mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2015-4-291-296mateltech-229Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYРАДИАЦИОННО–ИНДУЦИРОВАННАЯ ДЕГРАДАЦИЯ КМОП–ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МОЩНОСТИ ДОЗЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ОБЛУЧЕНИИRADIATION INDUCED DEGRADATION OF CMOS OPERATIONAL AMPLIFIERS AT DIFFERENT DOSE RATES AND TEMPERATURESТапероК. И.TaperoK. I.

Таперо Констатнтин Иванович — кандидат физико-математических наук НИИ приборов, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСИС 

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

tapero@bk.ruПетровА. С.PetrovA. S.

Петров А. С. — ведущий инженер 

промзона Тураево, стр. 8, Лыткарино, Московская обл., 140080

A. S. Petrov — Senior Engineer 

8 Turayevo, Lytkarino, Moscow region 140080

УлимовВ. Н.UlimovV. N.

Улимов Виктор Николаевич2 — доктор технических наук, профессор 

промзона Тураево, стр. 8, Лыткарино, Московская обл., 140080

Viktor N. Ulimov — Dr. Sci. (Eng.), Professor, Deputy Director 

8 Turayevo, Lytkarino, Moscow region 140080

ФГУП «Научно−исследовательский институт приборов»; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияResearch Institute of Scientific Instruments; National University of Science and Technology «MISIS»Russian FederationФГУП «Научно−исследовательский институт приборов»РоссияResearch Institute of Scientific InstrumentsRussian Federation201514122017184291296Copyright © Таперо К.И., Петров А.С., Улимов В.Н., 20172017Таперо К.И., Петров А.С., Улимов В.Н.Tapero K.I., Petrov A.S., Ulimov V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/229

Исследована деградация КМОП− операционных усилителей с биполярным и КМОП−входным каскадом при облучении с различными значениями мощности дозы и температуры. Показано, что такие микросхемы могут быть подвержены как повышенной чувствительности к низкоинтенсивному облучению, так и зависящим от времени эффектам. При исследованиях операционных усилителей, содержащих только КМОП−элементы, выявлены некоторые особенности, присущие радиационному отклику изделий биполярной технологии, например усиление деградации при увеличении температуры облучения. Это не типично для большинства изделий КМОП−технологии. На основе полученных результатов показано, что методы радиационных испытаний приборов и микросхем, содержащих как биполярные, так и КМОП− или МОП−элементы, должны объединять существующие подходы к испытаниям МОП− и биполярных приборов. Установлено, что при измерении в процессе испытаний входного тока операционных усилителей с КМОП− входным каскадом необходимо учитывать влияние ионизационного тока, генерируемого при облучении. Этот ток может быть оценен как разность значений входного тока, измеренных в процессе облучения и сразу же после прерывания облучения. 

The degradation of CMOS operational amplifiers with bipolar and CMOS input stages under irradiation at different dose rates and temperatures has been investigated. We show that such circuits can be susceptible to enhanced low dose rate and temporal degradation. Moreover, some features inherent to radiation response of bipolar devices have been revealed in operational amplifiers which contained CMOS elements only, for example, an increase in degradation with the temperature applied during irradiation. This is not typical for most CMOS devices. Our results suggest that the test procedures for devices and integrated circuits containing bipolar and CMOS elements should combine existing test approaches developed for the radiation testing of bipolar and CMOS devices. We have also shown that ionizing current generated by irradiation can affect the input current of operational amplifiers with CMOS input stages as measured during testing. This current can be estimated as the difference between input currents measured during irradiation and immediately after an interruption of irradiation. 

операционные усилителидозовые ионизационные эффектыэффекты низкоинтенсивного облученияoperational amplifierstotal ionizing dose effectslow dose rate effectsReferencesPease, R. L. ELDRS in bipolar linear circuits: a review / R. L. Pease, R. D. Schrimpf, D. M. Fleetwood // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009. − V. 56, N 4. − P. 1894—1908.Pease R. L., Schrimpf R. D., Fleetwood D. M. ELDRS in bipolar linear circuits: a review. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2009, vol. 56, no. 4, pp. 1894—1908.Shaneyfelt, M. R. Thermal−stress effects and enhanced low dose rate sensitivity in linear bipolar ICs / M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, J. R. Witczak, D. M. Fleetwood, R. L. Pease, P. S. Winokur, L. C. Riewe, G. L. Hash // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2000. − V. 47, N 6. − P. 2539—2545.Shaneyfelt M. R., Schwank J. R., Witczak J. R., Fleetwood D. M., Pease R. L., Winokur P. S., Riewe L. C., Hash G. L. Thermal− stress effects and enhanced low dose rate sensitivity in linear bipolar ICs. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2000, vol. 47, no. 6, pp. 2539—2545.Schrimpf, R. D. Physics and hardness assurance for bipolar technologies / R. D. Schrimpf // 2001 IEEE NSREC Short Course Notes. − 2001. − P. IV−1—IV−67.Schrimpf R. D. Physics and hardness assurance for bipolar technologies. 2001 IEEE NSREC Short Course Notes. 2001, pp. IV− 1—IV−67.McClure, S. Dependence of total dose response of bipolar linear microcircuits on applied dose rate / S. McClure, R. L. Pease, W. Will, G. Perry // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1994. − V. 41, N 6. − P. 2544—2549.McClure S., Pease R. L., Will W., Perry G. Dependence of total dose response of bipolar linear microcircuits on applied dose rate. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1994, vol. 41, no. 6, pp. 2544—2549.Johnston, A. H. Total dose effects in conventional bipolar transistors and linear integrated circuits / A. H. Johnston, G. M. Swift, B. G. Rax // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1994. − V. 41, N 6. − P. 2427—2436.Johnston A. H., Swift G. M., Rax B. G. Total dose effects in conventional bipolar transistors and linear integrated circuits. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1994, vol. 41, no. 6, pp. 2427—2436.Beaucour, J. T. Total dose effects on negative voltage regulator / J. T. Beaucour, T. Carriere, A. Gach, D. Laxague // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1994. − V. 41, N 6. − P. 2420—2426.Beaucour J. T., Carriere T., Gach A., Laxague D. Total dose effects on negative voltage regulator. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1994, vol. 41, no. 6, pp. 2420—2426.Chen, X. J. Modeling the dose rate response and the effects of hydrogen in bipolar technologies / X. J. Chen, H. J. Barnaby, P. Adell, R. L. Pease, B. Vermeire, K. E. Holbert // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009. − V. 56, N 6. − P. 3196—3202.Chen X. J., Barnaby H. J., Adell P., Pease R. L., Vermeire B., Holbert K. E. Modeling the dose rate response and the effects of hydrogen in bipolar technologies. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2009, vol. 56, no. 6, pp. 3196—3202.Tapero, K. I. Comparison of irradiation at low dose rate and irradiation at elevated temperature to reveal ELDRS in bipolar linear circuits / K. I. Tapero, A. S. Petrov, P. A. Chubunov, V. N. Ulimov, V. S. Anashin // 15th Europ. Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems (RADECS). − 2015. − P. 1—5. DOI: 10.1109/ RADECS.2015.7365593Tapero K. I., Petrov A. S., Chubunov P. A., Ulimov V. N., Anashin V. S. Comparison of irradiation at low dose rate and irradiation at elevated temperature to reveal ELDRS in bipolar linear circuits. 15th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS). 2015, pp. 1—5. DOI: 10.1109/RADECS.2015.7365593Schwank, J. R. Total dose effects in MOS devices / J. R. Schwank // IEEE NSREC Short Course Notes. − 2002. − P. III−1—III−123.Schwank J. R. Total dose effects in MOS Devices. 2002 IEEE NSREC Short Course Notes. 2002, pp. III−1—III−123.Fleetwood, D. M. Using laboratory X−ray and Co−60 irradiations to predict CMOS device response in strategic and space environments / D. M. Fleetwood, P. S. Winokur, J. R. Schwank // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1988. − V. 35, N 6. − P. 1497—1505.Fleetwood D. M., Winokur P. S., Schwank J. R. Using laboratory X−ray and Co−60 irradiations to predict CMOS device response in strategic and space environments. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1988, vol. 35, no. 6, pp. 1497—1505.Schwank, J. R. Physical mechanisms contributing to device rebound / J. R. Schwank, P. S. Winokur, P. J. McWhorter, F. W. Sexton, P. V. Dressendorfer, D. C. Turpin // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1984. − V. 31, N 6. − P. 1434—1438.Schwank J. R., Winokur P. S., McWhorter P. J., Sexton F. W., Dressendorfer P. V., Turpin D. C. Physical mechanisms contributing to device rebound. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1984, vol. 31, no. 6, pp. 1434—1438.Lelis, A. J. Reversibility of trapped hole annealing / A. J. Lelis, H. E. Boesch, T. R. Oldham, F. B. McLean // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1988. − V. 35, N 6. − P. 1186—1191.Lelis A. J., Boesch H. E., Oldham T. R., McLean F. B. Reversibility of trapped hole annealing. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1988, vol. 35, no. 6, pp. 1186—1191.Lelis, A. J. Response of interface traps during high−temperature anneals / A. J. Lelis, T. R. Oldham, W. M. DeLancey // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1991. − V. 38, N 6. − P. 1590—1597.Lelis A. J., Oldham T. R., DeLancey W. M. Response of interface traps during high−temperature anneals. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1991, vol. 38, no. 6, pp. 1590—1597.Hahn, A. Application of rail−to−rail operational amplifiers / A. Hahn // Application report SLOA039A. − 1999. URL: http://www. ti.com/lit/an/sloa039a/sloa039a.pdfHahn A. Application of rail−to−rail operational amplifiers. Application report SLOA039A. 1999. URL: http://www.ti.com/lit/ an/sloa039a/sloa039a.pdf.Petrov, A. S. Influence of temperature and dose rate on the degradation of BiCMOS operational amplifiers during total ionizing dose testing / A. S. Petrov, K. I. Tapero, V. N. Ulimov // Microelectronics Reliability. − 2014. − V. 54. − P. 1745—1748.Petrov A. S., Tapero K. I., Ulimov V. N. Influence of temperature and dose rate on the degradation of BiCMOS operational amplifiers during total ionizing dose testing. Microelectronics Reliability. 2014, vol. 54, pp. 1745—1748.Witczak, S. C. Accelerated tests for simulating low dose rate gain degradation of lateral and substrate pnp bipolar junction transistors / S. C. Witczak, R. D. Schrimpf, K. F. Galloway, D. M. Fleetwood, R. L. Pease, J. M. Puhl, D. M. Schmidt, W. E. Combs, J. S. Suehle // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1996. − V. 43, N 6. − P. 3151—3160.Witczak S. C., Schrimpf R. D., Galloway K. F., Fleetwood D. M., Pease R. L., Puhl J. M., Schmidt D. M., Combs W. E., Suehle J. S. Accelerated tests for simulating low dose rate gain degradation of lateral and substrate pnp bipolar junction transistors. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996, vol. 43, no. 6, pp. 3151—3160.Witczak, S. C. Hardness assurance testing of bipolar junction transistors at elevated irradiation temperatures / S. C. Witczak, R. D. Schrimpf, D. M. Fleetwood, K. F. Galloway, R. C. Lacoe, D. C. Mayer, J. M. Puhl, R. L. Pease, J. S. Suehle // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1997. − V. 44, N 6. − P. 1989—2000.Witczak S. C., Schrimpf R. D., Fleetwood D. M., Galloway K. F., Lacoe R. C., Mayer D. C., Puhl J. M., Pease R. L., Suehle J. S. Hardness assurance testing of bipolar junction transistors at elevated irradiation temperatures. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1997, vol. 44, no. 6, pp. 1989—2000.Романенко, А. А. Влияние ионизирующего излучения низкой интенсивности на биполярные изделия электронной техники / А. А. Романенко // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. − 2002. − Вып. 4. − С. 121—132.Romanenko A. A. Effect of low dose rate ionizing irradiation on bipolar devices and integrated circuits. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya: Fizika radiatsionnogo vozdeistviya na radioelektronnuyu apparaturu = Questions of atomic science and technique. Series: Physics of radiation effects on radio−electronic equipment. 2002, no. 4, pp. 121—132. (In Russ.)Петров, А. С. Применение испытательного стенда контроля стойкости электронной компонентной базы для испытаний биполярных операционных усилителей / А. С. Петров, М. С. Петров, К. И. Таперо, В. Н. Улимов, О. В. Мещуров, А. А. Романенко, В. С. Анашин, П. А. Чубунов // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. − 2013. − Вып. 1. − С. 14—17.Petrov A. S., Petrov M. S., Tapero K. I., Ulimov V. N., Meshchurov O. V., Romanenko A. A., Anashin V. S., Chubunov P. A. Application of the test stand of control the radiation hardness of electronic components for tests of bipolar operational amplifiers. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya: Fizika radiatsionnogo vozdeistviya na radioelektronnuyu apparaturu = Questions of atomic science and technique. Series: Physics of radiation effects on radio−electronic equipment. 2013, no. 1, pp. 14—17. (In Russ.)Таперо, К. И. Особенности радиационных испытаний аналоговых биполярных микросхем с учетом эффекта ELDRS / К. И. Таперо, А. С. Петров, В. Н. Улимов, А. М. Членов // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. − 2013. − Вып. 4. − С. 5—10.Tapero K. I. Petrov A. S., Ulimov V. N., Chlenov A. M. Features of radiation tests of analogue bipolar integrated circuits considering ELDRS. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Seriya: Fizika radiatsionnogo vozdeistviya na radioelektronnuyu apparaturu = Questions of atomic science and technique. Series: Physics of radiation effects on radio−electronic equipment. 2013, no. 4, pp. 5—10. (In Russ.)Таперо, К. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения / К. И. Таперо, В. Н. Улимов, А. М. Членов. − М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. − 304 с.Tapero K. I., Ulimov V. N., Chlenov A. M. Radiatsionnye effekty v kremnievykh integral’nykh skhemakh kosmicheskogo primeneniya [Radiation effects in silicon integrated circuits intended for space application]. Moscow: BINOM. Laboratoriya znanii, 2012. 304 p. (In Russ).Таперо, К. И. Основы радиационной стойкости изделий электронной техники: радиационные эффекты в изделиях электронной техники / К. И. Таперо, С. И. Диденко. − М. : Изд. дом МИСиС, 2013. − 349 с.Tapero K. I., Didenko S. I. Osnovy radiatsionnoi stoikosti izdelii elektronnoi tekhniki: radiatsionnye effekty v izdeliyakh elektronnoi tekhniki [Basics of radiation hardness of electron devices and integrated circuits: radiation effects in electron devices and integrated circuits]. Moscow: Izd. dom MISiS, 2013. 349 p. (In Russ.)Scarpa, A. Ionizing radiation induced leakage current on ultra−thin gate oxides / A. Scarpa, A. Paccagnella, F. Montera, G. Ghibaudo, G. Pananakakis, G. Ghidini, P. G. Fuochi // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1997. − V. 44, N 6. − P. 1818—1825.Scarpa A., Paccagnella A., Montera F., Ghibaudo G., Pananakakis G., Ghidini G., Fuochi P. G. Ionizing radiation induced leakage current on ultra−thin gate oxides. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1997, vol. 44, no. 6, pp. 1818—1825.Ceschia, M. Radiation induced leakage current and stress induced leakage current in ultra−thin gate oxides / M. Ceschia, A. Paccagnella, A. Cester, A. Scarpa, G. Ghidini // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1998. − V. 45, N 6. − P. 2375—2382.Ceschia M., Paccagnella A., Cester A., Scarpa A., Ghidini G. Radiation induced leakage current and stress induced leakage current in ultra−thin gate oxides. IEEE Trans. Nucl. Sci. 1998, vol. 45, no. 6, pp. 2375—2382

The authors declare that there are no conflicts of interest present.