- •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
5.3.3 Эксперименты с изотопными источниками
Для исследования эффектов ОС в ИС и ПП возможно применение изотопных источников, претерпевающих спонтанное деление ядер. Наиболее распространено использование источников на основе радионуклида 252Cf.
Изотопный источник 252Cf — трансурановый радионуклид, подверженный альфа-распаду с периодом полураспада 2,72 года и спонтанному делению с периодом полураспада 85 лет. Энергетический спектр продуктов распада источника 252Cf в вакууме имеет три ярко выраженных максимума: 6,12 МэВ (4Не2); 78,7 МэВ (142Се58); 102,5 МэВ (106Pd46). Осколки деления источника 252Cf в кремнии имеют значения ЛПЭ до 43 МэВсм2/мг и пробеги порядка 14,2 мкм [1]. На тяжелые осколки приходится порядка 3 % от всех высокоэнергетических частиц, испускаемых источником (остальное — альфа-частицы).
В экспериментах с использованием источника 252Cf параметры чувствительности ИС и ПП к эффектам ОС напрямую не определяются. В ходе эксперимента определяется зависимость частоты возникновения ОС при воздействии осколков деления источника от эффективной толщины защиты между источником и облучаемым образцом. Варьирование эффективной толщины защиты осуществляется с целью изменения энергетического спектра ТЗЧ, падающих на облучаемый кристалл. Такое варьирование обеспечивается либо путем изменения расстояния между источником и объектом исследований при неизменном давлении воздуха, либо путем изменения остаточного давления воздуха в вакуумной камере при фиксированном расстоянии от источника до ИС, либо путем введения между источником и ИС поглощающих фильтров калиброванной толщины. Второй способ изменения эффективной толщины защиты (изменение остаточного давления воздуха) представляется наиболее оптимальным, поскольку он легко технически реализуется, и при этом остается неизменной геометрия эксперимента.
Средства дозиметрии в экспериментах на установках с изотопным источником 252Cf должны обеспечивать измерение потока излучения с погрешностью не более 30 %, а также измерение спектрально-энергетических характеристик ТЗЧ. Как правило, используются автоматизированные системы спектрометрии на основе кремниевых поверхностно-барьерных детекторов. Следует отметить, что для всех условий облучения (для всех значений эффективной толщины защиты, используемых в экспериментах) в обязательном порядке должны быть зарегистрированы энергетические спектры осколков деления источника.
Основными недостатками данного метода исследования ОС являются следующие.
Короткие пробеги ТЗЧ (не более 14,2 мкм), вследствие чего исследоваться могут только образцы с удаленными крышками корпусов и при отсутствии на поверхности кристалла защитных лаков, компаундов и т.п. Кроме того, эксперименты должны проводиться в вакуумной камере (при нормальном атмосферном давлении расстояния, на которых энергетические спектры осколков деления 252Cf не перекрываются со спектром альфа-частиц, составляют менее 15 мм). Короткие пробеги падающих ионов также приводят к тому, что в данном случае нельзя применять в обычном виде ЛПЭ-подход, т.е. необходим учет изменения ЛПЭ ТЗЧ по мере их прохождения через чувствительную область.
На поверхность кристалла падают частицы с достаточно широким распределением по энергии и массе, в результате чего при обработке экспериментальных результатов необходимо решать достаточно сложные математические задачи.
Главным преимуществом данного метода исследования является простота и дешевизна используемого оборудования. Как правило, испытательный стенд представляет собой настольную установку, которая не требует специальных средств защиты (с точки зрения радиационной безопасности), и при наличии необходимого программно-методического обеспечения с помощью экспериментов на данной установке возможно проведение оценки основных параметров чувствительности ИС и ПП к эффектам ОС при воздействии ТЗЧ.