обстоятельство может быть решающим фактором в возникновении сбоев при функционировании интегральной микросхемы. Расчеты показывают, что 99,9 % потерь энергии ионов приходится на ионизацию в слоях структуры для рассмотренных случаев.

Рис. 2. Треки (а), ионизационные потери частиц (б) и трехмерный профиль ионизационных потерь энергии (в) для протонов в структуре SiO2–Si для энергий 1 МэВ (1) и 100 МэВ (2)

По результатам моделирования процессов взаимодействия ионов с исследуемыми структурами можно вычислить число электронно-дырочных пар, которые образуются в активной области элементов кристалла микросхемы [1], и, следовательно, можно оценить величину суммарного избыточного заряда, поступающего в активную область транзисторов.

Определено, что наиболее критичные режимы, которые возникают при взаимодействии одиночных частиц, соответствуют бомбардировке протона с энергией 1 МэВ и иону железа с энергией 100 МэВ. Поэтому в дальнейших расчетах определялись параметры импульсов тока, соответствующих этим режимам.

Рис. 3.Треки (а), ионизационные потери частиц (б) и трехмерный профиль ионизационных потерь энергии (в) для ионов железа в структуре Al –Si для энергий 30 МэВ(1) и 100 МэВ (2)

Из результатов расчетов скорости частиц и времени нарастания импульса тока (табл. 1) видно, что ионизация области глубиной 12–15 мкм от поверхности кристалла наиболее критична при взаимодействии ионизирующей частицы с кристаллом. Электрическая схема логического элемента для моделирования в программе Micro-Cap 9.0.6.1 представлена на рисунке 4.

Таблица 1

Скорость движения частиц в структуре кристалла и время нарастания импульса тока  

В процессе моделирования входной сигнал в виде меандра подавался от источника напряжения V2. Источник питания V1 — напряжение величиной 5,5 В. Резистор R5 выполняет функцию нагрузки логического элемента.

Рис. 4. Электрическая схема логического элемента

Осциллограммы входного и выходного сигналов в процессе моделирования электрической схемы логического элемента без воздействия ионизирующих частиц типичны для работы биполярного логического элемента. Уровни выходного сигнала соответствовали уровням ТТЛШ логики и сбоев в функционировании элемента не наблюдается.

Результаты моделирования показали, что для всех типов ионов в исследованном диапазоне энергий попадание частицы в карманы кристалла, содержащего резисторы, сбоя в работе микросхемы не вызывают.

При попадании ионизирующей частицы в коллекторные области транзисторов или в области диодов Шоттки сбой (рис. 5) в работе логического элемента наблюдается в случае превышения суммарного ионизационного тока величины 50 мА, что соответствует воздействию одиночного протона с энергией 30 МэВ. Воздействие низкоэнергетичных частиц сбоя в работе микросхемы не вызывает.

Рис. 5. Сбой в работе логического элемента микросхемы при попадании протона с энергией 100 МэВ в коллекторную область транзистора: а) – входной сигнал; б) – выходной сигнал; в) – напряжение на коллекторе Т2

Влияние корпуса микросхемы на характер взаимодействия заряженных частиц с кристаллом ИС учитывают путем добавления в структуру слоя никеля толщиной 200 мкм, имитирующего крышку металлокерамического корпуса микросхемы.

Моделирование процесса взаимодействия заряженных частиц со структурой, включающей корпус микросхемы, показало, что ионы с атомной массой больше протона и энергией менее 100 МэВ полностью поглощаются крышкой корпуса микросхемы.

Рецензенты:

Саркаров Т.Э., д.т.н., профессор каф. теоретической и общей электротехники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», г. Махачкала;

Мелехин В.Б., д.т.н., профессор, зав. каф. вычислительной техники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», г. Махачкала.

Библиографическая ссылка