Основы радиационной стойкости изделий электронной техники
Покупка
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 349
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-87623-661-6
Артикул: 600333.02.99
Доступ онлайн
В корзину
Учебное пособие посвящено вопросам деградации полупроводниковых приборов и интегральных схем вследствие дефектов, образующихся при воздействии космической радиации. Рассмотрены следующие вопросы: радиационные условия в космосе, влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений на свойства полупроводников, деградация кремниевых приборов и микросхем вследствие радиационных эффектов при воздействии ионизирующих излучений космического пространства, влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений на деградацию изделий оптоэлектроники, особенности испытаний изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры на стойкость к воздействию ионизирующих излучений космического пространства. Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника», а также студентов, обучающихся по специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника». Будет полезно специалистам, работающим в области конструирования изделий полупроводниковой электроники и технологии их изготовления, а также обеспечения надежности и радиационной стойкости комплектующих элементов и аппаратуры.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- ВО - Магистратура
- 11.04.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» № 2173 Кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников К.И. Таперо C.И. Диденко Основы радиационной стойкости изделий электронной техники Радиационные эффекты в изделиях электронной техники Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника» Москва 2013
УДК 621.38 Т18 Р е ц е н з е н т канд. физ.-мат. наук, доц. В.А. Ильин Таперо, К.И. Т18 Основы радиационной стойкости изделий электронной техники : радиационные эффекты в изделиях электронной техники : учеб. пособие / К.И. Таперо, С.И. Диденко. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 349 с. ISBN 978-5-87623-661-6 Учебное пособие посвящено вопросам деградации полупроводниковых приборов и интегральных схем вследствие дефектов, образующихся при воздействии космической радиации. Рассмотрены следующие вопросы: радиационные условия в космосе; влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений на свойства полупроводников; деградация кремниевых приборов и микросхем вследствие радиационных эффектов при воздействии ионизирующих излучений космического пространства; влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений на деградацию изделий оптоэлектроники; особенности испытаний изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры на стойкость к воздействию ионизирующих излучений космического пространства. Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника», а также студентов, обучающихся по специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника». Будет полезно специалистам, работающим в области конструирования изделий полупроводниковой электроники и технологии их изготовления, а также обеспечения надежности и радиационной стойкости комплектующих элемен- тов и аппаратуры. УДК 621.38 ISBN 978-5-87623-661-6 © К.И. Таперо, С.И. Диденко, 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ Условные обозначения.............................................................................................8 Введение ...................................................................................................................10 1. Краткое описание радиационных условий в окружающем пространстве ............................................................................................................15 1.1. Радиационные условия в космическом пространстве..........................15 1.1.1. Радиационные пояса Земли............................................................17 1.1.2. Солнечные космические лучи........................................................21 1.1.3. Галактические космические лучи..................................................22 1.1.4. Межпланетное пространство .........................................................23 1.2. Ионизирующие излучения ядерного взрыва...................................24 1.3. Ионизирующие излучения атомных электростанций......................26 2. Основы физики взаимодействия ионизирующих излучений с полупроводниками...............................................................................................28 2.1. Образование структурных повреждений в полупроводниках (эффекты смещения)..........................................................................................28 2.1.1. Смещение атомов при воздействии нейтронов..........................31 2.1.2. Смещение атомов при воздействии высокоэнергетических заряженных частиц...........................................32 2.1.3. Потери энергии на образование смещений .................................37 2.1.4. Термостабильные радиационные центры в полупроводниках .....................................................................................40 2.1.5. Образование кластеров дефектов..................................................43 2.2. Ионизация при радиационном облучении полупроводников и диэлектриков....................................................................................................46 2.2.1. Ионизация при облучении нейтронами .......................................46 2.2.2. Ионизация при облучении заряженными частицами................47 2.2.3. Ионизация при воздействии фотонного излучения...................51 2.2.4. Эффект усиления дозы....................................................................54 2.3. Ядерные превращения при воздействии ионизирующих излучений.............................................................................................56 2.4. Изменение характеристик полупроводников при радиационном облучении.....................................................................57 2.4.1. Изменение времени жизни неосновных носителей заряда.............................................................................................................57 2.4.2. Снижение концентрации носителей заряда.................................61 2.4.3. Снижение подвижности носителей заряда..................................63
3. Деградация полупроводниковых приборов и микросхем вследствие радиационно-индуцированных структурных повреждений..........................65 3.1. Деградация характеристик диодных структур на основе p–n-перехода........................................................................................................66 3.2. Деградация характеристик диодов Шоттки на основе карбида кремния ................................................................................................................71 3.3. Деградация характеристик диодов Шоттки на основе соединений AIIIBV...............................................................................................75 3.4. Деградация биполярных транзисторов...................................................78 3.5. Деградация характеристик полевых транзисторов с управляющим p–n-переходом.........................................................................................................82 3.6. Деградация высокоскоростных полевых транзисторов на основе полупроводниковых соединений....................................................................86 3.6.1. Деградация характеристик полевых транзисторов с барьером Шоттки.....................................................................................86 3.6.2. Деградация высокоскоростных транзисторов с двумерным электронным газом.....................................................................................89 3.7. Влияние эффектов смещений на деградацию МОП-структур...........90 3.8. Деградация кремниевых интегральных схем вследствие дефектов смещения............................................................................................95 4. Влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений на деградацию изделий оптоэлектроники..........................................................99 4.1. Светодиоды................................................................................................100 4.1.1. Основные свойства светодиодов.................................................100 4.1.2. Различные конструктивно-технологические варианты светодиодов ...............................................................................................103 4.1.3. Деградация амфотерно легированных СД при радиационном облучении.......................................................................105 4.1.4. Деградация диффузионных СД при радиационном облучении...................................................................................................108 4.1.5. Деградация СД на двойном гетеропереходе при радиационном облучении................................................................109 4.1.6. Особенности радиационных испытаний СД.............................111 4.2. Лазерные диоды ........................................................................................113 4.2.1. Основные свойства полупроводниковых лазеров ...................113 4.2.2. Деградация лазерных диодов при радиационном облучении...................................................................................................119 4.2.3. Особенности радиационных испытаний полупроводниковых лазеров..................................................................124
4.3. Фотоприемники.........................................................................................125 4.3.1. Фотодиоды на основе p–n- и p–i–n-переходов..........................127 4.3.2. Фототранзисторы............................................................................129 4.3.3. Деградация фотодиодов при радиационном облучении.........130 4.3.4. Деградация лавинных фотодиодов при радиационном облучении...................................................................................................132 4.3.5. Деградация фототранзисторов при радиационном облучении...................................................................................................133 4.4. Оптопары ....................................................................................................134 4.4.1. Основные свойства оптопар.........................................................134 4.4.2. Деградация оптопар при радиационном облучении................138 4.5. Солнечные батареи ...................................................................................144 4.5.1. Основные свойства солнечных батарей.....................................144 4.5.2. Деградация солнечных батарей при радиационном облучении...................................................................................................147 4.6. Приборы с зарядовой связью..................................................................152 5. Дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и их влияние на характеристики кремниевых приборов и микросхем...............................156 5.1. Особенности строения структуры Si/SiO2............................................156 5.1.1. Особенности строения SiO2..........................................................156 5.1.2. Особенности строения границы раздела Si/SiO2......................162 5.1.3. Влияние водорода и водородсодержащих соединений на свойства структуры Si/SiO2................................................................165 5.2. Методы исследований заряда в оксиде и плотности поверхностных состояний...............................................................................168 5.2.1. Метод ВФХ......................................................................................169 5.2.2. Метод подпороговых ВАХ...........................................................171 5.2.3. Методы, основанные на измерении надпороговой ВАХ транзисторов..............................................................................................175 5.2.4. Метод накачки заряда....................................................................176 5.3. Физические процессы в МОП-структурах при радиационном облучении...........................................................................................................177 5.3.1. Особенности радиационно-индуцированного накопления заряда в диэлектриках МОП-структур..................................................179 5.3.2. Особенности радиационно-индуцированного встраивания поверхностных состояний в МОП-структурах...................................185 5.3.3. Граничные ловушки.......................................................................196 5.3.4. Изменение характеристик МОП-транзисторов и КМОП-логических элементов при радиационном облучении........199
5.3.5. Влияние конструктивно-технологических характеристик на радиационную стойкость изделий МОП- и КМОП-технологии..202 5.3.6. Радиационные эффекты в МОП-структурах с ультратонкими оксидами.....................................................................204 5.3.7. Некоторые особенности дозовых радиационных эффектов в МДП-структурах с альтернативными диэлектриками...................207 5.3.8. Влияние полевых оксидов на радиационную стойкость ИС.............................................................................................211 5.3.9. Особенности проявления дозовых радиационных эффектов в микросхемах, изготовленных по КНИ-технологии.........215 5.4. Зависящие от времени радиационные эффекты в изделиях на основе МОП-структур................................................................................225 5.4.1. Нейтрализация радиационно-индуцированного заряда в оксиде.......................................................................................................226 5.4.2. Влияние интенсивности и температуры облучения на накопление поверхностных состояний на границе раздела Si/SiO2 .........................................................................................................233 5.4.3. Деградация изделий, изготовленных по МОП- и КМОП- технологии, в зависимости от интенсивности облучения ................238 5.5. Особенности дозовых испытаний полупроводниковых приборов и микросхем на основе МОП- и КМОП-структур...................244 5.5.1. Корреляция между отдельными транзисторами и микросхемами........................................................................................244 5.5.2. Выбор электрического режима при испытаниях.....................247 5.5.3. Влияние на радиационную стойкость высокотемпературной наработки перед облучением (эффект PETS)...........................................................................................253 5.5.4. Выбор источников ионизирующих излучений при проведении радиационных испытаний МОП и КМОП ИС........257 6. Дозовые ионизационные эффекты в изделиях биполярной технологии .............................................................................................................260 6.1. Общее описание ионизационных дозовых эффектов в изделиях биполярной технологии...................................................................... 260 6.2. Особенности ионизационных дозовых эффектов в биполярных приборах и микросхемах при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения (эффект ELDRS).............................................266 6.3. Возможные физические механизмы, приводящие к повышенной деградации биполярных изделий при низкоинтенсивном радиационном облучении....................................278 6.3.1. Модель пространственного заряда .............................................279
6.3.2. Бимолекулярные модели...............................................................282 6.3.3. Модель бинарной скорости реакции...........................................287 6.3.4. Выводы по рассмотренным механизмам эффекта ELDRS ....287 7. Методы испытаний изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры на стойкость к воздействию ионизирующих излучений космического пространства в части дозовых эффектов................................289 7.1. Испытания аппаратуры и комплектующих элементов с учетом структурной состовляющей поглощенной дозы ........................................292 7.1.1. Методы испытаний радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов на ускорителях электронов и протонов.....................293 7.1.2. Метод испытаний аппаратуры и элементов на установках гамма- и нейтронного излучения...........................................................297 7.2. Методы прогнозирования и оценки стойкости изделий МОП- и КМОП-технологии к воздействию низкоинтенсивного ионизирующего излучения.............................................................................299 7.2.1. Американский стандарт MIL-STD 883 (Test Method 1019)....299 7.2.2. Европейский стандарт ESA/SCC Detail Specification No. 22900.....................................................................................................302 7.2.3. Руководящий документ РД В 319.03.37–2000 ..........................306 7.2.4. Отраслевой стандарт ОСТ 134-1034–2003.................................308 7.3. Методы прогнозирования и оценки стойкости изделий биполярной технологии к воздействию низкоинтенсивного ионизирующего излучения.............................................................................310 8. Одиночные события при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства...................................................................315 8.1. Основные виды и классификация одиночных событий ....................315 8.2. Краткое описание основных видов одиночных событий..................317 8.3. Основные параметры чувствительности полупроводниковых приборов и микросхем к одиночным событиям.........................................327 8.4. Общее описание процесса возникновения одиночных событий.....332 8.5. Экспериментальные методы исследования чувствительности изделий полупроводниковой электроники к одиночным событиям при воздействии тяжелых заряженных частиц и протонов......................336 8.5.1. Эксперименты на ускорителях протонов...................................337 8.5.2. Эксперименты на ускорителях ионов.........................................339 8.5.3. Эксперименты с изотопными источниками..............................342 8.5.4. Эксперименты с использованием ионных микропучков........344 8.5.5. Эксперименты с использованием имитаторов..........................344 Заключение.............................................................................................................345 Библиографический список ................................................................................346
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ АЦП – аналого-цифровой преобразователь АЭС – атомная электростанция БИС – большая интегральная схема ВАХ – вольт-амперная характеристика ВФХ – вольт-фарадная характеристика ВЧ – высокочастотный ГКЛ – галактические космические лучи ИИ – ионизирующее излучение ИК – инфракрасный ИРПЗ – искусственные радиационные пояса Земли ИС – интегральная схема (микросхема) КА – космический аппарат КМОП – комплементарная структура металл – оксид – полупроводник КНИ – кремний на изоляторе КП – космическое пространство ЛПЭ – линейные потери энергии МОП – металл–оксид–полупроводник ННЗ – неосновные носители заряда ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ОЗЧ – отдельные заряженные частицы ОПЗ – область пространственного заряда ОС – одиночное событие ПЗС – прибор с зарядовой связью ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПП – полупроводниковый прибор ПС – поверхностные состояния ПТ – полевой транзистор ПТБШ – полевой транзистор с затвором в виде барьера Шоттки РПЗ – радиационные пояса Земли РЭА – радиоэлектронная аппаратура СБИС – сверхбольшая интегральная схема СВЧ – сверхвысокочастотный СД – светоизлучающий диод СЖР – сверхжесткое рентгеновское излучение СКЛ – солнечные космические лучи СОЗУ – статическое оперативное запоминающее устройство ТЗЧ – тяжелые заряженные частицы УФ – ультрафиолетовый ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ЭМИ – электромагнитный импульс
ЭПР – электронный парамагнитный резонанс ЯВ – ядерный взрыв ASEE – аналоговое одиночное событие (Analog Single Event Effect) BUSFET – полевой транзистор с телом, расположенным под истоком (Body-Under-Source Field Effect Transistor) CTI – неэффективность передачи заряда (Charge Transfer Inefficiency) CTR – коэффициент передачи заряда (Charge Transfer Ratio) ELDRS – повышенная чувствительность к низкоинтенсивному облучению (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) EOT – эквивалентная толщина оксида (Equivalent Oxide Thickness) HEMT – высокоскоростной транзистор с двумерным электронным газом (High Electron Mobility Transistor) LOCA – авария с потерей теплоносителя (Loss-Of-Coolant Accident) LOCOS – изоляция с помощью локального окисления кремния (Local Oxidation of Silicon) MBU – множественные сбои нескольких соседних ячеек памяти, вызванные попаданием одной высокоэнергетической частицы (Multiple Bit Upset) NIEL – неионизационные потери энергии (Non-Ionizing Energy Loss) PETS – эффект предварительной высокотемпературной наработки (Preirradiation Elevated Temperature Stress) RILC – радиационно-индуцированный ток утечки (Radiation-Induced Leakage Current) RNO – переокисленный азотированный оксид (Reoxidized Nitrided Oxide) SEB – одиночный эффект выгорания в мощных МОП-транзисторах (Single Event Burnout) SEDR – одиночный эффект пробоя диэлектрика (Single Event Dielectric Rupture) SEFI – одиночный эффект функционального прерывания (Single Event Functional Interrupt) SEGR – одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика в МОП-структурах (Single Event Gate Rupture) SEHE – одиночный микродозовый эффект (Single Event Hard Error) SEL – одиночные события радиационного защелкивания (Single Event Latchup) SES – одиночный эффект вторичного пробоя (Single Event Snappback) в n-канальных МОП-транзисторах SET – переходная ионизационная реакция, вызванная попаданием высокоэнергетической частицы в чувствительную область ИС (Single Event Transient) SEU – одиночные сбои (Single Event Upset) SILC – ток утечки, вызванный электрическим полем (Stress-Induced Leakage Current) STI – изоляция с помощью поверхностных мелких канавок (Shallow-Trench Isolation) TDE – зависящий от времени эффект (Time-Dependent Effect) TDRE – истинный эффект мощности дозы (True Dose Rate Effect) VCSEL – полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (Vertical-Cavity Semiconductor Laser)
ВВЕДЕНИЕ В современном высокотехнологичном мире ионизирующие излучения (ИИ) довольно часто сопутствуют научной, технической и военной деятельности человека. В первую очередь это касается разработки, хранения и возможного применения ядерного оружия, эксплуатации космической техники и атомных реакторов, проведения научных исследований с применением ускорителей заряженных частиц и изотопных источников, медицины. Во многих случаях эти излучения целенаправленно (ядерное оружие), случайно (аварии на ядерных объектах) или вынужденно (эксплуатация космических аппаратов) воздействуют на системы управления и радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) различного назначения, основой которых являются изделия полупроводниковой электроники. Таким образом, вопросы влияния ионизирующих излучений на полупроводниковые приборы (ПП) и микросхемы является важной народнохозяйственной задачей, и в этой области ведутся масштабные научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы. Основой успешного решения научно-технических задач в данной области является понимание физических основ процессов, протекающих при воздействии ионизирующих излучений на материалы электронной техники, а также знание характеристик ионизирующих излучений космического пространства, ядерного взрыва и атомных электростанций. Космическая радиация в настоящее время является одним из важнейших эксплуатационных факторов, влияющих на работоспособность РЭА космического применения, а также комплектующих ее ПП и интегральных схем (ИС). Это во многом определяет актуальность тематики радиационных эффектов в материалах электронной техники, радиационно-индуцированной деградации ПП и ИС и определения показателей надежности и радиационной стойкости РЭА в условиях воздействия ИИ космического пространства (КП). Проникающая радиация имеет две формы: электромагнитное излучение ( гамма- и рентгеновское излучение) и излучение частиц (электроны, ионы, нейтроны). При прохождении через полупроводниковый материал быстрые частицы или фотоны теряют свою энергию вследствие ряда процессов. Степень реализации того или иного процесса зависит как от природы и энергии частицы (или фотона), так и от ряда свойств облучаемого материала. Кроме того, на характер энерговыделения при прохождении через облучаемый материал могут влиять внешние условия во время облучения (например, тем-
пература). В общем случае при воздействии ИИ на твердое тело могут иметь место следующие первичные эффекты: – ионизация атомов (разрыв валентных связей – обратимый процесс); – смещение атомов из узлов решетки (образование простейших дефектов типа пар Френкеля); – возбуждение атомов и электронов без смещения (нагрев кристалла); – ядерные превращения. С точки зрения деградации параметров ПП и ИС при воздействии проникающей радиации основную роль играют радиационные эффекты двух видов: ионизационные эффекты и эффекты смещения. Ионизационные эффекты связаны с ионизацией вещества излучением, т.е. с образованием под действием ИИ свободных носителей заряда. Данные носители, перемещаясь по объему облучаемого материала и захватываясь на имеющиеся там ловушки, могут привести к накоплению заряда в различных областях приборных структур (как правило, это различные диэлектрические слои) и вызвать деградацию параметров ПП и ИС. Кроме того, вследствие ионизационных эф- фектов в активных и пассивных областях ПП и ИС могут возникать импульсы ионизационных токов. Эти токи, в зависимости от их величины и локализации, а также от типа облучаемого изделия, могут привести к различным эффектам как обратимого, так и необратимого характера. К обратимым эффектам можно отнести, например, возникновение в выходных цепях импульсных сигналов помех, что может привести к сбоям в работе РЭА, изменение логического состояния цифровых ИС (триггеров, регистров, ячеек памяти и т.п.). К необратимым эффектам, которые могут развиться в катастрофический отказ облучаемого изделия, можно отнести радиационное защелкивание в КМОП-схемах (включение паразитных тиристорных структур), вторичный пробой в МОП-транзисторах и ИС динамической памяти, связанный с механизмом усиления ионизационных токов паразитными биполярными транзисторами, пробой подзатворного диэлектрика в мощных МОП-транзисторах и др. К структурным нарушениям в первую очередь относится образование первичных радиационных дефектов типа пар Френкеля (вакансия и междоузельный атом) в кристаллической решетке в результате упругого столкновения движущейся частицы с ядром атома или с атомом вещества. Возможно также образование первичных дефектов в виде дивакансий. Вакансии и выбитые атомы могут перемещаться по твердому телу и приводить к образованию вторичных дефектов
при взаимодействии друг с другом и с дефектами, существующими до облучения. Образование радиационных дефектов в объеме облучаемых полупроводниковых материалов ведет к изменению их электрофизических параметров, что приводит, в свою очередь, к изменению характеристик облучаемых ПП и ИС. Механизмы отказа при радиационном облучении, связанные с эффектами смещения, наиболее характерны для ПП и ИС, изготовленных по биполярной технологии, и особенно – для изделий оптоэлектроники, поскольку их основные характеристики в основном определяются объемными свойствами полупроводниковых материалов (отказы изделий данного типа, связанные с ионизационными эффектами, также возможны). Кроме того, проявление эффектов смещения более характерно в случае воздействия корпускулярного излучения: электронов, протонов, нейтронов, тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ). Однако при воздейст- вии гамма-квантов также могут наблюдаться эффекты смещения как результат взаимодействия атомов мишени с образующимися при об- лучении комптоновскими электронами. Данная работа посвящена вопросам радиационно-индуцированной деградации ПП и ИС различных видов и различных конструктивно- технологических вариантов при воздействии ИИ КП. При этом подра- зумевается, что образование в изделиях микро- и наноэлектроники структурных и ионизационных дефектов является схожим как для ра- диационных воздействий КП, так и для факторов ядерного взрыва (ЯВ) и атомных электростанций (АЭС). В первой главе кратко проанализированы характеристики радиа- ционных условий в окружающем пространстве. При этом основное внимание уделено радиационным факторам КП, но также кратко рас- смотрены характеристики ИИ ЯВ и АЭС. Во второй главе рассмотрены физические процессы взаимодействия высокоэнергетических частиц и фотонов с полупроводниками, приво- дящие к ионизации облучаемого материала и образованию структурных повреждений. Также рассмотрено влияние радиационных эффектов на электрофизические характеристики полупроводников. В третьей главе обсуждается изменение характеристик «обыч- ных» ПП и ИС (не относящихся к изделиям оптоэлектроники), обу- словленное радиационно-индуцированными дефектами смещений. Здесь рассмотрена деградация основных приборных структур (бипо- лярных диодов и транзисторов, диодов Шоттки, полевых транзисто- ров с управляющим p–n-переходом и затвором в виде диода Шоттки, МОП-транзисторов), а также приведены типовые примеры, иллюст-
рирующие влияние дефектов смещений на работоспособность крем- ниевых ИС различных технологических вариантов. Четвертая глава посвящена деградации различных изделий опто- электроники при радиационном облучении. Следует отметить, что изделия оптоэлектроники характеризуются высокой чувствительно- стью к структурным повреждениям, образующимся в материале их активных областей, и при радиационных испытаниях этих изделий учет структурной составляющей поглощенной дозы ИИ КП, как пра- вило, является обязательным. Пятая глава посвящена ионизационным дозовым эффектам в ПП и ИС, изготовленных по МОП- и КМОП-технологии. Здесь проанали- зированы особенности строения структуры Si/SiO2 и рассмотрены основные виды дефектов, отвечающих за накопление заряда в ди- электрике и на границе раздела полупроводник/диэлектрик. Описаны механизмы накопления заряда в SiO2 при радиационном облучении и его нейтрализации. Рассмотрены существующие модели встраивания поверхностных состояний на границе раздела Si/SiO2. Кроме того, рассмотрено влияние процессов, протекающих при радиационном облучении в диоксиде кремния и на границе Si/SiO2, на электриче- ские характеристики изделий микро- и наноэлектроники. Рассмотре- но влияние конструктивно-технологических параметров этих изде- лий на деградацию их электрических характеристик. Описаны ос- новные особенности радиационно-индуцированной деградации инте- гральных микросхем, связанные с накоплением заряда в толстых ди- электриках (полевых оксидах и скрытых оксидах КНИ-структур). Также рассмотрены так называемые зависящие от времени эффекты, наблюдаемые в изделиях МОП- и КМОП-технологии при длитель- ном воздействии низкоинтенсивного ИИ КП. В шестой главе рассмотрены ионизационные дозовые эффекты, ха- рактерные для изделий биполярной технологии. Особое внимание здесь уделено «истинным» эффектам низкоинтенсивного облучения, харак- терным для изделий данного типа, которые проявляются в виде «уси- ленной» деградации при длительном воздействии низкоинтенсивного радиационного облучения в условиях космического пространства. Седьмая глава посвящена методическим вопросам испытаний ПП и ИС на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ КП (как в части ионизационных эффектов, так и в части эффектов структурных повреждений). Здесь рассмотрены рекомендации из отечественных и зарубежных нормативных документов, регламентирующих радиаци- онные испытания РЭА и комплектующих элементов космического
применения, которые разрабатывались с учетом большого накоплен- ного опыта проведения испытаний и исследований подобного рода. В восьмой главе рассмотрены основные виды и классификация одиночных радиационных эффектов (одиночных событий) при воз- действии отдельных заряженных частиц космического пространства. Приведено описание физических процессов, вследствие которых воз- никают одиночные события. Рассмотрены основные эксперимен- тальные и расчетно-экспериментальные методы, использующиеся для получения информации о чувствительности изделий полупро- водниковой электроники к одиночным событиям при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства. В девятой главе обобщены основные радиационные эффекты, оп- ределяющие стойкость различных ПП и ИС к воздействию ионизи- рующего излучения космического пространства. Понимая невозможность полноценного рассмотрения всех аспек- тов тематики радиационных эффектов в изделиях микро- и наноэлек- троники в рамках одного издания, авторы ограничились лишь доста- точно кратким описанием основных моментов данной проблемы, и только для ионизирующих излучений космического пространства. Изложенный материал поясняется большим количеством рисунков, взятых из опубликованных научных работ. В конце издания приве- ден библиографический список, который можно порекомендовать для более подробного изучения вопросов, связанных с рассматри- ваемой тематикой. Данный список разделен на две категории: основ- ная и дополнительная литература. В список основной литературы вошли книги и обзоры, обобщающие накопленный научно- технический материал по отдельным направлениям тематики радиа- ционных эффектов в ПП и ИС. В список дополнительной литературы вошли опубликованные научные статьи, обзоры, справочные изда- ния, нормативно-технические документы, а также некоторые книги. Эти источники могут быть использованы для более детального рас- смотрения отдельных вопросов, в частности, для рассмотрения осо- бенностей проведения экспериментов, результаты которых приведе- ны для иллюстрации изложенного материала.
1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ УСЛОВИЙ В ОКРУЖАЮЩЕМ ПРОСТРАНСТВЕ 1.1. Радиационные условия в космическом пространстве Космические аппараты в течение срока своего существования подвергаются воздействию различных факторов космического про- странства. Согласно современным представлениям, основными фак- торами космического пространства, способными вызвать деградацию РЭА КА, являются следующие: – ионизирующее излучение; – космическая плазма; – тепловое излучение Солнца, планет и космического пространства; – невесомость; – собственная внешняя атмосфера; – микрометеориты; – космический вакуум; – замкнутый объем. Радиационная обстановка (ионизирующее излучение) в космиче- ском пространстве определяется потоками электронов, протонов и тяжелых ионов (Z ≥ 2), при этом интегральные (или дозовые), радиа- ционные эффекты в полупроводниковых приборах и микросхемах в основном определяются потоками протонов и электронов, а вкладом тяжелых ионов, как правило, пренебрегают. Суммарная поглощенная доза за срок активного существования космического аппарата (КА) во многом зависит от параметров его орбиты. Для геостационарной или высокоэллиптической орбит основной вклад в поглощенную до- зу дают частицы солнечных космических лучей (СКЛ). На низких околоземных орбитах также учитывается вклад радиационных поя- сов Земли (РПЗ), который в ряде случаев может преобладать. Име- ются также частицы галактических космических лучей (ГКЛ), коли- чество которых относительно мало по сравнению с протонами и электронами, и при рассмотрении интегральных радиационных эф- фектов их вкладом обычно пренебрегают, однако частицы ГКЛ мо- гут быть одной из основных причин возникновения одиночных ра- диационных эффектов в ПП и ИС. Основные эффекты воздействия ИИ на РЭА связаны с ионизаци- онными и ядерными потерями энергии первичных и вторичных час-
Доступ онлайн
В корзину