Вплив опромінення на компоненти радіоелектронної апаратури і розробка методів підвищення їх радіаційної стійкості

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.382.001:539.16.04

Вплив опромінення на компоненти радіоелектронної апаратури і розробка методів підвищення їх радіаційної стійкості

05.27.06. - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Коваленко Микола Йосипович

Харків 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному аграрному університеті
ім. В.В. Докучаєва

Захист відбудеться " 30 " червня 1999 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.064.052.03 Харківського державного технічного університету радіоелектроніки, 310726, Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки, 310726, Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий " 20 " травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чурюмов Г.І.

АНОТАЦІЯ

Коваленко М.Й. Вплив опромінення на компоненти радіоелектронної апаратури і розробка методів підвищення їх радіаційної стійкості - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06. - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 1999.

Дисертація присвячена розробці технологічних методів та технології для виробництва інтегральних схем з підвищеною радіаційною стійкістю, на основі вивчення електрофізичних процесів, які мають місце в цих схемах при опроміненні. Запропоновані методики, основані на термоелектротренуванні, зміні схемотехнічних рішень, а також на використанні еліонних технологій. Одержані результати знайшли впровадження по формуванню профілів розподілу атомів віддачі в шаруватих структурах, розроблена також технологія виготовлення діафрагм субмікронних розмірів.

Ключові слова: радіаційна стійкість, технологія, інтегральна схема, термоелектротренування, еліонна технологія, діафрагма.

АНОТАЦИЯ

опромінення високоенергетичний радіаційний

Коваленко Н.Й. Влияние облучения на компоненты радиоэлектронной аппаратуры и разработка методов повышения их радиационной стойкости. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06. -технология, оборудование и производство электронной техники - Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена разработке технологических методов и технологии для производства интегральных схем с повышенной радиационной стойкостью, на основе изучения электрофизических процессов, которые имеют место в єтих схемах при облучении. Предложены методики, основанные на термоэлектротренировке, изменении схемотехнических решений, а также на использовании элионных технологий. Полученные результаты были внедрены при формировании профилей распределения атомов отдачи в слоистых структурах, разработана также технология изготовления диафрагм субмикронных размеров.

Ключевые слова: радиационная стойкость, технология, интегральная схема, термоэлектротренировка, элионная технология, диафрагма.

ABSTRACT

Kovalenko M.Y. Influence of irradiation of a radio electronic equipment components and development of methods of increasing their radiation stability. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.27.06. - technology, equipment and production of electronic engineering - Kharkov State Technical University of Radioelectronics, Kharkov, 1999.

The thesis is devoted to the development of technological methods and technology for production of the integral schemes with increased radiation stability on the bases of studies of electrophysical processes which take place in them under radiation. The techniques based on thermal electrotreating, modification of scheme technical solutions and on the use of elion technologies are offered. The obtained results are introduced when forming the profiles of response atom distribution in stratified structures, the technology of producing process of diaphragms of submicron sizes is also developed.

Key word: radiation stability, technology, integrated scheme, thermal electrotreating, elion technology, diaphragm.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хід відновлюючих робіт на Чорнобильскій АС показали, що системи керування спроектовані без урахування електрофізичних процесів, що мають місце в ІС при їх опроміненні втрачали здатність діяти навіть не відпрацювавши належний їм ресурс. Це стосується як систем керування роботів, апаратури встановленої на гелікоптерах, так і систем керування іншої спеціальної техніки, що діяла в радіаційному полі, створеному внаслідок аварійного стану.

Застосування приладів твердотільної мікроелектроніки в атомній енергетиці, в системах керування транспортних засобів, що використовуються в чорнобильській зоні, космічному приладобудуванні, у військовій техніці, призначеної функціонувати в умовах дії іонізуючого випромінювання атомних вибухів, а також велика чутливість напівпровідників до радіаційного випромінювання викликає інтерес серед прогресивних вчених та інженерів до розгляду проблеми, яка полягає у вивчені поведінки напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем (ІМС) в полях іонізуючих випромінювань. Атомні електростанції працюють так, що 11-13% радіоактивних речовин, які утворюються в атомному реакторі в процесі атомних перетворень викидаються в довкілля, в повітряний басейн, бо це радіоактивні інертні гази (аргон, ксенон, неон та ін.). Проблема в тому, що по своїй природі вони ні з чим не взаємодіють і знаходячись в повітряному, в водному та в біогенному середовищу, випромінюють гама, бета, альфа промені, які і створюють загальний радіаційний фон.

Кожні 25 років (час роботи атомного реактора) 9 реакторів викидають більше радіоактивних речовин (радіонуклідів) ніж в Чорнобильській катастрофі при пошкодженні атомного реактора. Рух транспорту призводить до розповсюдження забрудненості і чиста поверхня території України весь час зменшується. А радіоелектрона апаратура (РЕА), основу якої складають інтегральні схеми (ІС) та напівпровідникові (НП) прилади, як раз і працює в цих умовах. У зв'язку з цим проблема підвищення радіаційної стійкості (РС) компонентів РЕА, вивчення формування і поширення сигналів у ІС, опромінених високоенергетичними частинками набуває первинне значення.

Для вирішення цієї проблеми значний вклад внесли роботи Вавілова В.С., Ухіна Н.А., Шаховцова В.І., Хівріча В.І., Літовченко В.Г., Дячкіна В.П., Ткачова В.Д., Смірнова Л.С., Кулакова В.М., Ладигіна Є.А., Машовець Т.В., Вінецького В.Л., Конозенко І.Д., Мордкович В.Н., Конопльової Р.Ф., Шалаєва А.М., Вітовського Н.А. та зарубіжних вчених Й.-Х. Оцуки, Дж. Маєра, Г. Лейбфріда, Н. Броєра, Г. Ширмера, Р. Родеса, І. Ліндхарда, О.Оена, Й. Гібонса, П. Сігмунда, Г. Шиота, Д. Нельсона, Г. Андерсона та ін.

Питанням поведінки напівпровідникових матеріалів під дією опромінення присвячена значна кількість їх робіт. Але питанням формування і поширення електричних сигналів в опромінених у інтегральних схемах і структурах, з яких вони складаються, в них приділено мало уваги. Роботи по дослідженню процесів в структурах інтегральних мікросхем під час комбінованого (нейтрони+г-кванти, нейтрони+електрони, електрони+г-кванти) опромінення практично відсутні.

У зв'язку з цим комплексне визначення електрофізичних явищ в напівпровідникових структурах інтегральних схем під час дії на них потоків складних іонізуючих випромінювань, встановлення загальних закономірностей, зв'язків між процесами утворення радіаційних дефектів та зміною характеристик інтегральних схем є актуальним. Виникає потреба в розробці методів підвищення радіаційної стійкості інтегральних схем без корінної зміни технологічних засобів, поклавши в основу можливості еліонної та радіаційної технологій. А це є однією із складових завдань сучасних досліджень технології виробництва електронної техніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Робота виконувалася в Харківському державному аграрному університеті як складова частина науково-дослідної роботи кафедри фізики, що координувалася Радою з радіаційної фізики НАН України за темами: “Дослідження характеру дефектів виробів електронної техніки”, “Дослідження впливу випромінювання на об'єкти” (науково-дослідні роботи з господарсько-договірної тематики з Харківським фізико-технічним інститутом НАН України), у плані науково-дослідних робіт ХДАУ і Міністерства агропромислового комплексу України на 1995 - 2000 рр. з теми “Дослідження природи радіоактивних дефектів, що виникають при взаємодії радіоактивного випромінювання з речовиною та біологічними об'єктами”. А також в межах НДР “Дослідження фізичних механізмів формування профілей розподілу атомів віддачі та радіаційних дефектів при взаємодії заряджених та високоенергетичних частинок з шаруватими структурами на основі напівпровідників” у рамках програми згідно з координаційним планом Міносвіти України 1997-2000 рр. “…3. Комплексні дослідження ядерних процесів та створення на їх основі ядерно-фізичних методів для застосування в енергетиці та радіаційній безпеці ядерних енергетичних установок і технологій радіаційної модифікації матеріалів та екології”.

Мета роботи. Виходячи з викладеного, метою цієї роботи є розробка промислових технологій виготовлення інтегральних мікросхем, підвищеної радіаційної стійкості на основі комплексного вивчення динамічних процесів у їх опромінених шаруватих структурах (виготовлених на основі р-п переходів і структур метал-оксид-напівпровідник) та встановлення закономірних зв'язків між процесами радіаційного дефектотворення і динамічними параметрами інтегральних схем.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані задачі:

Оцінити поведінку транзисторних структур у полі високоенергетичного опромінення, використавши для відтворення реальності процесів електрофізичну модель.

Для вияву деформації електричних сигналів, що поширюються в опромінених ІС, дослідити зміни ВАХ їх активних і пасивних компонентів.

Проаналізувати вплив складного радіаційного фактору на характеристики біполярних та МОН-компонентів ІС різних технологій виготовлення.

Розробити технології, забезпечуючи отримання ІС підвищеної РС з використанням прискорених пучків іонів, електронів, а також на основі визначення фізичних процесів, відповідальних за інтенсивність радіаційного дефектотворення.

Наукова новизна. Під час проведення систематичних досліджень одержані теоретичні і експериментальні результати, наукова новизна яких полягає у наступному:

Вперше досліджено параметри тестових комірок ІС та мікросхем МОН-технології в комплексі зі зміною динамічних параметрів під дією опромінення високоенергетичними частинками.

Вперше проведено дослідження поведінки компонентів інтегральних схем на основі фізико-математичної моделі з відтворенням складного радіаційного фону, які показали на збільшення нелінійностей характеристик транзисторів та опорів, які викликають деформацію сигналу, що поширюється в РЕА та ведуть її до відказу.

Вперше проаналізовано дію складного радіаційного фактору на компоненти ІС. Показано, що послідовне бомбардування різними видами опромінення веде до радіаційного відпалу раніше введених радіаційних дефектів. Ефект від комбінованої взаємодії не є сумою деградацій, а є складною функцією їх взаємодії.

Аналіз світлового випромінювання, що виникає в структурах ІС при бомбардуванні високоенергетичними частинками показав, що це веде до генерації фотострумів, які здатні змінювати робочі характеристики ІС, що в свою чергу призводить до збоїв у передачі інформації і повному відказі при аварійних ситуаціях.

Обчислені характеристики надійності ІС і обгрунтоване використання радіаційно-стимульованих технологічних процесів (обробка пластин електронним пучком та іонним легуванням) для підвищення їх радіаційної стійкості.

Удосконалено процес підвищення РС ІС МОН-технології та мікросхем на основі біполярних транзисторів за рахунок термопольових випробувань. Розроблені критерії основних режимів термоелектротренування (ТЕТ).

Проаналізоване схемотехнічне вирішення інтегральної схеми ТТЛ, яке привело до підвищення її швидкодії, але викликає зниження її радіаційної стійкості.

Практична цінність одержаних результатів надає можливість за побудованими електричними моделями і розробленими методиками пояснити механізм радіаційної деградації ІС різної технологій виробництва.

Вони можуть бути використані при інженерних розробках конкретних інтегральних схем при їх проектуванні і виробництві, з метою підвищеної їх радіаційної стійкості. Деякі з наших результатів використані в Харківському державному університеті при виконанні науково-дослідної тематики.

Результати цієї роботи можуть бути також використані:

при розробці радіаційно-стійких інтегральних схем здатних працювати в полях високоенергетичного опромінення і визначення їх критичних елементів;

при виробництві ІС, підвищеної радіаційної стійкості, використавши ТЕТ компонентів РЕА;

при експлуатації апаратури, що була певний час у радіаційному полі, (дія температурного нагріву РЕА і активної її роботи у інтенсивних режимах після опромінення дозволяє повертати її в робочий стан);

при виробництві інтегральних схем в технології радіаційно-стійких приладів твердотільної мікроелектроніки для чого потрібно користуватися радіаційними технологіями (опромінення НП компонентів електронами, нейтронами, гамма-квантами та іонами).

при виробництві діафрагм субмікронних розмірів для формування електронних, іонних і рентгенівських пучків.

Обгрунтованість та достовірність одержаних результатів визначається їх збігом при використанні незалежних методів дослідження шаруватих структур компонентів ІС, а також забезпечується використання строгих методів теорії р-п переходів і теорії надійності, їх апробацією на наукових семінарах і конференціях, публікаціями у наукових журналах і тематичних збірниках, впровадженні в навчальний процес.

Наукові результати дисертаційної роботи можуть бути використані на підприємствах як України так і інших держав, на заводах у виробництві ІС: “Хартрон” м. Харкова, “Гравітон” м. Чернівці, на Запорізькому заводі напівпровідникових приладів, а також в Одеському університеті зв'язку, Українському інституті ядерних досліджень для теоретичних і експериментальних досліджень та визначення впливу високоенергетичного опромінення на формування і поширення сигналів у компонентах радіоелектронної апаратури. Крім того, результати виконаної роботи можуть бути використані при викладанні загальних дисциплін і спецкурсів з технології у вищих навчальних закладах відповідного фаху.

Основні положення дисертації, що виносяться до захисту.

Результати дослідження параметрів біполярних транзисторів інтегральних схем і транзисторів МОН ІС під впливом високоенергетичних частинок. При осцилографічному і модельному дослідженні вольтамперних характеристик інтегральних компонентів виявлено, що час опромінення збільшуються нелінійності характеристик елементів ІС. Це викликає деформацію сигналу, що поширюється в ІС і у РЕА і призводить до її відказу.

Отримані експериментальні залежності параметрів транзисторних структур під впливом комбінованих опромінюючих факторів (гама + нейтрони, електрони + нейтрони, гама + електрони) і під впливом відпалу в діапазоні температур 20-120?С. Виявлено, що вплив складного радіаційного чинника веде до радіаційного відпалу раніше введених дефектів вже в процесі "бомбардування" і ефект від комбінованого впливу не є сумою деградацій, що спостерігаються при бомбардуванні тими ж флюенсами і потоками окремо, а є складною функцією їхньої взаємодії.

Аналіз світлового випромінювання, що виникає в конструкційних матеріалах ІС при бомбардуванні їх високоенергетичними частинками, показав, що його інтенсивності достатньо для генерації фототоків, які спроможні привести прилад у неробочий стан, тобто призвести до збоїв під час передачі інформації або ж до повного відказу.

Запропоновані рекомендації для розроблювачів ІС, що дозволяють підвищувати РС приладів, призначених для роботи в умовах впливу опромінення. Показана необхідність в використані напівпровідників непрозорих у видимій і ближній інфрачервоній області спектру (наприклад, германій), як основний НП матеріал, а з застуванням активних домішок - хімічних елементів, що формують відносно глибокі енергетичні рівні. Для ізоляції шарів напівпровідника варто використовувати діелектрик, який був би непрозорим у видимій і ближній інфрачервоній області спектру.

Аналіз процесу розсіювання неосновних носіїв заряду в транзисторах і тест-комірках ІС під час високоенергетичного опромінення показав залежність його від технологій виготовлення структур.

Отримані результати дозволяють зробити висновок про те, що під час опромінення структур ІС світові потоки, що виникають у них, більше впливають на р-п переходи зовсім небомбардировані або бомбардировані малим флюенсом нейтронів (1011 - 1012 н·см-2) у порівнянні з бомбардированими великими флюенсами (5•1013 - 1014 н·см-2).

Розроблений метод ТЕТ ІС, виготовлених по уніполярній і біполярній технологіям. ТЕТ підвищує надійність твердотільных структур, усуваючи потенційно ненадійні ділянки р-п переходів і в тонких прошарках, приводячи їх у рівноважний стан із навколишньою матрицею кристала. При збільшенні часу ТЕТ РС ІС підвищується. Показано, що вплив ТЕТ більш ефективний в порівнянні з термотренуванням. Це результат додаткових процесів електродифузії домішок й активних центрів під дією електричного поля. У мікросхемах, що пройшли ТЕТ, спостерігається менше залишкових потенційно ненадійних ділянок, які при перевірці в системах вихідного контролю не виявляються.

Використання радіаційних технологій показало перспективність їх застосування для підвищення РС виробів мікроелектроніки.

Вперше наведені рекомендації щодо застосування електронних пучків (для створення в пластинах кремнію перед проведенням технологічного процесу термодифузії рівномірно розподілених дефектів), які дозволяють одержувати партії транзисторів із вузькими максимумами розподілу електричних параметрів. Процес угрупування значень параметрів у більш гострі максимуми на кривих розподілу дозволяє одержувати більш надійні структури ІС при опроміненні.

Вперше показано, що максимальна РС ІС МОН-технології, виготовлених з застосуванням іоно-променевої технології, наступає при легуванні потоками до 6·1014 іон·см-2. Це не збігається зі значенням потоків 8·1014 іон·см-2 для максимального відсотка виходу годних ІС (82%). Тому для одержання більш радіаційно-стійких мікросхем варто обмежитися меншим відсотком виходу годних ІС (56% при потоках до 6·1014 іон·см-2). Параметри таких ІС більш кориговані і мають меншу дисперсію у їхньому розподілі.

Аналіз роботи ІС на біполярних структурах показує, що деякі схеми ТТЛ більш чутливі до радіаційного впливу в зв'язку з відсутністю (при проектуванні схемо-технічних рішень) аналізу їхньої можливої роботи в умовах високоенергетичного опромінення. Запропоновано схемотехнічне рішення, що дозволяє підвищити РС мікросхем.

Розроблену технологію виготовлення прецизійних діафрагм мікронних і субмікронних діаметрів, товщиною 0,1 - 2 мм для рентгенолітографії та формування пучків корпускулярного випромінювання малого діаметру і великої густини.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці промислових технологій виготовлення інтегральних мікросхем, підвищеної РС, а також в побудові теоретичних [4, 5] і електрофізичних [6] моделей поведінки опромінених компонентів РЕА, у результатах дослідження імпульсних характеристик опромінених планарних транзисторних структур [3], в одержані і аналізі температурних залежностей h-параметрів транзисторів і тест-комірок, опромінених нейтронами і складним опромінюванням [1, 2, 8, 9], в аналізі впливу світлового випромінювання, що виникає під час проходження корпускулярних частинок в структурах інтегральних схем на імпульсні параметри планарних транзисторних структур і інтегральних схем [4]. Внесок автора також полягає в розробці методів і технологічних режимів підвищення РС і планарних транзисторних структур, ІС МОН-технології та мікросхем на основі біполярних структур доцільними режимами ТЕТ [10, 11].

Апробація робіт. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на наукових семінарах і конференціях Харківського державного університету, Харківського державного технічного університету радіоелектроніки, інституту фізики НАН України, НІІ "Шторм" (Одеса), Харківського військового університету, Харківського державного аграрного університету, а також на науково-технічних і міжнародних конференціях "Проблемы совершенствования систем управления и связи", (Харків, 1997), "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (Алушта, 1997), "Питання біоіндикації і екології" (Запоріжжя, 1998).

Публікації. Результати, викладені в даній дисертаційній роботі, надруковано у дванадцяти статтях у наукових журналах та збірниках, у трьох тезах міжнародних наукових конференцій і тощо.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури із найменувань. Загальний об'єм дисертації складає машинописного тексту, рисунків і таблиць.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність вибраного напрямку досліджень, формуються ціль і основні задачі роботи, наукова новизна, практична цінність і основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі “Про дефекти, які впливають на нелінійності динамічних характеристик інтегральних схем”, першому підрозділі “Дефектоутворення в матеріалах мікроелектроніки при іонізуючому впливі” розглянуті літературні дані по дефектотворенню в напівпровідникових матеріалах інтегральної електроніки при дії іонізуючого опромінення. Проаналізовані основні типи дефектів, що виникають у НП типу германія і кремнію при опроміненні різними типами високоенергетичних частинок (нейтрони, гамма-кванти, електрони). Ці дефекти, в основному, впливають на проходження електричного сигналу через напівпровідник.

В основу покладені теоретичні уявлення Кінчина, Піза і Ліндхарда. Показано, що на проходження сигналу через НП, який опромінений високоенергетичними частинками, впливають не тільки крапкові дефекти, а й значні їх об'єднання у вигляді кластерів. В вивчення кластерів значний вклад зробили Бертолотті, Ухін та Госік. Вони показали, що кластери дефектів мають ядро і зовнішній просторовий заряд. Ці області мають різну концентрацію носіїв заряду в центрі і на периферії. Ухін провів експерименти з використанням ЕОМ. Він вважав, що області безпорядку в кремнії після завершення нестаціонарних процесів являють собою складні структури із насиченого дівакансіями ядра та оболонки із комплексів моновакансій з атомами домішки.

Аналіз рівня Фермі показав, що в об'ємі НП створюється потенціальний рельєф. Це повинно впливати на рух носіїв заряду. Ми вважаємо, що ці результати, а також результати Госіка показали, що кластерні дефекти, які виникають при опроміненні, впливають на параметри і характеристики електричного сигналу (форму, часові характеристики і інші динамічні параметри).

В другому підрозділі першого розділу “Мікронеоднорідності напівпровідників та інтегральних структур при опроміненні” приведені експериментальні результати дослідження мікроструктури бомбардованих високоенергетичними частинками НП зразків та ІС. Показано, що у напівпровідниках при цьому мають місце механічні напруження, рекристалізація, вибухова кристалізація і утворення областей з модуляцією провідності. При опроміненні ІС мала місце зміна пластичних властивостей матеріалу, відшарування діелектричного шару від НП, розриви золотих провідників в місцях спаювання з золотими стежками, де вони перебувають у напруженому стані. При тих же дозах гамма-квантів в ІС, що пройшли ТЕТ явищ відшарування, розривів та деформації золотих стежок не було.

В другому розділі “Дослідження технологій підвищення радіаційної стійкості ІС, приготування експериментальних зразків” приведені характеристики об'єктів досліджень, пристроїв, технології і методики досліджень.

Розглянуті технологічні питання виробництва ІС на основі кремнію тому, що основою електронних НП приладів являються комбінації монокристалу напівпровідника з шарами діелектрика і металу.

Процеси радіаційного дефектотворення в шаруватих структурах відрізняються від таких в однорідному НП. Це пов'язано з полями механічних і електричних напружень, що обумовлено неоднорідним розподілом домішок і структурних дефектів в напівпровіднику.

Найбільш поширеними кремнієвими структурами є планарні транзистори, які являються основою ІС і в першу чергу транзисторно-транзисторної логіки. Досліджувалися також уніполярні ІС та вивчалися процеси не тільки в об'ємі НП, а і в при поверхневому шарі Si-SiО, Si-Al, SiO-Al. Ці процеси часто обумовлюють РС виробів твердотільної електроніки.

Розглянуті технологічні питання виготовлення ІС на сонові р-п переходів, і МОН структур. Досліджувані тест-комірки виготовлялись в єдиному технологічному циклі з ІС. Вони потім опромінювалися при тих же умовах в єдиній партії, що і ІС. Використання тест-комірок пов'язане з тим, що параметри транзисторів, резисторів в ІС не можна контролювати в схемі окремо як до опромінення, так і після, бо є взаємний вплив цих елементів.

Опромінення велось потоком нейтронів з енергією 1,8 МеВ на горизонтальному каналі Київського реактора. Для опромінення з енергією в 14 МеВ нейтронами був використаний генератор нейтронів.

Інтегральні структури, інтегральні схеми та тест-комірки опромінювались на гамма установці типу “Исследователь” в ХДУ.

Опромінення структур швидкими електронами велось на лінійному прискорювачі електронів "Електроніка" інституту фізики НАН України. Енергія електронів 1,5-5 МеВ, струм. Опромінення велось при температурі 60?С. Струм електронного пучка контролювався за допомогою циліндрів Фарадея з точністю 20%.

Опромінення кремнієвих структур іонами бору до доз 1014-5·1016 іон·см-2 проводилось на прискорювальній установці розділенням по масам ("Везувій-1А"). Густина іонного струму - до 10 мкА·см-2, температура зразка біля 90?С. Це не дозволяло утворюватися органічним плівкам на поверхні кремнію.

Проведені дослідження перебігу фізичних процесів в бомбардованих зразках. Для цього використовувались стандартні методи світлової і електронної мікроскопії - мікрофотографування на установці “НІОФОТ” в видимому світлі, в електронному мікроскопі на “просвіт” і в растровому електронному мікроскопі на відображення.

Поряд з цим велись електричні вимірювання параметрів р-п переходів, глибини положення р-п переходів і розподілу домішок, імпульсних характеристик транзисторних структур, тест-комірок та динамічних параметрів мікросхем для елементів, що були опромінені нейтронами, гамма-квантами та електронами.

Опромінення велось не тільки окремими видами опромінення, але і комбінованими видами опромінення. Були використані заводські установки для ТЕТ до 13 діб.

Розроблені технологічні прийоми для використання радіаційної технології при виробництві НП транзисторів і ІС.

Внаслідок проведених експериментів пропонується технологія виготовлення діафрагм в твердому тілі діаметром 10-50 мікрон, які можуть використовуватися для формування пучків рентгенівського проміння, гамма-квантів, б-частинок і пучків високоенергетичних іонів.

Третій розділ “Вплив високоенергетичного опромінення на компоненти інтегральних схем та їх надійність”. При проходженні сигналу в виробах твердотільної електроніки, опромінених високоенергетичними частинками, він деформується за іншими законами, ніж в неопромінених. Вірогідно, що це обумовлено зміною характеристик компонентів. Виникає завдання побудови моделі зміни частотних характеристик діодних і транзисторних структур під час опромінення, експериментального вивчення впливу опромінення на імпульсні характеристики транзисторних структур і впливу на імпульсні характеристики світлових потоків, а також аналізу можливих причин виникнення фотострумів в структурах ІС. А тому, що в реальній ситуації має місце опромінення високоенергетичними частинками з складним спектром, то формулюється задача дослідження поведінки структур ІС в таких умовах.

Приведені результати теоретичних досліджень по визначенню впливу опромінення на частотні властивості р-п переходів та частотні параметри транзисторних структур, виготовлених по різним технологіям. Проаналізована зміна концентрації домішки в р-п переходах, зміна глибини залягання р-п переходів, зміна їх ширини і ємності при високоенергетичному опроміненні. Одержаний розподіл домішки для дифузійного р-п переходу з врахуванням коефіцієнта радіаційно-стимульованої дифузії.

Визначення максимальної частоти генерації дифузійного транзистора при опроміненні високоенергетичними частинками знаходиться із виразу ( - коефіцієнт підсилення на низькій частоті; - коефіцієнт дифузії дірок в n-області; - омічний опір бази; - коефіцієнт дифузії при опроміненні).

Одержані також формули для транзисторів, виготовлених за іншими технологіями. Ці формули показують, що залежність межових частот транзисторів визначаються початковим розподілом домішок. Нижче приведені результати розрахунків на ЕОМ залежностей межових частот від інтегрального потоку опромінення і технології виготовлення (рис. 1, кр.1) і результати експериментальних досліджень (рис. 1, кр.2).

Необхідно відмітити, що максимальну РС мають ті структури, які характеризуються такою зміною положення р-п переходів і їх ширини, коли базова область при опроміненні зберігає геометричні розміри, а нахил кривих розподілу електрично-активних центрів в областях р-п переходів практично не змінюється.

Далі приведені результати досліджень впливу високоенергетичного опромінення на імпульсні характеристики транзисторних структур (на час розсіювання дифузійних транзисторних структур ІС). Для достовірної обробки інформації використовувалось фотографування імпульсів з екрану осцилографа.

Для оцінки впливу освітлення р-п переходів на імпульсні характеристики транзисторних структур використовувалося світло електричної лампи розжарювання. Дію теплового потоку нейтралізували водяним фільтром. Освітлення змінювалося в межах 300-11000 люкс.

Збільшення флюенса бомбардуючих нейтронів веде до збільшення часу розсіювання, до генерації зарядів, а звідси і до збільшення цього часу. При цьому час розсіювання зменшується при збільшенні флюенса бомбардуючих нейтронів від 1011 до 1014 н·см-2. Підвищення амплітуди вхідного сигналу веде до зростання часу розсіювання при флюенсі 1011-1013 н·см-2, але майже не веде до змін при флюенсі 1014 н·см-2. При освітленні 320 лк маємо таку ж залежність.

При опроміненні корпускулярними частинками в інтегральних структурах виникає освітлення, еквівалентне світловим потокам в кілька люкс. При цьому, світлові потоки, що попадають в шар окислу кремнію можуть переходити з однієї структури в другу. В р-п переходах, в МОН-структурах генеруються фотоструми. Навіть при малій середній інтенсивності таких фотострумів, вони викликають заміну електричних характеристик, а також ведуть ІС до збою в роботі.

Результати аналізу поведінки тест-комірок і транзисторних структур, опромінених нейтронами, гамма-квантами і нейтронами плюс гамма-квантами показують, що при комбінованому опроміненні відбувається радіаційний відпал дефектів, введених попереднім бомбардуванням.

Аналіз вихідних параметрів ІС ТТЛ, а також оцінка їх надійності показали, що вони зберігають свої робочі параметри до флюенса 1014 н·см-2.. При дії флюенса 5·1014 н·см-2 ІС ТТЛ практично перестають функціонувати.

Для кращого розуміння електричних процесів, що мають місце в компонентах ІС при поширенні сигналів були проаналізовані ВАХ НП резисторів і транзисторів виготовлених в вигляді тест-комірок за різними технологіями. Показано, що нахил ВАХ резисторів визначається флюенсом нейтронів, або дозою гамма-квантів. Характер кривих визначається геометрією і типом ізоляції. Так, ізоляція р-п переходами визначає значні нелінійності, бо струм, що виникає при передачі сигналів взаємодіє з переходом, а він сам є нелінійним елементом. Це веде до значного спотворювання сигналу. Бомбардування призводить до появи в районі р-п переходу пошкоджених областей і це підсилює деформацію сигналу.

Аналіз вихідних характеристик транзисторних структур, опромінених високоенергетичними частинками показує, що відбувається зменшення коефіцієнта підсилення, деформація характеристик і збільшення їх нелінійностей. Тому проведено моделювання процесів поширення сигналу в НП, що мають кластери дефектів. Виходячи із фізичних процесів та теоретичних уявлень, була вибрана транзисторна структура, в якій можна було пропускати струм в смузі частот 200 гц - 40 Кгц через базову область і регіструвати сигнал в області емітер-база.

При проходженні змінного струму по НП вподовж площини р-п переходу, що моделює зовнішню межу кластерів дефектів, виникає змінна напруга. Вона відрізняється по формі і амплітуді від прикладеної. Із збільшенням струму деформація сигналів в області заізольованій р-п переходом збагачується вищими гармоніками і завдяки асиметричності деформації з'являється постійна складова. При проходженні сигналу паралельно кластерам виникають зміни в формі р-п переходів і електричних полів. Це веде до деформації сигналу, що поширюється в НП приладах, матеріал яких має кластери дефектів такого типу.

Можна зробити слідуючи узагальнення.

Одержані розрахункові формули для визначення зміни частотних параметрів транзисторів при опроміненні в залежності від технології їх виготовлення. Розраховані на ЕОМ залежності межових частот транзисторних структур порівняно з отриманими експериментальними залежностями при опроміненні нейтронами з енергією 14 МеВ. Відхилення становить близько 10 %.

Вивчено вплив високоенергетичного випромінювання на імпульсні параметри транзисторів в залежності від термопольових впливів і освітлення р-п переходів.

Показано, що інфрачервоне і світлове випромінювання, яке утворюється в процесі бомбардування корпускулярними і квазікорпускулярними частинками здатне генерувати в інтегральних структурах фотоструми, які можуть виводити ІС в непрацездатний стан.

Досліджено вплив комбінованого випромінювання на параметри тест-комірок і транзисторних структур, вплив температури відпалу на параметри транзисторів. Ефект дії такого випромінювання не є сумою впливу різних типів випромінювання, а має складну залежність. На її хід впливає радіаційний відпал дефектів, тобто відпал дефектів в час опромінювання.

Експериментально досліджено вплив нейтронного і гамма опромінення на параметри ІС ТТЛ. Проаналізована їх надійність при нейтронному опроміненні.

Порівнювальне вивчення ВАХ транзисторних і резисторних структур з допомогою двохпроменевого осцилографа показало збільшення нелінійностей їх характеристик при опроміненні. Моделювання процесу поширення сигналу в НП, які містять кластери радіаційних дефектів, а також використання гармонічного аналізу дозволяє пояснити ці зміни.

Розділ четвертий “Розробка способів підвищення радіаційної стійкості виробів твердотільної електроніки” присвячений розробці способів підвищення РС виробів ІС.

Сформульована задача вирішувалась дією електричних полів і температури (рис 2), попереднього опромінення електронними пучками кремнію і структур на його основі, використанням іонних пучків.

Показано, що ТЕТ компонентів - це ефективний засіб підвищення її надійності при дії потоків високоенергетичних частинок. Розроблено теоретичне обгрунтування методу на основі класичних понять Ареніуса, а також факту, що введення в НП енергії в вигляді нагріву, освітлення, опромінення гамма-квантами, чи імплантацією високоенергетичних частинок майже завжди приводить до однакових наслідків. Бо ефекти, що виникають при цьому залежать лише від рівня енергії, яка може бути передана в одиничному акті взаємодії з атомом, що знаходиться в вузлі кристалічної гратки, або між вузлами.

Шарувата НП структура р-п перехід чи метал-окисел-напівпровідник в процесі технологічних операцій їх виробництва формують значні механічні і електричні напруження в малих областях - в об'ємах менших 0,01 мкм3. Тому області радіаційного дефектотворення з лінійними розмірами 10-8 м грають роль гострого леза, що розтинає область напруженості подібно лезу бритви, яке розтинає туго натягнуту нитку.

При термотренуванні внаслідок термодифузійних процесів зменшуються градієнти напруженості в областях р-п переходів та в суміжних областях метал-окисел-напівпровідник. Вплив електричних полів також поліпшує умови врівноваженості в р-п переходах і в суміжних областях МОН-структур (це показано в п.п. 1.1).

Вивчення впливу ТЕТ на РС ІС показало, що воно стабілізує структури, їх електричні параметри, а також:

ТЕТ збільшує РС планарних структур.

ТЕТ підвищує РС схем ТТЛ. При проведенні ТЕТ більше 168 годин починається насичення РС, тобто при дальшому проведенні ТЕТ РС практично не збільшується.

Уніполярні ІС також підвищують РС під дією ТЕТ (>70 годин).

Вивчений позитивний вплив ТЕТ на зміну амплітуди додатної і від'ємної перешкоди, що виникає в комунікаційному полі ІС 143, а також на її довжину.

Розроблена термодинамічна модель фізичних процесів впливу ТЕТ на РС НП структур ІС.

Показано, що механізм процесів, які покращують характеристики уніполярних ІС відрізняється від механізму в біполярних структурах. Це обумовлено тим, що носіями заряду в уніполярних структурах виступають основні носії порівняно з неосновними носіями в біполярних структурах. Відміна обумовлена також різними характеристиками меж. В біполярних структурах межі грають меншу роль, бо в них визначальне значення мають об'ємні властивості.

Розглянуті питання використання радіаційної технології виробництва компонентів РЕА для підвищення їх РС. Іонне легування при виробництві ІС на МОН-структурах, а також попереднє опромінення технологічних пластин кремнію потоками електронів приводить до групування в партії по робочим параметрам, яке значно відрізняється від групування приладів, які виготовлені термодифузійною технологією.

Показано, що партії ІС і транзисторів, що мали більш вузький розподіл по параметру, характеризуються вищою РС.

Проведений аналіз можливості підвищення РС ІС ТТЛ за рахунок зміни її електричної схеми. Показано, що використання електричного кола із транзистора і двох резисторів для зменшення часу включення і виключення при опроміненні веде до від'ємного ефекту при опроміненні, так як робоча точка транзистора зміщується на кривій. Це призводить до значної деформації сигналу, що поширюється. Тому пропонується замінити транзистор з двома резисторами в таких схемах на один резистор.

ВИСНОВКИ ТА ПРОПОЗИЦІЇ

Розробці радіаційно-стійких ІС в Україні приділяється мало уваги. Як показали події останніх років, необхідні технології виробництва радіаційно-стійких ІС, призначених для роботи в умовах відкритого космосу, у військовій апаратурі і системах управління атомними установками. Підвищення РС РЕА не може бути досягнуте без розроблення конкретних технологій виробництва компонент із підвищеною радіаційною стійкістю.

При виконанні даної роботи проведені дослідження з вивчення електрофізичних процесів у компонентах РЕА, підданих опроміненню, та по розробці технологій і технологічних методів підвищення РС ІС.

На підставі отриманих результатів можна зробити такі висновки:

зміни частотних характеристик транзисторних структур можна проаналізувати за допомогою отриманих нами формул;

при впливі опромінення складного складу спостерігається радіаційний відпал раніше введених радіаційних дефектів;

опромінення веде до збільшення нелінійностей характеристик резисторних і транзисторних структур;

спостерігається перерозподіл енергії між гармонійними складовими сигналу, що пояснюється наявністю кластерів дефектів;

аналіз процесів показав, що світлове випромінювання, яке виникає в місцях гальмування первинно зміщених атомів, здатне виводити з робочого стану транзистори та ІС;

якщо структури були раніше піддані опроміненню, то на такі структури вплив, світлових потоків що виникають в них, понижений.

Запропоновані для розроблювачів технологій ІС рекомендації, передбачають у якості основного НП матеріалу використовувати НП непрозорий у видимій області спектра, а для активних домішок застосовувати елемент, що формує глибокі енергетичні рівні. Для ізоляції використовувати діелектрики, непрозорі у видимій області спектра.

Для підвищення РС ІС запропоновано використовувати розроблені нами технології, засновані на:

застосуванні електронних пучків;

застосуванні технології іонного легування;

використанні оптимальних режимів термоелектротренування.

Слід зазначити високу чутливість деяких схем до радіаційного впливу, що є результатом відсутності попереднього аналізу їхньої можливої роботи в умовах радіаційного опромінення.

Достовірність отриманих результатів визначається їхнім збігом при використанні незалежних методів дослідження шаруватих структур компонент ІС і самих ІС, а також забезпечується використанням суворих методів теорії р-п переходів і теорії надійності, апробацією на наукових семінарах і конференціях, публікаціями у наукових журналах і тематичних збірниках, впровадженням в навчальний процес, при виконанні НДОКР у НДТІ приладобудування (м. Харків) і НДР Харківського державного університету.

Результати дослідження доцільно використовувати науково-дослідними установами, підприємствами промисловості при проектуванні і виробництві радіаційно-стійких ІС, шляхом запропонованих технологій і методів.

При експлуатації РЕА, яка знаходилась певний час у радіаційному полі, можливо відновлення її працездатності впливом допустимого температурного нагрівання і роботою в інтенсивних режимах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гнап А.К., Коваленко Н.И., Клименко К.С. Комбинированное облучение транзисторных структур // Информационные системы. - Харьков: НАН Украины, ПАНИ, ХВУ. - 1994. - Вып. 2 - С. 14 - 21.

2. Коваленко Н.И. Влияние потоков высокоэнергетичных нейтронов на параметры планарных транзисторных структур // Информационные системы. - Харьков: НАН Украины, ПАНИ, ХВУ. - 1994. - Вып. 2 - С. 39-46.

3. Гнап А.К., Клименко К.С., Коваленко Н.И., Пелихатый Н.М. Влияние высокоэнергетического излучения на импульсные свойства транзисторных структур // Управление и связь. Харьков, НАН Украины, ПАНИ, ХВУ, 1997, с. 84-90.

4. Гнап А.К., Клименко К.С., Коваленко Н.И., Пелихатый Н.М. Световые потоки в интегральных структурах при высокоэнергетичном облучении // Информационные системы. - Харьков: НАН Украины, ПАНИ, ХВУ. - 1997. Вып. 1(5). - С. 55-63.

5. Гнап А.К., Коваленко Н.И., Клименко К.С. Изменение параметров p-n перехода при радиоактивном облучении // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 1997. - № 3. С. 42-45.

6. Гнап А.К., Коваленко Н.И., Пелихатый Н.М. Моделирование процессов распространения сигнала в полупроводнике содержащем кластеры // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 1997. - № 4. - С. 117-118.

7. Коваленко Н.И., Гнап А.К., Клименко К.С. Температурная зависимость h-параметров планарных транзисторных структур // Материалы НТК. "Проблемы совершенствования систем управления и связи". - Харьков: НАН Украины, ПАНИ, ХВУ. - 1997. - С. 5.

8. Гнап А.К., Коваленко Н.И., Клименко К.С. Влияние термоэлектротренировки на надежность интегральных микросхем // Информационные системы. - Харьков: НАН Украины, ПАНИ, ХВУ. - 1998. - Вып. 1(9). - С. 32-42.

9. Гнап А.К., Коваленко Н.И., Клименко К.С. Метод повышения надежности транзисторных структур // Информационные системы. - Харьков: НАН Украины, ПАНИ, ХВУ. - 1998. - Вып. 2(10). - С. 112-119.

10. Гнап А.К., Походенко М.П., Оніщенко В.В., Інягін А.А., Коваленко М.Й. Відео локація природи речовини і біологічних об'єктів / Тези міжнародної конференції "Питання біоіндикації і екології". - Запоріжжя - 1998. 136 с.

11. Гнап А.К., Коваленко Н.И. Динамика параметров интегральных схем при воздействии излучения // Технология приборостроения. - Харьков: НИТИП, - 1998. №2. - С. 75-80.

12. Гнап А.К., Коваленко Н.И. Термотренировка полупроводниковых приборов и интегральных схем // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 1999. - №1. С. 72-74.

Размещено на Allbest.ru