Содержание к диссертации
Введение
1 Дозовые ионизационные эффекты в кремниевых полупроводниковых приборах и интегральных схемах различных технологических вариантов в условиях длительного низкоинтенсивного облучения (обзор литературы) 12
1.1 Общее описание радиационно-индуцированного накопления заряда в структуре Si/SiO2 12
1.2 Эффекты длительного низкоинтенсивного облучения 14
1.3 Зависящие от времени эффекты в изделиях МОП- и КМОП-технологии 17
1.4 Истинные эффекты мощности дозы в изделиях биполярной технологии 27
1.5 Методы прогнозирования и оценки стойкости изделий МОП- и КМОП-технологии к воздействию низкоинтенсивного ионизирующего излучения 37
1.5.1 Американский стандарт MIL-STD-883J Метод 1019.9 Порядок испытаний на воздействие ИИ (накопленной дозы) (Method 1019.9. Ionizing Radiation (Total Dose) Test Procedure) 37
1.5.2 Европейский стандарт ESCC Basic Specification No. 22900. Метод испытаний на накопленную дозу (Total Dose Steady-State Irradiation Test Method) 41
1.5.3 Руководящий документ РД В 319.03.37-2000. Изделия электронной техники. Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Инженерные методы ускоренных испытаний на стойкость к воздействию низкоинтенсивных протонного и электронного излучений космического пространства. 45
1.5.4 Отраслевой стандарт ОСТ 134-1034-2012. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов. Методы испытаний и оценки стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электронного и протонного излучений космического пространства по дозовым эффектам 48
1.6 Методы прогнозирования и оценки стойкости полупроводниковых изделий биполярной технологии к воздействию низкоинтенсивного ионизирующего излучения 49
1.7 Выводы по главе 1 и постановка задачи исследований 56
2 Исследование дозовых эффектов в биполярных транзисторах в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения с высокими уровнями поглощенной дозы 58
2.1 Условия экспериментов 58
2.2 Обсуждение результатов 63
2.3 Моделирование дозовых эффектов в биполярных транзисторах при различных мощностях дозы при облучении 67
2.4 Выводы по главе 2 72
3 Исследования дозовых эффектов в аналоговых биполярных ИС в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения 73
3.1 Условия экспериментов 73
3.2 Обсуждение результатов 75
3.3 Выводы по главе 3 82
4 Исследование дозовых эффектов в аналоговых ИС БиКМОП и КМОП технологий в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения 84
4.1 Условия экспериментов 84
4.2 Обсуждение результатов исследований ИС БиКМОП-технологии 87
4.3 Моделирование с помощью конверсионной модели 96
4.4 Обсуждение результатов исследований изделий КМОП-технологии 99
4.5 Выводы по главе 4 105
5 Разработка методов ускоренных испытаний аналоговых ИС с учетом эффектов длительного низкоинтенсивного облучения 106
5.1 Методика испытаний полупроводниковых изделий биполярной технологии 106
5.1.1 Методика испытаний биполярных полупроводниковых изделий с непрерывно изменяющимися параметрами 111
5.1.2 Методика испытаний биполярных полупроводниковых изделий с дискретно изменяющимися параметрами 114
5.2 Методика испытаний полупроводниковых изделий БиКМОП-технологии 116
5.3 Методика испытаний полупроводниковых изделий КМОП-технологии 118
5.4 Выводы по главе 5 120
Заключение 121
Список литературы 124
Приложение А Методика ускоренных испытаний изделий электронной техники биполярной технологии с учетом эффектов длительного низкоинтенсивного облучения 134
Приложение Б Методика ускоренных испытаний изделий электронной техники смешанной (БиКМОП) технологии с учетом эффектов длительного низкоинтенсивного облучения 148
Приложение В Акт внедрения результатов диссертации в НИЯУ МИФИ 160
Приложение Г Акт внедрения результатов диссертации в АО «НИИП» 161
- Истинные эффекты мощности дозы в изделиях биполярной технологии
- Моделирование дозовых эффектов в биполярных транзисторах при различных мощностях дозы при облучении
- Обсуждение результатов исследований изделий КМОП-технологии
- Методика испытаний полупроводниковых изделий КМОП-технологии
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одним из важнейших
эксплуатационных факторов, влияющих на работоспособность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космического применения, а также комплектующих ее изделий электронной техники (ИЭТ), является ионизирующее излучение (ИИ) космического пространства (КП), состоящее из потоков высокоэнергетических частиц (электронов, протонов, тяжелых ионов). Под действием ИИ КП происходит деградация параметров ИЭТ. При этом определяющее значение имеют радиационные эффекты двух видов:
ионизационные эффекты, причиной возникновения которых является первичная ионизация материала активных и пассивных областей облучаемых изделий;
эффекты образования структурных повреждений (смещений атомов полупроводникового материала из узлов кристаллической решетки).
Одним из основных элементов современных ИЭТ на базе кремния является структура Si/SiO2. Эта структура выступает как один из активных элементов (в изделиях МОП- или КМОП-технологии) или как пассивный элемент (имеется во всех технологических вариантах ИЭТ на базе кремния, граница раздела пассивирующего оксида с кремнием). Главным свойством этой структуры при изучении радиационно-индуцированной деградации является накопление зарядов в диэлектрике и на границе раздела Si/SiO2 при облучении. В связи с этим происходит изменение значений параметров элементов: изменяется пороговое напряжение МОП-транзисторов; увеличиваются токи утечки транзисторов; снижается коэффициент усиления биполярных транзисторов; возрастает ток потребления интегральных схем (ИС); увеличиваются входные токи и др.
Такие эффекты относят к классу поверхностных радиационных эффектов. По своей природе эти эффекты являются ионизационными. Они заметно проявляются при уровнях доз ~103–104 рад(Si) в зависимости от конструктивно-технологического исполнения ИЭТ, а в ряде случаев и при меньших уровнях. Поэтому часто радиационная стойкость ИЭТ на базе кремния определяется именно поверхностными (ионизационными) радиационными эффектами.
Для обеспечения стойкости ИЭТ применяется моделирование
радиационных эффектов. Исследования в этой области проводятся с 1980-х годов. Математические модели, описывающие физические механизмы деградации ИЭТ, а также методы защиты и способы определения параметров чувствительности ИЭТ к воздействию ИИ КП предложены в работах сотрудников АО «НИИЭТ» (г. Воронеж) В.Н. Ачкасова, В.П. Крюкова, И.П. Потапова, В.А. Смерека; ФГУ «ФНЦ НИИСИ РАН» (г. Москва) В.Б. Бетелина; НИЯУ МИФИ (г. Москва) В.С. Першенкова, Г.И. Зебрева, А.Ю. Никифорова, А.И. Чумакова, В.А. Тельца; АО «НИИП» (г. Лыткарино Московской области) В.Н. Улимова, В.В. Емельянова, В.Ф. Зинченко, К.И. Таперо и многих других.
Однако уточненные условия эксплуатации и увеличенные сроки активного существования КА на околоземных орбитах требуют доработки существующих моделей в части объяснения особенностей протекания процессов деградации для
биполярных изделий, когда вместо увеличения деградации с уменьшением мощности дозы наблюдается е уменьшение, и учета деградации от «временных» эффектов для БиКМОП-технологии.
Если радиационные эффекты в изделиях биполярной и КМОП-технологий достаточно хорошо исследованы, то исследования эффектов в изделиях БиКМОП-технологии практически не проводились, в связи с чем отсутствуют методы оценки стойкости таких ИЭТ к воздействию поглощенной дозы ИИ КП в условиях воздействия длительного низкоинтенсивного облучения.
В данный момент основными документами, которые регламентируют испытания на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ с учетом влияния факторов низкой интенсивности, являются американский стандарт MIL-STD-883J (Method 1019.9. Ionizing Radiation (Total Dose) Test Procedure), европейский стандарт ESCC Basic Specification No.22900. Total Dose Steady-State Irradiation Test Method и Российские стандарты – руководящий документ РД В 319.03.37-2000, РД 134-0196-2011 и ОСТ 134-1034-2012. Методы, приведенные в этих документах, не учитывают «новых» результатов и предназначены для ускоренной консервативной оценки соответствия ИЭТ требованиям по стойкости к воздействию поглощенной дозы ИИ КП. На сегодняшний день стандарты имеют некоторые недостатки: использование больших коэффициентов запаса при оценке стойкости (из-за чего некоторые ИЭТ ошибочно признаются нестойкими к воздействию ИИ КП), а также высокие трудоемкость и длительность экспериментов.
Актуальность работы подтверждается участием автора в ряде работ данной направленности в соответствии с программами Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом», которые осуществлялись АО «НИИП», в частности, НИР «Развитие методической и экспериментальной базы радиационных исследований и испытаний элементов и систем вооружений, военной техники и ядерных энергетических установок».
Объектом исследования являются полупроводниковые изделия
биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии.
Предметом исследования являются модели радиационных процессов и методы испытаний полупроводниковых изделий биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях воздействия ИИ КП.
Цель исследования состоит в разработке средств экспериментального моделирования дозовых ионизационных эффектов в аналоговых изделиях биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях длительного низкоинтенсивного облучения.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие
основные задачи:
– провести анализ состояния средств экспериментального моделирования дозовых ионизационных эффектов в аналоговых изделиях биполярной, БиКМОП-и КМОП-технологии в условиях длительного низкоинтенсивного облучения, оцененить их недостатки и определить направления их устранения;
– разработать методы для расчетно-экспериментального моделирования
ионизационных дозовых эффектов в аналоговых полупроводниковых изделиях
биполярной, БиКМОП и КМОП-технологии в условиях воздействия
низкоинтенсивного ИИ;
– разработать методы ускоренных испытаний для оценки стойкости к дозовым эффектам изделий биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологии в условиях воздействия длительного низкоинтенсивного облучения;
– определить применение разработанных средств экспериментального моделирования и их адекватность.
Методика исследования. Для достижения поставленной цели и решения указанных задач использованы: методы численного моделирования физических процессов, экспертные оценки, эксперименты с применением моделирующих установок.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
– показано и подтверждено моделированием, что в биполярных
транзисторах, характеризующихся повышенной деградацией при
низкоинтенсивном облучении при уровнях поглощенной дозы до 100 крад(Si), при уровне свыше 500 крад(Si) вместо увеличения деградации с уменьшением мощности дозы может наблюдаться е уменьшение;
– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов и ускоренных испытаний биполярных аналоговых ИС в условиях низкоинтенсивного облучения, учитывающие, что диапазон интенсивностей, в котором степень деградации растет с уменьшением мощности дозы при облучении, может быть сдвинут в сторону меньших значений мощности дозы, в результате чего критерии чувствительности к эффекту ELDRS, установленные в существующих нормативных документах по испытаниям, не всегда применимы;
– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов и ускоренных испытаний аналоговых ИС БиКМОП-технологии в условиях низкоинтенсивного облучения, учитывающие проявление как «истинных» эффектов мощности дозы (TDRE – true dose rate effect), так и зависящих от времени эффектов (TDE – time-dependent effect);
– метод экспериментальной оценки значения ионизационного фототока при измерении параметров аналоговых КМОП-изделий в процессе испытаний, обеспечивающий их корректное измерение.
Практическая значимость работы.
-
Разработаны рекомендации по оптимизации процедур испытаний ИЭТ, изготовленных по биполярной технологии, на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ с учетом эффектов низкой интенсивности. Разработанный метод позволяет сократить время, затрачиваемое на проведение предварительных исследований, при испытаниях ИЭТ биполярной технологии и существенно повысить точность результатов.
-
Предложено при проведении радиационных испытаний аналоговых полупроводниковых изделий БиКМОП-технологии с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения комбинировать существующие подходы к
испытаниям МОП- и биполярных приборов, что существенно повысит достоверность результатов испытаний.
-
Предложен метод экспериментальной оценки значения ионизационного фототока при измерении параметров КМОП-изделий в процессе испытаний, что повышает достоверность результатов экспериментов.
-
Разработаны методы ускоренных испытаний для изделий биполярной и БиКМОП-технологии, отличающиеся учетом особенностей технологического исполнения и их влияния на кинетику протекания процессов деградации, что существенно повышает достоверность результатов испытаний.
Разработанные методы внедрены в АО «НИИП» (г. Лыткарино
Московской области) при создании методического обеспечения и проведении
испытаний ИЭТ на стойкость к воздействию ИИ КП (разработанные методики
приведены в приложениях А и Б). Полученные результаты внедрены в учебный
процесс НИЯУ МИФИ (г. Москва) при разработке учебно-методического
комплекса по дисциплине «Надежность и радиационная стойкость
микроэлектронных приборов и систем», а также при разработке рабочей программы дисциплины «Основы радиационной технологии» по направлению подготовки магистров 14.04.02 – «Микро- и наноэлектронные приборы и системы для физических установок».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
– показано и подтверждено моделированием, что в биполярных
транзисторах, характеризующихся повышенной деградацией при
низкоинтенсивном облучении при уровнях поглощенной дозы до 100 крад(Si), при уровне свыше 500 крад(Si) вместо увеличения деградации с уменьшением мощности дозы может наблюдаться е уменьшение;
– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых
эффектов и ускоренных испытаний биполярных аналоговых ИС, обеспечивающие
возможность моделирования изменения деградации при воздействии
низкоинтенсивного облучения в широком диапазоне доз;
– методы экспериментального моделирования ионизационных дозовых эффектов и ускоренных испытаний аналоговых ИС БиКМОП-технологии, обеспечивающие учет влияния низкоинтенсивного облучения;
– метод экспериментальной оценки значения ионизационного фототока при измерении параметров аналоговых КМОП-изделий в процессе испытаний, обеспечивающий корректное измерение параметров.
Соответствие паспорту специальности. Работа защищается по специальности 05.27.01 – «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах» и соответствует областям исследований:
– разработка и исследование физических и математических моделей ИЭТ, в том числе для систем автоматизированного проектирования;
– исследование и моделирование функциональных и эксплуатационных характеристик ИЭТ, включая вопросы качества, долговечности, надежности и стойкости к внешним воздействующим факторам, а также вопросы эффективного
применения.
Апробация работы.
Основные научные результаты диссертации прошли апробацию на научно-
технических конференциях «Стойкость-2011» (г. Лыткарино, Россия),
«Стойкость-2012» (г. Лыткарино, Россия), ESREF 2012 (г. Кальяри, Италия),
RADECS 2013 (г. Оксфорд, Великобритания), NSREC 2014 (г. Париж, Франция),
ESREF 2014 (г. Берлин, Германия), «Стойкость-2015» (г. Лыткарино, Россия),
RADECS 2015 (г. Москва, Россия), «Стойкость-2017» (г. Лыткарино, Россия),
ESREF 2017 (г. Бордо, Франция), XII Межотраслевая конференция по
радиационной стойкости (г. Снежинск, Россия), «Стойкость-2018» (г. Лыткарино,
Россия).
Публикации результатов работы.
По тематике диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в Российских рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 7 статей в зарубежных изданиях, входящих в международные базы цитирования Scopus и Web of Science. Общий объм публикаций составляет 79 стр., при этом автором лично выполнено не менее 60 % данного объма.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации – 162 страницы, в том числе 63 рисунка, 2 таблицы, список литературы из 88 наименований.
Истинные эффекты мощности дозы в изделиях биполярной технологии
Основным эффектом в биполярных транзисторах (БТ), возникающим вследствие накопления поглощенной дозы, является уменьшение коэффициента передачи по току в схеме с общим эмиттером h21Э. Коэффициент передачи по току – это один из основных классификационных параметров БТ [8; 26; 27]. Снижение h21Э может достигаться и за счет структурных повреждений, вводимых при воздействии проникающей радиации, и за счет ионизационных дозовых эффектов. Пример радиационно-индуцированной деградации коэффициента передачи по току n–p–n-БТ показан на рис. 1.11 [27].
Помимо изменения h21Э накопление ионизационной дозы может привести к деградации биполярных ИС из-за образования каналов утечки между отдельными транзисторами из состава ИС или возникновению тока утечки коллектор-эмиттер [27]. Более того, некоторые ИС, например, цифровые биполярные, могут быть не чувствительными к изменению h21Э отдельных транзисторов до тех пор, пока этот параметр не опустится ниже минимально допустимого значения. В этом случае образование радиационно-индуцированных токов утечки может быть доминирующим механизмом отказа биполярных ИС. Причиной образования указанных каналов утечки обычно является инверсия типа проводимости приповерхностной области полупроводника (обычно p-типа), прилегающей к диэлектрику, вследствие накопления в последнем положительного заряда при воздействии ИИ.
Снижение коэффициента передачи по току при радиационном облучении преимущественно определяется ростом составляющих тока базы, обусловленный рекомбинацией в области пространственного заряда (ОПЗ) эмиттерного перехода и в базовой области. Причем, в первую очередь, темп рекомбинации растет в местах выхода ОПЗ перехода эмиттер-база на границу раздела Si/SiO2 [27]. Это происходит вследствие образования на данной границе поверхностных состояний, которые выступают в роли центров рекомбинации. Кроме того, скорость рекомбинации в приповерхностных областях кремния может меняться вследствие электростатического влияния радиационно-индуцированных зарядов. Скорость рекомбинации зависит от местоположения конкретной точки на поверхности кремния, принимая максимальное значение в случае, когда концентрации электронов и дырок приблизительно равны между собой.
Скорость поверхностной рекомбинации увеличивается пропорционально концентрации рекомбинационных центров на границе раздела Si/SiO2 в местах выхода перехода эмиттер-база на поверхность кремния. Наиболее существенный вклад в этот эффект дают ПС с энергетическими уровнями вблизи середины запрещенной зоны кремния, где они преимущественно являются амфотерными. Это существенно отличается от деградации МОП-транзисторов. В последнем случае сдвиг порогового напряжения за счет ПС определяется интегральной плотностью ПС донорного (у p-канальных транзисторов) или акцепторного (у n-канальных транзисторов) типа в энергетическом диапазоне от середины запрещенной зоны до положения уровня Ферми в режиме начала сильной инверсии [5–7; 27; 28]).
Значимой особенностью ионизационных дозовых эффектов в биполярных приборах является повышенная чувствительность к воздействию поглощенной дозы ИИ в условиях длительного облучения с низкой мощностью дозы [8]. Этот эффект обозначается в сокращенном виде как ELDRS. Впервые этот эффект наблюдали еще в начале 1990-х годов [29–32], но до сих актуальность данной тематики не снизилась. Данный эффект имеет большое значение для разработки космических систем. В лабораторных условиях испытания ИЭТ на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ проводятся, чаще всего, при интенсивности воздействия, намного превосходящей величины, которые характерны для реальных условий космического пространства. В результате этого при испытаниях могут быть получены завышенные уровни дозы отказа.
Примеры зависимости степени деградации различных биполярных ИС от мощности дозы ИИ показаны на рис. 1.12 [31].
На рис. 1.12 показано, что в разных изделиях эффект ELDRS проявляется в разной степени. Это определяется особенностями конструкции и технологии изготовления исследуемых ИС. Иногда этот эффект может вообще отсутствовать, как в случае операционного усилителя LM108 (см. рис. 1.12). В большинстве случаев заранее нельзя предсказать, подвержены ли испытываемые биполярные изделия эффекту ELDRS. Поэтому существующие методы испытаний предусматривают проведение предварительных экспериментов по выявлению чувствительности к данному эффекту.
Как уже отмечалось ранее, ELDRS относится к TDRE. Следовательно, этот эффект не может быть промоделирован путем высокоинтенсивного облучения с последующим отжигом (см. рис. 1.3), как это часто делается в случае приборов МОП- и КМОП-технологии. Тем не менее зависимые от времени эффекты могут давать некоторый вклад в повышенную деградацию при низкой мощности дозы. (см. рис. 1.3). Хотя в подавляющем большинстве случаев такая повышенная деградация не может быть объяснена только лишь этими эффектами.
Для количественного описания эффекта ELDRS часто используют коэффициент усиления деградации. Этот коэффициент определяется как отношение изменения рассматриваемого информативного параметра после облучения до заданного уровня дозы при заданной мощности дозы к изменению этого же параметра после облучения до того же уровня дозы, но при фиксированной высокой мощности дозы. (В качестве последнего значения обычно выбирают мощность дозы из диапазона 50–300 рад(Si)/с и выше). При высокой мощности дозы (10–100 рад(Si)/с) коэффициент усиления деградации равен 1. При снижении мощности дозы он растет и может достигать значений вплоть до порядка величины. Более того, в работе [33] отмечено, что при низкой мощности дозы коэффициент усиления деградации может достигать даже двух порядков величины.
В большинстве случаев для биполярных приборов, чувствительных к ELDRS, диапазон значений интенсивности воздействия, в котором наблюдается увеличение степени деградации при снижении интенсивности, ограничен 10-3–10 рад(Si)/с (рис. 1.13 [33]).
Более того, часто мощность дозы, равная 0,01 рад(Si)/с, уже близка к «насыщению» эффекта ELDRS. При последующем снижении интенсивности воздействия не наблюдается значительного роста степени деградации облучаемых приборов. По этой причине облучение при интенсивности 0,01 рад(Si)/с (как правило, применяя коэффициент запаса по дозе, равный 1,5) часто используют как метод испытаний биполярных приборов с учетом ELDRS. Как уже отмечалось выше, эффект ELDRS не может быть промоделирован облучением при высокой интенсивности с последующим отжигом. Однако, проведение облучения при повышенной температуре может сильно ускорять деградацию биполярных приборов. Это, например, видно из рис. 1.14 [34], на котором показано влияние температуры при облучении на дозовую деградацию биполярных компараторов LM111.
Моделирование дозовых эффектов в биполярных транзисторах при различных мощностях дозы при облучении
В работе [68] была численно решена нелинейная задача моделирования деградации параметров биполярных транзисторов при различных мощностях дозы при облучении и электрических режимах.
Относительный вид деградации тока базы биполярного транзистора определяется в линейном приближении сверткой по всему времени функционирования где A - нормировочный множитель, rjeff - зависящая явным образом от температуры облучения и электрического поля в окисле эффективность выхода заряда. Экспонента в (2.1) описывает одновременный термический отжиг, который сильно зависит от профиля температуры в ходе облучения та \Т) = та0 exp\sa / Т) , а и Т0а - энергия активация и временная константа отжига временного отжига. Линейность приближения означает, что никакой параметр системы не зависит от количества накопленных дефектов и, соответственно, от дозы, что должно выполняться при относительно малых дозах. Для постоянной мощности дозы P(i) = Р = const получится выражение где доза насыщения эффекта деградации пропорционально и константе времени деградации.
Для больших доз встроенное электрическое поля может существенно редуцироваться полем накопленных радиационных дефектов с поверхностной плотностью ANRD . В реальности встроенное электрическое поле в окисле является убывающей функцией накопленного заряда Еох [A/V \. Будем считать, что температура облучения и электрический режим в ходе облучения поддерживался постоянным.
Общей причиной деградации в компонентах биполярной технологии является накопление дефектов в слоях изоляции и на границах раздела.
Деградация (изменение критериального параметра NRD\D)) в линейном приближении описывается кинетическим уравнением где А - нормировочный множитель; Р - мощность дозы; Цеїї - зависящая явным образом от температуры облучения и электрического поля в окисле эффективность выхода заряда. Термический отжиг та (Т) = та0 exp(еа / кТ; еа и 0а – энергия активации и временная константа отжига, специфичны для разных технологий или даже для разных партий приборов. Для больших доз встроенное электрическое поле в окисле является убывающей функцией накопленной концентрации заряженных дефектов кох \&NRD ) и задача становится нелинейной. Нелинейность моделируется уравнением где ох0 - значение встроенного электрического поля до облучения; а -безразмерный параметр, подбираемый из расчета того, что при дозах порядка 500 крад(Si) редукция электрического поля становится заметной. В силу нелинейности уравнения удобнее получить численное решение
Данное решение качественно описывает полученные результаты эксперимента (рис. 2.8, 2.9).
Скорость деградации, в соответствии с выражением (2.3), является растущей функцией электрического поля в окисле. Поэтому, как правило, радиационная деградация растет с ростом самосогласованного значения электрического поля в некоторых критических областях изоляции. Для дискретных транзисторов такой областью является полевая изоляция над переходом эмиттер-база, где имеется краевое поле p-n-перехода. При прямом смещении встроенное краевое поле p-n-перехода уменьшается как в n-p-n-, так в p-n-p-транзисторах, и поэтому радиационная деградация уменьшается при увеличении напряжения прямого смещения в ходе облучения. Максимальной деградации в дискретных транзисторах соответствует нулевое смещение эмиттерного перехода в ходе облучения (рис. 2.8).
Зависимость скорости деградации от интенсивности в области малых доз определяется эффектами ELDRS. При одинаковом электрическом поле в критических областях изоляции выход заряда меньше для более высокой интенсивности за счет более высокой скорости рекомбинации. Насыщение деградации для малой интенсивности объясняется балансом накопления и теплового отжига. Слабая тенденция к насыщению при больших интенсивностях является следствием уменьшения выхода заряда при снижении электрического поля в окисле. Встроенное электрическое поле в окислах снижается при больших дозах из-за накопления заряда на дефектах, поле которого противоположно встроенному полю, обусловленному, как правило, контактной разностью потенциалов на электродах (рис. 2.9).
Экспериментальные дозы насыщения при интенсивности 0,015 рад(Si)/с для и n-p-n- и p-n-p-транзисторов составили 400 крад(Si) и 1 Мрад(Si) соответственно, что соответствует временным константам отжига га 2,7x10 c и 7 5 -6 5 6,7x10 c при электрических полях Ьох0= 1.510 B /см, =410 и 2,510 B /см, = 5,810 .
Обсуждение результатов исследований изделий КМОП-технологии
На рис. 4.16 представлены зависимости изменения входного тока от поглощённой дозы, полученные при различных значениях интенсивности воздействия и комнатной температуре.
Из рис. 4.16 видно, что максимальные изменения входного тока наблюдаются при облучении с наибольшей интенсивностью воздействия (62,7 рад(Si)/с), что чаще всего наблюдается в тех случаях, когда исследуемые приборы чувствительны к TDE. Однако, на рис. 4.17 представлены результаты, которые более характерны для изделий, подверженных ELDRS. На этом рисунке представлены зависимости изменения входного тока от поглощенной дозы, полученные при интенсивности воздействия 9,7 рад(Si)/с и различных температурах при облучении. Видно, что деградация исследуемых приборов возрастает с температурой облучения.
Проведенный для TLV2471CP после накопленной дозы в 2 и 4 крад(Si) отжиг при комнатной температуре показал, что дополнительной деградации во время отжига не происходит в отличие от результатов, полученных для TLV2451CP (см. рис. 4.10). Значения входного тока очень быстро релаксируют до начальных значений, измеренных до облучения. Возможно, это обуславливается низким уровнем деградации TLV2471CP при облучении с интенсивностью 9,7 рад(Si)/с до уровня не более 4 крад(Si).
Для правильной оценки и интерпретации результатов, полученных при облучении операционных усилителей TLV2471CP, необходимо учитывать, что входные токи данных приборов определяются токами затвора входных МОП-транзисторов (см. рис. 4.1 б). Следовательно, необходимо исключать из общего измеренного при облучении тока величину генерированного гамма-излучением ионизационного тока, наличие которого продемонстрировано на рис. 4.18, 4.19 (результаты на рис. 4.16 и 4.17 представлены уже с учетом исключения вклада ионизационных токов).
На рис. 4.20 показаны результаты оценки ионизационного тока для различных условий облучения. Представленные значения были получены как разность значений входного тока смещения, измеренных в процессе облучения и сразу же после прерывания облучения. Из рисунка видно, что ионизационный ток возрастает с увеличением мощности дозы и температуры облучения и практически не зависит от поглощенной дозы.
Представленные выше результаты свидетельствуют о том, что исследованные операционные усилители чувствительны как к ELDRS, так и к TDE. Следовательно, при проведении радиационных испытаний с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения необходимо объединить существующие подходы к испытаниям МОП- и биполярных приборов. Например, можно использовать широко распространенный подход к моделированию TDE (последовательные операции облучения и отжига), дополнив их процедурами, использующимися при испытаниях биполярных приборов. В частности, можно использовать облучение при максимальных рабочих температурах и интенсивности воздействия 1-10 рад(Si)/с или облучение при комнатной температуре и интенсивности воздействия не более 0,01 рад(Si)/с, после чего провести отжиг в течение 168 ч при 100 С (или при максимальной рабочей температуре). Облучение при повышенной температуре выглядит предпочтительней, поскольку оно менее трудозатратное, особенно в случаях, когда требуется достижение высоких уровней дозы. Однако предлагаемые методы требуют дополнительной проверки на других типах аналогичных изделий.
Следует отметить, что механизм деградации входного тока смещения ОУ с биполярным входным каскадом отличается от механизма для случая КМОП входного каскада. В первом случае рост входного тока смещения определяется увеличением базового тока входных биполярных транзисторов, что обычно приписывается радиационно-индуцированному встраиванию поверхностных состояний. В случае КМОП входного каскада входные токи определяются токами затвора входных МОП-транзисторов, и рост этих токов уже нельзя объяснить процессом встраивания поверхностных состояний. В этом случае в качестве одной из возможных причин деградации может рассматриваться возникновение радиационно-индуцированного тока утечки [7; 87; 88], однако, данное предположение требует дальнейшего исследования.
На основании представленных выше результатов можно сделать следующие выводы.
Во-первых, из представленных результатов следует, что исследуемые приборы чувствительны как к ELDRS, так и к TDE. Более того, некоторые особенности, присущие TDRE (например, усиление деградации при увеличении температуры облучения), были обнаружены при исследованиях ОУ TLV2471CP, содержащих только КМОП-элементы. Из это следует, что методы испытаний таких изделий с учетом эффектов низкоинтенсивного облучения могут быть получены путем комбинирования процедур испытаний, применяющихся для изделий КМОП- и биполярной технологии.
Во-вторых, механизм деградации входного тока смещения ОУ с биполярным входным каскадом отличается от механизма деградации для случая КМОП входного каскада. Кроме того, при радиационных испытаниях ОУ с КМОП входным каскадом необходимо учитывать образование ионизационного тока при облучении. Этот ток может быть определен как разность значений входного тока смещения, измеренного в процессе облучения и сразу же после прерывания облучения.
Методика испытаний полупроводниковых изделий КМОП-технологии
Как показано в разделе 4.4, при радиационных испытаниях КМОП ИЭТ необходимо учитывать образование ионизационного тока при облучении. Последовательность действий по учету ионизационного тока представлена на рис. 5.4.
Предлагается метод испытаний КМОП полупроводниковых изделий, основанный на Тесте № 1 ОСТ 134-1034-2012 и учитывающий полученные в данной работе результаты.
Проводится пошаговое облучение испытываемых образцов при комнатной температуре окружающей среды и при штатном электрическом режиме. Облучение проводится до набора дозы, соответствующей норме испытаний. В конце каждого шага при облучении проводят функциональный контроль и измерение электрических параметров испытываемых образцов, те же измерения проводят непосредственно сразу после окончания облучения (это необходимо для исключения возможности браковки партии из-за образования ионизационного тока при облучении). Значения ионизационного тока рассчитываются как разность значений параметров, измеренных в процессе облучения и сразу же после прерывания облучения. При принятии решения о соответствии испытываемых изделий заданным требованиям следует исключить величину ионизационного тока из измеренного при облучении значения.
Дальнейшие испытания проводятся в соответствии с Тестом № 1 ОСТ 134-1034-2012.
На основании представленных в разделах 2–4 результатов выработаны рекомендации по оптимизации процедур испытаний ИЭТ на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ с учетом эффектов низкой интенсивности.
Показаны недостатки существующих на данный момент методов испытаний.
Предложены усовершенствованные методы ускоренных испытаний с учетом эффектов низкой интенсивности для изделий биполярной, БиКМОП- и КМОП-технологий.
Адекватность предложенных методов подтверждена при их внедрении в АО «НИИП» в практику радиационных испытаний при проведении испытаний ИЭТ отечественного и иностранного производства. Результаты измерений параметров исследованных изделий получены на аттестованном измерительном оборудовании АО «НИИП». Дозиметрическое сопровождение исследований осуществлялось в соответствии с аттестованными методиками, применяющимися при испытаниях ИЭТ на моделирующих гамма-установках АО «НИИП», с использованием поверенных средств дозиметрии. Отклонение значения, прогнозируемого с помощью предложенных методов, не превысило 20 % с учетом погрешности дозиметрии.
В работе рассмотрены основные физические процессы в структуре Si/SiO2 при облучении и отжиге, и их влияние на деградацию биполярных и МОП-транзисторов при радиационном облучении. Проанализированы особенности деградации полупроводниковых изделий в условиях длительного низкоинтенсивного облучения, характерного для космического применения: рассмотрены зависимые от времени эффекты, характерные для МОП- и КМОП-приборов, и истинные эффекты низкоинтенсивного облучения, наблюдающиеся в изделиях биполярной технологии. Проанализированы существующие подходы к экспериментальному моделированию эффектов низкоинтенсивного облучения в лабораторных условиях.
Для получения экспериментальных данных были использованы ИЭТ отечественного и иностранного производства, наиболее подверженные дозовым эффектам низкоинтенсивного облучения.