Методическое пособие 700

Установлено, что КМОП-приборы схем переходят в режим "защелкивания" при воздействии импульса гаммаизлучения длительностью 30 нс с мощностью дозы 1011 рад/с. Сбои КМОП логических схем наблюдаются при мощности дозы 2 1010 рад/с. Сбои регистра сдвига наблюдаются при мощностях дозы 109 рад/с

ивыше.

8.5.Воздействие рентгеновского излуче-

ния на ИС

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом зависит от энергии кванта и атомного номера элементов, входящих в состав материала изделия.

Кремний сравнительно стоек к рентгеновскому излучению, однако фотоны с повышенной энергией оказывают на него воздействие, изменяя электрические характеристики всех полупроводниковых

изделий. Проводимость р-типа увеличивается, и в изделиях с изоляцией р-n- переходов происходит короткое замыкание. Кроме того, в системе одновременно включаются все транзисторы, что приводит к возникновению большого импульса тока и выходу из строя схем и источников тока.

Существовало мнение, что рентгеновские лучи с повышенной энергией (50 кэВ), так называемые СЖРИ, менее опасны, так как они почти полностью проходят через золотые проводники в случае их применения в ИС. При меньшем уровне энергии лучи также проходят через слой золота, но значительная часть их энергии поглощается материалом (фотоэлектрическое поглощение), что может привести к испарению золотой металлизации и выходу из строя ИС. При этом степень разрушений зависит от энергии квантов падающего излучения, физических свойств ис-

водов и металлизированных структур, пробоя p-n-переходов и т.д. Существующие сейчас полупроводниковые изделия обычного исполнения имеют стойкость к воздействию СЖРИ порядка 0,5 – 5 кал/см2 .

8.6. Влияние конструктивнотехнологических факторов

на радиационную стойкость ИС

Создание радиационно стойких ИС является комплексной задачей, решаемой схемотехническими и конструктивнотехнологическими путями. Некоторое повышение радиационной стойкости ИС можно достигнуть за счет подбора соответствующего электрического режима работы ИС в аппаратуре и за счет отбора ИС с минимально-максимальными значениями параметров. Использование специальных схемных решений (дополнительных ком-

плектующих элементов и цепей) позволяет достаточно эффективно улучшить показатели радиационной стойкости ИС. Повысить стойкость ИС к ионизирующему излучению можно за счет применения различных схем компенсации и использования обратных связей.

Биполярные ИС. Конструктивнотехнологические методы повышения радиационной стойкости биполярных ИС включают: обеспечение радиационной защиты и стойкости активных и пассивных элементов ИС, создание надежной электрической изоляции элементов в условиях радиации.

Например, при построении радиационно стойкого логического элемента 4- входового вентиля И-НЕ, который совместно с ИС ТТЛ служит для построения более сложных схем, защита от выжигания при гамма-импульсе обеспечивается резистором, а дополнительные диоды обеспе-

чивают компенсацию фототока в вентиле. Для создания оптимальной компенсации диоды сформированы на переходах коллектор – база с теми же площадями и той же геометрией, что и выходные транзисторы. Полученный n+ глубокой диффузией 15-омный резистор защищает от выгорания схемы при гамма-излучении. Диод Шоттки обеспечивает защиту от превышения напряжения, которое может возникнуть при работе быстродействующих транзисторов ТТЛ в нескомпенсированных линиях. Защита от выжигания по цепи питания для сложных схем, построенных на вентилях И-НЕ с ТТЛ ИС, сделана на уровне вентиля или ячейки для устранения возможности появления петли обратной связи по цепи питания.

Радиационная стойкость интегральных диодов обеспечивается при использовании коллекторного или эмиттерных переходов радиационно стойкого транзисто-

ра.

Большие потенциальные возможности повышения радиационной стойкости активных элементов без ухудшения основных электрических параметров ИС имеет метод замены планарных p-n переходов торцевыми.

У ИС с изолирующими р-n- переходами значения фототоков почти на порядок выше, чем у ИС с изолирующими диэлектриками, чувствительность которых к радиации почти такая же, как чувствительность аналогичных схем на дискретных элементах. Поэтому радиационная стойкость ИС повышается по мере перехода от р-n-изоляции к сапфировым подложкам, при этом можно получать ИС, способные выдерживать мощность ионизирующего излучения до 1011 рад/с. При исследовании воздействия реакторного излучения на пленки Al2О3и SiO2 обнаружено, что при облучении исследуемых структур

потоками быстрых нейтронов до дозы 1014 см-2 изменений основных электрофизических параметров этих пленок практически не происходит. При увеличении потока нейтронов до 3,9·1016 см-2 изменяется в основном только проводимость, причем в пленках Al2О3 это изменение проявляется в меньшей степени, чем в пленках SiO2. Поэтому при разработке радиационно стойких ИС целесообразно применять пленки Al2О3. Использование только алюминиевой металлизации и алюминиевых выводов позволяет получить ИС со значительно более высокой вероятностью безотказной работы при воздействии радиации.

В настоящее время не существует единой точки зрения на выбор методов повышения радиационной стойкости БИС. Тем не менее можно сформулировать наиболее общие требования, предъявляемые к разработкам радиационно стойких БИС:

– уменьшение отношения числа ак-

тивных элементов ИС к числу пассивных;

–снижение рассеиваемой в ИС мощности, т.е. уровней инжекции в активных элементах;

–повышение универсальности ИС, расширение их функциональных возможностей;

–ослабление зависимости выходных параметров ИС от значений коэффициентов усиления входящих в ее состав транзисторов.

Увеличение степени интеграции ИС достигается путем уменьшения геометрических размеров их элементов, в результате чего существенно возрастает влияние приповерхностных и пассивных областей кристалла на характеристики активных элементов и повышается чувствительность их параметров к качеству технологического процесса.

Обеспечение стойкости ИС путем уменьшения активных объемов элементов

имеет предел, так как с повышением среднестатистической стойкости отдельных элементов увеличивается и возможность появления катастрофических отказов. Ве-

личина критического активного объема находится в диапазоне 10-14 – 10-12 см3.

Оптимизация конструкции сама по себе не является достаточной мерой для обеспечения радиационной стойкости ИС. Необходимо соответствующим образом модифицировать и оптимизировать технологию изготовления ИС.

Экспериментальные исследования чувствительности к ионизирующему излучению ИС, изготовленных по пяти различным технологиям (табл. 8.2) на одном типе схем ДТЛ, показали, что стойкость увеличивается в схемах от I к V классу, так как значение фототока и число источников фототока уменьшаются в том же порядке.

Таблица 8.2

Классы технологии и методы изоляции

Диффузия золота в полупроводниковый материал оказывает большое влияние на чувствительность схем с изоляцией p-n- переходом и небольшое на характеристики схем с изоляцией диэлектриком.

Для повышения радиационной стойкости ИС необходимо получать транзисто-

ры со ступенчатым профилем легирования в эмиттере, сформированным неглубокой диффузией мышьяка, вместо плавного перехода, образуемого диффузией фосфора. Это объясняется тем, что эффективная скорость рекомбинации в эмиттере оказывается ниже при легировании мышьяком и выше при использовании фосфора.

Перспективным методом создания радиационно стойких ИС является ионная имплантация. Полностью ионно-легиро- ванные активные структуры и ИС отличаются малыми размерами при сохранении, а иногда и при улучшении основных электрических и эксплуатационных характеристик.

МДП-схемы. Основываясь на результатах исследования КМДП ИС, специалисты фирмы RCA предложили следующие схемотехнические решения для повышения их радиационной стойкости:

1. Использование автоматического

устройства, которое позволяет по мере увеличения дозы облучения повышать напряжение питания каждой комплементарной пары до значения, обеспечивающего переключение состояний при данной дозе.

2.Применение резервирующих систем с таким расчетом, чтобы одна из систем автоматически заменяла другую после набора ею критической дозы. Система, не находящаяся в рабочем режиме, будет в значительной степени восстанавливаться, поскольку она облучается при нулевом потенциале на электродах.

3.Восстановление параметров МДП ИС до их первоначальных значений посредством увеличения тока стока до величины, обеспечивающей повышение темпе-

ратуры каждого кристалла до 150 – 200 С на период времени, достаточный для температурного отжига. Однако применение этого метода осуществимо при наличии источника питания достаточно большой

мощности.

4. Введение токоограничивающих элементов в схемы. Реализация их решений повышает радиационную стойкость МДП ИС, в том числе и к "эффекту защелкивания".

Исследования влияния длины канала МДП-транзи-сторов на изменение их порогового напряжения в процессе облучения показывают, что чувствительность этого параметра к воздействию гаммаизлучения возрастает по мере уменьшения длины канала.

Если сравнить электрическую проводимость используемых диэлектриков, то она оказывается возрастающей в таком порядке: SiO2, Si3N4, SiO, Al2O3, и структуры с диэлектриком А12О3 оказываются более стойкими к облучению.

С уменьшением толщины подзатворного диэлектрика радиационная стойкость ИС возрастает с 3000 рад при толщине бо-

лее 0,1 мкм до 10200 рад при толщине 0,07 мкм.

МОП-структуры с затвором из хрома обеспечивают наиболее высокую стабильность заряда по сравнению с молибденом и алюминием. Небольшие добавки фосфора в оксид в конце роста из источника Р2О5 перед нанесением хромового затвора позволяют улучшить радиационные свойства МОП-структур.

Схемы конструкции МНОП более устойчивы к накопленной дозе радиации, чем схемы МОП-конструкции.

В КМДП ИС подзатворный диэлектрик должен иметь малую плотность объемного заряда, низкую плотность поверхностных состояний, малое количество сквозных проколов и высокое пробивное напряжение.

Наилучшая радиационная стойкость р-канальных МДП-изделий достигалась при следующей последовательности опе-

раций:

–исходный кремний ориентации

(100);

–толщина затворного оксида минимальная; например, толщина оксида была уменьшена с 100 до 72,5 нм; .

–выращивание затворного оксида в сухом кислороде при температуре 1000 °С;

–отжиг после окисления в азоте либо не проводится, либо проводится при температуре не выше 800 °С;

–алюминий наносится вакуумнотермическим методом и вжигается при температуре 500 °С.

Данная технология может быть применена в КМОП ИС и n-канальных приборах, если применять компенсацию дырочных ловушек в подзатворном оксиде посредством, например, ионной имплантации.

Таким образом, выбором надлежащей конструкции и технологии изготовле-

ния ИС можно существенно увеличить радиационную стойкость изделия.

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте источники радиационного излучения.

2.Можно ли проводить испытания ППИ отдельно гамма-излучением и нейтронами и почему?

3.Что относится к космическому излучению?

4.Какое влияние оказывает ионизирующее излучение на кремниевые биполярные ИС?

5.Начертите зависимости основных параметров логических схем ДТЛ при воздействии быстрых нейтронов.

6.Сравните по чувствительности к радиации биполярных логических и анало-