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 -типа 85
3.3 Влияние облучения на интегральные микросхемы И2Л 87
3.4 Изменение параметров аналоговых микросхем под действием радиации 94
3.5 Воздействие импульсного облучения на микросхемы 99
3.6 Влияние импульсной радиации на МДП интегральных микросхем 101
Заключение 109
Глава 4. Эффекты защелкивания в полупроводниковых структурах и изделиях в поле дестабилизирую-щих факторов
4.1 Эффекты защелкивания в полупроводниковых структурах 1 11
4.2 Основные предпосылки эффекта защелкивания в интегральных микросхемах 115
4.3 Эффекты защлкивания в полупроводниковых структурах различных типов 116
4.4 Влияние электрического режима полупроводниковых структур на эффект защелкивания 121
4.5 Влияние и уровни внешних дестабилизируюших воздействий на ИМС 127
4.6 Электрическое защелкивание в полупроводниковых струк турах 131
4.7 Моделированние эффектов защелкивания 136
4.8 Электрические эквивалентные схемы для анализа эффекта защлкивания 137
4.9 Аналитические методы расчета параметров элементов эквивалентных схем (эс) 148
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 на защелкивание 163
4.13 Радиационное защлкивание в биполярных микросхемах 169
4.14 Радиационное защлкивание в микросхемах на униполярных транзисторах 173
Заключение 177
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 уровня 191
Заключение 203
Общее заключение 203
Выводы 207
Литература 209
- Возбуждение неравновесных электронов и дырок при облучении
- Деградационные эффекты в облученных структурах
- Влияние облучения на интегральные микросхемы И2Л
- Эффекты защлкивания в полупроводниковых структурах различных типов
Возбуждение неравновесных электронов и дырок при облучении
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, у-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 элек-тронно-позитронные пары. Количественной характеристикой ионизационных процессов являются удельные потери энергии, определяемые величиной dE/dx ( -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: nи=cp(-dE/dx)/Eи, (1.4) где ср- плотность потока ионизирующего излучения (см-2 5 с"1); Еи-средняя энергия ионизации; Ж4/.х-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 /?и=4-10псм"3. Тогда при образовании вследствие ионизации 5-10 см" неравновесных электронно-дыроч ных при концентрация основных носителей увеличится всего на 0,1%, а не основных-примерно в 1,2-106 раза.
Электронно-дырочные пары, возникающие в области объемного заряда р-п- перехода, полностью собираются электрическим полем р- п- перехода, образуют ток, которой не имеет временной задержки по отношению к воздействию излучения, так как время переноса носителей через область /?-«-перехода мало и составляет величину 10-10 с. Неосновные носители, возникающие в полупроводнике за пределами области объемного заряда, собираются лишь частично и с некоторой задержкой во времени по отношению к воздействию излучения. При этом вклад в ток ионизации дают лишь те носители, которые возникают на расстоянии, не привышающей диффузионную длину от области объемного заряда.
Деградационные эффекты в облученных структурах
Влияние поверхностных радиационных эффектов на свойства биполярных транзисторов учитывалось еще в ранних работах 60-х годов, посвященных рассмотрению радиационной физики полупроводниковых приборов [3]. Несмотря на то, что исследования проводились на дискретных транзисторах и трактовка ряда общих вопросов физики полупроводниковых приборов в то время носила чисто качественный характер, основные законно-мерности, выявленные в первых работах и обобщенные в [3], выдержали проверку временем и остались справедливыми по сей день. К наиболее важным фундаментальным положениям относятся следующие. 1. В основе радиационных поверхностных эффектов лежат ионизационные явления в пассивирующем слое, покрывающем полупровод никовый прибор, или в газообразной среде, содержащейся в его корпусе, Поэтому деградация параметров транзисторов из-за изменения поверхнос тных свойств возникает как под действием ионизирующего излучения высокой энергии, так и излучения с небольшой энергией, меньшей энергии дефектообразования в объеме полупроводника. 2. Воздействие электронов, протонов, нейтронов и у-квантов различных энергий с точки зрения накопления поверхностных радиационных дефектов аналогично, если в качестве характеристики уровня облучения используется поглощенная доза. 3. Поверхностные процессы, вызывающие деградацию усилительных свойств транзисторов, обладают четко выраженным насыщением. 4. Поверхностные и объемные радиационные эффекты в первом приближении аддитивны, что позволяет проводить их разделение, используя насыщающийся характер изменения поверхностных процессов или сравнивая результаты воздействия излучения с надпороговыми и подпорого-выми энергиями. 5. Степень деградации электрических параметров зависит от режима работы транзисторов во время облучения (от тока эмиттера и напряжения на коллекторном переходе) и температуры облучения. 6. Отжиг поверхностных радиационных эффектов происходит при относительно небольших температурах (порядка 450-500 К) и воздействии освещения, особенно ультрафиолетового. В работах [2,14] продолжалось детальное исследование поверхностных радиационных эффектов и наряду с подтверждением указанных выше закон-номерностей были сформулированы дополнительные положения, открывающие возможность перехода от качественного анализа физических процессов на поверхности при облучении к количественным оценкам.
В [15] показано, что для планарных транзисторов, покрытых пассивирующим оксидом SiO2, ионизация газа в корпусе при облучении оказывает слабое воздействие на изменение электрических параметров, поэтому для интегральных схем, составляющих основу современной элементной базы электронной техники, можно ограничиться лишь рассмотрением радиационных эффектов на границе раздела кремний-диоксид кремния. В этом случае основные физические эффекты, приводящие к деградации электрических параметров планарных транзисторов при изменении поверхностных свойств, состоят в следующем [14,15]: накопление дополнительных быстрых поверхностных состояний, играющих роль рекомбинационных центров, и, как следствие, рост скорости поверхностной рекомбинации s; образование радиационно-стимулированного заряда в оксиде и измене-ние заряда поверхностных состояний, приводящие к изменению поверхнос-тного потенциала cps.
Учет изменения s и с ростом поглощенной дозы позволяет вычислить изменение основных электрических параметров транзисторов, связанных с поверхностными радиационными эффектами.
Анализ экспериментальных и теоретических данных последних лет по влиянию излучения на характеристики биполярных транзисторов позволяет выявить основную тенденцию в области физики радиационных повреждений полупроводниковых приборов усиление внимания к поверхностным радиационным эффектам из-за увеличения их вклада в деградацию параметров транзисторов. Это вызвано следующими причинами. Повышение степени интеграции микросхем связано с уменьшением линейных размеров активных и пассивных компонентов как в горизонтальном направлении в плоскости кристалла, так и вертикальном, перпендикулярном поверхности кристалла. На рис. 2.1 показано изменение ширины эмиттерной полоски и
Уменьшение размеров дискретных транзисторов со временем годы: 1-изобретение биполярного транзистора, 2-сплавление и выращивание,3-диффузия, 4-эпитаксия, 5-планарный процесс, 6-ионная имплантация, 7-ионное травление , 8-электронно лучевая литография, 9-ширина полоски эмиттера, 10-толшина базы [16] толщины базовой области дискретных транзисторов по годам, начиная с 50-х годов, а также отмечены основные этапы совершенствования технологии изготовления биполярных приборов [16]. Прогресс в уменьшении горизонтальных или топологических размеров связан с успехами фотолитографического процесса и применением новых видов литографии. Уменьшение вертикальных размеров, т. е. снижение глубин залегания переходов, обязано совершенствованию процесса ионной имплантации и использованию поликремниевых областей. Данные на рис. 2.1 относятся к дискретным транзисторам. В интегральных транзисторах (рис. 2.2) минимальные размеры примерно на порядок больше для предотвращения закороток между эмиттером и коллектором и повышения процента выхода годных схем.
Естественно, что уменьшение размеров приводит к изменению чувствительности приборов к воздействию ионизирующего излучения. Уменьшение топологических размеров биполярных транзисторов и, как следствие, увеличение отношения периметра эмиттера к его площади приводят к росту доли составляющей периферийного тока, пропорциональной периметру, в полном токе базы. Поэтому увеличение поверхностных рекомбинационных потерь в пассивной области базы по периметру эмиттера приводит к большей деградации характеристик биполярных транзисторов меньших размеров.
Влияние облучения на интегральные микросхемы И2Л
Под действием краевого электрического поля перехода коллектор-база происходит перемещение заряда из глубины оксида к границе раздела оксид-полупроводник, что вызывает инверсию проводимости базы в прилегающих к переходу приповерхностных областях. Образование канала приводит к смещению границы объемного заряда коллекторного перехода влево по направлению к эмиттеру[20,21]. В новом положении краевое поле снова перемещает ионы к границе оксида над базовой областью, поэтому место образования канала постепенно передвигается к эмиттерному переходу. Через некоторое время этот процесс может привести к образованию канала между эмиттером и коллектором, т. е. к появлению неконтролируемой утечки.
В типовом вентиле с инжекционным питанием (см.рис.2.6) поверхностные радиационные эффекты приводят к уменьшению коэффициентов усиления продольного р-п-р- и вертикального и-р-и-транзисторов [2].
Свойства продольного р-п-р транзистора достаточно подробно рассмотрены в литературе [22]. Основная физическая причина деградации коэффициента усиления этого транзистора состоит в увеличении поверхностной рекомбинации. Уменьшение влияния поверхности на перенос носителей от эмиттера к коллектору может быть достигнуто с помощью использования высоколегированного п -слоя под оксидом (рис.2.11 а). На рис.2.11, б показано изменение относительной величины коэффициента усиления р-п-р транзистора при воздействии рентгеновского излучения для разных длин высоколегированного п -слоя. Из рис.2.11 следует, что повышение 1п+ приводит к замедлению спада п2э /п2\эо с ростом поглощенной дозы.
Инверсное включение вертикального транзистора приводит к тому, что площадь пассивной базы занимает большую часть площади всего эмиттерного перехода. Например, в четырех коллекторных вентилях, изго товленных по технологии изопланар-1, площадь пассивной базы может составлять более 90% всей площади эмиттера [21]. Кроме того, в современных структурах с инжекционным питанием широко применяется под легирование пассивной базы до поверхностных концентраций порядка 1020 см-3, с целью уменьшения продольного падения напряжения, и глубина залегания эмиттерного перехода лежит в субмикронной области. Все это приводит к тому, что на ток, инжектированный в пассивные области базы, начинают оказывать влияние эффекты сильного легирования и условия рекомбинации под слоем оксида.
Воздействие импульсного излучения на ИМС приводит к образованию целого ряда вторичных радиационных эффектов, таких как радиационно-индуцированный вторичный пробой, перегорание металлизации и т.п. В диапазоне средних мощностей доз, при которых наблюдаются отказы (сбои) в работе микросхем, наиболее часто встречается такой вторичный эффект, как радиационное защелкивание РЗ паразитных четырехслойных структур [24]. При воздействии ионизации эти структуры подобно тиристорам могут переходить в низкоимпедансное состояние и оставаться в нем после окончания воздействия. Если ток источника питания не ограничен, то РЗ в свою очередь, может стимулировать перегорание металлизации или развитие вторичного пробоя. Подобные эффекты носят вторичный характер, так как они лишь инициируются ионизирующим излучением, а развиваются посредством положительной обратной связи и поддерживаются за счет энергии источника питания ИМС.
Основные виды четырехслойных структур, инициализация которых возможна в ИМС, приведены на рис. 2.12. Примеры некоторых вариантов четырехслойных структур, характерных для биполярных ИМС с изоляцией р-w-переходами и КМДП ИМС, изображены на рис. 2.13, а и б.
Структуры могут образовываться как в рамках одной изолированной области, так и между соседними областями. При использовании диэлектрической изоляции четырехслойные структуры могут проявляться только при формировании нескольких элементов в одном изолированном кармане.
Для проведения качественного анализа особенностей РЗ удобно воспользоваться простейшими двухтранзисторными эквивалентными схемами замещения [24,25]. На рис.2.14 а и б приведен пример такой эквивалентной схемы для четырехслойной структуры (1-і ) (рис.2.14б), характерной для внутренних каскадов логических элементов КМДП ИМС. Транзистор ТІ образован областью истока -канального транзистора (эмиттер), и-подложкой (база) и областью -кармана (коллектор). В состав п-/?-«-транзистора Т2 входят области и-подложки (коллектор), /?-кармана (база) и истока и-канального МДП-транзистора (эмиттер).
Эффекты защлкивания в полупроводниковых структурах различных типов
Возможность включения паразитных четырхслойных 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 схемы.
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 [/ип«9,5 В., Это объясняется тем, что для уменьшения напряжения на структуре ниже удерживающего значения при больших Uип требуется большая мощность погло щенной дозы. Наличие в микросхеме нескольких «окон» связано с включением и выключением различных паразитных структур [48].
