Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Образование радиационных наруше-ний в твердых кристаллических телах при облучении
1.1 Введение 13
1.2 Пороговая энергия образования радиационных дефектов 14
1.3 Первычные эффектные смещения атомов в узлах при электронном облучении 15
1.4 Деффекты смещения атомов в узлах при гамма-облучении 17
1.5 Возбуждение неравновесных электронов и дырок при облучении. 18
1.6 Возникновение тока ионизации в двухслойной структуре (p-n переходе) 20
1.7 Радиационные эффекты в полупроводниках при облучении их малыми дозами облучения 22
1.8 Влияние ионизирующего излучения на полупроводниковые изделия 24
Заключение 47
Глава 2. Поверхностные радиационные явления в полупроводниковых структурах
2.1 Поверхностные радиационные эффекты в полупроводниковых структурах 48
2.2 Деградационные эффекты в облученных структурах 58
2.3 Поверхностные радиационные явления в структурах с инжекционным питанием 62
2.4 Вторичные ионизационные эффекты в полупроводниковых структурах 63
Заключение 82
Глава 3. Использование ионизирующего излучения в технологии полупроводниковых структур и изделий
3.1 Влияние облучения на биполярные интегральные микросхемы 83
3.2 Влияние радиации на интегральные микросхемы ТТЛ и ТТЛШ
3.3 Влияние облучения на интегральные микросхемы И2Л 87
3.4 Изменение параметров аналоговых микросхем под действием
3.5 Воздействие импульсного облучения на микросхемы 99
3.6 Влияние импульсной радиации на МДП интегральных микросхем 101
Глава 4. Эффекты защелкивания в полупроводниковых структурах и изделиях в поле дестабилизирующих факторов
4.1 Эффекты защелкивания в полупроводниковых структурах
4.2 Основные предпосылки эффекта защелкивания в интегральных
4.3 Эффекты защёлкивания в полупроводниковых структурах
4.4 Влияние электрического режима полупроводниковых структур
4.5 Влияние и уровни внешних дестабилизируюших воздействий
4.6 Электрическое защелкивание в полупроводниковых струк
4.7 Моделированние эффектов защелкивания 136
4.8 Электрические эквивалентные схемы для анализа эффекта
4.9 Аналитические методы расчета параметров элементов
4.10 Экспериментальные методы возбуждения защелкивания в полупроводниковых структурах 155
4.11 Выявление слабых мест полупроводниковых структур при защелкивании 159
4.12 Аттестационные испытания полупроводниковых структур
4.13 Радиационное защёлкивание в биполярных микросхемах 169
4.14 Радиационное защёлкивание в микросхемах на униполярных
Глава 5. Моделирование работы полупроводниковых структур при внешних воздействиях
5.1 Физические проблемы моделирования воздействия облучения лазером в широком диапазоне температур 179
5.2 Экпериментальные методы исследования воздействия лазерного излучения на полупроводниковые структуры 183
5.3 Температурные исследования параметров моделей физического
Общее заключение
- Первычные эффектные смещения атомов в узлах при электронном облучении
- Поверхностные радиационные явления в структурах с инжекционным питанием
- Влияние облучения на интегральные микросхемы И2Л
- Влияние и уровни внешних дестабилизируюших воздействий
Введение к работе
Актуальность работы. Большие функциональные возможности и высокие эксплуатационные характеристики обусловливают широкое применение полупроводниковых структур в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), в том числе, используемой в различных устройствах ядерной энергетики, космической технике и физическом эксперименте. Накопленный к настоящему времени обширный теоретический и экспериментальный материал показывает высокую чувствительность полупроводниковых устройств к воздействию различного рода ионизирующих излучений, характерных для условий работы аппаратуры такого типа. Поэтому проблема обеспечения радиационной стойкости аппаратуры на полупроводниковых структурах за последние годы стала одной из важнейших среди комплекса других традиционных проблем, связанных с проектированием высоконадёжной и стабильной РЭА.
Для проектирования радиационно-стойких полупроводниковых структур и устройств на их основе необходимо располагать подробной информацией не только о физике радиационных процессов в материалах электронной техники, но и об особенностях их проявления в различных интегральных структурах (ИС), не только о зависимости основных параметров ячеек (ИС) от облучения, но и о влиянии схемотехнической, структурной и функциональной организации полупроводниковых структур на их радиационную стойкость, об изменении под действием радиационных факторов статических, динамических и функциональных характеристик полупроводниковых структур и др. К сожалению, на сегодняшний день вопросы адекватности используемых радиационных моделей реальным свойствам анализируемого объекта проработаны явно недостаточно. Из вышеизложенного следует, что поскольку полупроводниковые структуры, используемые в РЭА, средствах автоматики и вычислительной техники должны работать в жёстких условиях эксплуатации (температурные и радиационные поля, среда и т.д.), поэтому исследования изменений характеристик полупроводниковых структур ИС в
этих условиях являются важными и актуальными с научной и прикладной точек зрения.
Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование влияния ионизирующих излучений на физические свойства полупроводниковых структур и приборов различных технологий, а также анализ работы микросхем в жёстких условиях эксплуатации, их диагностика с помощью приёмов физического моделирования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование процессов образования радиационных нарушений в твёрдых кристаллических полупроводниковых телах при облучении их различными видами ионизирующих излучений и мощности.
-
Изучение влияния облучения на параметры полупроводниковых структур и приборов с целью установления пороговых доз для различных серийных элементов ИС.
-
Оценка работоспособности элементов полупроводниковых структур и приборов при воздействии на них дестабилизирующих факторов.
-
Изучение влияния различных видов излучения на полупроводниковые структуры и интегральные микросхемы различных технологий.
-
Исследование эффекта защёлкивания в полупроводниковых структурах при их работе в полях дестабилизирующих факторов (температура, радиация и др.) в зависимости от электрического режима и др.
Научная новизна работы
Впервые выполнено многоплановое исследование радиационных эффектов (поверхностных и объёмных) в полупроводниковых структурах различных технологий и их элементов в зависимости от режима работы в полях дестабилизирующих факторов.
Показано, что радиационное воздействие оказывает сильное влияние на параметры элементов структуры полупроводниковых изделий и приборов, а также на режим их работы. Установлено, что полупроводниковые структуры, подвергнутые различным видам облучения, характеризуются наличием
пороговой дозы облучения, по достижении которой происходит деградация рабочих режимов.
Выявлено, что все серийные полупроводниковые структуры различных технологий также характеризуются пороговыми дозами облучения, превышение которых обусловливает возникновение и увеличение радиационных сбоев. Установлено, что проявление радиационных эффектов (особенно радиационных сбоев) в полупроводниковых структурах и их элементах зависит от влияния внешних дестабилизирующих факторов (радиации, температуры, электрических режимов и др.).
Установлено, что на возможность возникновения эффекта защёлкивания, помимо конструктивно-технологического исполнения отдельных паразитных структур, влияет схемотехническая и функциональная организация, а также условия возбуждения полупроводниковых структур в целом.
Развита и предложена новая система анализа, проектирования и испытаний ИМC с учётом эффекта защёлкивания на основе экспериментального моделирования, включающего комплекс совместимых физических, электрических и функциональных моделей.
Разработана методика выявления радиационного защёлкивания в полупроводниковых структурах и приборах с целью оценки их работоспособности в жестких условиях эксплуатации. Предложена методика имитационных (лазерных) испытаний и определения параметров используемых моделей.
Научно практическая значимость. Научная и практическая значимость работы заключается в том, что приведённые в ней результаты экспериментального и теоретического характера по изучению влияния ионизирующего излучения на полупроводниковые структуры и приборы различных типов и технологий могут быть использованы для создания технологий производства приборов опто- и микроэлектроники. Полученные результаты позволяют прогнозировать и наметить пути повышения радиационной стойкости полупроводниковых структур и открывают новые перспективы для
создания более современных ИC, отвечающих потребностям новейшей техники. Результаты работы внедрены в НИИТТ при разработке БИС ПЗУ высокой информационной ёмкости (г. Москва).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследований по изучению влияния различных видов ионизирующего облучения на дискретные элементы полупроводниковых структур, оценка основных электрофизических параметров, характеризующих их работоспособность в поле излучений и других дестабилизирующих факторов.
-
Определение для каждого элемента полупроводниковых структур различного технологического происхождения пороговой дозы облучения, после достижения которой происходит изменение их рабочих параметров.
-
Установление влияния поверхностных радиационных эффектов на функциональную деятельность полупроводниковых структур различных технологий, работающих в полях ионизирующих излучений.
-
Экспериментальное обоснование эффекта защёлкивания в полупроводниковых структурах при их работе в полях дестабилизирующих факторов (температура, радиация и др.) в зависимости от электрического режима.
-
Разработка методики проведения экспериментов на лазерном имитаторе, которая позволяет надёжно контролировать проявление эффекта защёлкивания в многослойных полупроводниковых структурах в широком диапазоне интенсивности излучения и температуры, режимов работы ИМC и др.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современных информативных и надёжных физических методов исследования структуры, электрофизических свойств и радиационной стойкости полупроводниковых структур и приборов, а также хорошим согласием полученных в работе результатов с данными других исследователей.
Личный вклад автора определяется на всех этапах научного исследования, как при постановке задачи, так и при непосредственном выполнении комплексных технологических, структурных и электрофизических исследований полупроводниковых структур, приборов и ИМС, изучении их стабильности в полях дестабилизирующих факторов.
Апробация результатов работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всесоюзной конф. по исследованию полупроводниковых материалов в твёрдом и жидком состояниях (Душанбе, 1989); Всесоюзной конф. по проблемам создания полупроводниковых приборов ИС и РАЭ на их основе, стойких к ВВФ (Петрозаводск, 1991); Всесоюзной конф. по исследованию полупроводниковых материалов в твердом состоянии (Душанбе, 1992); республиканской конф. по физико-химическим основам получения и исследования полупроводниковых материалов в твёрдом и жидком состояниях (Куляб, 1992); международной конф., посвященной 50-летию ТГНУ и 70-летию профессора Нарзуллаева Б.Н. (Душанбе, 1997); международной конф., посвящённой 80-летию Сулеймонова И.С. (Душанбе, ТТУ, 1997); международной конф. по физике конденсированного состояния (Душанбе, 1998); научно-теорет. конф., посвящённой 50-летию ТГНУ (Душанбе, 1999); республиканской конф., посвящённой 1100-летию государства Саманидов (Душанбе, 1999); республиканской конф. по физике конденсированных сред, посвящённой памяти профессора В.Г. Гафурова (Душанбе, 1999); международной конф. посвящённой 90-летию академика Гафурова Б.Г. (Худжанд, 2002); научно-теорет. конф. профессорско-преподавательского состава ТГНУ (Душанбе, 2002); международной конференции по физике конденсированного состояния и экологических систем (ФКС и ЭС), ФТИ им.С.У. Умарова АН РТ (Душанбе, 2004); международной конф. по физике конденсированного состояния, посвящённой 100-летию теории относительности А. Эйнштейна (Душанбе, 2005); международной конф., посвященной 60-летию ТНУ (Душанбе, 2008 г.); научно-теорет. конференции профессорско-преподавательского состава ТНУ, посвящённой 18-8
ой годовщине независимости Республики Таджикистан (Душанбе, 2009); республиканской научной конф. «Проблемы современной координационной химии», посвящённой 60-летию члена-корр. АН РТ, профессора Аминджано-ва А.А. (Душанбе, 2011); республиканской научно-практ. конф. «Перспективы энергетики Таджикистана», посвящённой 55-летию ТТУ им. академика М.С.Осими (Душанбе, 2011); республиканской научно-практ. конф., посвя-щённой 70-летию проф. Бобоева Т.Б., ТНУ, (Душанбе, 2012); материалы межд. конф. посвящ. 55-летию кафедры ядерной физики. ТНУ, (Душанбе, 2014).
По теме диссертации опубликована 51 научная работа, в том числе 24 статьи, 27 тезисов докладов, одна книга и одна монография. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР кафедры физической электроники ТНУ, зарегистрированными в ВНИТИ Центре при Госкомитете по науке и технике за номерами госрегистрации №49000000645 (1999), №0103.ТД007 (2002). Все исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнены автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общего заключения, списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 223 страницы машинописного текста, иллюстрированного 119 рисунками и 10 таблицами.
Первычные эффектные смещения атомов в узлах при электронном облучении
При облучении гамма-квантами, так же как и быстрыми электронами, происходят смещения атомов и образование дефектов типа пар Френкеля. Однако вероятность непосредственного взаимодействия гамма-квантов с ядрами атомов мала. Обычно образование смещений атомов при гамма-облучении обусловливается действием быстрых электронов, возникающих в результате фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электронно-позитронных пар. В области энергий гамма-квантов менее 5 МэВ преобладает эффект Комптона. При более высоких энергиях наряду с этим эффектом существенную роль начинает играть образование электронно-позитронных пар. В кремнии при облучении гамма-квантами 60Со со средней энергией 1,25МэВ комптоновское рассеяние образует электроны со средней энергией 0,59МэВ. Расчет количества смещений под действием гамма - квантов начинается с расчета числа быстрых электронов и электронно-позитронных пар, возникающих под действием гамма-квантов. Вклад фотоэффекта в образование радиационных дефектов незначителен. Затем при вычислении количества смещенных атомов необходимо пользоваться рассмотренной выше теорией образования смещений под действием быстрых электронов. Число электронов, образующихся в 1 см3 вещества в результате эффекта Комптона при облучении гамма - квантами, определяется выражением п = ФгЪ\ас, (1.1) где Фг - флюенс гамма - квантов с энергией Е ; N - концентрация атомов в 1 см3 вещества; ос - поперечное сечение образования комптоновских электронов с энергией Ее, отнесенное к одному атому.
Наряду с ударным механизмом смещений атомов, который является основным, при облучении гамма-квантами и заряженными частицами может иметь место ионизационный механизм образования радиационных дефектов. В результате свойства некоторых полупроводниковых материалов могут изменяться под действием радиации «допороговых» энергий. Модель ионизационного механизма образования радиационных дефектов в щелочно-галоидных кристаллах была предложена Варли. Согласной это модели, при облучении кристаллы или некоторые полупроводниковые соединения, отдельные отрицательные ионы могут лишаться двух и более электронов и в результате такой многократной ионизации приобретать положительный заряд. Образовавшийся положительный ион может быть смещен соседними положительными ионами в междоузлие. Однако вопрос о «допороговых» эффектах образования радиационных дефектов в полупроводниках во многом остается спорным.
Возникающие под действием ионизирующих излучений неравновесные электроны и дырки в полупроводниках и диэлектриках могут влиять на функционирование дискретных полупроводниковых приборов и ИМС. В этой связи представляют интерес рассмотреть в общих чертах физические явления, в результате которых энергия ионизирующих излучений (электронов, протонов, -квантов и др.) преобразуется в энергию неравновесных носителей тока.
Основная причина возникновения неравновесных электронов и дырок в твердом теле при облучении ионизация. Физический механизм при ионизации кулоновские взаимодействие быстрых заряженных частиц с электронами оболочек атомов вещества. При облучении нейтронами, которые не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, также может иметь место ионизация, но в этом случае она является вторичным процессом, связанным с образованием смещенных ионов, а также ядер отдачи, возникающих при ядерных реакциях. При облучение гамма-лучами образуются быстрые комптоновские и фотоэлектронные, а также электронно-позитронные пары. Количественной характеристикой ионизационных процессов являются удельные потери энергии, определяемые величиной dE/dx (E-энергия частицы, х-координата частицы на ее траектории). При сравнительно высоких энергиях эти потери доминируют. Потери энергии на смещение атомов малы и составляет менее 1/1000 от полных потерь. Энергия возбужденного электрона может быть любой, если электрон оказывается вне атома, или приобретает определенные (дискретные) значения, если электрон не отрывается от атома, а лишь переходит в возбужденное состояние. При ионизации в газах возникают свободные электроны и положительные ионы, а потери энергии, идущие на ионизацию, принят называть ионизационными. В твердых телах, например в полупроводниках и диэлектриках, по аналогии с газами вводится понятие «внутренней ионизации», которая соответствует переходу валентных электронов в зону проводимости. Образующиеся таким образом избыточные электроны и дырки «свободны» лишь в пределах кристалла. Важнейшие характеристики ионизационных процессов удельные потери энергии и средняя энергия ионизации рассматривались теоретически и экспериментально в ряде работ [5,6]. Зная эти характеристики, можно рассчитать для данного полупроводника количество неравновесных носителей заряда при ионизации. Заметим, что бомбардирующие заряженные частицы с энергией, превышающей некоторое критическое значение, начинают терять энергии больше на тормозное излучение, чем на ионизацию. Например, критическое значение энергии электронов при облучении кремния равно 28 МэВ, а германия-11 МэВ.
Исходя из того, что почти вся потерянная частицей энергия (поглощенная энергия) расходуется на ионизацию, можно подсчитать максимально возможное количество электронно-дырочных пар, возникающих в 1 см3 полупроводника или диэлектрика в 1 с: пи = (-dE I dx) I Еи, (1-4) где - плотность потока ионизирующего излучения (см-2 5 с"1); Еи- средняя энергия ионизации; Ж/йбс-удельные потери энергии. Средняя энергия ионизации для данного вещества-постоянная величина, равная энергии, расходуемой на образование одной электронно-дырочной пары.
Как было отмечено выше при воздействии проникающей радиации на полупроводник в нем будут возникать неравновесные электронно-дырочные пары. Вследствие ионизации примесного полупроводника концентрация основных носителей будет относительно возрастать, но в значительно меньшей степени, чем концентрация не основных. Например, кремний п-типа, имеющий равновесную концентрацию основных носителей пп = 5- 1014 см"3, имеет при комнатных температурах концентрацию не основных носителей, определенную из выражения ппрп=п/ («/-концентрация носителей при собственной проводимости), равную рп=4-\0псм3
Поверхностные радиационные явления в структурах с инжекционным питанием
Помимо топологических факторов на условия активизации четырех-слойных структур сильное влияние оказывает электрический режим их работы. Это обстоятельство вполне естественно, если учесть, что РЗ относится к классу вторичных эффектов. Анализ соотношений для Iвкл и Iуд показывает, что увеличение напряжения питания (Uип, как правило, приводит к снижению Рв кл, которое объясняется, прежде всего, зависимостью вторичного ионизационного тока от Uип. Снижение устойчивости к защелкиванию с повышением напряжения питания может быть также обусловлено возникновением лавинного пробоя. Помимо Uип на характеристики РЗ оказывают влияние потенциалы на других электрических зажимах схемы и на внутренних шинах металлизации. В частности, повышения устойчивости микросхемы к защелкиванию можно добиться путем отрицательного смещения подложки . Другим следствием влияния потенциалов в схеме на РЗ является обнаруженная в ряде экспериментальных работ зависимость условий включения паразитных структур от логического состояния микросхемы. Подобные эффекты могут быть одной из причин возникновения аномалий типа «тиристорное окно» [32], особенности проявления которых подробнее рассмотрены в главе. 5.
Анализируя зависимость условий включения паразитных четырех-слойных структур от их электрических режимов работы, нельзя не отметить, что при определенных условиях возможен их переход в низкоимпедансное состояние и в отсутствие непосредственной интенсивной ионизации под действием быстрого изменения напряжения на электрических зажимах структуры. Такие помехи могут возникать в результате реакции системы на импульс ионизирующего излучения, при включении питания и по другим причинам. Данный эффект, называемый в литературе «эффектом dU/dt», представляет самостоятельный интерес, поскольку позволяет в определенной мере моделировать простыми методами в лабораторных условиях РЗ без использования сложных и дорогостоящих источников ионизирующих излучений.
К защелкиванию при импульсном электрическом воздействии могут приводить следующие физические процессы: образование токов смещения барьерной емкости обратносмещенных р-n-переходов при резком изменении приложенного напряжения; лавинный пробой обратносмещенного р-n-перехода при превышении приложенного напряжения порога лавинного умножения; отпирание обратносмещенного перехода при соответствующем изменении полярности приложенного напряжения; инжекция неосновных носителей в структуру из внешних цепей.
Параметрами этих физических процессов по отношению к «эффекту dU/dt» являются соответственно скорость нарастания К и спада приложенного напряжения, его амплитуда и полярность, а также амплитуда и длительность импульса внешнего тока. При достижении одним или несколькими параметрами предельного значения, называемого «критическим», в структуре происходит защелкивание. Процесс включения структуры в случае электрического защелкивания (ЭЗ) во многом сходен случаю РЗ и также характеризуется тремя стадиями, отображаемыми S-образной вольт-амперной характеристикой, представленной на рис. 2.15. При этом для расчета эффекта ЭЗ можно воспользоваться эквивалентной схемой, изображенной на рис. 2.19, в которой в отличие от эквивалентной схемы для РЗ (рис. 2.14, б) генератор тока отображает не ионизационный ток перехода карман-подложка, а его ток смещения 1с. Простейшие соотношения для расчета критических параметров структуры получаются в рамках линейного приближения, когда емкость перехода карман-подложка Сп полагается не зависящей от напряжения на нем. К примеру, на рис. 2.20 представлена рассчитанная с помощью этой модели зависимость критической длительности фронта tкр линейно нарастающего напряжения питания U(t) от критической крутизны его наклона Ккр, определяющая границу области, где возможна активизация структуры. Эта зависимость хорошо аппроксимируется в рамках данной модели выражением tкр = Сп (RT + R2) L спКкр /Uотт -1 - (Rl + R2 + RТ )ln(l - UоттСпR\Ккр )\ (2.12) где Rl иЯ2 - соответственно сопротивления кармана и подложки; RТ - сопротивление токоограничивающего резистора в цепи питания.
Параметры, характеризующие процесс включения четырехслойной структуры при электрическом воздействии, могут быть использованы для моделирования РЗ в диапазоне относительно невысоких мощностей доз, для которого корректна линейная зависимость фототока от Р. Для моделирования более высоких Р необходимо увеличивать К, что, в свою очередь, приводит к возрастанию погрешности определения критического тока включения структуры. Двухтранзисторная эквивалентная схема тиристорной структуры для описания механизма электрического защёлкивания.
Зависимость критической длительности времени нарастания фронта от критической крутизны. В первую, очередь это связано с необходимостью учета зависимости Сп от напряжения на переходе, которая приводит к появлению максимума в зависимости анодного тока структуры на стадии включения от времени. С ростом К ошибка в определении Iкр по линейной модели может возрастать в несколько раз при К1 В/нс. Помимо этого некорректность моделирования РЗ при высоких мощностях доз электрическими методами связана с проявлением специфичных только для ионизационной реакции ИМС нелинейных эффектов, рассмотренных в разд. 2.2. Наконец, необходимо учитывать, что при больших К затруднено включение структуры для фиксированного напряжения питания (Uип за счет уменьшения tи, которое становится гораздо меньше t3. Увеличение Um до уровней, превышающих (Uип, создает дополнительное несоответствие реальным режимам работы структуры в случае РЗ.
Устойчивость четырехслойной структуры к ЭЗ так же, как и в случае РЗ, зависит от распределения потенциалов на зажимах схемы и на внутренних шинах металлизации. В качестве примера на рис. 2.21,а представлены графики зависимостей критического напряжения включения тестовой схемы (рис. 2.21б) от напряжения на затворе (Uз, имитирующем шину металлизации.
Инициированные ионизирующим излучением мощные импульсы тока и напряжения помимо эффектов защелкивания могут приводить к образованию в отдельных областях полупроводниковых структур значительных градиентов температуры, обусловливающих возникновение вторичного теплового пробоя.
Во всех моделях, описывающих возникновение данного эффекта, выделяют такие критериальные параметры, как критическая локальная температура пробоя Ткр, при достижении которой начинается процесс пробоя, и время задержки tзад от момента поступления импульса излучения до наступления пробоя.
Влияние облучения на интегральные микросхемы И2Л
Из вышеизложенного следует, что по подверженности защелкиванию с позиций конструктивно-технологических характеристик все ИМС можно разделить на три группы. Для первой группы схем защелкивание исключается, для второй-не характерно, но принципиально возможно при определенных условиях, и для третьей принципиально возможно при нормальных условиях.
К первой группе относятся микросхемы с полной диэлектрической изоляцией каждого элемента, а также выполненные по обычной И2Л-технологии. Эти схемы практически исключают из рассмотрения при прогнозировании защелкивания. Во вторую группу входят большинство аналоговых микросхем, а также ИМС ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и изготовленные по смешанной технологии. В этих схемах на стадии проактирования необходимо произвести поиск паразитных структур и проанализировать возможность их защелкивания, которое в таких схемах возможно лишь в отдельных редких случаях и, как правило, устраняется незначительными изменениями в топологии или технологии ИМС. К третьей группе относятся микросхемы, выполненные по объемной КМДП-технологии[66,67].
Возможность включения паразитных четырёхслойных структур определяется электрическим режимом, и, прежде всего, напряжением и внутренним сопротивлением источника питания Rип. В соответствии с условиями защелкивания, структура может находиться в низкоимпедансном состоянии только в том случае, если Uип больше Uуд, в связи с чем при отключении питания эффект защелкивания исчезает [51]. В соответствии с ВАХ (см. рис. 4.4, б), Uип и Rип устанавливают также величину тока низкоимпедансного состояния и, следовательно, возможность возникновения необратимых отказов ИМС вследствие пробоя, перегорания металлизации шин общей и питания и др. [68].
Многочисленными исследованиями показано, что возможность защелкивания определяется не только величиной Uип, но и схемой подключения потенциалов к областям. Так, паразитная структура, связывающая стоки комплементарных МДП-транзисторов через подложку и карман (см. рис. 4.5), не может защелкнуться, так как в ней анод и катод находятся под одним потенциалом. Выше представлены аналогичные примеры для биполярных ИМС. Поскольку конкретный электрический режим и схема подключения питания к структуре задаются организацией цепей питания и заземления, схемотехническим исполнением и функциональной архитектурой ИМС, то защелкивание не является по существу чисто локальным эффектом, а обусловливается свойствами микросхемы в целом. Например, показано [69], что различные микросхемы, выполненные по одной и той же технологии, обладают неодинаковой устойчивостью к защелкиванию: из 70 микросхем разных типов, входящих в серию СD4000 (КМДП), защелкивание экспериментально было обнаружено только в 40. При этом для каждой из них характерны свои значения параметров эффекта (табл. 4.1), связанные с индивидуальным набором паразитных четырехслойных структур. Количество и разнообразие их определяются конкретными схемотехническими и топологическими решениями ИМС [70,71]. Примеры паразитных структур в некоторых ИМС различных технологий представлены в табл. 4.2.
Существенное влияние на характеристики защелкивания в ИМС, особенно с эпитаксиальной подложкой [72, 73], оказывает топология слоя металлизации. В частности, потенциалы на шинах металлизации могут приводить к включению паразитных МДП-структур, влиять на приповерхностное распределение концентраций неравновесных носителей, по лей и потенциалов, а следовательно, и параметры защелкивания. Топологией слоя металлизации определяется также сопротивление шин. Оценки показывают [66], что если в микросхемах малой степени интеграции сопротивлением металлизации можно пренебречь, то в БИС оно значительно и может вызывать заметное изменение напряжения как на паразитных структурах, так и на функциональных ИМС и тем самым - взаимное влияние различных паразитных структур в микросхеме.
Такое влияние-наиболее вероятная причина возникновения «окон» защелкивания (см. рис. 4.3), которые наблюдались при облучении КМДП ИМС СD4047, СD4061, СD4094 и др. [58.59.61.63]. Была сделана попытка объяснить образование «окон» посредством таких сосредоточенных эффектов в отдельных структурах, как влияние входной схемы [61], модуляции проводимости областей и даже паразитной индуктивности измерительной схе-мы.
Однако более поздние исследования убедительно продемонстрировали, что для анализа возникновения «окон» необходимо рассматривать микросхему как единое целое, а не как совокупность изолированных структур. В частности, «окна» не появлялись при облучении лишь некоторых из паразитных структур, имеющихся в ИМС. В предложенной модели возникновение «окон» защелкивания связывают с уменьшением напряжения на включенных паразитных структурах ниже удерживающего уровня вследствие падения напряжения на шинах металлизации при протекании ионизационного тока. По оценкам, сопротивление шин металлизации составляло единицы Ом и зависело от топологии слоя металлизации. Исследования показали, что образование «окон» имеет место, когда напряжение питания по величине близко к удерживающему напряжению. Так, для ИМС CD4047 последнее составляло 8 В, а «окно» наблюдалось между 8,0 и 9,5В (рис. 4.9). Ширина его возрастала с увеличением напряжения питания, и «окно» исчезало при Uип9,5 В., Это объясняется тем, что для уменьшения напряжения на структуре ниже удерживающего значения при больших Uип требуется большая мощность поглощенной дозы.
Влияние и уровни внешних дестабилизируюших воздействий
Более точная оценка зависимости порогового тока от длительности импульса, учитывающая перезаряд барьерных и диффузионных емкостей, показывает, что при моделировании коротких импульсов обходимо дополь-нить ЭС соответствующими реактивными элементами.
Моделированию эффекта защелкивания посредством двухтранзисторной ЭС присущи существенные недостатки, связанные с трудностями выявления аналитической связи между характером реальных физических процессов в структуре и параметрами сосредоточенных элементов ЭС. Для повышения точности анализа можно использовать метод секционирования, который позволяет учесть неодномерный и распределенный характер процессов. При этом секционирование р-n- переходов ведет к увеличению числа транзисторов в ЭС, а пассивных областей - к появлению резистивных сетей (рис. 4.22) [90]. В то же время нелинейные эффекты высокого уровня инжекции, взаимосвязь концентраций носителей и электростатических потенциалов с учетом их распределенного характера, нестационарный характер процесса включения и др. не позволяют однозначно измерить параметры элементов ЭС. Все это ограничивает применение двухтранзисторных ЭС для прогнозирования защелкивания и обусловливает необходимость перехода к прямому численному моделированию процессов на физическом уровне с использованием ЭВМ.
Аналитические методы расчета параметров элементов эквивалентных схем ЭС Для проведения упрощенных оценок на базе ЭС нужно получить связь параметров её элементов с электрофизическими и топологическими характеристиками структуры в аналитическом виде. Это возможно лишь в том случае, если исследовать не всю структуру, а отдельные ее фрагменты.
Аналитическую оценку сопротивлений ЭС можно получить из решения уравнения Лапласа для отдельных областей паразитной структуры [28-57].
При расчете сопротивления в структурах с приповерхностным протеканием тока необходимо учитывать, что сопротивление тонкого поверхностного слоя примерно на порядок меньше сопротивления подложки. Учет шунтирования приводит к уменьшению распределенного сопротивления между контактами. В предположении, что поверхностный слой - однородный с удельным сопротивлением Qt, а подложка имеет удельное сопротивление Qs, получено следующее выражение для оценки сопротивления между квадратным поверхностным контактом со стороной L и данной частью подложки [28]:
Результаты расчетов по данным выражениям представлены на рис. 4.23 а. Сопротивление между поверхностными контактами и расстояние между ними d связаны следующим соотношением [28]:
Графики, иллюстрирующие эти зависимости, представлены на рис. 4.23 б. Здесь же пунктиром показана такая зависимость для гомогенной подложки (т.е. без учета поверхностного низкоомного слоя). Видно, что погрешность особенно велика при малых d (меньше 10 мкм).
Анализ представленных зависимостей показывает, что сопротивление областей подложки возрастает при уменьшении размеров контактов и расстояния между ними [57]. Реальный характер распределения примесей при расчетах можно учесть сведением неоднородной структуры к многослойной с однородным уровнем легирования каждого слоя. Аналогичный метод применим и при анализе эпитаксиальных структур [91, 92, 93].
В исследованиях [28-33] отмечается, что получение результатов в аналитическом виде стало возможным вследствие решения уравнения Лапласа =0 вместо уравнения Пуассона.
Зависимость распределенных сопротивлений между квадратным поверхностным контактом и донной частью пластины от размера контакта (а) и между двумя поверх ностными кантакта-от расстояния между ними (б). Однако такой подход не позволяет учесть многих эффектов, связанных с высокой концентрацией неравновесных носителей (модуляцию проводимости, образование индуцированных полей и т.д.), которые имеют принципиальное значение, особенно при моделировании радиационного защелкивания.
Еще более упрощенный подход к оценке сопротивлений областей с целью дальнейшего их использования в расчетах на базе ЭС основан на следующих где Rv, rw - поверхностное и объемное сопротивление кармана; п - число квадратов, Qs - удельное сопротивление подложки, t - толщина подложки, s -расстояние между контактом к подложке и карманом, а-эффективный радиус контакта: п если размеры контакта сравнимы, и а=(3х/ Wi W2 / 4л)13, если размеры контакта сильно различаются, (xi - глубина р-или п - области под контактом).
При оценке сопротивления подложки предлагается представить его в виде длинной линии (рис. 4.24). Распределение потенциалов в такой структуре находят решением уравнений длиной линии. Такой подход применим лишь для анализа электрического защелкивания [91-57].
Как уже было отмечено, при оценках на базе ЭС необходимо учитывать зависимость сопротивлений от уровня инжекциии, в частности вследствие эффектов модуляции проводимости неравновесными носителями.
В первом приближении модуляцию проводимости подложки при инжек-ции носителей из эмиттера паразитного транзистора можно учесть [95, 96], представив сопротивление подложки rs в виде суммы сопротивлений вблизи области инжектирующего эмиттера rsl и вблизи контакта к подложке rs2\
Первоначально Q1= Q2 при инжекции неравновесных носителей из эмиттера первый член уравнения (4.34) уменьшается, а второй остается постоянным. При высоком уровне инжекции Q1 должно становиться пренебрежимо малым по сравнению с Q2 и, следовательно, r1 уменьшаться приблизительно вдвое от первоначального значения, что подтверждено экспериментально. Cопротивление подложки, большее, чем кармана, подвержено модуляции из-за сравнительно более низкого уровня легирования, а также двумерного характера протекания тока [95, 96].
Приближенные аналитические соотношения для коэффициентов передачи паразитных транзисторов можно получить на основе классической теории горизонтальных и вертикальных биполярных структур. Однако обычно анализируют горизонтальные транзисторные структуры, имеющие сравнительно узкую базу и скрытый слой, что позволяет использовать некоторые упрощающие анализ предположения, не применимые для горизонтальных транзисторов паразитных структур.