4 Особенности деградации биполярных приборов и микросхем при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения (эффект eldrs)

Низкоинтенсивное облучение изделий электронной техники характерно для РЭА космического применения. Так как эта аппаратура традиционно была ориентирована на изделия МОП-технологии, основные усилия исследователей были направлены на разработку методов испытаний к воздействию ионизационной поглощенной дозы прежде всего этих изделий. Методы испытаний изделий изготовленных по МОП- и КМОП-технологии рассмотрены выше (см. п. 3.5). Ряд объективных факторов, возникших к началу 90-х годов (освоение орбит, проходящих через пояса протонов, и снижение защиты космических аппаратов, использование меньших коэффициентов запаса по стойкости, появление изделий БиКМОП-технологии, вопросы стоимости комплектующих изделий РЭА), стимулировали повышенный интерес к поведению в условиях низкоинтенсивного облучения и изделий биполярной технологии. В большинстве случаев чувствительность изделий этой технологии к дозовым эффектам ионизации существенно выше при низких значениях мощности дозы облучения, характерных для космических условий (10^–2–10^–3 рад/с), по сравнению с мощностью дозы, обычно используемой при радиационных испытаниях (50–300 рад/с). В литературе этот эффект часто обозначают в сокращенной виде ELDRS — Enhanced Low Dose Rate Sensitivity. К настоящему времени количество публикаций по этой тематике уже исчисляется сотнями (большинство из которых — американских авторов), однако полного понимания физических причин эффекта пока не достигнуто.

Адекватность и область применимости предложенных методов моделирования также требует уточнений [71]. В частности, имеются определенные противоречия в априорных предположениях американских и отечественных авторов о наличии эффектов ELDRS в биполярных изделиях различного функционального назначения. Авторы работы [72] полагают, что эффекты ELDRS отсутствуют в цифровых ИС и, возможно, дискретных приборах (для дискретных биполярных транзисторов (БТ) рекомендована экспериментальная проверка). Противоположный вывод следует из результатов работы [73]: зависимость дозы отказа D_отк от мощности дозы облучения в аналоговых ИС, в отличие от цифровых, не обнаружена. К сожалению, в отечественных публикациях практически отсутствуют данные экспериментального определения численной величины, характеризующей эффект ELDRS. Это относится даже к простейшим биполярным изделиям — БТ различной технологии.

В настоящем издании будут кратко рассмотрены основные результаты экспериментальных исследований, направленных на разработку методов моделирования низкоинтенсивного облучения биполярных ПП и ИС, и предложенные на сегодня физические модели эффектов ELDRS в изделиях биполярной технологии. Кроме того, будут представлены результаты основных работ, дающие представление о характере и величине эффекта и его зависимости от технологии изготовления изделий и внешних факторов облучения (температура, электрический режим).

4.1 Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик биполярных транзисторов

Использование БТ для исследования эффектов ELDRS обусловлено двумя причинами. Во-первых, БТ является основным активный элемент электронных схем, во-вторых, изменение компоненты базового тока прибора, связанной с поверхностной рекомбинацией, позволяет судить о физических причинах эффекта.

Одной из первых работ, с которой начались активные исследования эффекта ELDRS в биполярных изделиях, является работа [74], в которой в результате исследования двух технологических вариантов БТ (с кристаллическим и поликремниевым эмиттером) при мощности дозы гамма-излучения Р_ от 1,1 до 287 рад(SiO₂)/c авторы получили следующее:

• ∆(1/h_21Э) у БТ с кристаллическим эмиттером (h_21Э — коэффициент передачи транзистора в схемес общим эмиттером; в п. 2.2 для данного параметра использовалось обозначение «») при Р_ = 1,1 рад(SiO₂)/c примерно в 3 раза больше, чем при Р_ = 300 рад(SiO₂)/c для р-n-р-приборов и в 2 раза для п-р-п-приборов; это отношение у БТ с поликремниевым эмиттером достигает 4–7 раз;

• при мощности дозы гамма-излучения 16 и 300 рад(SiO₂)/c значения (1/h_21Э) примерно одинаковы.

Наиболее полные и информативные исследования эффектов ELDRS в БТ были проведены в работах [75, 76]. В них исследовались горизонтальные и вертикальные р-п-р-БТ [22] и вертикальные п-р-п-БТ [76]. Все типы БТ были изготовлены по современной планарной технологии, используемой при изготовлении ИС, с поликремниевым эмиттером. Измерялись вольт-амперные характеристики приборов: зависимость базового I_б и коллекторного I_К тока в наноамперном диапазоне при различных напряжениях на переходе эмиттер-база. Эксперименты были проведены в диапазоне значений мощности доз гамма-излучения от 0,001 до 294 рад(Si)/с и в диапазоне температур от комнатной до 240 °С. При исследовании зависимости деградации коэффициента усиления БТ (h_21Э = I_К/I_б) от Р_ приборы облучали при 25 °С в пассивном режиме при закороченных выводах. На рис. 4.1 представлены зависимости изменения тока базы ∆I_б от мощности дозы гамма-излучения Р_ для обоих типов р-п-р-БТ, иллюстрирущие «чистый» эффект ELDRS для дискретных транзисторов. Вид этих кривых является «типичным» для эффекта ELDRS, и именно в таком виде обычно приводятся экспериментальные данные по исследованию эффектов низкой интенсивности при облучении БТ.

Рис. 4.1. Зависимость приращения базового тока горизонтального () и вертикального () р-n-р-БТ от мощности дозы гамма-излучения [75]

Данные эксперименты показали, что изменение базового тока р-п-р-БТ, облученных при Р_ = (1–5)10^–3 рад(Si)/с в 10 (и более) раз больше, чем при Р_ = 50–300 рад(Si)/с при том же уровне суммарной дозы. Для п-р-п-БТ данный эффект не превышал 10 (типичное значение 3–5). Кроме того, при Р_  510^–3 рад(Si)/с эффект мощности дозы насыщался, а также наблюдалось отсутствие зависимости от Р_ при Р_  20–50 рад(Si)/с. В приборах с поликремниевым эмиттером эффект достигал 10 раз, тогда как в приборах с кристаллическим эмиттером — всего 2–3 раз. Напряжения на коллекторе БТ во время облучения оказывало довольно слабое (около 10–20 %) влияние на эффект ELDRS.

В большинстве работ, связанных с эффектами ELDRS, проводится облучение при повышенных температурах, поскольку повышенная температура большинством исследователей рассматривается как основной ускоряющий фактор при моделировании эффектов ELDRS. На рис. 4.2 [71, 75] приведена зависимость ∆I_б(Т_обл) для горизонтального р-п-р-БТ, иллюстрирующая влияние температуры облучения T_обл. Из рисунка видно, что рост температуры при облучении приводит к увеличению I_б, однако облучение при повышенной температуре не дает полного моделирования эффекта ELDRS, характерного для низких значений мощности дозы излучения (Р_  0,001 рад(Si)/c).

Рис. 4.2. Зависимость приращения тока базы горизонтального р-n-р-БТ от температуры облучения при различных дозах облучения [71, 75]

Обобщая приведенные выше результаты (см. рис. 4.1, 4.2) можно сделать следующие выводы [71].

• Никакое повышение температуры облучения не обеспечивало полного моделирования эффекта низкой интенсивности (максимум — до 80–85 %). Требовалось дополнительное облучение изделий, для определения величины которого рекомендуется вводить коэффициент переоблучения К_п.

• При дозе облучения D_ < 200 крад(Si) моделирование эффекта низкой интенсивности путем облучения при высокой мощности дозы и повышенной температуре более эффективно для р-п-р-БТ, чем для п-р-п-БТ.

• Максимальная эффективность высокотемпературного облучения при моделировании эффекта низкой интенсивности (оптимальная Т_обл, максимально близко моделирующая эффект низких Р_) находится в диапазоне 100–200 °С и логарифмически уменьшается с ростом дозы облучения, причем для р-п-р-БТ быстрее, чем для п-р-п-БТ, что хорошо видно из рис. 4.3 [71].

Рис. 4.3. Зависимость оптимальной температуры облучения от поглощенной дозы [71]:  — вертикальный p-n-p-БТ;  — горизонтальный p-n-p-БТ;  — n-p-n-БТ; P_ = 294 рад(Si)/с

Влияние низкоинтенсивного облучения на изменение h_21Э отечественных БТ и корреляция этих изменений с облучением при высоких Р_g и повышенных Т_обл исследовалось в работе [77]. Облучали серийные БТ типа КТ3129 (р-п-р) и КТ3130 (п-р-п). Результаты показали следующее.

• При D_ = 1,110⁶ рад для р-п-р-приборов: ∆h_21Э(Р_g = 20 рад/с)  ∆h_21Э(Р_g = 600 рад/с), причем h_21Э(D_)/h_21Э(0) = 0,85; h_21Э(D_)/h_21Э(0) = 0,58 при Р_g = 0,38 рад/с.

• При D_ = 1,110⁶ рад для п-р-п-приборов: h_21Э(D_)/h_21Э(0) = 0,52 при Р_g = 600 рад/с; h_21Э(D_)/h_21Э(0) = 0,38 при Р_g = 20 рад/с; h_21Э(D_)/h_21Э(0) = 0,29 при Р_g = 0,38 рад/с.

• При D_ = 240 рад облучение при Р_g = 20 рад/с и Т_обл = 100 °С эквивалентно облучению при Р_g = 0,38 рад/с и Т_обл = 15 °С (р-п-р-БТ); облучение при Р_g = 20 рад/с и Т_обл = 60 °С эквивалентно облучению при Р_g = 0,036 рад/с и Т_обл = 15 °С (п-р-п-БТ).

Следует отметить, что степень влияния низких Р_g на изменение h_21Э(D_)/h_21Э(0) и оптимальные значения Т_обл различны для БТ различного типа проводимости. Также на деградацию h_21Э в зависимости от поглощенной дозы D_ оказывает влияние электрический режим. Максимальные значения отношений h_21Э(D_)/h_21Э(0) отмечались при Т_обл = 150–200 °С, но зависели от типа проводимости БТ и дозы облучения, уменьшаясь с ростом последней.

Несмотря на приведенные выше результаты исследования эффектов ELDRS в БТ, до сих пор существует некоторая неопределенность в вопросе о наличии этих эффектов в дискретных транзисторах, и прежде всего БТ р-п-р-типа. Более того, отечественный руководящий документ РД 319.03.37-2000, посвященный методам испытаний на стойкость к воздействию поглощенной дозы низкоинтенсивного ИИ, вообще исключает дискретные р-п-р-БТ из приборов, в которых имеют место эти эффекты. Для проверки указанных противоречий в работе [71] было исследовано 5 типов p-n-p-БТ и 3 типа n-p-n-БТ планарно-эпитаксиальной технологии. Измерялся коэффициент усиления в режиме большого сигнала h_21Э при 5–6 фиксированных значениях тока эмиттера I_Э. Транзисторы облучались при мощности доз 140 и 1,4 Р/с. На рис. 4.4, 4.5 в качестве примера приведены полученные дозовые зависимости изменения тока базы и коэффициента передачи в схеме с общим эмиттером для n-p-n-транзистора 2Т312Б.

Рис. 4.4. Зависимость ∆I_б n-p-n-БТ 2Т312Б от дозы и мощности дозы облучения [71]: 1 — Р_ = 140 Р/с, I_Э = 0,1 мА; 2 — Р_ = 1,4 Р/с, I_Э = 0,1 мА; 3 — Р_ = 140 Р/с, I_Э = 1 мА; 4 — Р_ = 1,4 Р/с, I_Э = 0,1 мА

Рис. 4.5. Зависимость h_21Э(D_)/h_21Э(0) n-p-n-БТ 2Т312Б от дозы и мощности дозы облучения [71]: 1 — Р_ = 140 Р/с, I_Э = 0,1 мА; 2 — Р_ = 1,4 Р/с, I_Э = 0,1 мА; 3 — Р_ = 140 Р/с, I_Э = 1 мА; 4 — Р_ = 1,4 Р/с, I_Э = 0,1 мА

Для численной характеристики эффекта ELDRS можно использовать коэффициент K_Р, определяемый соотношением

, (4.1)

где в числителе и знаменателе правой части стоят скорости изменения базового тока при низкой (Р_1) и высокой (Р_2) мощности дозы излучения соответственно.

При нелинейной зависимости I_б(D_) значение K_P определяется для условия D_  0. Значения коэффициента K_P для некоторых отечественных БТ, рассчитанные по дозовым зависимостям изменения тока базы для мощности дозы P_1 = 1,4 Р/с и P_2 = 140 Р/с, представлены в табл. 4.1 [71].

Таблица 4.1

Экспериментальные значения коэффициента K_p

Тип БТ	KP
	IЭ = 0,1 мА	IЭ = 1,0 мА
2Т312Б, n-p-n	3,5	3,5
КТ312В, n-p-n	2,2	2,4
2Т203Б, p-n-p	2,7	2,7
КТ203В, p-n-p	1,9	1,8
КТ3107А, p-n-p	2,3	2,25
КТ337Б, p-n-p	2,2	1,9
КТ342А, n-p-n	1,2	1,3
2Т326А, p-n-p	0,95	1,1

Коэффициент K_P можно определять также и по другим параметрам, используя выражение, аналогичное (4.1). При этом для разных параметров будут получаться разные значения коэффициента. Так, для транзистора 2Т312Б (см. рис. 4.5) значение K_P, определенное по изменению h_21Э, составляет , что приблизительно в 2,3 раза меньше, чем аналогичное значение, определенное по изменению тока базы ( , см. табл. 4.1).

Обобщая представленные экспериментальные данные (рис. 4.4, 4.5; табл. 4.1), полученные в работе [71] при исследовании отечественных БТ, можно сделать следующие выводы.

В-первых, величина эффекта мощности дозы у исследованных приборов изменялась примерно от 1,0 (2Т326 — эффект ELDRS отсутствовал) до 3,5 (2Т312). Приборы специального назначения показали более высокую чувствительность к мощности дозы облучения, чем коммерческие.

Во-вторых, влияние мощности дозы гамма-излучения на скорость изменения h_21Э меньше, чем на скорость изменения ∆I_б, при этом K_P не превышает ~2,0 (очевидно, из-за того, что ∆I_б в рассматриваемом случае не учитывает объемную составляющую тока базы).

В-третьих, как для p-n-p-, так и для n-p-n-транзисторов уже при Р_ = 1,4 Р/с имеет место увеличение их чувствительности к дозе облучения, достигающее 3,5 раз по сравнению с облучением при Р_ = 140 Р/с.