- •К.И. Таперо, в.Н. Улимов, а.М. Членов Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения Аннотация
- •Содержание
- •Введение
- •1 Основы физики взаимодействия ионизирующих излучений с полупроводниками
- •1.1 Краткое описание радиационных характеристик в окружающем пространстве
- •1.1.1 Радиационные условия в космическом пространстве Внешние воздействующие факторы космического пространства
- •Источники ионизирующих излучений в космическом пространстве
- •1.1.2 Ионизирующие излучения ядерного взрыва
- •1.1.3 Ионизирующие излучения атомных электростанций
- •1.2 Величины, характеризующие ионизирующее излучение и его взаимодействие с веществом
- •1.2.1 Некоторые величины и единицы, характеризующие ионизирующее излучение и его поле
- •1.2.2 Некоторые величины и единицы, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
- •1.2.3 Некоторые дозиметрические величины и единицы
- •Определение поглощенной дозы при постоянном значении лпэ ионизирующих частиц
- •Определение поглощенной дозы с учетом изменения лпэ ионизирующих частиц по мере прохождения их через образец
- •1.2.4 Некоторые величины и единицы, характеризующие изотопные источники ионизирующих излучений
- •1.3 Физические процессы при взаимодействии ионизирующих излучений с материалами электронной техники
- •1.3.1 Первичные радиационные эффекты при воздействии проникающей радиации на полупроводниковые материалы
- •1.3.2 Смещение атомов из узлов решетки при воздействии ионизирующих излучений
- •Смещение атомов при облучении нейтронами
- •Смещение атомов при облучении заряженными частицами
- •Смещение атомов при облучении гамма-квантами
- •1.3.3 Ионизация при воздействии проникающей радиации на полупроводниковые материалы Ионизация при облучении нейтронами
- •Ионизация при облучении заряженными частицами
- •Ионизация при облучении гамма-квантами
- •Эффект усиления дозы
- •1.3.4 Ядерные превращения при воздействии ионизирующих излучений
- •1.3.5 Термостабильные радиационные центры в полупроводниках
- •1.3.6 Изменение электрофизических параметров полупроводниковых материалов при радиационном облучении
- •2 Изменение электрофизических параметров биполярных приборных структур вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении
- •2.1 Диодные структуры
- •2.2 Транзисторные структуры
- •2.3 Устойчивость радиационных изменений электрических параметров полупроводниковых приборов
- •3 Дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и их влияние на характеристики полупроводниковых приборов и микросхем
- •3.1 Особенности строения структуры Si/SiO2
- •3.1.1 Особенности строения диоксида кремния
- •Кристаллические формы SiO2
- •Аморфный диоксид кремния
- •Дефекты в диоксиде кремния, отвечающие за накопление заряда
- •3.1.2 Особенности строения границы раздела Si/SiO2 Структура границы раздела
- •Дефекты на границе раздела Si/SiO2, отвечающие за накопление заряда
- •3.1.3 Влияние водорода и водородсодержащих соединений на свойства структуры Si/SiO2
- •3.2 Электрические методы исследований заряда в оксиде и плотности поверхностных состояний
- •3.2.1 Метод вфх
- •3.2.2 Метод подпороговых вах
- •3.2.3 Методы, основанные на измерении надпороговой вах транзисторов
- •3.2.4 Метод накачки заряда
- •3.3 Накопление и релаксация зарядов в структуре Si/SiO2 при радиационном облучении и отжиге
- •3.3.1 Общее описание процессов накопления заряда в структурах Si/SiO2 при радиационном облучении
- •3.3.2 Выход заряда
- •3.3.3 Перенос дырок через SiO2
- •3.3.4 Накопление и нейтрализация заряда на ловушках в оксиде
- •3.3.5 Механизм нейтрализации заряда в оксиде
- •3.3.6 Особенности накопления поверхностных состояний при радиационном облучении
- •3.3.7 Латентное накопление поверхностных состояний
- •3.3.8 Накопление поверхностных состояний в зависимости от интенсивности излучения
- •3.3.9 Отжиг поверхностных состояний
- •3.3.10 Механизм накопления поверхностных состояний
- •3.3.11 Граничные ловушки
- •3.4 Влияние космической радиации на характеристики приборов и микросхем, изготовленных на основе моп-структур
- •3.4.1 Изменение характеристик моп-транзисторов и кмоп-логических элементов при радиационном облучении
- •3.4.2 Влияние конструктивно-технологических характеристик на радиационную стойкость моп-структур
- •3.4.3 Радиационные эффекты в моп-структурах с ультратонкими оксидами
- •3.4.4 Некоторые особенности дозовых радиационных эффектов в мдп-структурах с альтернативными диэлектриками
- •3.4.5 Влияние полевых оксидов на радиационную стойкость ис
- •3.4.6 Особенности проявления дозовых радиационных эффектов в микросхемах, изготовленных по кни-технологии
- •3.5 Особенности радиационных испытаний приборов и микросхем на основе моп- и кмоп-структур
- •3.5.1 Корреляция между отдельными транзисторами и микросхемами
- •3.5.2 Наихудший электрический режим
- •3.5.3 Влияние на радиационную стойкость высокотемпературной нагрузки (наработки) перед облучением
- •3.5.4 Выбор источников ионизирующих излучений при проведении радиационных испытаний моп и кмоп ис
- •3.5.5 Процедуры радиационных испытаний, учитывающие влияние факторов низкой интенсивности облучения
- •4 Особенности деградации биполярных приборов и микросхем при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения (эффект eldrs)
- •4.1 Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик биполярных транзисторов
- •4.2 Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик биполярных интегральных схем
- •4.3 Физические модели эффектов низкоинтенсивного облучения биполярных приборов и микросхем
- •4.4 Проблема экспериментального моделирования воздействия излучений низкой интенсивности на биполярные изделия
- •4.5 Выводы
- •5 Одиночные события в бис при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства
- •5.1 Основные виды и классификация одиночных событий
- •5.1.1 Краткое описание основных видов ос Обратимые одиночные сбои (seu)
- •Одиночные события радиационного защелкивания (sel)
- •Одиночный микродозовый эффект (sehe)
- •Одиночный эффект прерывания функционирования (sefi)
- •Эффект выгорания (seb)
- •Эффект пробоя диэлектрика (segr)
- •Одиночный эффект вторичного пробоя в моп-транзисторах (ses)
- •Одиночные события, связанные с импульсной переходной ионизационной реакцией (set)
- •5.1.2 Основные параметры чувствительности полупроводниковых приборов и микросхем к одиночным событиям
- •5.2 Физические процессы, приводящие к возникновению одиночных событий
- •5.2.1 Общее описание процессов возникновения одиночных событий
- •5.2.2 Образование носителей заряда (ионизация)
- •5.2.3 Рекомбинация неравновесных носителей заряда
- •5.2.4 Перенос неравновесных носителей
- •5.2.5 Сбор заряда
- •5.3 Экспериментальные методы исследования чувствительности изделий полупроводниковой электроники к одиночным событиям при воздействии тяжелых заряженных частиц и протонов
- •5.3.1 Эксперименты на ускорителях протонов
- •5.3.2 Эксперименты на ускорителях ионов
- •5.3.3 Эксперименты с изотопными источниками
- •5.3.4 Эксперименты с использованием ионных микропучков
- •5.3.5 Эксперименты с использованием имитаторов
- •Литература
Дефекты на границе раздела Si/SiO2, отвечающие за накопление заряда
Заряд, накопленный на границе раздела кремний-диэлектрик принято характеризовать плотностью поверхностных состояний (ПС). Основным видом точечных электрически активных дефектов на границе раздела Si/SiO2, отвечающих за величину плотности ПС, является Pb-центр [8, 13, 16], который может быть представлен как атом кремния на границе, связанный с тремя другими атомами кремния и имеющий одну оборванную связь. Химическое обозначение Pb-центра записывается в виде SiSi3.
На поверхности кремния (111) оборванная связь ориентирована перпендикулярно границе (Pb-центры с оборванными связями, ориентированными под другими углами были обнаружены только на специально изготовленных образцах). Кроме того, Pb-центр располагается в пределах одного атомного слоя от границы в сторону Si или SiO2.
На поверхности (110) оборванные связи Pb-центра ориентированы вдоль двух тетраэдрических направлений [111], причем оборванных связей, лежащих в плоскости границы, обнаружено не было [16].
Наиболее сложную структуру Pb-центры имеют на поверхности кремния (100). Здесь было идентифицировано два различных типа Pb-центров, каждый из которых может иметь оборванные связи, ориентированные в двух направлениях. Первый вид — Pb0-центр, представляющий собой соединение SiSi3, оборванная связь которого может быть ориентировано вдоль двух направлений [111]. Второй вид — Pb1-центр, представляющий собой частично окисленное соединение SiSi2O с оборванной связью, ориентированной в тех же направлениях [16].
Во многих работах указывается, что величина плотности ПС, определенная, например, по результатам измерения ВФХ, коррелирует с плотностью Pb-центров в пределах погрешности, равной коэффициенту 2. Остальные ловушки, возможно, представляют собой напряженные связи, углы и длины которых немного отличаются от присущих неповрежденному кремнию, что приводит к разбросу по энергии. Но в отличие от этих ловушек, Pb-центры наблюдались даже в образцах с очень низкой плотностью ПС [16]. Обычно энергетическое распределение Pb-центров имеет пик в середине запрещенной зоны и спадает по мере приближения к зоне проводимости или валентной зоне [13]. Это распределение согласуется с предположением о том, что в середине запрещенной зоны ПС парамагнитны или нейтральны. В верхней части запрещенной зоны ПС акцептороподобны (могут принять электроны), отрицательно заряжены, содержат два электрона, и Pb-центры — диамагнитные. В нижней части запрещенной зоны ПС донороподобны (могут отдавать электроны), положительно заряжены, не содержат электронов и диамагнитны. В середине зоны ПС нейтральны, содержат один электрон и парамагнитны. Следует, однако, отметить, что далеко не всегда пик распределения плотности Pb-центров приходится на середину запрещенной зоны кремния. В частности в [16] указывается, что максимальная плотность приходится на энергетические уровни Ev + 0,38 эВ и Ev + 0,8 эВ.
Расчеты, проведенные с помощью метода молекулярных орбиталей, показали, что Pb-центр подобно E’-центру имеет пространственную конфигурацию в виде тетраэдра, однако в данном случае тетраэдр не такой выпуклый, как это присуще E’-центру [16].