Методическое пособие 700

Объемные эффекты, связанные со структурными повреждениями кристаллической решетки, приводят к изменению электрических характеристик полупроводника - времени жизни неосновных носителей заряда, концентрации основных носителей заряда и подвижности. Поверхностные эффекты изменяют величину поверхностного потенциала и увеличивают скорость поверхностной рекомбинации. Появление ионизационных токов в полупроводнике связано с генерацией, излучением неравновесных электронно-дырочных пар.

К основным последствиям нейтронного облучения относится нарушение кристаллической решетки, приводящее в ко-

нечном итоге к образованию разупорядоченных областей, содержащих междоузлия, вакансии и сложные собственные дефекты. В результате уменьшается время жизни неосновных носителей и растет удельное сопротивление полупроводникового материала, что сопровождается уменьшением коэффициента передачи тока биполярного транзистора при низких коллекторных токах и увеличением тока утечки диодов с обратно смещенными переходами при невысоких уровнях нейтронного облучения.

Ионизирующее излучение в виде высокоэнергетических электронов, гаммафотонов и рентгеновских лучей взаимодействует с поверхностью, генерируя при этом электронно-дырочные пары, и, следовательно, локализованный в ловушках заряд. При низких уровнях накопленной

дозы ионизирующего излучения локализованный в оксиде заряд обусловливает сдвиг порогового напряжения, а при высокой – вторичный эффект, приводящий к образованию поверхностных состояний. Высокий уровень ионизирующего излучения, кроме того, усиливает рекомбинацию инжектированных неосновных носителей у поверхности раздела кремния пассивирующим покрытием, в результате чего снижается подвижность носителей в базе. Воздействие ионизирующего излучения выражается в возникновении фототока, величина которого зависит от мощности дозы и ширины его импульса.

Основными эффектами, которые вызывает фототок генерированных при облучении носителей, являются увеличение потенциала базы и паразитное "защелкивание", при котором некоторые типы ИС

почти закорачиваются, т.е. переходят в режим работы, сходный с активным режимом работы динисторов. Падение напряжения на ИС становится малым, ток относительно большим, схема перестает функционировать и заблокирована до тех пор, пока не снято напряжение питания. Обычно типы отказов ИС при появлении дефекта “защелкивания” – это перегорание шины питания, короткие замыкания на ключе, короткие замыкания шины питания на выход, деградация защитных диодов и др.

Результаты экспериментов показывают, что эффекту “защелкивания” как одному из основных механизмов понижения надежности и потери работоспособности при воздействии ионизирующего излучения в наибольшей степени подвержены КМОП схемы, изготовленные по объемной технологии, в большинстве биполярных

ИС "защелкивание" маловероятно. БиКМОП по этим характеристикам аналогична КМОП технологии, поскольку в таких схемах уровень отказов определяется n-канальным транзистором.

В космосе для ИС существуют другие источники опасности – заряженные частицы, которые являются потенциальными источниками однократных сбоев, т.е. изменений логического состояния цифровой схемы в результате прохождения через некоторую область одиночной частицы с высокой энергией, способной сформировать ложный электрический сигнал, вызвав изменение состояния схемы.

8.3. Влияние радиации на биполярные ИС

Радиационная стойкость биполярных ИС зависит от схемотехники, конструкции

итехнологии их изготовления.

Убольшинства типов логических ИС

при облучении отмечены одинаковые изменения многих важных параметров. Такой результат есть следствие функциональной зависимости этих параметров от коэффициента усиления транзисторов ИС и преобладания деградации значения коэффициента усиления транзисторов над другими дефектами при облучении. Увеличение напряжения насыщения транзисторов ИС при облучении также является причиной изменений параметров ИС. Качественно деградация ИС при облучении быстрыми нейтронами сопоставима с деградацией вследствие электронной бомбардировки. При этом экспериментально подтверждено, что доля поверхностных дефектов является доминирующей до потоков нейтронов порядка 1014 см-2 .

Эффект импульсной радиации в ИС с изоляцией р-n-переходом есть генерация фотоэлектрического или первичного фототока в многочисленных p-n-

переходах. Так как значение первичного фототока пропорционально площади перехода, то основные источники этого тока находятся в большого размера переходах изоляции между компонентами схемы и подложкой.

На рис. 8.1, 8.2 показана зависимость выходного напряжения открытой UOL и закрытой UOH схем и входного тока закрытой схемы I1H от потока быстрых нейтронов для схем ДТЛ с окисной изоляцией карманов.

Стойкость восьмибитного арифметического логического устройства (АЛУ), спроектированного фирмой Raytheon и имеющего 1144 ключа интегральной логики Шоттки, 56 внутренних буферов и 36 программируемых входных (выходных) буферов, к нейтронному облучению – до 5·10 см14 см-2. Стойкость к нейтронному облучению сумматоров и универсально-

Рис 8.1 Зависимость выходного напряжения открытой (а) и закрытой (б) схем ДТЛ при воздействии быстрых нейтронов

Рис 8.2 Зависимость входного тока закрытой схемы ДТЛ

при воздействии быстрых нейтронов

го регистра сдвига – 1,3·1015 см-2, при этом воздействии началось существенное изменение задержки работы схемы. Обе схемы работали нормально также при мощностях дозы гамма-излучения 108 рад/с. При эксперименте наблюдалось, что стойкость к

радиации каждого из испытанных образцов одного типа ИС может различаться в 3 раза.

Если оценивать стойкость ИС по их типам и величине интегрального потока быстрых нейтронов Фn, общей поглощенной дозе гамма-излучения Дγ и мощности дозы импульсного гамма-излучения Рγ, то можно отметить, что наиболее высокой радиационной стойкостью из биполярных схем обладают схемы типа ЭСЛ, так как используют высокочастотные транзисторы, работающие в линейном (ненасыщающем) режиме при больших рабочих токах. Наиболее перспективными с точки зрения повышения стойкости схем типа ТТЛ являются схемы типа ТТЛШ.

Аналоговые ИС на биполярных транзисторах более чувствительны к гаммаизлучению, чем логические. В первых процент полного отказа составил 1,4, а случайные отказы – 0,9. Аналогичные данные для логических ИС составили со-

ответственно 0,6 и 0,1 %.

Аналоговые схемы по всем трем показателям (Фn, Дγ, Рγ), в общем, более чувствительны к воздействию ионизирующего излучения, чем логические ИС, что обусловлено прежде всего более высоким напряжением питания (± 15 В против

+5 В).

8.4.Влияние радиации на МДП-схемы

МДП-приборы работают на основных носителях (в отличие от биполярных, работающих на неосновных носителях), поэтому они мало восприимчивы к нейтронному излучению до потока 1015 см-2

.Суммарная доза ионизирующего излучения больше сказывается на МДП ИС, чем на биполярных. Она приводит к постоянным изменениям такого критического параметра, как пороговое напряжение U0, т.е. минимальное напряжение, прилагаемое к

затвору МДП-приборов для того, чтобы канал между его истоком и стоком начал проводить. Поэтому фактором, сдерживающим широкое применение МДПприборов, в частности КМОП ИС, в аппаратуре, эксплуатируемой в условиях воздействия ионизирующего излучения, является их относительно невысокая радиационная стойкость, которая в большинстве случаев характеризуется дозой гаммаизлучения порядка 104 рад.

Доза излучения, полученная МДП ИС, может вызывать необратимые изменения электрических характеристик приборов. Это происходит главным образом изза образования поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик и накопления положительных зарядов в затворном оксидном диэлектрике, захватываемых ловушками. Захваченный ловушками положительный заряд в подзатворном оксиде сдвигает пороговые напряжения как n-, так

и р-канальных транзисторов в отрицательном напряжении, приводя в конечном счете к отказу схемы.

Другими словами, в процессе облучения МДП-приборов дырки, созданные при ионизации затворного диэлектрика, захватываются ловушками и формируют положительные объемные заряды в оксиде поверхностных состояниях, локализованных на границе раздела Si – SiO2. Поверхностные состояния амфотерны: центры с энергетическими уровнями в верхней половине запрещенной зоны кремния играют роль акцепторов (в заполненном состоянии они отрицательно заряжены), а в нижней половине – доноров (пустые центры заряжены положительно).

Образование поверхностных состояний на границе оксид – кремний ведет к снижению крутизны характеристик МДП транзисторов и дополнительному увеличению радиационного сдвига их пороговых

напряжений. Снижается также эффективная подвижность носителей, изменяется коэффициент усиления транзисторов. Плотность поверхностных состояний резко увеличивается при повышении уровня накопленной дозы выше 104 рад.

Основными видами отказов КМОП инверторов при воздействии ионизирующего излучения (ИИ) являются:

–отсутствие переключательных свойств, когда значение выходного напряжения остается постоянным во всем диапазоне изменения входного напряжения в связи с тем, что n-канальный транзистор

открыт уже при UBx = 0 и порог переключения меньше нуля;

–уменьшение быстродействия в связи с увеличением времени задержки распространения сигнала, что обусловлено сдвигом порогового напряжения n- канального транзистора к более положительным значениям, а р-канального – к бо-

лее отрицательным значениям, что приводит к увеличению эффективного сопротивления канала при определенном входном напряжении и увеличению времени, необходимого для зарядки и разрядки емкости на выходе схемы;

– увеличение токов утечки (следовательно, и потребляемой мощности в статическом режиме), когда пороговое напряжение n-канальных транзисторов становится отрицательным;

– снижение помехоустойчивости схем с высоким уровнем выходного сигнала, связанное с уменьшением порога переключения схемы и тем самым амплитуды положительного напряжения помехи, не вызывающей переключения схемы, а для схем, работающих при низком уровне выходного сигнала, наоборот, возрастание помехоустойчивости (к воздействию отрицательной помехи) при облучении.

Все виды отказов, кроме второго,

обычно наблюдаются при малых дозах облучения, особенно в том случае, когда n-канальный транзистор находится в открытом состоянии при облучении (на входе высокий уровень напряжения).

Рассмотрим для примера поведение при облучении КМОП-схем типа 54НС00 (четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ-схема малой степени интеграции)

фирм Motorola и National Semiconductor.

Наиболее чувствительным к воздействию ИИ оказался статический ток потребления. Динамический ток потребления характеризует работоспособность ИС в рабочем режиме. Отмечено незначительное его увеличение по сравнению со статическим током потребления на частоте 1 МГц после дозы 60 крад. Функциональные отказы схем наблюдались при более высоких дозах ионизирующего излучения, чем отказы по току потребления.

Входное напряжение низкого и вы-

сокого уровня (порог переключения) у обеих схем уменьшается при увеличении дозы излучения, причем для простой схемы И-НЕ в большей степени в случае высокого уровня входного сигнала, что объясняется большим дрейфом порогового напряжения n-канальных МОПтранзисторов, у которых на затворе положительное напряжение. Отказы по данным параметрам наблюдались после доз 40 крад.

Испытания микропроцессоров на n- МОП-транзисторах типа 8086 показали, что их радиационная стойкость равна (0,9- 1,6) 104 рад. В результате анализа выходных данных установлено, что 70 % отказов таких микропроцессоров после облучения обусловлены нарушениями в работе счетчика команд или блока прерывания. Примерно 20 % нарушений функционально связаны с отказами в выполнении команд, а причины 10 % отказов не установлены.

МДП ИС на монолитных подложках, в которых p-n-переходы занимают относительно большой объем, чувствительны к импульсному ионизирующему излучению, тогда как КМДП ИС на изолирующих подложках, в которых этот относительный объем намного меньше, сравнительно менее восприимчивы к такому излучению.

Испытание КМОП/КНС элементов памяти при разных значениях мощности дозы гамма-излучения показало, что имеется четко выраженная зависимость радиационной стойкости от мощности дозы облучения. Например, вероятность отказа 10% схем при облучении мощностью 1,5 102 рад/с имеет место при накопляемой дозе 103 рад, а при мощности 1,6 10-3 рад/с эта же вероятность отказа будет иметь место при накопляемой дозе 4,3 103 рад, т.е. при уменьшении мощности дозы стойкость увеличивается.