Воздействие ионизирующих излучений на структуры металл-диэлектрик-полупроводник и приборы на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



С-*

с-

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Для служебного пользования Экз. № У5

УДК 621.382:539.1.04

БОГАТЫРЕВ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

01.04Л0 - фишка полупроводников и диэлектриков 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск-1998

Работа выполнена в Институте физики твердого тела и полупроводников HAH Беларуси

Научный консультант - член-корреспондент НАНБ, доктор технических наук, профессор КОРШУНОВ Ф.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ПЕРШЕНКОВ B.C. (МИФИ, Москва);

доктор физико-математических наук ЯРЖЕМБИЦКИЙ В.Б. (БГПА, Минск);

доктор технических наук

ДУТОВ А.Г. (ИФТТП НАНБ, Минск)

Оппонирующая организация - Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники

Защита диссертации состоится 19 июня 1998 г. в 14.00 на заседании Совета по защите диссертаций Д01.06.01 Института физики твердого тела и полупроводников HAH Беларуси (220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела и полупроводников НАНБ.

Автореферат разослан "iL" мая 1998 г.

Ученый секретарь Совета по защите диссертаций доктор физ.-мат. наук

В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время полупроводниковые приборы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или металл-оксид (БЮгЭ-полупроводник (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.

Изучите 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 (РС) 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 РС 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 РС МДП-транзисторов и ИМС. Но в связи с различиями в технологии у разных изготовителей эти методы нельзя непосредственно использовать для обеспечения РС конкретных типов МДП-приборов. Следовательно, имеет большой практический интерес протезирование РС 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 РС МДП ИМС; токовый отжиг облученных МДП ИМС.

Большое практическое значение имеет применение радиационно-термичес-кой обработки (РТО) для повышения РС, 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 радиационностойкш приборов представляют исследования: радиационных свойств МДП-структур с диэлектрическими слоями оксинитрида кремния и оксида ниобия; влияния ИИ на КМОП/КНИ структуры на основе пористого кремния; воздействия ИИ на структуры металл-ОаАБ и приборы на их основе - диоды и транзисторы с барьером Шоттки (ДШ и ПТШ) при различных электрических и температурных режимах.

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-структурах 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 задачи:

- 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 РС МДП-приборов;

- разработка и совершенствование методов повышения РС МДП-транзисторов и ИМС;

- разработка и применение методов радиациошго-термической обработки в технологии МДП-приборов;

- выяснение особенностей влияния гамма- и нейтронного излучений на параметры структур металл-ваЛв и приборов на их основе (ДШ, ПТШ) при различных электрических и температурных режимах.

н: тестовые МДП-структуры и транзисторы на основе различных диэлектриков: БЮг, 5!з1Ч4, №205; серийные МДП-транзисто-

ры с индуцированными и встроенными п- и р-каналами; стандартные логические КМОП ИМС (элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Ж-тригтеры, преобразователи уровня); КМОП БИС (статические ОЗУ, арифметические умножители); р-МОП ИМС (ИЛИ-НЕ/ИЛИ); п-МОП БИС (дшамические ОЗУ); тестовые элементы БИС на основе структур металл-ваАз (ДШ, ПТШ).

и Облучение МДП-приборов проводилось гамма-квантами Со60, рентгеновским излучением с энергией 180-200 кэВ и электронами с Ее=4-25 МэВ на линейных ускорителях. Тестовые ОаАя 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-тран-зисторов и ИМС до и 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.

а. 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<~5-10 -10 см -с на параметры МДП-приборов: обнаружены минимумы РС у МДП-транзисторов в области фся1012 см 2-с-1, а у КМОП ИМС - при <ре=109-Ю10 см"2 с_1.

Предложена физическая модель образования встроенного положительного заряда в диэлектрике МОП-транзисторов в зависимости от интенсивности электронного облучения в диапазоне 10п-1014 см -с .

Разработаны методы прогнозирования РС 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 РС МОП-приборов по исходным ИК-спектрам пропускания подзатворных пленок 5Юг.

Предложен метод прогнозирования РС КМОЦ ИМС в зависимости от сроков хранения до облучения с помощью ускоренных испытаний при повышенной температуре хранения микросхем.

Впервые установлено, что МДП-структуры А1-№>205-8Ю2-51 имеют повышенную РС, что обусловлено высокой диэлектрической проницаемостью пленок ЫЬгОз, а также компенсацией положительного заряда в слое БЮг отрицательным зарядом в слое КЬлОг при оптимальном соотношении толщин диэлектрический пленок (а.с. 993781).

Впервые разработаны способ повышения РС 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 КМОП/КНИ структур н< основе пористого кремния: ИМС на этих структурах 1шеют повышенную РС (дс 107 Р) и остаются работоспособными при эксплуатации в диапазоне температур 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- 1 нейтронного излучений, а также повышенной температуры на параметры тесто вых элементов БИС на основе структур металл-СаАв. Установлено, что ОаАа ДО и ПТО1 сохраняют работоспособность до Оу=Ю8 Р, Ф„=Ю15 см"2 и Тобл=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 РС 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 РС МОП-приборов по исходным электрофизическим параметрам тестовых структур, а также с помощью рентгеновского облучения; конструктивно-технологические методы повышения РС КМОП ИМС типа 512ПС6; рекомендации по улучшению статических и динамических параметров МОП БИС 588ВР1, 1824ВР21, К565РУ5Б, КР537РУ10Б с помощью РТО;

- в ЦНИИ "Циклон" (г. Москва) - рекомендации по применению МДП-транзис-торов 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.

прогнозирования и повышения РС МДП-приборов, а также методы РТО позволяют снизить затраты на проведение радиационньи испытаний приборов, расходы на эксплуатацию и замену изделий в условиях облучения, трудоемкость при производстве МДП-транзисторов и микросхем, а также увеличить выход годных изделий.

1. Эквивалентные дозы и флюенсы, определенные при воздействии электронного (Ее=4 и 25 МэВ), гамма- (Со60) и рентгеновского (Е,=190 кэВ) излучений на п-канальные МДП-транзисторы и КМОП ИМС. Полученные данные позволяют оперативно проводить испытания на РС МДП-приборов, если имитировать облучением одного вида, например рентгеновским, другие виды ИИ.

2. 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.

3. При электронном облучении (Бе=4 МэВ) МДП-приборов в диапазоне ин-тенсивностей (ре=5-108-1014 см^-с"1 РС п- и р-канальных МДП-транзисторов имеет минимум при фе«1012 см"2 с'\ а КМОП ИМС - при фе=Ю9-Ю10 см^-с"1. Полученные результаты дают возможность непосредственно оценивать работоспособность МДП-приборов при низкой интенсивности облучения по данным их испытаний при высокой интенсивности.

4. Физическая модель, объясняющая повышение РС МОП-приборов при высоких иитенсивностях электронного облучения (1013-1014 см~2с~') преобладанием процесса рекомбинации носителей заряда над процессами захвата дырок и диффузии электронов.

5. Методы прогнозирования РС МОП-приборов по исходным значениям электрофизических характеристик (ИК-спектров пленок 5102, ВЧ коэффициента шума и крутизны МОП-транзисторов), которые могут бьггь использованы на межоперационном контроле в процессе отработки технологии изготовления ра-диационностойких МОП-транзисторов и микросхем.

6. 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 РС определенных типов МДП-приборов.

7. Конструктивно-технологические и схемотехнические методы повышения РС МДП-приборов до 10в-107 Р, включающие использование двухслойного иодза-творного диэлектрика ГЛ^Ог-ЗЮг; 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.

них лично автором, или в соавторстве с коллегами и аспирантами. Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований (в отдельных случаях совместно с Ф.П.Коршуновым), 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.

- 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 нерадиационных 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

¡. В диссертации изложены результаты работ, выполнен-

[. Основные результаты диссертационной работы доклады-

вались:

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 деградащш полупров. приборов" (Кишинев,

1991); "Радиац. стойкость бортовой аппаратуры и элементов космич. аппаратов" (Томск, 1991); "Надежи, и контроль качества ИЭТ" (Севастополь, 1991; Звенигород, 1994); "Методы исслед. и прогаозир. работоспособности ИЭТ в услов. дли-тельн. воздействия низкоинтенсивн. излучений космич. пространства и атомн. энергетич. установок" (Льпкарино, 1992); "Phys. and Techn. Problems of SOI Structures and Devices" (Крым, Гурзуф, 1994); "Взаимодействие излучений с тв. телом" (Минск, 1997).

Опубликрванность 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 лиссерташт. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка попользованных 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается оценка современного состоят« решаемой проблеьгы, рассматриваются исходные данные для разработки темы, обосновывается необходимость проведения работы.

В первой главе приводится обзор литературы по теме и выбор направления исследований.

Анализируется информация об изменении свойств МДП-структур, транзисторов и ИМС на их основе при воздействии ИИ в различных условиях.

Кратко освещаются фундаментальные основы физики радиационных нарушений в МДП-структурах и приборах, изложенные в ряде отечественных и зарубежных работ.

Рассматривается состояние проблемы прогнозирования PC МДП-приборов. Существующие методы прогнозирования PC можно условно разделить на несколько групп: поиск исходных параметров МДП-приборов, определяющих их PC; имитационные методы прогнозирования PC; применение вероятностных, функциональных и эмпирических моделей приборов и др.

Изучены вопросы повышения PC МДП-транзисторов и ИМС. Рассматриваются конструктивно-технологические и схемотехнические методы повышения PC. Обращается внимание на исследование влияния ИИ на структуры металл-GaAs приборы с высоким уровнем PC.

Анализ литературных источников позволил критически оценить достигнутые результаты и выявить нерешенные проблемы, связанные с воздействием ИИ на кремниевые МДП-структуры и приборы на их основе, а также приборы со структурой метэлл-GaAs.

Во второй главе приводятся основные результаты исследований влияния условий облучения и режимов работы на изменения параметров МДП-структур, транзисторов и ИМС на их основе.

Рассмотрена методика экспериментальных исследований. Облучение образцов гамма-квантами Со60 проводилось на установке "Исследователь" при мощности дозы 250-640 Р/с. Источником рентгеновского излучения с энергией 180200 кэВ, мощностью дозы 50-70 Р/с служил рентгеновский аппарат РУП-200-5-2. Дозиметрия гамма- и рентгеновского излучешш осуществлялась с точностью ±(7-8)%.

Облучение МДП-приборов электронами с энергией Ее=4 МэВ проводилось на линейном ускорителе ЭЛУ-4, а с Ес=5-25 МэВ - на ускорителе ЭЛУ-25. Плотность потока электронов составляла фе=5-108-1014 см'^с'1 и контролировалась с точностью ±10%.

В качестве объектов для исследований использовались: тестовые МДП-струк-туры и транзисторы на основе различных диэлектриков (S1O2, Si3N4, SixOyN2, Nb205) толщиной 40-200 нм; серийные МДП-транзисторы с индуцированными каналами р-типа (КП301Б) и п-таша (2П350Б), а также со встроенным п-каналом (2П305Б, КП306А); стандартные логические ИМС на основе комплементарных ли р-канальных МОП-транзисторов - логические элементы НЕ (564ЛН2), И-НЕ (564JIA7, ЛА8), ИЛИ-НЕ (564ЛЕ5, К176ЛП11), JK-триггеры (564ТВ1), преобразователи уровня (564ПУ4), КМОП БИС ОЗУ (КР537РУ2А, РУ10Б), арифметические умножители (588ВР2) и др. КМОП ИМС изготавливались по стандартной планарной технологии с подзатворным Si02 толщиной 50-100 нм.

Все исследованные типы МДП-транзисторов и ИМС являются типичными для своего класса приборами, которые широко применяются в различных областях науки и техники.

С помощью стандартных приборов и установок измерялись статические и динамические параметры МДП-структур, транзисторов и ИМС с погрешностью ±(1-10)%. Измерялись вольтфарадные и вольтамперные характеристики МДП-структур и транзисторов, передаточные характеристики МОП ИМС, пороговое напряжение Un0p, крутизна S, коэффициент шума F МДП-транзисторов, порог переключения Vn, ток потребления 1„ МОП ИМС и другие параметры.

Предложен метод измерения параметров базовых п- и р-канальных МОП-транзисторов в процессе облучения непосредственно в составе КМОП ИМС с помощью стандартной установки Л2-46 и специального коммутирующего устройства, обеспечивающего поочередный контроль каждого отдельного базового МОП-транзистора в логических элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Исследовано комплексное влияние электрического (от игог)Л=-8 В до +8 В) и температурного (Тобл=123-398 К) режимов на РС р-канальных МОП-транзисторов КП301Б, 2П301Б и п-канальных МДП-транзисторов 2П350Б, 2П305Б при облучении электронами с Ее=25 и 4 МэВ, (рс=10п-1012 см"2-с-1 .

Обнаружено, что при электронном облучении с Ее=25 МэВ при Тобл=293 К РС МОП-транзисторов 2П301Б в своей рабочей области из обл от 0 до -8 В превосходит РС транзисторов 2П350Б в соответствующей рабочей области изобл от О до +8 В.

Установлено, что комплексное воздействие электронного облучения с Ес= 25 МэВ, напряжения смещения и температуры приводит к максимальному сдвигу порогового напряжения МОП-транзисторов КП301Б при из.обл=+4 В и 7,^=293 К и минимальному сдвигу Дип0р при иг(/,л=-4 В и ТрбЛ=123 К. Минимальное изменение крутизны наблюдалось при изобл=0 и Тобл=398 К.

При воздействии электронного облучения на п-канальные МДП-транзисторы 2П305Б при различных электрических и температурных режимах обнаружен минимальный сдвиг напряжения отсечки при Фс=1014 см"2, из обл=0 и Тобл=293 К, а максимальный сдвиг Диотс - при Фе=1015 см"2, изх^л=+4 В и Тобя=393 К. Крутизна транзисторов 2П305Б меньше всего изменяется при из.0бл:=-4 В и Т0г;л=393 К, а больше всего - при Т„я;-293 К и из0бл=±4 В.

Сложный характер влияния электрического и температурного режимов при электронном облучении на параметры р- и п-канальных МДП-транзисторов объясняется частичным отжигом заряда в БЮг с ростом температуры облучения, нейтрализацией наведенного положительного заряда за счет инжекции электронов в 8Ю2 из внешних электродов, а также конструктивно-технологическими особенностями исследованных приборов.

При исследовании влияния гамма-излучения Со60 (Ру=500 Р/с) на характеристики п-канальиых МДП-транзисторов 2П305Б при температурах в диапазоне 293-573 К и нулевом смещении затвора обнаружено, что изменение плотности эффективного заряда в диэлектрике Д<3 практически не зависит от Той, вплоть до 523 К при О^^-Ю4 Р. С увеличением Той, до 573 К значение Д(2 уменьшается, что объясняется нейтрализацией положительного заряда в БЮг термоэлектронной эмиссией из кремния. При Бу= 1,2-Ю4 Р и Тсбл>473 К обнаружено снижение эффективной подвижности носителей заряда в канале транзистора, что, очевидно, обусловлено увеличением рассеяния носителей на неоднородностях поверхностного потенциала на границе раздела БьвЮг, которые усиливаются при совместном воздействии радиации и повышенной температуры.

Исследовано влияние электронного (Ее=4 и 25 МэВ), рентгеновского (Ех= 190 кзВ) и гамма (Со60)-излучений на динамические параметры п-канальных МДП-траизисторов 2ГО05Б и 2П350Б. Установлено, что рентгеновское излучение оказывает наибольшее влияние на параметры Б, Р, К и g двух типов транзисторов по сравнению с воздействием других видов ИИ, т.е. основную роль играют ионизационные эффекты. У транзисторов 2П305Б обнаружена более высокая РС по всем параметрам, чем у транзисторов 2П350Б, что обусловлено наличием у первых высоколегированного встроенного п-канала. Определены эквивалентные дозы и флюенсы для различных видов ИИ по двукратным изменениям параметров МДП-транзисторов 2П305Б при облучении.

Установлено, что с ростом энергии электронного облучения от 5 до 25 МэВ происходит линейное увеличение изменений основных параметров (Дишр, ДБ, Д§) п-канальных (КП305Б) и р-канальных (211301 Б) МДП-транзисторов. Этот эффект объясняется возрастанием поглощенной дозы в диэлектрике в связи с увеличением удельных энергетических потерь электронов на ионизацию и тормозное излучение. Определены эмпирические зависимости изменений основных параметров транзисторов от энергии электронов (при Фе=1014 см"2, <ре=5-10и ш"2с"', Т=293 К, и3.обл=0), которые могут быть использованы для прогнозирования РС МДП-приборов данных типов.

Исследования влияния интенсивности электронного излучения с Е^=4 МэВ на различные типы МДП-транзисторов (КП301Б, 2П350Б, КП306А) показали, что в диапазоне <рс-5'10^-Ю!4 см"2«1 РС транзисторов имеет минимум при <рсяЮ12 см^-с"1. Повышение РС МДП-транзисторов при высоких интенсивностях электронов (1013-1014 см -с") обусловлено преобладанием процесса рекомбинации носителей заряда, генерированных облучением в 8Юг, над процессами захвата дырок и диффузии электронов. При наличии смещения затвора отмеченный при высоких фе эффект уменьшается вследствие снижения вероятности рекомбинации электронно-дырочных пар, которые разделяются приложенным электрическим полем. Установлено, что РС базовых п-канальных транзисторных МОП-структур в КМОП ИМС 564ЛЕ5 повышается с уменьшением интенсивности электронов от 10й до 5-Ю8 см"2-с'\ а также с возрастанием температуры до 358 К. Полученные результаты объясняются с помощью двух основных механизмов нейтрализации захваченных в оксиде дырок путем туннелирования и термического возбуждения электронов из кремния или металла.

Обнаружено, что с уменьшением мощности дозы гамма-излучения Со60 от 390 до 10 Р/с снижается сдвиг напряжения отсечки, но увеличивается изменение крутизны п-канальных МДП-транзисторов 2П305Б.

Установлено, что увеличение напряжения питания на 5 В при контроле параметров р-МОП ИМС 178ЛМ2 и КМОП ИМС 564Ш113 приводит к повышению их. РС к гамма-излучению Со60 в 3-4 раза вследствие частичной компенсации ра-

диационных изменений порогового напряжения и крутизны базовых МОП-транзисторов.

В результате исследований воздействия гамма-излучения с различным энергетическим спектром на работоспособность КМОП ИМС 564ЛА7, 564ЛШЗ и р-МОП ИМС 178ЛМ2 установлено, что для моделирования реальных условий эксплуатации на объектах с ядерными установками вместо гамма-источника Со60 целесообразнее использовать тормозное излучение от ускорителя электронов ЭЛУ-4 (Ее—4 МэВ), которое имеет энергетический спектр, близкий к спектру гамма-излучения ядерного реактора.

Исследована относительная эффективность воздействия электронов с Ее= 4 МэВ и гамма-излучения Со60 на параметры КМОП ИМС 564ЛН2 при различных электрических режимах (пассивном, логического "О" или "1"). Установлено, что независимо от электрического режима при облучении ИМС единичному флюенсу электронов Фе=1 см"2 соответствует эквивалентная экспозиционная доза гамма-излучения (1,3-1,8)-10"8 Р.

Обнаружено повышение РС КМОП ИМС 564ЛА7, 564ЛЕ5 и КМОП БИС 1824ВР21 при низкой интенсивности электронного облучения с Ес=4 МэВ (фе=5-108 см"2сл) и гамма-излучения Со60 (Р7=540"2-10о Р-с"1). Повышение работоспособности КМОП БИС и КМОП ИМС 564ТВ1 также выявлено при высокой интенсивности электронов ((ре=101о-10" см'2с"'). Установлено увеличение РС КМОП ИМС 564ЛЕ5 и 564ТВ1 в 1,5-2 раза при повышенной температуре Тобл=358 К по сравнению с комнатной температурой при электронном облучении в диапазоне фе=5-108-10п см'2 с'1.

На основе проведенных исследований рекомендуется для оценки работоспособности КМОП БИС при низкой мощности дозы гамма-излучешм (Ру=10 210л Р'С1) использовать результаты испытаний БИС при воздействии высокоинтенсивного электронного излучения с сре=(2-5)-1010 см"2-с-1

Установлено практически пропорциональное снижение РС КМОП ИМС К176ЛП11 к гамма-излучению Со60 и электронному облучению с Ее=4 МэВ в зависимости от сроков хранения микросхем при комнатной и повышенной (343 К) температурах до облучения. Полученные результаты объясняются прошпеновением влаги и неконтролируемых примесей через пластмассовый корпус ИМС, что приводит к накоплению дополнительного заряда в оксиде МОП-транзисторов и возрастанию токов утечки при облучении.

В третьей гдавд представлены методы оценки и прогнозирования радиационной чувствительности МОП-структур и приборов на их основе.

Предложены методы оценки радиационной чувствительности МОП-приборов по исходным значениям их электрофизических характеристик (ИК спектров пропускания пленок 8 Юг, высокочастотного коэффициента шума и крутизны МОП-транзисторов).

Установлено, что чувствительность МОП-структур к гамма-облучению Со60 повышается с ростом ширины на полувысоте Уцг основного пика валентных колебаний связи БьО-Б! от 80 до 200 см"1, а также по мере смещения его максимума Умам из области волновых чисел 1070 см"1 к 1130 см"1. Определены корреляционные зависимости сдвига порогового напряжения тестовых МОП-структур после облучения (Д,=10б Р) от значений параметров ИК спектров исходных пленок БЮг:

Дипор = 2,13-10"15%^; (1)

Дишр= 1,30-10"%й7. (2)

Полученные зависимости обусловлены тем, что радиационная чувствительность МОП-структур зависит от совершенства структуры пленок оксида кремния, т.е. количества деформированных и напряженных связей, что, в свою очередь, определяет вид ИК спектров пленок БЮг.

Определены корреляционные зависимости радиационных изменений параметров тестовых МОП-транзисторов от исходных значений коэффициента шума Ро на частоте 375 МГц после В7=10б Р:

ДиПОр = 2,36Ро - 36,0; (3)

Д8 = 1,4540"13-ехр(4403,7/Р0), (4)

а также от исходных величин крутизны серийных МДП-транзисторов после электронного облучения с Ее=4 МэВ;

для транзисторов КП350Б (Фе=1014 см'2):

АиПоР = 1,5380 - 10,86; (5)

для КП306А (Фе=1015 см"2):

Дипор = 0,995о - 4,23. (6)

Существование зависимостей (3)-(6) объясняется тем, что значения коэффициента шума и крутизны зависят от плотности быстрых поверхностных состояний на границе раздела 51-8 Юг, определяющих радиационную чувствительность МДП-транзисторов.

Рассмотрены модификации расчетно-экспериментального метода прогнозирования РС МДП-приборов, включающего тестовое облучение и контроль параметров испытательной выборки приборов, математическую обработку эксперн-

ментальных данных с применением метода наименьших квадратов или регрессионного анализа.

На основе экспериментальных результатов получены эмпирические зависимости изменений статических и динамических параметров серийных МДП-транзисторов от флюенса и энергии электронов, а также от дозы рентгеновского и гамма-нзлучешпг. Например, для МОП-транзисторов КП301Б получены следующие зависимости изменений основных параметров от флюенса электронов (Ее=4 МэВ) в диапазоне Ф=2-1012-5-1014 эл/см2:

Ди„„Р = 1,63-10"б-Ф0'50 - 4,05-10"14-Ф; (7)

ДЯ = 4,64-10"9-Ф0,60 - 4,58-10'15-Ф. (8)

С целью проверки точности прогнозирования полугены экспериментальные данные для второй испытательной выборки транзисторов КП301Б. Средняя погрешность прогнозирования определялась как

Anp = (5/yi)-100%, (9)

где 5 - среднее квадратичное отклонение расчетных параметров от экспертген-тальных для второй выборки, у; - среднее экспериментальное значение параметра транзисторов второй выборки. В результате погрешность прогнозирования изменений параметров МОП-транзисторов при электронном облучении составила от 4,4 до 12,0%.

Для МДП-транзнсторов 2П305Б были определены следующие эмпирические

60

зависимости относительных значений параметров от дозы гамма-излучения Со в диапазоне DY =5-104-5-106 Р:

F/Fo. = 5,371-10"3-D°'486; (10)

S/S0. = 27,695-D-0'305. (11)

Определены аналитические зависимости основных параметров КМОП ИМС 564ЛЕ5 от времени в процессе и после электронного облучения с Ее=4 МэВ. Для тока потребления получены следующие зависимости в процессе облучения:

1° (0 = ао + а^ + а2Г + а3г* + а44 + а51.5; (12)

после облучения:

1„ (t) = c-exp(d/t),

(13)

где ао-а5, с, <1 - постоянные коэффициенты.

Для порога переключения ИМС получены следующие зависимости в процессе облучения:

У„(0 = а-ехр(М); (14)

после облучения:

У„(0 = сх + <1,1п1, (15)

где а, Ь, Сь ¿1 - постоянные коэффициенты.

Максимальная погрешность прогнозирования РС составила 25% для тока потребления КМОП ИМС.

Для индивидуального прогнозироваши РС КМОП ИМС предложено контролировать начальные изменения информативных параметров при электронном облучении с Е=4 МэВ. При этом проводится тестовое облучение первичной выборки ИМС в рабочем режиме. В результате устанавливается взаимосвязь между начальными изменениями информативных параметров и значениями допустимых флюенсов Фя. Осуществляется облучение необходимого количества микросхем до определенного уровня Ф1ШЧ, позволяющего зарегистрировать начальные изменения параметров, не выходящие за пределы ТУ (для КМОП ИМС 564ЛЕ5 Фшч= 1012 см-2).

Проводится индивидуальное прогнозирование РС образцов ИМС по начальным изменениям параметров.

Определены следующие зависимости РС (т.е. Фд) КМОП ИМС 564ЛЕ5 от начальных изменений пороговых напряжений базовых МОП-транзисторов:

Фд = 3,861-1013-ехр(-3,289-Липор.нач.п); (16)

Фд = 1,165-1014-ехр(-2,350-Дипс,р.нач.р), (17)

а также от начальных изменений тока потребления и порога переключения:

Фд = 4,410-1012-ехр(-1,302-Л1°нач); (18)

Фд = 9,634-1013-ехр(-3,002-ДУп.нач). (19)

Разработаны методы оценки и прогнозирования работоспособности МДП-приборов при низкой интенсивности облучения по результатами их испытаний при высокой интенсивности, а также данным по восстановлению параметров приборов после прекращения облучения.

С учетом логарифмической временной зависимости восстановления порогового напряжения МДП-транзисторов 2П305Б проведен расчет изменения Дипор при гамма-облучении Со60 с мощностью дозы Р,=10 Р/с по результатам воздействия облучения с Ру=390 Р/с (Ог—5-103 Р). Расчеты показали ДипОр=0,24 В, что хорошо согласуется с экспериментальным значением АипОр=0,30 В при Р7=10 Р/с, Б,=5-105 Р.

Для КМОП ИМС (564ЛЕ5, 564ТВ1) предложен метод прогнозирования РС при воздействии низкоинтенсивного (ф„=5'108 см'^с"1) электронного облучения с Ее=4 МэВ по результатам воздействия электронов с высокой интенсивностью (фв=10и см"2-с"') при температурах 298 и 358 К. В качестве примера оценим работоспособность КМОП ИМС 564ЛЕ5 при низкоинтенсивном облучении при Тобл=298 К. Определим функцию изменения тока потребления от времени после низкоинтенсивного облучения в виде:

1П.„ = А2ехр(В2/1), (20)

если известна зависимость 1П.В(0 после облучения с высокой интенсивностью:

1„.в = A,exp(B,/t), (21)

где Ai и Bi - постоянные коэффициенты, определяемые из экспериментов с помощью регрессионного анализа.

В точке t = to i значения токов для различных интенсивностей совпадают при одной и той же температуре и одинаковом флюенсе электронов:

Ь.нОот) = In.nOo.l).

т.е. A2exp(B2/to.i) = Aiexp(Bi/t<u). (22)

Допустим, что коэффициенты В2 и Bi зависят прямо пропорщшнально от интенсивности облучения:

В2/В! = ф,/ф„, (23)

тогда В2 = Bi(10n/5-108) = Вг200 (23а)

Отсюда, подставив (23а) в (22), получим выражение для коэффициента А2:

А2 = Aiexp(B,/to,i)/exp[(Bi-200)/to,i]. (24)

В результате проведенных расчетов была получена следующая зависимость

. пот]

1013 см"2 при Тобл=298 К:

тока потребления 1п.н(0 для <рн=5-108 см"2-с_1 после облучения флюенсом Ф=

1„.н = 5,9174-10"3-ехр(106568,8/1). (25)

Были также определены функции изменения порога переключения КМОП ИМС 564ЛЕ5 в процессе облучения при <р„=5-108 см'^с"1 и Той,=298 К:

УП,„(Ф)= 5,312-ехр(-0,1040Ф). (26)

После облучешш при Фе=1013 см"2:

У„.„(1)= 0,9468 + 0,112-1Ш. (27)

Максимальная погрешность прогнозирования РС КМОП ИМС при низкой интенсивности составила 16,3% для 564ЛЕ5 и 21,5% - для 564ТВ1.

Рассмотрено прогнозирование РС КМОП ИМС К176ЛП11 в пластмассовых корпусах при различных температурах хранения до облучения. Получены эмпирические линейные зависимости изменений параметров КМОП ИМС при облучений от сроков хранения Г, при Т„=293 и 343 К. При воздействии гамма-излучения Со60 для выходного напряжения высокого уровня ивья при Тх=293 К, Бг=5-105 Р получено:

1^ = 8,89-0,151-1*. (28)

При электронном облучении с Ее=4 МэВ при Фе=3-1013 см'2, Т,=293 К:

и«'™ = 9,976 - 8,98-Ю'Ч, (29)

а при Тх=343 К:

иВы* = 8,737 - 3,894- 10"Ч- (30)

В выражениях (28), (29) при Тх=293 К величина ^ измеряется в месяцах, а в (30) при Тх=343 К - в часах.

Установлено, что для прогнозирования РС КМОП ИМС в пластмассовых корпусах в зависимости от длительности их хранения при комнатной температуре в течение нескольких лет (46-71 мес.) можно использовать ускоренные испытания микросхем путем повышения температуры хранения до 343 К в течение 240-500 ч.

Разработана н изготовлена тестовая имитационная установка для оценки РС МДП ИМС с использованием низкоэнергетичного рентгеновского излучения. В своем составе установка содержит следующие основные узлы: источник рентгеновского излучения УРТ-2, зондовое устройство М-680, установку функционального контроля БИС "Элекон ФЗУ1", ЭВМ (ДВК-3 или ДВК-4).

Установка работает в ручном и автоматическом режиме при функциональном контроле БИС ОЗУ. Мощность дозы рентгеновского излучения составляет от 10 до 104 Р/с, т.е. имеется возможность имитации как ннзкоинтенсивного космического излучения, так и мощного аварийного облучения на АЭС.

Результаты сравнительных испытаний тестовых МОП-элементов ИМС показали стабильное соответствие изменений их параметров при воздействии рентгеновского излучения с энергией 10 кэВ и гамма-излучения Со60 в диапазоне доз 5-105-5-106 Р.

В четвертой главе рассматриваются отдельные разработанные методы повышения РС МДП-приборов в применении как к тестовым МДП-структурам, так и к серийным МДП-транзисторам и ИМС.

Показана возможность повышать РС МДП-структур путем использования диэлектрических пленок оксинитрида кремния (81хОуМ7) за счет варьирования их состава, а также применения различных методов осаждения из парогазовой фазы на основе 51114 (силановая система) или БгСЬ» (хлоридная система). Обнаружена повьпненная РС к электронному облучению МДП-структур с диэлектриком 51зОз^, полученным из силановой системы, что объясняется приблизительно сбалансированными плотностями электронов и дырок, захваченных на глубоких ловушках в диэлектрике, обусловленных существованием ненасыщенных связен кремния и азота.

Предложена конструкция радиационностошсого МДП-нрибора на основе структуры А1-№)205-5Ю2-51 (а.с. 993781). Обнаружено, что облучение данных структур гамма-квантами Со60 при положительном напряжении на затворе и3.обя=+5 В приводит к образованию небольшого отрицательного эффективного заряда в диэлектрике, а при нулевом и отрицательном (-10 В) напряжениях накапливается незначительный положительный заряд в диэлектрике. Во всех режимах облучения до В.,=107 Р значения ипор остаются в пределах ±0,4 В.

Повышенная РС МДП-структур с пленками №>205 обусловлена высокой диэлектрической проницаемостью N1)205 (ео=11-40). При этом изменение порогового напряжения при облучении уменьшается, т.к. ДипОр=0я/Со; Со=£0ЕоЯ/<1 (С^ -накопленный заряд в диэлектрике, Со - емкость диэлектрика, 8 - площадь, б -толщина диэлектрика). Кроме того, выбор оптимального отношения толщин пленок N1)205 и БЮг также приводит к повышению РС МДП-структур вследствие взаимной компенсации отрицательного заряда в слое 1ЧЬ205 положительным зарядом в слое 5Ю2.

Применение низкотемпературных технологических процессов, а также уменьшение геометрических размеров базовых МОП-транзисторов позволило повысить РС КМОП ИМС типа КБ1004ХЛ1-4 (2-4) до Ог=(1-2)-Юб Р. При этом использовалось электрохимическое анодирование кремния для изготовления подза-творного оксида, а также плазменно-химическое осаждение молибдена для затвора. Полученные результаты обусловлены снижением концентрации неконтролируемых примесей (Ыа+, К+) в анодных оксидах и уменьшением механических напряжений на границе раздела 51-5102.

Проведены исследования электрических характеристик и РС КМОП-структур "кремний на изоляторе" (КНИ). Для изготовления КМОП/КНИ-структур использовался метод, основанный на электрохимическом формировании пористого кремния и его последующем термическом окислении. Окисленный пористый кремний применялся для создания полной диэлектрической изоляции КМОП ИМС. Минимальные размеры (толщина подзатворного БЮг 30 нм, длина канала МОП-транзисторов Ьд=1,2 мкм) и технологические особенности способствовали повышешио быстродействия и РС КМОП/КНИ-структур.

Использование КНИ технологии на основе пористого кремния для изготовления КМОП/КНИ ИМС типа 1554ЛАЗ (зарубежный аналог МС74АС00) привело к повышешпо их быстродействия на 40% по сравнению с аналогичйыми КМОП ИМС на объемном кремнии, КМОП/КНИ ИМС показали достаточно высокую температурную стабильность. При Еп=5 В величина времени задержки изменялась от Ъ,=1,5-1,7 не при Т=77 К до ^=2,5-2,8 не при Т=400 К.

КМОП/КНИ ИМС оставались работоспособными при гамма-облучении Со60 дозами 0Г=106-107 Р. Например, при облучении до Оу=Ю6 Р величина и оставалась практически постоянной во всех режимах. Увеличение дозы до 107 Р сопровождалось небольшим ростом времени задержки: в пассивном режиме Ь возрастало на 40-45%, а в активном режиме (Еп=5 В) ^ увеличивалось только на 15%.

Разработан метод повышения РС КМОП ИМС путем чередования активного динамического и пассивного режимов работы при гамма-облучении, а также использования питания ИМС от входных импульсов через специальную схему. Метод защищен а.с. 292894. Испытания метода проведены на КМОП ИМС 564ЛА7 и 164ЛП11. На вход микросхем подавалась последовательность импульсов, которые поступали после преобразования и на вывод питания ИМС. В качестве критерия РС микросхем использовалась предельная доза ОцР, вызывающая отклонение выходного напряжения ив'ы, за пределы ТУ.

За счет выбора оптимального режима работы с паузой между последовательностями импульсов достигалось повышение РС КМОП ИМС 164ЛП11 в 1,5-2 раза и 564ЛА7 - в 1,5-3,9 раз. Полученные результаты объясняются частичным отжигом накопленного заряда в диэлектрике МОП-транзисторов в паузах между группами импульсов, а также в связи с отсутствием напряжения на стоке транзисторов, когда напряжение питания не подается на ИМС в паузах.

Предложен метод восстаношгения параметров облученных КМОП ИМС с помощью кратковременного отжига переменным током (а.с. 283625). В основе метода токового отжига используется тиристорный эффект в паразитных р-п-р-п-структурах, образующихся в КМОП ИМС. Процесс токового отжига осуществляется путем подачи переменного напряжения на выводы питания ИМС в течение 20-60 с. При этом осуществляется разогрев р-п-переходов и прилегающих к ним областей кристалла ИМС до температур 473-503 К. Для достаточного восстановления параметров облученных КМОП ИМС при токовом отжиге необходимо обеспечить определенное значение удельной рассеиваемой мощности Ру в одном базовом элементе ИМС:

Ру = (ГиуБэ, (31)

где I - действующее значение переменного тока, и - падение переменного напряжения на выводах питания ИМС, Бэ - средняя площадь одного базового элемента в микросхеме:

5Э = 5£/(Мт + Нд), (32)

где - эффективная площадь кристалла ИМС, N1 - количество транзисторов, Мд - количество диодов в микросхеме.

Установлено, что обеспечение РС КМОП ИМС 564ЛА7, 564ЛЕ5, 564ПУ4 до 5-10б-107 Р достигается в результате проведения 5-10 последовательных кратко-времегшых циклов отжига микросхем переменным током частотой 50 Гц-200 кГц. Токовый отжиг КМОП ИМС может бьггь осуществлен непосредственно в процессе эксплуатации аппаратуры в радиационной среде при использовании специальных коммутирующих устройств.

В пятой главе приводятся методы улучшения параметров и повышения РС МДП-транзисторов и ИМС с помощью радиационно-термической обработки. Предложены методы улучшения основных параметров п-канальных МДП-транзисторов КП305Б и КП350Б в результате воздействия малых доз гамма-квантов Со60, • Вг=(1-2)-104 Р; рентгеновского излучения с Ех=180 кэВ, Бх= (1-2)-103 Р; электронов с Ее=4 МэВ, Фе=(1-3)-10п см"2 с последующим отжигом при Тот=593-673 К. В частности, после Ц=2-104 Р происходит улучшение параметров МДП-транзисторов КП305Б: возрастание крутизны на 9% и коэффициента усиления по напряжению на 30-35%. При отжиге в диапазоне 623-673 К крутизна увеличивается на 18-24%, а коэффициент усиления - на 69-94%.

Полученные результаты объясняются тем, что малые дозы ИИ ведут к релаксации или разрыву напряженных связей на границе раздела БьБЮг. Это обусловливает возникновение новых поверхностных состояний и способствует выравни-

ванию поверхностного потенциала на границе раздела вследствие компенсации технологических микронеоднородностей в приповерхностном слое полупроводника заряженными ПС, введенными облучением. В результате увеличивается подвижность носителей заряда в канале транзистора, что приводит к возрастанию крутизны и коэффициента усиления. Последующий отжиг восстанавливает отдельные валентные связи, еще более упорядочивает структуру границы раздела диэлектрик-полупроводник и приводит к дальнейшему улучшению всех параметров МДП-транзисторов. По предложенным методам РТО на основе эффекта малых доз облучения получены а.с. 105459 и а.с. 109458.

Проведен анализ изотермической релаксации характеристик облученных тестовых п-канальных МОП-транзисторов при Тот=573 К. Изменение Аипор, вызванное гамма-облучением (Е)у=106 Р), состоит из отжигаемой и термостабильной частей. Отжигаемая часть связана с захватом дырочного заряда на мелкие лову-шечные уровни, а термостабильная часть определяется захватом дырок на глубокие центры в БЮг- Определено гарантированное время работоспособности 1р МОП-приборов, подвергнутых РТО. При Т=293 К величина 1р>5,24-105 ч, а при Т=358 К1р>1,15-104ч.

Определены оптимальные режимы РТО с применением электронов с Ее= 4 МэВ (Фе=5-1012-1014 см"2, Тот=433-623 К) и гамма-излучения Со60 (Е>,=104-7-104 Р, Тот=373-623 К) для улучшения параметров МОП БИС. В результате использования РТО достигается повышение быстродействия п-МОП БИС ОЗУ К565РУ5Б на 15-20%, снижение разброса параметров КМОП БИС ОЗУ КР537РУ10Б на 2025%, а также увеличение выхода годных по функционированию МОП БИС всех исследованных типов на 30-40%.

Обнаружено, что повышение РС в 2-3 раза может быть достигнуто у тестовых МОП-структур и транзисторов в результате использования РТО (Ф6=1013 см"2, Тот=523 К; О^Ш4 Р, Тот=623 К), у КМОП ИМС 512ПС6 при использовании двух циклов РТО (Фс=5-1012 см'2, Тот=523 К; Бу=8'105 Р, Тот=523 К). Кроме повышения РС у тестовых МОП-транзисторов и КМОП ИМС 512ПС6 после РТО основные параметры улучшились на 20-30%.

В шестой главе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния гамма- и нейтронного излучений на характеристики тестовых диодов и полевых транзисторов с барьером Шотгки, а также пассивных элементов БИС на основе структур металл-СаАз при различных электрических и температурных режимах.

С помощью метода нестационарной емкостной спектроскопии установлено, что под действием гамма-облучения Со60 при Т=343 К в эпитаксиальные слои ваЛв вводятся электронные ловушки с уровнем Ес-0,37 эВ. В необлученных образцах ОаАэ обнаружены два уровня дырочных ловушек Еу+0,39 эВ и Еу+0,50 эВ, концентрация которых возросла в несколько раз после облучения при Тобп=

343 К. Облучение при Т^л=473 К создает в (¡л А в уровень электронных ловушек Ес-0,041 эВ, при этом также несколько изменяется профиль легирования в приповерхностной области СаАБ.

РС исследованных ваАБ приборов к общей дозе гамма-излучения оказалась на порядок выше, чем РС кремниевых МОП-приборов, рассмотренных в данной работе.

Гамма-облучение при ТобЛ=343 К мало повлияло на прямые ВАХ ДШ на СаАэ, но при 0^5-108 Р наблюдалось увеличение обратного тока ДШ на два порядка. После облучения при Т„йл=473 К и От= 107 Р обратный ток ДШ также увеличился более чем на два порядка.

СаАв ПШ1 практически сохраняют работоспособность в пассивном электрическом режиме до доз гамма-излучения 1-108 Р при Тсй,=343 К. Причем более высокую РС имеют ПТШ с относительно малым отношением ширины и длины канала Ьш/Ья:3,33 и 4,38, а менее стойкими оказались транзисторы, у которых ЬпД-д=33,3. После Оу=(2-5)-Ю8 Р происходит заметное снижение эффективной подвижности носителей в канале и максимальной рабочей частоты ПТШ, а также возрастание коэффициента шума ПТШ. Воздействие гамма-излучения в активном электрическом режиме (ис=+5 В, из=-1 В и +0,5 В) или при повышенной температуре (473 К) незначительно изменило характеристики ПТШ после Г>г=107 Р.

Нейтронное облучение Фп=1015 н/см2 фактически не повлияло на прямую ВАХ ДШ и мало изменило обратную ВАХ. При этом наблюдалось небольшое снижение обратного тока ДШ при малых напряжениях.

Эксперименты не показали четкой взаимосвязи между радиационными изменениями характеристик ДШ и соответствующих им ПТШ, что, по-видимому, связано с технологическими несовершенствами СаАя, которые в ряде случаев оказывают более сильное влияние на параметры тестовых структур по сравнению с воздействием ионизирующего излучения.

Воздействие гамма-излучения Ву=(1-5)107 Р на пассивные элементы БИС показало, что ухудшение характеристик омических контактов и переходных контактов между слоями металлизации происходит более заметно при повышенной температуре. Однако сопротивление изоляционных областей возросло в этих условиях, что, вероятно, обусловлено частичным отжигом дефектов При Тобл— 473 К. Облучение тестовых кристаллов флюенсом нейтронов Фп=1015 н/см2 в некоторой степени увеличило сопротивление омических и переходных контактов, а также улучшило изоляционные свойства областей из аморфного СаАв и 5Ю2.

Из сравнения воздействия различных видов радиации на элементы СаАя БИС следует, что нейтронное облучение флюенсом 1013 н/см2 оказывает практически такое же относительно небольшое влияние на тестовые структуры, как и гамма-излучение Со60 дозой (1-5)-107 Р.

В Приложении приведены копии актов внедрения и использования отдельных результатов диссертационной работы в промышленности и нормативно-технических документах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщая результаты выполненных исследований, можно сделать следующие основные выводы:

1. Установлены особенности влияния электрического режима и температуры облучения на параметры МДП-транзисторов и ИМС [1, 3, 4, 7, 15, 21, 24, 31, 57]:

- обнаружено, что воздействие электронного облучения с энергией Ес=4-25 МэВ при напряжении смещения от 0 до ±8 В в диапазоне температур Тобл=123-398 К приводит к немонотонному изменению порогового напряжения ипор и крутизны Б п-канальных МДП-транзисторов в зависимости от флюенса электронов Ф, а в случае р-канальных МДП-транзисторов зависимости и„„,,(Ф) и 8(Ф) имеют монотонный характер;

- при воздействии гамма-излучения Со60 на п-канальные МДП-транзисторы с двухслойным диэлектриком 51зК4-5Юг установлено, что при фиксированной дозе плотность эффективного накопленного заряда в диэлектрике и подвижность носителей заряда в канале транзистора практически не изменяются при возрастании температуры облучения от комнатной до Тосл=470-520 К;

- обнаружено увеличение РС КМОП ИМС к электронному (Ее=4 МэВ) излучению в 1,5-2 раза при повышешш температуры облучении от Тобл=293 К до 358 К.

2. Установлены закономерности влияния вида и энергии ИИ на параметры МДП-транзисторов и КМОП ИМС [1, 5, 14, 26, 42, 43, 55]:

- определены эквивалентные дозы для различных видов ИИ (электронов с Ес=4 и 25 МэВ, рентгеновских с Ех=190 кэВ и гамма- (Со60) квантов), вызывающие одинаковые изменения параметров при облучении п-канальных МДП-транзисторов и КМОП ИМС;

- установлено, что с ростом энергии электронного облучения от 5 до 25 МэВ происходит практически линейное увеличение изменений основных параметров п- и р-канальных МДП-транзисторов, обусловленное возрастанием поглощенной дозы в диэлектрике в связи с увеличением удельных энергетических потерь электронов на ионизацию и тормозное излучение.

3. Выявлены особенности влияния интенсивности ИИ на параметры МДП-транзисторов и микросхем, рассмотрены физические механизмы происходящих при этом процессов [1, 11, 25, 32, 34, 44, 48, 65]:

- исследования МДП-транзисторов с р- и п-каналами при электронном облучении с Ее=4 МэВ показали, что в диапазоне интенсивностей фе=5-108-1014 см-2-с-' РС транзисторов имеет минимум при среи1012 см"2-с"1;

- обнаружено повышение РС КМОП ИМС и КМОП БИС при низкой интенсивности электронного облучения с Ее=4 МэВ (фе=5-108 см"2с"') и гамма-излучения Со60 (Р.^5-10"2-!^ Рс'1), а также при высокой интенсивности электронов (фе=1010-10и см"2 с"') по сравнению со средними интенсивностями облучения, которые обычно используются на практике.

- предложена физическая модель, согласно которой повышение РС МДП-приборов при высоких интенсивностях электронов (1013-1014 см"2с"') обусловлено преобладанием процесса рекомбинации носителей заряда, генерированных облучением в 5102, над процессами захвата дырок и диффузии электронов;

- показано, что при низких интенсивностях облучения (5-108 см"2-с_1) и повышенных температурах (358 К) проявляются два основных механизма нейтрализации захваченных в оксиде дырок путем туннелирования и термического возбуждения электронов из кремния или металла.

4. Разработаны методы прогнозирования радиационных изменешш параметров МДП-приборов [13, 16, 22, 23, 25, 30, 32, 35, 41, 45-47, 50, 51, 62]:

- предложены методы оценки и прогнозирования радиационной чувствительности МДП-приборов по исходным значениям их электрофизических характеристик (ИК-спектров пропускания пленок 5Ю2, ВЧ коэффициента шума и крутизны МОП-транзисторов до облучения), а также с использованием тестового облучения, включая низкоэнергетичное рентгеновское излучение;

- разработаны методы прогнозирования работоспособности МДП-транзис-торов, КМОП ИМС и КМОП БИС при низкой интенсивности электронного (Ес=4 МэВ) или гамма- (Со60) излучений по результатам их испытаний при высокой интенсивности ИИ при различных температурах облучения;

- установлено, что для прогнозирования РС КМОП ИМС в пластмассовых корпусах в зависимости от длительности их хранения при комнатной температуре до облучения в течение нескольких лет можно использовать ускоренные испытания микросхем путем повышения температуры хранения до 343 К в течение 240500 часов.

5. Предложены эффективные конструктивно-технологические методы повышения РС МДП-приборов до 106-107 Р [1, 2, 10, 18-20, 36, 38, 39, 49, 59, 64, 67], включающие использование модифицированных диэлектриков ^зОз^, Г^ЬгОб-ЗЮг), низкотемпературных технологических процессов изготовления КМОП БИС, КНИ технологии на основе окисленного пористого кремния для изготовления КМОП/КНИ ИМС, применение радиационно-термической обработки КМОП ИМС и МОП/КНС ИМС.

6. Разработаны новые конструктивно-схемотехнические методы повышения РС КМОП ИМС [37, 40, 61, 66, 70, 71]:

- при работе в динамическом режиме впервые предложено использовать чередование активного и пассивного режимов, а также питание микросхем от

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А. Воздействие радиации на интегральные микросхеми.-Мннск: Наука и техника, 1986.-Гл. 5, 6, 7 (§7.5; 7.6).-С. 97-172, 189-213.

2. Богатырев Ю.В., Коршунов Ф.П. Изменение свойств структур металл-диэлектрик-полупроводник под действием электронов высокой энергии // Доклады АН БССР.-1976.- Т.20, № 4.-С. 312-314.

3. Богатырев Ю.В., Демченко В.И., Коршунов Ф.П. Влияние условий облучения высокоэнергетическими электронами на накопление заряда в окисле МОП-структур // Доклады АН БССР.-1976.-Т.20, № 12.-С. 1074-1077.

4. Богатырев Ю.В., Коршунов Ф.П. Исследование отжига МОП-структур, облу-чс1шых высокоэнергетичнымн электронами при различных температурах // Известия АН БССР. Сер. физ.-мат. наук.-1977.-№ 5.-С. 92-95.

5. Bogatyrev Yu.V., Korshunov F.P. The Effect of High-Speed Electrons of Different Energy on the Charge Storage in S Юг and SijN4 Dielectric Films // Physica Status Solidi (a).-1977.-VoI.41.-№ 2.-K151-K154.

6. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Демченко В.И., Григорьев B.C., Попов В.Д., Хорохина JI.H. Изохронный отжиг МДП-транзисторов после электронного облучения // Спец. вопросы атомн. науки и техники. Сер. "Воздействие излучений на аппаратуру, элементы и материалы".-1977.-Вьш. 1(8).-С. 84-87.

7. Чернышев A.A., Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Демченко В.И., Григорьев B.C., Попов В.Д., Хорохина JI.H. Влияние температуры окружающей среды на работоспособность МДП-транзисторов в условиях космического излучения // Спец. радиоэлектроника,-1977.-№ Ю.-С. 5-9.

8. Bogatyrev Yu.V., Korshunov F.P. Investigation of Properties of the Si-Si02 Interface in MOS Structures Irradiated by Fast Electrons // Physica Status Solidi (a).-1978.-Vol.48.-№ 2.-K127-K130.

9. Богатырев Ю.В., Коршунов Ф.П., Демченко В.И., Григорьев В.С, Хорохина JI.H., Боброва Т.П. Изохронный отжиг полевых транзисторов, облученных быстрыми электронами // Спец. вопросы атомн. науки и техники. Сер.

, "Воздействие излучений на аппаратуру, элементы и материалы".-1980.-Вын. 1(16).-С. 33-36.

Ю.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Кольцова Н.Г., Коробов И.В., Шабловская О.Ю. Исследование влияния электронов высокой энергии на свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник на основе окисла, нитрида и окешпггрида кремния // Известия АН БССР. Сер. физ.-мат.наук.-1980.-№ З.-С. 80-83.

П.Богатырев Ю.В., Григорьев B.C., Коршунов Ф.П., Плиненко В.И., Хорохина JI.H. Влияние интенсивности электронного облучения на параметры МОП-транзисторов // Спец. вопросы атомн. науки и техники. Сер. "Воздействие излучений на аппаратуру, элементы и материалы".-1981.-Вьш. 1(19).-С. 44-46.

12. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В. Исследование ИК-спектров поглощения 1 внутреннего треши в облученных структурах и 5ь51зК4 // Известия А1 БССР. Сер. физ.-мат. наук, 1982.-№ 1.-С. 53-56.

13.Богатырев Ю.В. Прогнозирование радиационных изменений параметров МОП транзисторов при облучении быстрыми электронами // Спец. вопросы атомн науки и техники.-Сер."Воздействие излучений на аппаратуру, элементы и ма териалы".-1982.-Вып. 2(23).-С. 18-20.

14. Коршунов Ф .П., Богатырев Ю.В., Плинснхо В.И. Влияние ионизирующих из лучений на шумовые свойства МДП-транзисгоров // Там же.-1982.-Вып. 2(23). С. 77-80. в и

15. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., 1 ¡линеикб^Хорохшга Л.Н., Шакина О.Ю Влияние термополеввк режимов облучения на радиационную стойкость МДП-транзисторов //Спец. радиоэлектроника.-1982.-№ 12.-С. 28-31.

16. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А., Шакина О.Ю. Влияние сроков хранения КМОП интегральных микросхем на их радиационную стойкоеп // Спец. вопросы атомн. науки и техники. Сер."Физика радиац. воздействия нг радиоэлектронную аипаратуру".-1983.-Вьш. 3(27).-С. 27-29.

17. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И. Влияние малых доз ионизирующих излучений и последующего отжига на параметры МДП-транзисторов Л Там же.-1983.-Вып. 3(27).-С. 52-55.

18.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Шакина О.Ю. Повышенная радиационная стойкость МДП-приборов с диэлектрическими слоями 1ЧЬ205-БЮг // Там же.-1984.-Вып. 1(28), С. 62-65.

19. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Удрас В.А. МДП-структуры повышенной радиационной стойкости II Вопросы фундаментальных и поисковых исследований в оборонной промышленности.-1984.-Вып. 11.-С. 33-38.

20.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И. Накопление заряда в МДП-структурах с диэлектрическими пленками оксинитрида кремния различного фазового состава при электронном облучении // Известия АН БССР. Сер. физ.-мат.наук.-1984.-№ 5.-С. 73-76.

21. Алексеев Г.А., Рязанов Г.А., Хорохина Л.Н., Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В. Изменение параметров МОП-транзисторов при различных условиях облучения // Спец. радиоэлектрояика.-1986.-№ 4.-С. 28-32.

22. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А., Плиненко В.И., Шакина О.Ю. Влияние температуры хранения на радиационную стойкость КМОП интегральных микросхем в пластмассовых корпусах // Спец. вопросы атомн. науки и техники. Сер."Физика радиац. воздействия на радиоэлектронную аппарату-ру".-1987.-Вып. 1.-С. 24-26.

23. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Хорохина Л.Н., Шакина О.Ю. Влияние условий облучения и исходных значений параметров МДП-

транзисторов на их радиационную стойкость II Спец. вопр. атомн. науки и техн. Сер."Физика радиационных воздействий на РЭА".-1986.-Вып. 2.-С 48-51.

24.Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Хорохина JI.H., Сухоруков А.Г. Оценка радиационной стойкости МОП интегральных микросхем при различных режимах контроля параметров // Там же.-1986.-Вьш.2.-С. 52-55.

25. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Хорохина JI.H., Шакина 0.10. Изменение параметров МДП-транзисторов при воздействии у-излучеши с различной мощностью дозы // Спец. вопр. атомн. науки и техн. Сер."Физика радиац. воздействия на РЭА".-1987.-Вып. З.-С. 58-60.

26. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Хорохина JI.H. Влияние энергии электронного облучения на параметры МДП-транзисторов // Спец. электроника. Сер. "Полупров. приборы".-1988.-Вып. 2(52).-С. 114-119.

27. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Миронович АЯ., Смирнов В.И., Шакина 0.10. Влияние внешних факторов на радиационную стойкость элементов БИС на основе арсенида галлия // Спец. вопр. атомн. науки и техн. Сер."Физика радиац.воздействия на РЭА".-1989.-Вып. 4.-С. 66-69.

28.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Кульгачев В.И., Абрамович В.ПХ, Шамаев

A.M. Улучшение параметров МОП БИС под действием радиационно-терми-ческой обработки // Электронная техника. Сер.7.-1990.-Вып. 6(163).-С. 37-39.

29. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Кульгачев В.И., Бернат H.H., Сидоренко Ю.П., ПГераухов В.А. Применение радиационной технологии в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем // Вопр. атомн. науки и техн. Сер. "Физика радиац. повреждений и радиац. материаловеденкя".-1991.-№ З.-С. 70-73.

30. Аксенова Н.В., Богатырев Ю.В., Коршунов Ф.П., Шакина О.Ю. Комплексное исследование деградации параметров МДП-структур при воздействии ионизирующих излучений // Изв. АН БССР. Сер. физ.-мат.наук.-1991.-№ 4.-С. 45-49.

31.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Юсов Ю.П., Лавренцов В.Д., Миронович АЛ., Хорохина Л.Н. Работоспособность КМОП интегральных микросхем в радиационных условиях космического пространства // Спец. вопр. атомн. науки п техн. Сер. "Физика радиац. воздействия на РЭА".-1991.-Вып. 1.-С. 3-7.

32. Богатырев Ю.В., Коршунов Ф.П. Изменение работоспособности КМОП интегральных микросхем при воздействии ионизирующих излучений с низкой и высокой интенсивностью // Вопр. атомн.науки и техн. Сер."Физика радиац. воздействия на РЭА".-1992,-Вып. 2.-С. 32-39.

33.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Березина Г.М., Кульгачев В.И., Жуковский

B.В., Басин В.Б. Использование ионизирующих излучений для управления параметрами интегральных микросхем на основе биполярных и МОП-транзисторов // Известия АНБ. Сер. фпз.-мат. наук.-1993.-№ 4.-С. 67-72.

34. Богатырев Ю.В., Коршунов Ф.П. Влияние интенсивности электронного излучения и температуры на параметры МОП-структур // Известия АНБ. Сер. физ.-мат. наук.-1994.-№ 4.-С. 52-57.

35. Богатырев Ю.В. Прогнозирование работоспособности КМОП интегральных микросхем при внешних воздействиях // Петербургский журнал элекгроники.-1995.-№ 2(8).-С. 46-48.

36. Bondarenko V.P., Bogatyrev Yu.V., Dolgyi L.N., Dorofeev A.M., Panfilenko A.K., Shvedov S.V., Troyanova G.N., Vorozov N.N., Yakovtseva V.A. 1.2 цт CMOS/SOI on porous silicon // Physical and Technical Problems of SOI Structures and Devices"/Ed.J.P. Colinge et al.- Netherlands: Kluwer Academic Publishers.-1995.-P. 275-280.

37. Богатырев Ю.В. Токовый отжиг облученных КМОП интегральных структур // Известия АНБ. Сер.физ.-мат. наук.-1996.-№ 1.-С. 61-65.

38. Bondarenko V.P., Bogatyrev Yu.V., Colinge J.-P., Dolgyi L.N., Dorofeev A.M., Yakovtseva V.A. Total Gamma-Dose Characteristics of CMOS Devices in SOI Structures Based on Oxidized Porous Silicon // IEEE Trans. Nucl. Sci.-1997.-Vol. NS-44, № 5.-P. 1719-1723.

39.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Баранов ИЛ., Шкурдюк А.А. Применение низкотемпературной технологии для повышения радиационной стойкости КМОП БИС // Сб. материалов семинара "Вопр. обеспечения радиац. стойкости ЭРИ, элементов и материалов".-М.: ЦНИИ информации и техн.-эконом. исследований, 1985 .-С. 92-94.

40.Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Миронович А.Я, Применение токового отжига для восстановления параметров облученных КМОП интегральных микросхем // Сб. материалов семинара "Вопр. обеспечения радиац. стойкости ЭРИ, элементов и материалов".М.: ЦНИИ информации и техн.-экономических исследований, 1986.-С. 83-85.

41.Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Шикина В.В., Климкович JI.JI. Математическое прогнозирование изменений параметров МОП-транзисторов КМОП БИС после радиационно-термического воздействия // Там же.-1986.-С. 86-88.

42. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Миронович АЛ., Хорохина Л.Н., Сухоруков А.Г. Эффективность воздействия гамма-излучения с различным энергетическим спектром на МДП-интегральные микросхемы // Сб. материалов семинара "Вопр. обеспечения радиац. стойкости ЭРИ, элементов и ма-териалов".-М.: ЦНИИ ИТЭИ, 1987.-С. 71-73.

43. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Миронович А .Я., Шакина О.Ю. Относительная эффективность воздействия электронного и у-излучений на параметры КМОП интегральных микросхем И Материалы семинара "Вопр. обеспечения стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ".-М.: ЦНИИ ИТЭИ, 1989.-С. 64-66.

44. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Кульгачев В.И., Шемшеня C.B., Сычев А.П., Ржевский B.JI. Стойкость КМОП БИС к ионизирующим излучениям с различной интенсивностью // Материалы семинара "Вопросы стойкости ЭРИ, элементов и материалов к спецвоздействию".-М.: НТЦ "Информтехника", 1990.-С. 139-141.

45. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Лавренцов В.Д., Хорохина J1.H., М|фонович А .Я., Шакина О.Ю. Изменение параметров КМОП интегральных микросхем в процессе и после электронного облучения // Там же.-С. 142-144.

46. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Лавренцов В.Д., Хорохина Л.Н., Миронович АЛ, Моделирование воздействия факторов космического пространства на КМОП интегральные микросхемы // Материалы I Всесоюзн. научно-техн. конф. "Радиан, стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов",- Томск, 1991.-С. 212-213.

47. Богатырев Ю.В., Аксенова Н.В., Миронович АЛ., Шакина О.Ю. Прогнозирование изменений параметров КМОП интегральных микросхем в процессе и после электронного облучения // Там же.-С. 210-211.

48. Богатырев Ю.В., Аксенова Н.В., Миронович АЛ., Шакина О.Ю., Хорохина Л.Н. Влияние электронного облучения на параметры триггерных КМОП интегральных микросхем при различных условиях // Материалы семинара "Вопр. повышения радиац. стойкости электрорадиоизделий, элементов и материалов,-М.: НТЦ "Информтехника".-!991.-С. 15-17.

49. Богатырев Ю.В., Долгий Л.Н., Дорофеев A.M., Миронович А.Я., Яковцева В.А. Радиационностойкие КМОП/КНИ структуры на основе окисленного пористого кремния // Там же.-С. 18-20.

50.Богатырев Ю.В., Вальчевский С.А., Шикина В.В. Установка для оценки стойкости ИС к облучению в режиме функционального контроля // Материалы II межотрасл. научно-техн. конф. "Надежность и контроль качества изделий электронной техники".-М.: ЦНИИ "Циклон".-1992.-С. 55-56.

51.Богатырев Ю.В., Аксенова Н.В., Миронович А.Я. Статистический метод прогнозирования изменений параметров КМОП ИС при воздействии дестабилизирующих факторов // Там же.-С. 24.

52. Богатырев Ю.В., Демченко В.И., Коршунов Ф.П. Рассеяние носителей заряда в инверсионных слоях кремния, облученного электронами, при 20-293 К // Тез. докл. 19-го Всесоюзн. совещания по физике низких температур.-Минск, 1976.-С. 240.

53. Богатырев Ю.В. Влияние облучения быстрыми электронами на свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник // Сб.: Вопросы физики, электроники и технологии твердых тел.-Вильнюс: ИФП АН ЛитССР, 1976.-С. 53-54.

54. Богатырев Ю.В., Демченко В.И., Коршунов Ф.П. Исследование влияния электронного облучения на подвижность носителей заряда в инверсионных слоях

кремния // Сб. "Радиационные эффекты в полупров. системах". Препринт КИЯИ-76-25. -Киев, 1976.-С. 28-29.

55. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В. Влияние энергии и интенсивности электронного облучения на параметры МДП-структур // Тез. докл. Всесоюзн. семинара "Радиац, эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах-80".-Баку, 1980.-С. 114.

56. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В. Накопление заряда в МДП-структурах при реакторном облучешш // Тез. докл. XI Всесоюзн. координац.совещания. по исп. ядерных реакторов.-Ташкент, 1980.-С. 121.

57. Богатырев Ю.В., Шакина О.Ю. Изменение свойств МДП-структур при повышенных температурах облучения // Тез. докл. Респ. конф. "Физика, технология и производство полупров. приборов.-Вильнюс, 1984.-С. 90.

58. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Тарасиков М.В. Применение радиационно-термической обработки в технологии изготовления КМОП БИС // Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. конф. "Состояние и перспективы развития микроэлек-трошшй техники".-Минск: МРТИ, 1985.-Ч. Ш.-С. 43.

59. Баранов И.Л., Богатырев Ю.В., Ковалевский A.A., Тюлин О.В. Влияние гамма-квантов на накопление заряда в окисленном пористом кремнии // Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. семинара "Радиационная технология в производстве интегральных схем". Воронеж, 1988.-С. 123.

60. Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Миронович АЛ., Самонов С.М., Лапотентова Е.Б. Изменение характеристик арсенида галлия и элементов БИС на его основе под действием дестабилизирующих факторов // Там же.-С. 179-180.

61.Богатырев Ю.В., Коршунов Ф.П., Кульгачев В.И., Абрамович B.III, Шамаев

A.M., Васьков В.Б. Корректировка параметров элементов МОП БИС под действием радиационно-термической обработки // Там же.-С. 203-204.

62. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Аксенова Н.В., Шакина О.Ю. Использование метода ИК-спектроскопии для оценки надежности МДП-структур П Тез. докл.VI Респ. конф. "Физич. проблемы МДП интегр. электроники".-Киев, 1990.-С. 117.

63. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Кульгачев В.И., Шемшеня C.B., Шераухов

B.А. Улучшение параметров МОП БИС под действием гамма-облучения при повышенной температуре // Тез. докл. Ш Всесоюзн. конф. "Физич. основы надежности и деградации полупров. приборов".-Кишинев, КПИ.-1991.-Ч.П.-

C. 28.

64. Бондаренко В.П., Богатырев Ю.В., Долпш Л.Н., Дорофеев A.M., Панфиленко А.К. Шведов C.B., Троянова Г.Н., Ворозов H.H., Яковцева В.А. 1,2 мкм КМОП/КНИ приборы на основе пористого кремния // Тез. докл. междунар. исслед. школы "Physical and Technical Problems of SOI Structures and Devices" (Крым, Гурзуф, 1994).-C. 65-66.

65. Богатырев Ю.В. Изменение параметров МОП-структур при различных интен-сивностях электронного излучения и температурах внешней среды // Тез. докл. II Междунар. конф. "Взаимодействие излучений с тв. телом".-Минск:БГУ,-1997.-С. 127.

66. ОСТ 4.091.300-88, Приложение 11. Аппаратура передачи и обработки информации, автоматизированная система обеспечения стойкости аппаратуры к комплексному воздействию ионизирующих излучений ядерного взрыва, ядерных установок и космического пространства.-Введен 01.01.90.-М.,1988.-115 с.

67. A.c. СССР № 993781, МКИ H01L 29/78. Полупроводниковый прибор / Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Кольцова Н.Г., Плиненко В.И.-№ 3296374/25. Заявлено 04.06.81; Опубл. 01.10.82.

68. A.c. СССР № 1050459, МКИ H01L 21/263. Способ изготовления полупроводниковых приборов / Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Бобков В.А., Плиненко В.И.-№ 3366314/18-25. Заявлено 18.12.81; Опубл. 22.06.83.

69. A.c. СССР № 1098458, МКИ H01L 21/268. Способ изготовления МДП-тран-зисторов / Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Шакина О.Ю.- № 3535036/18-25. Заявлено 07.01.83; Опубл. 15.02.84.

70. A.c. СССР № 283625, МКИ II01L 21/263. Способ восстановления параметров кремниевых МДП интегральных микросхем после воздействия ионизирующих излучений / Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Миронович А.Я.-№ 3187987/24-21. Заявлено 21.12.87; Опубл. 03.10.88.

71. A.c. СССР № 292894, МКИ G01R 31/26. Способ функционирования логических элементов КМОП интегральных микросхем в динамическом режиме при воздействии ионизирующей радиации / Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Плиненко В.И., Миронович АЛ., Хорохина JI.H., Сухорукое А.Г.-№ 3180711/2421. Заявлено 29.06.87; Опубл. 03.05.89.

РЕЗЮМЕ

Богатырев Юрий Владимирович "Воздействие ионизирующих излучений на

структуры металл-диэлектрик-полупроводник и приборы на их основе"

Ключевые слова: структуры мегалл-диэлектрик-полупроводних, оксид кремния, МДП-приборы, транзисторы, интегральные микросхемы, структуры металл-ОаАБ, радиационная стойкость, ионизирующие излучения, гамма-излучение, электронное облучение.

Объекты исследований: тестовые структуры металл-диэлектрик-кремний на основе диэлектрических пленок 8Юг, Б^Оу]^, №205; серийные МДП-

транзисторы с п- и р-каналами, лошческие интегральные микросхемы на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП ИМС); тестовые элементы БИС на основе структур металл-СаАз.

Цель работы: выяснение причин и особенностей радиационных нарушений в МДП-структурах и приборах на их основе в зависимости от условий облучения, а также прогнозирование и повышение их радиационной стойкости.

Впервые установлена линейная зависимость изменений параметров п- и р-канальных МДП-транзисторов от энергии электронов в диапазоне Ес=5-25 МэВ. Определены эквивалентные дозы гамма-, рентгеновского и электронного излучений при воздействии на МДП-транзисторы и ИМС. При облучении МДП-приборов электронами с интенсивностью фе= см" -с" обнаружены мини-

мумы радиационной стойкости (РС) у МДП-транзисторов при фс«1012 см"2с', а у КМОП ИМС - при фс=

см" -с* . Предложена физическая модель, объясняющая повышение РС МДП-приборов при высокой интенсивности облучения.

Предложены методы прогнозирования РС МДП-приборов: по исходным ИК спектрам пленок БЮг; с помощью эмпирических зависимостей параметров приборов от дозы, энергии и интенсивности облучения; путем испытаний КМОП ИМС при повышенной температуре хранения.

Разработаны и защищены авторскими свидетельствами методы улучшения характеристик и повышения РС МДП-приборов до 10б-107 Р, использующие диэлектрик ЫЬгОз-БЮг, определенный способ подачи импульсных сигналов на вход ИМС, отжиг облученных КМОП ИМС перемешшм током, а также радиационно-термическую обработку.

Обнаружено, что тестовые элементы металл-ОаАз сохраняют работоспособность при гамма- и нейтронном облучении до Ог=Ю8 Р и Ф„=1015 н/см2.

Отдельные методы обеспечения РС МДП-приборов внедрены в промышленность на трех предприятиях и в отраслевом стандарте.

РЭЗЮМЭ

Багатыроу Юрый Уладз1м!рав1ч "Уздзеянне ¡янвацьп'шых выпраменьванняу на структуры метал-дыэлектрык-пауправадн1к i приборы на ix аснове"

Ключавыя словы: структуры метал-дыэлектрык-пауправаднш, аксщ крэменю, МДП-прыборы, транзютары, нггэгральныя мкрасхемы, структуры метал-GaAs, радыяцыйная устошивасць, мшзацыйныя выпраменьванш, гама-выпраменьванне, электроннае абпраменьванне.

Аб'екты даслславання: тэставьм структуры метал-дыэлектрык-крэмень на аснове дыэлектрычных пленак SiOi, Si3N4, SijOy,NT2, Nb^Os; серыйныя МДП-тран-зктары з п- i р-каналаш, лапчныя штэгральныя мкрасхемы на аснове кампле-ментарных МВП-транзютарау (КМВП IMC), тэставыя элементы BIC на аснове структур метэл-GaAs.

Мэта работы: высвятленне прычьш i асабл1васцей радыяцыйных пашкоджан-няу у МДП-структурах i приборах на ix аснове у залежнасщ ад умоу абпрамень-ванвд, а таксама прагаазаванне i павышэнне ix радыяцыйнай устошивасщ.

Упершьшю установлена лшейная залежнасць змяненняу параметрау п- i р-канальных МДП-транзютарау ад энергн электронау у дыяпазоне Ее=5-25 МэВ. Вызначаны атвалентньи дозы гама-, рэнтгенаускага i электроннага абпрамень-ванняу пры уздзеянш на МДП-транзютары i IMC. Пры абпраменьванш МДП-прыборау электронам! з штзнаунасщо <pt=S'108-10'4 см^-с"1 выяулены мипмумы радыяцыйнай устой.ш'васщ (РУ) у МДП-транзктарау пры фе»1012 см2-с"\ а у КМВП IMC - пры фе=109-Ю10 см"2-с-1. Прапанавана ф^згчная мадэль, якая растлу-мачвае павьпиэнне РУ МДП-прыборау пры высокай штэнаунасщ абпраменьван-ня.

Прапанаваны метады нрагназавання РУ МДП-прыборау: па зыходным 14 спектрам пленак SiOi; з дапамогай эмшрычных залежнасцей параметрау прыбо-рау ад дозы, 3iieprii i iironciynacni абпраменьвання; шляхам вьшрабавання КМВП IMC пры павьппаных тэмпературах захоування.

Распрацаваны i абаронены аутарскш! пасведчанням! метады паляпшэння ха-рактарыстык i павьпшння РУ МДП-прыборау да 10б-107 Р, выкарыстоуваючыя дыэлсктрык Nb205-Si02, вызначаны спосаб падачы ¡мпульсавых ciraaray на ува-ход IMC, адпал абпрамененых КМВП IMC змеиным токам, а таксама радыяцьщ-на-тэрм1чную апрацоуку.

Зауважана, што тэставыя элементы метал-GaAs захоуваюць работаздольнасць пры гама- i нейтронным абпраменьванш да D7=108 Р i Фп=1015 н/см2.

Асобныя метады забеспячэння РУ МДП-прыборау укаранены у прамысло-васщ на трох прадпрыемствах i у галшовым стандарце.

SUMMARY

Bogatyrev Yuri Vladimirovitch "Effect of the ionizing radiation

on the metal-insulator-semiconductor structures and devices on their basis".

Key words: mctal-insulator-semiconductor structures, silicon oxide, MIS-devices, transistors, integrated microcircuits, structures metal-GaAs, radiation tolerance, ionizing radiation, gamma-radiation, electron irradiation.

Objects of researches: test metal-insulator-silicon structures on the basis of films of Si02, Si3N4, Si*OyNj, Nb203, serial MIS-transistors with n- and p-channels, logic integrated microcircuits on the basis of the complementary MOS-transistors (CMOS IC), test elements of the large-scale integrated circuits on the basis of the metal-GaAs structures.

The pnrpose of the work: to elucidate the reasons and features of the radiation damage in MIS-structures and devices on their basis depending on the irradiation conditions and also the prediction and increase of their radiation tolerance.

The linear dependence of the changes of the n- and p-channel MIS transistors parameters from electron energy in the range of Ee=5-25 MeV was established for the first time. Equivalent doses of the gamma-, x-ray and electron radiation at effect on the MIS-transistors and IC's were determined. At electron irradiation of MIS-devices with intensity cpe=5 10B-1014 cm'^c'1, the minima of radiation tolerance (RT) were found out for MIS-transistors at cpe«1012 cm"2-c'1, and for CMOS IC at <pe= 109-10l° cm'2c~\ Physical model, explaining the increase of RT of MIS-devices at high irradiation intensity, was.suggested.

Methods of the RT prediction of the MIS-devices are offered: on the basis of the IR spectra of the Si02 films; with the help of the empirical dependences of the device parameters versus dose, energy and intensity of the irradiation; by tests of CMOS IC's at increased storage temperature.

Methods of the improvement of the characteristics and the increase of RT of MIS-devices up to 106-107 R, using the insulator Nb20j-Si02, certain method of feeding of pulse signals on an IC input, the annealing of the irradiated CMOS IC by alternating current, and also radiation-thermal processing have been developed and protected by the copyright certificates.

It was found out that the metal-GaAs test elements save workability at gamma-and neutron irradiation up to Dy=108 R and 0„=1015 n/cm2.

The separate methods of the RT maintenance of the MIS-devices have been introduced into the industry at three enterprises and in the branch standard.

БОГАТЫРЕВ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

НА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Подписано к печати 04.05.1998. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. л. 1,85. Тираж 100 экз. Заказ 1 . Бесплатно.

Институт физики им. Б.И.Степанова НАНБ 220072, Минск, пр. Ф.Скорины, 68. Отпечатано на ризографе ИФ НАНБ. Лицензия ЛП № 20.