Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи 10
.1.1. Эффект низкой интенсивности излучения 10
1.2. Эффект старения 17
1.3. Недостатки существующих методов моделирования эффектов низкой интенсивности и старения 21
Постановка задачи 22
Глава 2. Использование инфракрасного излучения для моделирования эффекта низкой интенсивности в биполярных транзисторах 25
2.1. Методика проведения экспериментов 25
2.2. Источник инфракрасного излучения 28
2.3. Технические средства проведения экспериментов 29
2.4. Исследование характеристик биполярных PNP транзисторов после воздействия инфракрасного излучения 31
2.5. Исследование характеристик биполярных NPN транзисторов после воздействия инфракрасного излучения 35
2.6. Исследование зависимости радиационной деградации биполярных PNP транзисторов с ЭПИК изоляцией от режима инфракрасного предоблучения 40
2.7. Исследование зависимости радиационной деградации биполярных NPN транзисторов от режима инфракрасного предоблучения 44
2.8. Моделирование эффекта низкой интенсивности в биполярных ИМС при помощи инфракрасного излучения 50
2.9. Физическая модель изменения радиационной деградации биполярных транзисторов вследствие инфракрасного предоблучения 55
Выводы 66
Глава 3. Использование инфракрасного излучения вместо повышенной температуры для моделирования эффекта старения в биполярных ИМС 68
3.1. Сравнение моделирования эффекта старения при термическом воздействие и инфракрасном предоблучении для биполярных PNP транзисторов с ЭПИК изоляцией 68
3.2. Сравнение методов моделирования эффекта старения в биполярных NPN транзисторах с SiC изоляцией 73
Выводы 75
Глава 4. Инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных ИМС 76
4.1. Методика проведения экспериментов 76
4.2. Инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных PNP транзисторах 77
4.3. Инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных NPN транзисторах 80
4.4. Исследование «насыщения» инфракрасного отжига 83
4.5. Сравнение инфракрасного и термического отжига радиационных дефектов в биполярных транзисторах 85
Выводы 88
Глава 5. Исследование температурной стабильности системы нейтральных и дипольных е' центров, возникшей в биполярных имс вследствие инфракрасного предоблучения 89
5.1. Выбор методики проведения эксперимента 89
5.2. Исследование воздействия повышенной температуры на радиационную деградацию биполярных PNP транзисторов с ЭПИК изоляцией, подвергшихся инфракрасному предоблучению 91
5.3. Исследование температурной стабильности системы нейтральных и дипольных Е' центров в биполярных NPN транзисторах с SiC>2 изоляцией 96
5.4. Оценка энергии перехода Е' центров между разными энергетическими конфигурациями при отсутствии напряжения смещения перехода эмиттер-база 100
Выводы 101
Заключение 102
Список литературы
- Недостатки существующих методов моделирования эффектов низкой интенсивности и старения
- Технические средства проведения экспериментов
- Сравнение методов моделирования эффекта старения в биполярных NPN транзисторах с SiC изоляцией
- Инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных PNP транзисторах
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Проблема определения уровня радиационной стойкости биполярных интегральных микросхем (ИМС), используемых в аппаратуре специального назначения, несмотря на долголетние исследования в этой области, до сих пор весьма актуальна.
Это связано, во первых, с постоянным совершенствованием технологии биполярных ИМС и как следствие появлением новых физических эффектов в биполярных структурах при воздействии ионизирующего излучения. За последние несколько лет произошло резкое снижение линейных размеров интегральных биполярных транзисторов (размер эмиттера в современной схеме может составлять 1x1 мкм2), вследствие чего радиационная деградация современных биполярных структур, особенно используемых в устройствах аэрокосмического назначения, определяется в основном поверхностными эффектами. Несмотря на то, что влиянию поверхностных эффектов на радиационную деградацию ИМС посвящено несколько работ, данный вопрос мало изучен. Поэтому решение проблемы прогнозирования радиационной деградации биполярных ИМС с учётом поверхностных эффектов является важной задачей.
Во вторых, ужесточились требования к самой специальной аппаратуре, где используются, в частности, биполярные ИМС. Так, срок службы систем космического назначения увеличился до 15 лет, что привело к необходимости внесения существенных корректировок в существующие методики прогнозирования. Повышенные требования предъявляются в настоящее время к достоверности и точности прогноза, вследствие постоянно возрастающей стоимости космических аппаратов.
Основная проблема прогнозирования радиационной деградации биполярных ИМС, работающих в условиях воздействия излучения космического пространства, состоит в необходимости учёта эффекта низкой интенсивности. Суть эффекта состоит в том, что при долговременной работе
ИМС в условиях космического пространства происходит отжиг одних и накопление других дефектов, чего не наблюдается в лабораторных условиях при облучении ИМС излучением высокой интенсивности. Эффект проявляется в том, что при одинаковой суммарной поглощённой дозе биполярные ИМС деградируют в 2-2,5 раза сильнее под воздействием ионизирующего излучения низкой интенсивности (менее 10 pa,a/c(Si02)), чем под воздействием излучения высокой интенсивности. Таким образом, для прогнозирования радиационной деградации биполярных ИМС, работающих в условиях воздействия излучения низкой интенсивности, необходимо или воздействие излучения аналогичной интенсивности в течение длительного времени (несколько лет), или выбор такого режима воздействия излучения высокой интенсивности, который бы позволил за короткое время моделировать воздействие низкоинтенсивного излучения.
В последнее время серьёзной проблемой, имеющей много общего с прогнозированием долговременных эффектов в ИМС при длительных полётах космических аппаратов, стала, так называемая, проблема старения. Оказалось, что при длительном хранении ИМС их радиационная стойкость изменяется: две одинаковые биполярные ИМС, но с разными временами хранения, под воздействием ионизирующего излучения деградируют по -разному.
Для моделирования как эффекта низкой интенсивности, так и эффекта старения, используется воздействие повышенной температуры (от 80 С до 250 С) в течении некоторого времени (10-1000 часов). Соответственно, изменяя температуру и время выдержки при повышенной температуре, можно получить прогноз поведения биполярных ИМС в условиях низкой интенсивности или после длительного хранения. Существующие на сегодняшний день методы моделирования имеют следующие недостатки:
\ —
Воздействие повышенной температуры в течение длительного времени приводит к изменению физических свойств биполярных ИМС ещё до воздействия на них радиационного излучения.
Вследствие воздействия повышенной температуры может произойти коррозия токопроводящей разводки кристалла.
Незначительное изменение температуры выдержки в процессе моделирования, которое может возникнуть вследствие отклонений в работе оборудования, ведёт к сильному искажению конечного результата.
Для моделирования длительного (10 и более лет) хранения биполярных ИМС время выдержки даже при высокой температуре (порядка 250 С) составляет приблизительно 1000 часов.
Воздействие повышенной температуры в настоящее время также широко применяется для отжига радиационных дефектов в биполярных ИМС. Термический отжиг радиационных дефектов проводится при температурах 100 С-150 С в течение нескольких часов. Данному методу отжига присущи недостатки, описанные выше.
Один из путей устранения указанных выше недостатков-замена выдержки при повышенной температуре на неразрушающее воздействие инфракрасного излучения. Несмотря на то, что взаимодействию инфракрасного излучения с полупроводником посвящено некоторое количество ранее опубликованных работ, влияние инфракрасного излучения на радиационную деградацию биполярных ИМС до сих пор практически не исследовано. Поэтому разработка научно-технических основ использования инфракрасного излучения вместо повышенной температуры для моделирования эффекта низкой интенсивности, эффекта старения и отжига радиационных дефектов в биполярных ИМС является актуальным.
В представленной диссертации рассматриваются только биполярные ИМС, так как эффекты старения и воздействия излучения низкой интенсивности для биполярных ИМС изучены значительно меньше, чем для МОП ИМС. Кроме того, необходимо отметить, что хотя на сегодняшний день в специальной аппаратуре большинство компонентов построено по КМОП технологии, часто выход из строя подобной аппаратуры обусловлен отказом именно биполярных ИМС, входящих в её состав [1]. В настоящее время электронные устройства, в состав которых входят биполярные ИМС, наиболее широко используются в современных спутниковых энергосистемах, системах обработки сигналов и управления. Примерами являются операционные усилители, аналого-цифровые преобразователи, компараторы, цифро-аналоговые конвертеры, аналоговые ключи, мультиплексоры, стабилизаторы напряжения, источники опорного напряжения, модуляторы длительности импульса.
Целью данной диссертации является разработка научно-технических основ использования комбинированного воздействия инфракрасного излучения и различных электрических режимов, позволяющих исключить воздействие повышенной температуры на биполярные ИМС во время проведения экспериментов, необходимых для прогнозирования радиационной деградации ИМС, функционирующих в условиях излучения низкой интенсивности и после длительного хранения, во время проведения отжига поверхностных радиационных дефектов, а так же дающих возможность значительно сократить продолжительность данных экспериментов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Анализ существующих методов моделирования эффектов старения и низкой интенсивности в биполярных ИМС, а так же методов отжига радиационных дефектов.
Создание технологического оборудования, необходимого для проведения экспериментов, представленных в диссертации, и разработка методики проведения данных экспериментов.
Исследование влияния инфракрасного излучения на радиационную деградацию биполярных ИМС.
Изучение кинетики отжига радиационных дефектов при помощи воздействия инфракрасного излучения.
Создание физической модели воздействия инфракрасного излучения на радиационный отклик биполярных ИМС.
Предложение научно-технических основ использования инфракрасного излучения вместо повышенной температуры, которые могут быть использованы при создании методов моделирования эффекта низкой интенсивности и эффекта старения в биполярных ИМС.
Научная новизна диссертации заключается в разработке принципов использования комбинированного воздействия инфракрасного излучения и различных электрических режимов вместо повышенной температуры для прогнозирования радиационной деградации биполярных ИМС в условиях низкоинтенсивного воздействия космического пространства и после длительного времени хранения. Применение комбинированного воздействия инфракрасного излучения и различных электрических режимов для моделирования вышеуказанных эффектов произведено впервые, и позволило исключить воздействие повышенной температуры на ИМС, а так же снизить продолжительность моделирования. Кроме того, был исследован отжиг радиационных дефектов в биполярных ИМС, основанный на использовании инфракрасного излучения. Так же, была разработана физическая модель влияния инфракрасного излучения на радиационную деградацию биполярных ИМС.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
Предложены научно-технические основы использования инфракрасного излучения, позволяющие исключить воздействие повышенной температуры на биполярные ИМС в процессе моделирования эффекта низкой интенсивности и эффекта старения, а так же повысить точность моделирования.
Исследован отжиг поверхностных радиационных дефектов в биполярных ИМС при помощи комбинированного воздействия инфракрасного излучения и разных электрических режимов.
Разработана методика исследования воздействия инфракрасного излучения на радиационную деградацию биполярных ИМС.
Разработано оборудование для проведения вышеуказанных исследований, изготовленное на основе отечественных серийно выпускаемых узлов и компонентов.
По предложенным методикам проведены испытания ряда промышленных ИМС, изготовленных по биполярной технологии, подтвердившие возможность использования инфракрасного излучения вместо повышенной температуры для моделирования эффектов низкой интенсивности и старения, а так же отжига радиационных дефектов.
На защиту выносятся следующие положения:
Методика экспериментальных исследований влияния инфракрасного излучения на радиационную деградацию дискретных биполярных транзисторов и биполярных транзисторов в составе ИМС.
Экспериментальные данные, подтверждающие влияние инфракрасного излучения на радиационную деградацию биполярных ИМС, представляющие собой зависимости приращения тока базы биполярных транзисторов, подвергшихся комбинированному воздействию инфракрасного излучения и различных напряжений смещения перехода эмиттер-база, от суммарной поглощённой дозы ИМС.
Результаты сравнения деградации биполярных ИМС в условиях излучения низкой интенсивности и деградации аналогичных ИМС, для которых эффект низкой интенсивности моделировался при помощи инфракрасного излучения.
Физическая модель влияния комбинированного воздействия инфракрасного излучения и разных электрических режимов на радиационную деградацию биполярных ИМС.
Использование инфракрасного излучения для изучения кинетики отжига поверхностных радиационных дефектов в биполярных ИМС.
Полученные в ходе экспериментальных исследований результаты по температурной стабильности энергетического состояния Е' центров, возникших в окисле биполярных ИМС вследствие воздействия инфракрасного излучения.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодной всероссийской конференции «Радиационная стойкость» (НИИП, г. Лыткарино, 2000-2004), ежегодной Научной сессии МИФИ (2000-2004), конференции «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники» (2003), ежегодной Европейской конференции RADECS (2003), ежегодной Американской конференции IEEE NSREC (2001-2002).
Опубликованные результаты. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы из 73 наименований. Работа изложена на 114 страницах, содержит 48 рисунков.
Недостатки существующих методов моделирования эффектов низкой интенсивности и старения
Обзор работ, посвященных моделированию эффекта низкой интенсивности излучения и эффекта старения, позволяет сделать следующие выводы:
1. До сих пор не существует единой методики моделирования эффектов низкой интенсивности и старения в биполярных ИМС.
2. Существующие методики (например, предложенные в работе [34]) предполагают длительную (до 160 дней) выдержку биполярных ИМС при повышенной (до 150 С - 250 С) температуре.
3. В ряде работ, в частности в [45], наблюдается абсолютно произвольный выбор времён выдержки ИМС при повышенной температуре, и как следствие, в результате таких экспериментов моделируется эффект старения произвольной длительности. Экспериментальные данные как правило не систематизированы, и не приведено никаких объяснений, почему выбраны именно такие интервалы времени.
4. Не существует чёткой физической модели воздействия повышенной температуры на биполярные приборы, и взаимосвязи такого воздействия с последующим радиационным откликом прибора. Только в работе [30] произведена попытка согласования полученных результатов с моделями, предложенными в [21-23] и [24]. В первую очередь это вызвано тем, что погрешность таких экспериментов достаточно высока. Постановка задачи
Создание научно технических принципов, которые могут быть положены в основу методики прогнозирования поведения биполярных ИМС в условиях излучения низкой интенсивности, моделирования эффекта старения в биполярных ИМС и отжига радиационных дефектов в биполярных ИМС, лишённой указанных выше недостатков, включает в себя решение следующих проблем:
1. Исключение воздействия повышенной температуры на биполярные ИМС. Согласно работам [34-41], все существующие на сегодняшний день методики основаны на выдержке биполярных ИМС при повышенной температуре.
2. Исследование возможности применения неразрушающего воздействия инфракрасного излучения для моделирования эффектов старения и низкой интенсивности в биполярных ИМС, а так же для отжига поверхностных радиационных дефектов в биполярных ИМС.
3. Снижение продолжительности экспериментов по моделированию эффектов старения и низкой интенсивности, а так же отжига радиационных дефектов в биполярных ИМС.
4. Создание физической модели воздействия инфракрасного излучения на радиационную деградацию биполярных ИМС. На сегодняшний день не существует физической модели такого взаимодействия.
В данной диссертации эксперименты для прогнозирования поведения биполярных ИМС в условиях излучения низкой интенсивности, моделирования эффекта старения, и отжига радиационных дефектов в биполярных ИМС, основаны на применении инфракрасного излучения.
В диссертации используется инфракрасное излучение с длиной волны, равной приблизительно 1 микрометр, и энергией приблизительно 1,2 эВ. Такая энергия, с одной стороны, недостаточна для возбуждения и пе реноса электронов из подложки в окисел, так как для такого переноса необходима энергия, равная приблизительно 4 эВ. С другой стороны, фотоны с такой энергией могут стимулировать те же процессы, которые происходят в биполярных ИМС во время выдержки при повышенной температуре [48]. При этом, воздействие инфракрасного излучения может быть более эффективным по сравнению с воздействием повышенной температуры. Данный вопрос подробно рассмотрен в главах 2, 3.
На данный момент не существует опубликованных работ, посвященных исследованию поглощения инфракрасного излучения с длиной волны около 1 мкм в тонких плёнках Si02 . Исходя из данных по поглощению инфракрасного излучения с длиной волны 6-8 мкм в тонких плёнках Si02, а так же аналогичных данных для близкого инфракрасного излучения и толстых (1 мм) плёнок SiCb, приведённых работе [49], можно сделать предварительный вывод, что инфракрасное излучение поглощается в тонких плёнках окисла кремния приблизительно на 10 процентов. Однако, как показали эксперименты, проведённые в работе [48], такое поглощение достаточно для того, чтобы инфракрасное излучение могло оказать сильное влияние на радиационную деградацию биполярных ИМС.
Необходимо отметить, что биполярные ИМС, использованные в данной диссертации, не имеют поликремниевой или медной разводки, изоляции типа ЛОКОС, и других компонентов, присущих современным ИМС. Образцы такого типа были выбраны с целью облегчения анализа полученных экспериментальных данных и упрощения физических моделей. Исследование более сложных, современных ИМС, будет предметом последующих работ.
1. Создание научно-технических основ, которые могут быть использованы при разработке методики моделирования эффекта низкой интенсивно сти излучения и эффекта старения в биполярных ИМС, лишённой недостатков, о которых говорилось выше.
2. Исследование результатов воздействия инфракрасного излучения на электрические характеристики и радиационную деградацию биполярных ИМС.
3. Исследование инфракрасного отжига радиационно-индуцированных дефектов в биполярных ИМС.
4. Изучение влияния повышенной температуры на биполярные ИМС, подвергшиеся ранее воздействию инфракрасного излучения.
5. Создание физической модели, позволяющей объяснить изменения радиационной стойкости биполярных ИМС вследствие воздействия инфракрасного излучения.
В результате выполнения всех поставленных задач, должны быть предложены новые научно-технические принципы, которые могут быть использованы при разработке методов прогнозирования эффекта низкой интенсивности и эффекта старения для биполярных ИМС, основанных на неразрушающем воздействие инфракрасного излучения. Кроме того, должна быть разработана физическая модель воздействия инфракрасного излучения на радиационную деградацию биполярных ИМС. Так же, должен быть исследован инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных ИМС.
Технические средства проведения экспериментов
Ионизирующее излучения создавалось рентгеновским источником с Cu-анодом и энергией 40 кВ, интенсивность излучения составляла 2 крад(8Ю2)/с. Так же, в ряде экспериментов для моделирования излучения космического пространства использовалась установка «Сириус» с итрий -стронциевым источником. Интенсивность излучения в этом случае составляла 0,1 pafl(Si02)/c, энергия электронов порядка 1 мэВ.
Характеристики биполярных ИМС измерялись с помощью системы МЕРА, управляемой компьютером (изготовлена сотрудниками кафедры 27).
Так же для проведения исследований было изготовлено устройство, состоящее из четырёх светодиодов марки АЛ 119, медных теплоотводов, контактного кольца и изолирующих пластин. Данное устройство было конструктивно согласовано с источником рентгеновского излучения.
Для биполярных ИМС важна стабильность температуры во время проведения замеров их характеристик. Поэтому во время измерений характеристик температура ИМС стабилизировалась с точностью ±1 С. В течение всех экспериментов, проведенных в данной диссертации, температура ИМС была одинаковой, и равной (32±1)С. Во время воздействия ионизирующего излучения все выводы ИМС заземлялись. В данной главе, как и во всей диссертации, использовались следующие биполярные ИМС: 1. 198НТ1А-матрица NPN транзисторов серийного производства, с изоляцией типа ЭПИК и глубиной залегания р-n перехода эмиттер-база около 0,15 мкм. 2. 198НТ5А-матрица PNP транзисторов серийного производства, так же имеющая изоляцию типа ЭПИК и глубину залегания р-n перехода эмиттер-база 0,15 мкм. 3. 140УД1А-операционный усилитель, построенный по биполярной технологии, и имеющий входной каскад на биполярных NPN транзисторах. 4. Ряд тестовых биполярных ИМС с изоляцией типа ЭПИК или оксида кремния. У всех образцов перед проведением экспериментов была удалена верхняя часть корпуса с тем, чтобы как инфракрасное, так и рентгеновское излучение достигало кристалла.
Для теоретических расчетов и обработки результатов экспериментов использовался программный продукт Mathematica 3.0. 2.4. Исследование характеристик биполярных PNP транзисторов после воздействия инфракрасного излучения
Во время экспериментов, проведённых в данном параграфе, биполярные PNP транзисторы находились в двух различных электрических режимах.
В первом случае, воздействие инфракрасного излучения проводилось в релшме «холостого хода», когда на выводы транзисторов не подавалось внешних смещений и в окисле над переходом эмиттер-база присутствовало электрическое поле слабой напряженности (рис. 2.24). Снимались как исходные вольт-амперные характеристики, так и характеристики после воздействия инфракрасного излучения, в частности, зависимости тока базы от напряжения эмиттер-база и тока коллектора от напряжения эмиттер-база. В данном случае речь идёт именно о самих значениях токов, а не об их приращениях, так как сравниваются характеристики одного и того же транзистора, и разброс начальных параметров отсутствует. Зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер-база позволяет сделать вывод о качестве выбранной методики термостабилизации образцов во время измерения. Как известно, в случае биполярных транзисторов даже незначительное изменение температуры в процессе измерения характеристик может привести к изменению тока коллектора, а это в свою очередь ведёт к сильному изменению тока базы.
Как видно из рис. 2.1, 2.2, в данном случае вольт - амперные характеристики биполярного PNP транзистора после воздействия инфракрасного излучения остаются неизменными. Во втором случае, условия проведения экспериментов изменились: во время воздействия инфракрасного излучения на переход эмиттер-база биполярных транзисторов подавались различные смещения. Таким образом, в окисле над переходом эмиттер-база создавалось краевое электрическое поле различной напряженности (роль краевого поля будет рассмотрена ниже).
Подавались четыре смещения, соответствующие случаю слабой, средней, сильной, и очень сильной напряженности краевого поля в окисле над переходом эмиттер-база [59]. Соответственно подавались прямое, нулевое, и обратное смещение, а так же обратное смещение, близкое к напряжению пробоя перехода эмиттер-база, которое определялось экспериментально. Для данного типа транзисторов применялись напряжения, равные -0,8 В, 0 В, 1 В, 3,5 В. Зависимости тока базы от напряжения эмиттер-база для случая подачи напряжения 3,5 В приведены рис. 2.3, а тока коллектора от напряжения эмиттер-база на рис. 2.4.
Сравнение методов моделирования эффекта старения в биполярных NPN транзисторах с SiC изоляцией
Зависимости приращения тока базы от суммарной поглощённой дозы для случаев различных напряжений смещения, поданных на переход эмиттер-база во время инфракрасного предоблучения.
Видно, что подавая во время инфракрасного предоблучения напряжение прямого смещения, равное 0,8 В, можно ослабить радиационную деградацию в 2-2,5 раза. Зависимости приращения тока базы биполярных NPN транзисторов от суммарной поглощённой дозы. Транзисторы подверглись воздействию температуры равной 200 С в течение 168 часов
После сравнения данных, приведённых на рис. 3.3 и рис. 3.4 можно сделать вывод о том, что для моделирования эффекта старения в биполярных NPN транзисторах вместо повышенной температуры возможно использование инфракрасного излучения. Как видно из рис. 3.4, воздействие на биполярные NPN транзисторы повышенной температуры, равной 200 С, в течение 168 часов, приводит к снижению их радиационной деградации приблизительно в 2,3 раза. Аналогичные результаты могут быть достигнуты при помощи воздействия инфракрасного излучения в течение 12 часов. Выводы
Результаты, полученные в данной главе, позволяют сделать следующие выводы: 1. Применение инфракрасного излучения вместо повышенной температуры позволяет значительно (10-15 раз) сократить время, необходимое для проведения эксперимента по моделированию эффекта старения. Кроме того, биполярные ИМС не подвергаются воздействию повышенной температуры. По эффективности моделирования инфракрасному предоблучению длительностью 12 часов приблизительно эквивалентно воздействие температуры, равной 200 С, в течение 168 часов, или более продолжительное воздействие низкой температуры.
2. При производстве ИМС военного и космического применения для испытания их надёжности проводится воздействие повышенной температуры 150 С в течении 168 часов. Исходя из результатов, полученных в данной главе, можно сделать вывод, что вместо повышенной температуры для такого тестирования возможно использовать инфракрасное излучение, при этом значительно сократив время воздействия.
3. Учитывая тот факт, что для моделирования эффекта старения в биполярных ИМС используется та же методика, которая была применена ранее для моделирования эффекта низкой интенсивности, возможно создание единого процесса моделирования эффектов низкой интенсивности и старения в биполярных ИМС.
Для отжига радиационных дефектов в биполярных ИМС обычно применяется воздействие повышенной температуры [70,71]. Однако такой метод имеет недостатки, которые были перечислены выше. С целью создания метода отжига радиационных дефектов в биполярных транзисторах, лишённого данных недостатков, было предложено вместо воздействия повышенной температуры использовать воздействие инфракрасного излучения [72, 73].
В процессе проведения экспериментов, осуществлённых в данной главе, были использованы два типа транзисторов - PNP транзисторы с EPIC изоляцией и NPN транзисторы с Si02 изоляцией. Интенсивность рентгеновского излучения равнялась 2 крад(8Ю2)/с, время воздействия было равным 40 минутам, суммарная поглощённая доза составляла 4,8 мрад. Термический отжиг радиационных дефектов проводился на нагревательной установке с точностью задания температуры ±1 С при температуре 120 С. Для инфракрасного отжига радиационных дефектов использовалось оборудование, подробно рассмотренное ранее. Время инфракрасного отжига составляло 40 минут, однако, в экспериментах по исследованию «насыщения» инфракрасного отжига время было увеличено до 300 минут.
В данной главе каждый эксперимент повторялся трижды на разных образцах. При этом разброс экспериментальных данных, полученных от разных образцов, мал по сравнению с зафиксированным изменением характеристик, вследствие чего он не показан на зависимостях.
Инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных PNP транзисторах
В данном параграфе исследовался инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных PNP транзисторах с EPIC изоляцией. В предыдущих главах было обнаружено сильное влияние напряжения смещения, приложенного к переходу эмиттер-база во время воздействия инфракрасного излучения, на радиационную стойкость транзисторов. Вследствие этого, во время инфракрасного отжига на переход эмиттер-база транзисторов подавалось как прямое, так и обратное смещение.
Очевидно, что воздействие инфракрасного излучения приводит к отжигу радиационных дефектов в биполярных PNP транзисторах, в то время как выдержка при обратном смещении перехода эмиттер-база практически не оказывает влияния на приращение тока базы. Как видно из полученных зависимостей, отжиг дефектов происходит только если на переход эмиттер-база подаётся напряжения прямого смещении, а в случае, если на переход подано напряжение обратного смещения, отжиг гораздо слабее. Так же из рисунка видно, что уже после 40 минут инфракрасного отжига устраняется 40-50 % радиационных дефектов.
Для того чтобы более подробно исследовать влияние напряжения смещения перехода эмиттер-база на инфракрасный отжиг, одновременно с инфракрасным излучением подавались четыре разных напряжения смещения. Значения напряжений были выбраны такие же, как и в предыдущих главах для этого типа транзисторов, и составляли соответственно -1 В, 0 В, 1,5 В, 3,5
Зависимости приращения тока базы биполярных PNP транзисторов от времени воздействия. До момента 40 минут проводилось радиационное воздействие, а начиная с 40 минут до 80 минут - инфракрасный отжиг Видно, что увеличение напряжения обратного смещения перехода эмиттер-база во время инфракрасного отжига ведёт к снижению его эффективности. В случае, когда на переход подано высокое напряжение обратного смещения, отжиг практически прекращается. При подаче напряжения прямого смещения отжиг идёт наиболее эффективно. Таким образом, изменяя напряжение смещения перехода эмиттер-база транзисторов во время инфракрасного отжига, можно изменять его эффективность. Так же, из рисунка можно увидеть, что в случае, когда на переход эмиттер-база подаётся напряжение прямого смещения, эффективность инфракрасного отжига сравнима с эффективностью термического, однако данный вопрос будет подробно рассмотрен ниже. 4.3. Инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных NPN транзисторах
Проведено два цикла исследований. В первом случае исследовался инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных NPN транзисторах с БіОг изоляцией при двух различных напряжениях смещения перехода эмиттер-база: прямом и обратном. Зависимости приращения тока базы от времени воздействия. До момента 40 минут проводилось радиационное воздействие, а начиная с 40 минут до 80 проводился инфракрасный отжиг или выдержка при обратном смещении перехода эмиттер-база
По результатам, показанным на рис. 4.3, можно сделать вывод, что инфракрасный отжиг радиационных дефектов в биполярных NPN транзисторах наиболее эффективен при прямосмещённом переходе эмиттер-база. После 40 минут отжигается приблизительно 50% процентов радиационных дефектов. Если же во время инфракрасного отжига подать на переход эмиттер-база напряжение обратного смещения, эффективность отжига резко снижается. В этом случае за 40 минут отжигается не более 7 - 10 % ра диационных дефектов. Данные, показанные на рис. 4.3, качественно совпадают с результатами, полученными для инфракрасного отжига радиационных дефектов в PNP транзисторах.
Результаты, приведённые на рис. 4.4, позволяют сделать вывод, что напряжение смещения, поданное на переход эмиттер-база транзисторов во время инфракрасного отжига, оказывают сильное влияние на его эффективность. Так, в случае, когда на переход подано напряжение прямого смещения, отжиг идёт наиболее эффективно, и в течении 40 минут отжи гается порядка 50 % поверхностных радиационных дефектов. Наименьшей эффективности отжига соответствует высокое напряжение обратного смещения перехода эмиттер-база, близкое к напряжению пробоя. В этом случае в течении 40 минут отжигается не более 10% поверхностных радиационных дефектов. Данные результаты качественно совпадают с результатами для PNP транзисторов. 4.4. Исследование «насыщения» инфракрасного отжига
Для более полного исследования эффекта инфракрасного отжига радиационных дефектов в биполярных транзисторах, было решено увеличить время отжига с 40 минут до 300 минут с целью изучения кинетики отжига в области больших времён. Во время отжига на переход эмиттер-база двух транзисторов были поданы напряжения прямого смещения, а на переходы двух других-напряжения обратного смещения.
Для проведения эксперимента были использованы только PNP транзисторы с ЭПИК изоляцией, так как предыдущие опыты показали, что как для NPN, так и для PNP транзисторов получаются идентичные результаты, вследствие чего применение обоих типов транзисторов в данном разделе нецелесообразно.
Зависимости приращения базового тока от времени. До 40 минут производилось радиационное воздействие, начиная с 40 минут до 340-инфракрасный отжиг. На переходы база-эмиттер во время отжига подавались два типа напряжений смещения - прямое и обратное Основываясь на результатах, показанных на рис. 4.5, можно сделать вывод, что наибольшее количество радиационных дефектов отжигается в первые несколько десятков минут, после чего отжиг замедляется, или иными словами, входит в «насыщение».
По полученным данным нельзя сделать вывод о том, отжигается ли основное количество дефектов за время, близкое к 40 минутам (когда было проведено измерение тока базы), или это происходит за более короткий интервал времени. 4.5. Сравнение инфракрасного и термического отжига радиационных дефектов в биполярных транзисторах
Несмотря на то, что, инфракрасный отжиг радиационных дефектов имеет ряд преимуществ по сравнению с термическим отжигом, существует необходимость сравнения эффективности обоих типов отжига. В данном разделе представлены результаты только для PNP транзисторов с ЭПИК изоляцией, так как для NPN транзисторов были получены аналогичные результаты, вследствие чего приводить их нецелесообразно.
На первом этапе, шесть NPN транзисторов подверглись радиационному воздействию, после чего четыре из шести транзисторов подверглись воздействию повышенной температуры (120 С). Зависимости приращения тока базы от времени воздействия приведены на рис. 4.6. Видно, что термический отжиг радиационных дефектов во всех четырёх транзисторах происходит одинаково.
Один из транзисторов подвергся термическому отжигу при температуре 150 С, что позволило изучить зависимость эффективности термического отжига радиационных дефектов в транзисторах данного типа от температуры отжига. Последний из транзисторов подвергся инфракрасному отжигу, во время которого на переход эмиттер-база подавалось напряжение прямого смещения (при таком напряжении инфракрасный отжиг максимально эффективен). Зависимости приращения тока базы от времени воздействия для последних двух транзисторов приведены на рис. 4.7.
