Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время полупроводниковые приборы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или металл-оксид (БЮг^полупроводник (Si) (МОП) широко используются в вычислительной, микропроцессорной, робототехнической, измерительной и приемо-передающей аппаратуре, работающей в условиях воздействия ионизирующих излучений (ИИ), при эксплуатации авиа-, космической, военной и ядерной техники, специальных медицинских и технологических систем на различных объектах в Беларуси и странах СНГ.
Изучение радиационных эффектов в МДП-структурах было начато еще в 60-х годах. Были установлены основные закономерности радиационных процессов в МДП-структурах и приборах на их основе (МДП-транзисторах и интегральных микросхемах). Оказалось, что по сравнению с биполярными приборами МДП-приборы обладают достаточно высокой радиационной стойкостью (PC) к воздействию нейтронов, но довольно чувствительны к гамма- и электронному излучениям. Однако до настоящей работы не была создана законченная и точная модель явлений, происходящих в МДП-приборах при облучении. Это обусловлено, прежде всего, различной технологией приборов, особенностью конструкции, схемотехники и условий применения, что приводит к неоднозначным оценкам поведения конкретных МДП-приборов (даже однотипных) при воздействии радиации. Поэтому проблема обеспечения PC МДП-приборов остается одной из важнейших среди проблем, связанных с повышением надежности и качества изделий электронной техники (ИЭТ).
За последние годы в США, Германии, Франции, Японии и странах СНГ достигнуты определенные успехи в разработке методов прогнозирования и повышения PC МДП-транзисторов и ИМС. Но в связи с различиями в технологии у разных изготовителей эти методы нельзя непосредственно использовать для обеспечения PC конкретных типов МДП-приборов. Следовательно, имеет большой практический интерес прогнозирование PC определенных МДП-приборов с помощью тестового облучения и создания эмпирических моделей поведения приборных структур при воздействии ИИ.
До недавнего времени испытания МДП-приборов чаще всего проводились на моделирующих установках при довольно высоких интенсивностях излучений, как правило, в одном электрическом режиме и в узком диапазоне температур. Для более точной оценки работоспособности МДП-приборов в реальных условиях эксплуатации необходимо проведение комплексных исследований влияния энергии и интенсивности ИИ, электрического режима, температуры окружающей среды в широком диапазоне, а также процессов восстановления (или ухудшения) параметров приборов за время, когда аппаратура, например в Космосе, не подвергается воздействию ИИ вне радиационных поясов Земли.
Кроме того, еще недостаточно или совсем не исследованы: контроль параметров МДП ИМС и входящих в них МДП-транзисторов непосредственно в процессе облучения; влияние ИИ на ВЧ шумовые характеристики МДП-транзисторов; эффект малых доз ИИ в МДП-приборах; влияние условий хранения до облучения на PC МДП ИМС; токовый отжиг облученных МДП ИМС.
Большое практическое значение имеет применение радиационно-термичес-кой обработки (РТО) для повышения PC, а также для управления параметрами МДП-транзисторов и ИМС в процессе производства, что улучшает их качество и надежность.
Особый научный и практический интерес для создания радиационностонких приборов представляют исследования: радиационных свойств МДД-структур с диэлектрическими слоями оксинитрида кремния и оксвда ниобия; влияния ИИ на КМОП/КНИ структуры на основе пористого кремния; воздействия ИИ на структуры металл-GaAs и приборы на их основе - диоды и транзисторы с барьером Шоттки (ДШ и ПТШ) при различных электрических и температурных режимах.
Связь работы с крупными научными программами. Исследования в данной диссертации проводились в Институте физики твердого тела и полупроводников НАНБ в рамках тем НИР республиканских комплексных программ фундаментальных исследований в области естественных наук "Кристалл-1", "Кристалл-2" (1978-1994 гг.) и республиканских научно-технических программ 27.01р, 27.02р, 27.03р (1983-1987 гг.), "Информатика-1" (1988-1992 гг.).
Целью работы являлось выяснение причин и особенностей радиационных нарушений в МДП-струкгурах и приборах на их основе в зависимости от условий облучения, а также прогнозирование и повышение их радиационной стойкости.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задали.:
определение влияния условий облучения (вида, интенсивности, энергии ИИ, электрического и температурного режимов) на параметры МДП-структур, транзисторов и ИМС на их основе;
разработка методов прогнозирования PC МДП-приборов;
разработка и совершенствование методов повышения PC МДП-транзисторов и ИМС;
разработка и применение методов радиациоішо-термической обработки в технологии МДП-приборов;
выяснение особенностей влияния гамма- и нейтронного излучений на параметры структур металл-GaAs и приборов на их основе (ДШ, ПТШ) при различных электрических и температурных режимах.
Объекты исследований: тестовые МДП-структуры и транзисторы на основе различных диэлектриков: S1O2, S13N4, SixOyNz, ND2O5; серийные МДП-транзисто-ры с индуцироваїшьіми и встроенными п- и р-каналами; стандартные лопгческие КМОП ИМС (элементы НЕ, И-НЕ, ШІИ-НЕ, JK-триггеры, преобразователи уровня); КМОП БИС (статические ОЗУ, арифметические умножители); р-МОП ИМС (ИЛИ-НЕ/ИЛИ); n-МОП БИС (динамические ОЗУ); тестовые элементы БИС на основе структур металл-GaAs (ДШ, ІГГШ).
Методы выполненных исследований. Облучение МДП-приборов проводилось гамма-квантами Со , рентгеновским излучением с энергией 180-200 кэВ и электронами с Ее=4-25 МэВ на линейных ускорителях. Тестовые GaAs структуры подвергались воздействию гамма-излучения Со60, а также нейтронного облучения от импульсного реактора. Приборы и тестовые структуры облучались при различных шггенсивностях ИИ в пассивном и активном электрических режимах в диапазоне температур 123-573 К.
На стандартном оборудовании измерялись ВФХ МДП-структур, ВАХ МДП-транзисторов и основные статические и динамические параметры МДП-транзисторов и ИМС до н после облучения фиксированными дозами ИИ, а также непосредственно в процессе гамма- и электронного облучения. В последнем случае контролировались параметры каждого базового МОП-транзистора в составе КМОП ИМС с помощью специальной коммутации выводов микросхем.
Научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Впервые установлена линейная зависимость изменений параметров п- и р-канальных МДП-транзисторов от энергии электронов в диапазоне Ее=5-25 МэВ. Дано теоретическое объяснение такой зависимости, обусловленной возрастанием поглощенной дозы в диэлектрике вследствие увеличения удельных энергетических потерь электронов на ионизацию и тормозное излучение.
Установлены особенности влияния интенсивности электронного излучения (Ес=4 МэВ) в диапазоне (р<~5-108-1014 см"2-с-1 на параметры МДП-приборов: обнаружены минимумы PC у МДП-транзисторов в области срс«1012 см^с'1, а у КМОП ИМС - при <ре=109-1010 см"2с-1.
Предложена физическая модель образования встроенного положительного заряда в диэлектрике МОП-транзисторов в зависимости от интенсивности электронного облучения в диапазоне 10п-1014 см"2-с"'.
Разработаны методы прогнозирования PC МДП-транзисторов и КМОП ИМС при низкой интенсивности ИИ по результатам их испытаний при высокой интенсивности облучения с учетом температуры окружающей среды.
Определены эквивалентные дозы гамма- (Со60), рентгеновского (Е,=190 кэВ) и электронного (Ее=4 и 25 МэВ) излучений, вызывающие одинаковые изменения
параметров при воздействии на отдельные типы МДП-транзисторов и КМОП ИМС.
Установлены эмпирические зависимости изменений основных параметров МДП-транзисторов и КМОП ИМС от флюенса (дозы) электронного, гамма- и рентгеновского излучений, а также от энергии и интенсивности электронного излучения.
Предложен метод контроля параметров базовых МОП-транзисторов в процессе облучения непосредственно в составе КМОП логических элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ путем специальной коммутации выводов микросхем.
Впервые предложен метод оценки PC МОП-приборов по исходным ИК-спектрам пропускания подзатворных пленок SiOi.
Предложен метод прогнозирования PC КМОЦ ИМС в зависимости от сроков хранеїшя до облучения с помощью ускоренных испытаний при повышенной температуре хранения микросхем.
Впервые установлено, что МДП-структуры Al-Nb20j-Si02-Si имеют повышенную PC, что обусловлено высокой диэлектрической проницаемостью пленок ND2O5, а также компенсацией положительного заряда в слое Si02 отрицательным зарядом в слое ND2O5 при оптимальном соотношении толщин диэлектрических пленок (а.с. 993781).
Впервые разработаны способ повышения PC КМОП ИМС с помощью определенной подачи входных сигналов в динамическом режиме (а.с. 292894) и способ восстановления работоспособности облученных КМОП ИМС с помощьк кратковременного отжига переменным током (а.с.283625).
Разработаны и исследованы опытные образцы КМОШКНИ структур нг основе пористого кремния: ИМС на этих структурах имеют повышенную PC (де 107 Р) и остаются работоспособными при эксплуатации в диапазоне темперагут 77-400 К.
Разработаны новые способы улучшения параметров МДП-транзисторов с по мощью РТО, использующей малые дозы электронного, гамма- и рентгеновской излучений (а.с. 1050459 и 1098458).
Получены новые экспериментальные результаты при воздействии гамма- і нейтронного излучений, а также повьшіеішой температуры на параметры тесто вых элементов БИС на основе структур металл-GaAs. Установлено, что GaAs ДО и ПТШ сохраняют работоспособность до Dr=108 Р, Фп=1015 см"2 и 1^=473 К.
Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в промышлен ность:
- на предприятии п/я Г-4493 (г. Минск) - в отраслевом стандарте ОСТ4.0913(ХШ рекомендации по повышению PC КМОП БИС типа КП030 и методика токовог отжига КМОП структур для восстановления их работоспособности после облуч« ния;
на НПО "Интеграл" (г. Минск) - методы прогнозирования и оценки PC МОП-приборов по исходным электрофизическим параметрам тестовых структур, а также с помощью рентгеновского облучения; конструктивно-технологические методы повышения PC КМОП ИМС типа 512ПС6; рекомендации по улучшению статических и динамических параметров МОП БИС 588ВР1, I824BP21, К565РУ5Б, КР537РУ10Б с помощью РТО;
в ЦНИИ "Циклон" (г. Москва) - рекомендации по применению МДП-транзисторов 2П301, 2П305, 2П306, 2П350; КМОП ИМС серии 564 в аппаратуре косми- . ческих объектов с 5-10-летним сроком активного функционирования в различных условиях радиационных воздействий; методы обеспечения работоспособности КМОП ИМС в реальных условиях воздействия радиационных факторов.
Экономическая значимость полученных результатов. Разработанные методы прогнозирования и повышения PC МДП-приборов, а также методы РТО позволяют снизить затраты на проведение радиационньк испытаний приборов, расходы на эксплуатацию и замену изделий в условиях облучения, трудоемкость при производстве МДП-транзисторов и мікросхем, а также увеличігть выход годных изделий.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту:
-
Эквивалентные дозы и флюенсы, определенные при воздействии электронного (Ее=4 и 25 МэВ), гамма- (Со60) и рентгеновского (Ец=190 кэВ) излучений на п-канальные МДП-транзисторы и КМОП ИМС. Полученные данные позволяют оперативно проводить испытания на PC МДП-приборов, если имитировать облучением одного вида, например рентгеновским, другие виды ИИ.
-
Линейное увеличение изменений основных параметров п- и р-канальных МДП-транзисторов с ростом энергии электронного излучения от 5 до 25 МэВ, обусловленное увеличением поглощенной дозы в диэлектрике вследствие учета удельных энергетических потерь электронов на ионизацию и тормозное излучение.
-
При электронном облучении (%.=4 МэВ) МДП-приборов в диапазоне ин-тенсивностей фе=5-108-1014 см^-с'1 PC п- и р-канальных МДП-транзисторов имеет минимум при фея1012 см"2с'\ а КМОП ИМС - при фе=109-1010 см^-с"1. Полученные результаты дают возможность непосредственно оценивать работоспособность МДП-приборов при низкой интенсивности облучения по данньш их испытаний при высокой интенсивности.
-
Физическая модель, объясняющая повышение PC МОП-приборов при высоких иитенсивностях электронного облучения (1013-10 4 см" с' ) преобладанием процесса рекомбинации носителей заряда над процессами захвата дырок и диффузии электронов.
-
Методы прогнозирования PC МОП-приборов по исходным значениям электрофизических характеристик (ИК-спектров пленок БЮг, ВЧ коэффициента шума и крутизны МОП-транзисторов), которые могут быть использованы на межоперациошшм контроле в процессе отработки технологии изготовления ра-диационностойких МОП-транзисторов и микросхем.
-
Эмпирические зависимости основных параметров МДП-транзисторов и ИМС от дозы (флюенса), мощности дозы (интенсивности) и энергии электронного, гамма- и рентгеновского излучений. Эти зависимости могут быть использованы для прогнозирования PC определенных типов МДП-приборов.
-
Конструктивно-технологические и схемотехнические методы повышения PC МДП-приборов до 10 -10 Р, включающие использование двухслойного подза-творного диэлектрика Nba05-Si02; чередование пассивного и активного динамического режимов при питании КМОП ИМС от входного импульсного сигнала; восстановление параметров облученных КМОП ИМС с помощью кратковременного отжига переменным током.
Личный вклал автора. В диссертации изложены результаты работ, выполненных лично автором, или в соавторстве с коллегами и аспирантами. Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований (в отдельных, случаях совместно с Ф.П.Коршуновьш), разработке методик экспериментов, проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов. Друше соавторы работ участвовали в подготовке образцов для исследований, проведении измерений и отдельных расчетов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:
на Республиканских конференциях: "Вопр. физики, электроники и технологии тв. тел" (Вильнюс, 1976); мол. ученых по физике (Гомель, 1976; Витебск, 1978); "Физика, технология и производство полупров. приборов" (Вильнюс, 1980, 1984); "Проблемы микроэлектроники" (Минск, 1990); "Физич. проблемы МДП инте-гральн. электроники" (Киев, 1990);
на Всесоюзных и Международных конференциях: по физике низк. температур (Минск, 1976); по проблемам радиац. физики тв. тела (Севастополь, 1976); "Радиац. эффекты в полупроводниках и полупров. приборах - 80" (Баку, 1980); по использованию ядерных реакторов (Ташкент, 1980); "Воздействие ИИ на радиоэлектрон, аппаратуру, элементы и материалы. Методы испытаний и исследований" (Лыткарино, 1982); "Методы оценки и прогнозир. работоспособности элементов и схем РЭА в условиях воздействия радиац. и нерадиационньгх факторов" (Лыткарино, 1986, 1989); "Вопр. обеспеч. радиац. стойкости электрорадиоизде-лий, элементов и материалов к воздействию ИИ яд. взрыва" (Баку, 1985, 1987, 1989, 1991; Харьков, 1990; Москва, 1986, 1992, 1994); "Состояние и перспективы
развития микроэлектрон. техники" (Минск, 1985); по микроэлектронике (Тбилиси, 1987); "Радиац. технология в производстве интегральн. схем" (Воронеж, 1988; Ташкент, 1990); по физике радиац. поврежд. тв. тела (Харьков, 1990); Физич. основы надежи, и деградацші полупров. приборов" (Кишинев, 1991); "Радиац. стойкость бортовой аппаратуры и элементов космич. аппаратов" (Томск, 1991); "Надежн. и контроль качества ИЭТ" (Севастополь, 1991; Звенигород, 1994); "Методы исслед. и пропюзир. работоспособности ИЭТ в услов. дли-тельн. воздействия низкоинтенсивн. излучений космич. пространства и атомн. энергетич. установок" (Льггкарино, 1992); "Phys. and Techn. Problems of SOI Structures and Devices" (Крым, Гурзуф, 1994); "Взаимодействие излучений с тв. телом" (Минск, 1997).
Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 71 работе, в том числе 1 монографии, 37 статьях, 13 докладах, 14 тезисах докладов, 1 отраслевом стандарте, 5 авторских свидетельствах на изобретения. Общее количество страниц опубликованных материалов - 369.
Структура и объем писсертапиц. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка использованных источников (365 наименований) и трех приложений. Общий объем работы составляет 308 стр. и включает 105 рисунков и 46 таблиц, а также 170 стр. основного текста.
