4.3 Физические модели эффектов низкоинтенсивного облучения биполярных приборов и микросхем

Очевидно, что при уровнях облучения, когда начинают проявляться эффекты ELDRS (до 100–200 крад), изменения параметров БТ (основного прибора, используемого для исследования физических причин эффекта) связаны не со структурными повреждениями, а с дозовыми ионизационными процессами встраивания заряда в пассивирующем (защитном) окисле в области базы и объемного заряда эмиттерного перехода [71]. При этом остается дискуссионным ряд вопросов о кинетике встраивания заряда и причинах различного характера его проявления в изделиях МОП- и биполярной технологии. Авторы работы [81], исследуя конденсаторы со структурой металл-окисел-кремний, изготовленные по биполярной технологии, предложили одну из возможных моделей кинетики встраивания заряда, образования поверхностных ловушек и деактивации акцепторов в подложке (база п-р-п-БТ) при облучении с высокими Р_ при Т_обл = 100 °С. С их точки зрения процессы связаны с дрейфом ионов водорода H⁺ в окисел и слои Si и наличием дырок в обедненной области Si, что приводит к нейтрализации акцепторов и увеличению рекомбинации в областях базы, прилегающих к поверхности. Нейтрализация мелких акцепторов может проходить по двум механизмам:

• пассивация акцепторов — нейтральный ион Н⁰ деактивирует примесь бора (В^–) по реакции

В^– + Н⁰ + h⁺  (BH)⁰, (4.3)

где h⁺ — свободная дырка;

• компенсация акцепторов, когда Н⁰ отдает электрон в зону проводимости и объединяется с В^–

В^– + Н⁺ + е^– + h⁺  (BH)⁰, (4.4)

где е^– — свободный электрон.

Процесс (1) требует свободных дырок. Процесс (2) может проходить в области, где нет свободных носителей.

Так как оба процесса выравнивают концентрации дырок и электронов в базе п-р-п-БТ, они усиливают рекомбинацию, т.е. приводят к увеличению ∆I_б. Описанные механизмы логично объясняют повышение рекомбинации в базе, однако до сих пор нет общего мнения по вопросам: какие дефекты являются источником водорода, при каких условиях возникают ионы Н⁺ (протоны), а при каких — нейтральный водород (Н⁰) и т.д.

Аналитических моделей, с приемлемой степенью адекватности описывающих эффекты низкоинтенсивного облучения БТ, до настоящего времени не предложено. Считается, что в приборах n-p-n-типа основное влияние на поверхностную рекомбинацию оказывает объемный заряд в окисле, а в p-n-p — заряд на поверхностных состояниях у границы раздела Si-SiO₂ [71]. Однако модели, математически описывающей процесс накопления этих зарядов с учетом интенсивности облучения, пока не существует. Поэтому большинство аналитических выражений для описания эффектов ELDRS в БТ носят качественный или феменологический характер, давая возможность исследовать влияние различных параметров на эффект и качественно проанализировать ситуацию. Естественно, такие модели требуют нормировать расчеты на эксперименты для определения ряда параметров моделей. В качестве примера приведем основные конечные соотношения одной из таких моделей, предложенной авторами работы [76].

4.4 Проблема экспериментального моделирования воздействия излучений низкой интенсивности на биполярные изделия

Обобщая изложенные выше экспериментальные результаты, можно отметить следующее [71].

• эффекты ELDRS зависят, прежде всего, от технологии изготовления изделий (пассивирующих окислов), а не их схемотехнического решения;

• предварительно не всегда возможно предсказать, имеет ли место эффект ELDRS в данном изделии по конкретному параметру;

• облучение при повышенных температурах и высоких Р_ не дает результата, полностью эквивалентного воздействию излучений низкой интенсивности (требуется дополнительное облучение или введение коэффициентов запаса);

• температуры облучения, дающие максимальный эффект моделирования, часто находятся вне допустимого согласно техническим условиям рабочего диапазона температур изделия;

• оптимальное соотношение Т_обл и Р_ зависит от конкретного изделия (и даже от контролируемого параметра), требуемой дозы облучения, выбранного коэффициента запаса и может быть установлено только путем предварительных испытаний.

На сегодня предложено, по существу, два подхода к решению проблемы моделирования воздействия излучений низкой интенсивности на биполярные изделия: метод аналитической оценки дозы отказа при воздействии низкоинтенсивного излучения по данным о дозе отказа при высоких Р_ и метод ускоренных испытаний с использованием повышенных температур облучения при Р_ = 10–100 рад/с.

Метод аналитической оценки нашел применение в руководящем документе РД 319.03.37-2000, посвященном методам ускоренных испытаний изделий полупроводниковой электроники на стойкость к воздействию низкоинтенсивного ИИ. Основным достоинством этого метода является его простота: зависимость типа рис. 4.1 в логарифмических координатах в диапазоне Р_ = 0,05–100 Р/с аппроксимируется линейной функцией (см. рис. 4.11). В этом случае дозу отказа при воздействии излучения низкой интенсивности D_нии оценивают по соотношению

D_нии=D_исп(Р_ нии/Р_ исп)^0,26 (4.5)

где D_исп — доза отказа при испытаниях с Р_ исп; Р_ нии — мощность дозы излучения, для которой требуется провести оценку стойкости изделия.

Метод во всех случаях дает консервативную оценку дозы отказа. Иногда эта оценка может быть неприемлемо занижена, особенно, если эффект ELDRS в данном изделии или отсутствует, или D_нии с уменьшением Р_g не уменьшается, как обычно, а растет [79]. Во многих случаях такое занижение стойкости может существенно ограничить возможности разработчиков РЭА в выборе комплектующих. Кроме того, метод допускает использование мощности дозы излучения Р_ исп = 50–1000 рад/c, т.е. только из-за выбора Р_ исп возможно различие в прогнозе D_нии в 20^0,26=2,2 раза. Существенным недостатком метода является слабая статистическая и экспериментальная обоснованность показателя степени 0,26 (взято максимальное значение из результатов облучения 6 типов цифровых биполярных ИС, см. табл. 4.2).

Рис. 4.11. Зависимость ΔI_б БТ от мощности дозы гамма-излучения и ее аппроксимация [71]

Метод ускоренных испытаний с использованием повышенных температур облучения обосновывается экспериментальными наблюдениями (см. рис. 4.2). Несмотря на то, что в большинстве работ метод повышенных температур облучения рассматривается в качестве основного, его практическая реализация на уровне универсальной методики или стандарта затруднена рядом экспериментальных фактов, отмеченных выше. Представляется, что метод испытаний, возможный алгоритм которого изложен в [72], позволяет существенно уменьшить неопределенности с выбором изделий, в которых проявляются эффекты ELDRS, критичных параметров и условий облучения при повышенной температуре. Последовательность действий в соответствии с этим алгоритмом представлена схемой на рис. 4.12 [71].

Необходимо отметить следующее. Во-первых, критерием при решении вопроса о наличии эффектов ELDRS в данном изделии авторы [72] предлагают выбрать K = 1,5 — отношение изменений параметра при низкой (10^–2–10^–3 рад/с) и высокой (10–300 рад/с) мощности дозы облучения. Причем, это соотношение должно соблюдаться для любого контролируемого параметра во всем диапазоне требуемых доз облучения. Во-вторых, если эффекты ELDRS в изделии отсутствуют, рекомендуется переходить на метод испытаний 1019.4 (MIL-STD 883), используемый для изделий МОП-технологии (см. п. 3.5.5). Эквивалентные замены этого метода в отечественных руководящих документах — тест № 1 и тест № 2 РД 319.03.37-2000. В-третьих, эффективность повышенных Т_обл пока исследована недостаточно, их оптимальные значения зависят как от Р_, так и D_, и должны быть достаточно низкими, чтобы минимизировать эффекты отжига повреждений. Режим облучения при Р_ = 10 рад/с и Т_обл = 100 °С, рекомендуемый без проведения определительных испытаний (см. рис. 4.12), выбран оптимальным из опыта исследований достаточно ограниченного количества ИС. Учитывая, что, во-первых, оптимальный режим Р_ = 10 рад/с и Т_обл = 100 °С не является таковым для всех типов изделий, а во-вторых, никакое повышение Т_обл в общем случае не дает результата, полностью эквивалентного воздействию излучений низкой интенсивности, авторы предлагаемого алгоритма вводят коэффициент запаса, равный 3, который должен обеспечить консервативную оценку стойкости.

Рис. 4.12. Возможный алгоритм методики испытаний биполярных ПП и ИС с учетом эффектов низкой интенсивности излучения

Следует также отметить, что обнаруженный в последнее время и пока не понятый новый эффект (по американской литературе PETS — Pre-irradiation Elevated-Temperature-Stress), по-видимому, может усложнить любую методику испытаний с учетом возможных эффектов ELDRS без проведения определительных испытаний [71]. Эффект состоит в следующем: экспериментально показано, что предварительная (до облучения) обработка линейных ИС повышенными температурами (в том числе и на каких-то этапах технологического цикла их изготовления) существенно влияет на их отклик при последующем облучении. Более того, невозможно предсказать влияние этого эффекта на чувствительность к ELDRS: в одних условиях он почти полностью исключает эффект низкоинтенсивного облучения, в других — практически не изменяет чувствительности к воздействию низкой мощности дозы излучения.