Расчётно-экспериментальная оценка радиационной стойкости биполярных приборов при эксплуатации в переменных условиях космического пространства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Родин Александр Сергеевич

• Родин Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Родин Александр Сергеевич

СПИСОК ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

1.1 Физические модели эффекта низкой интенсивности

1.2 Методики оценки радиационной стойкости полупроводниковых приборов с учётом эффекта низкой интенсивности

1.3 Выводы

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ КОНВЕРСИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ПЕРЕМЕННЫХ УСЛОВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ

2.1 Особенности конверсионной модели для переменных условий внешней среды

2.2 Воздействие переменной мощности дозы

2.3 Циклическое изменение температуры

2.4 Солнечные вспышки

2.5 Низкотемпературное облучение

2.6 Выводы

ГЛАВА 3. УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

3.1 Аналоги устройства термостабилизации для проведения радиационных испытаний

3.2 Описание устройства термостабилизации

63

3.3 Результаты испытаний оборудования термостабилизации на ускорителе У-400

3.4 Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМУ ОБЛУЧЕНИЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ БИПОЛЯРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

4.1 Эксперименты по облучению биполярных транзисторов 2№222А

4.2 Эксперименты по низкотемпературному облучению биполярных компараторов напряжения ЬМ111

4.3 Определение значения энергии активации для LM111

4.4 Выводы

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ДЛЯ УСЛОВИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

5.1 Расчётно-экспериментальная оценка радиационной стойкости компаратора напряжения ЬМ111 с учётом переменной температуры

5.2 Выводы

ГЛАВА 6. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ БИПОЛЯРНЫХ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВЫХ ПРИБОРОВ

6.1 Моделирование кремний-германиевых гетероструктурных биполярных транзисторов

6.1.1 Описание образцов БЮе биполярных транзисторов и испытания

6.1.2 Модель гетероструктурного БЮе биполярного транзистора

6.1.3 Экстракция параметров

6.2 Исследование темпа радиационной деградации кремниевых и БЮе биполярных транзисторов

6.2.1 Влияние смещения эмиттерного перехода на темп радиационной

деградации биполярных SiGe транзисторов

6.2.2 Физические причины повышенной радиационной стойкости БЮе-транзисторов

6.3 Эффект низкой интенсивности в БЮе биполярных структурах

6.3.1 Влияние сужения запрещённой зоны на эффект низкой интенсивности

6.3.2 Исследование низкотемпературного облучения биполярных кремний-германиевых транзисторов

6.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ ВАХ - вольт-амперная характеристика

ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) - эффект низкой интенсивности

HDR (high dose rate) - высокая интенсивность

LDR (low dose rate) - низкая интенсивность

БТ - биполярный транзистор

ИИ - ионизирующее излучение

ИМС - интегральная микросхема

КН - компаратор напряжения

ИЭТ - изделие электронной техники

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

КА - космический аппарат

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчётно-экспериментальная оценка радиационной стойкости биполярных приборов при эксплуатации в переменных условиях космического пространства»

Актуальность темы диссертации.

В современном мире высокие темпы развития телекоммуникационных технологий, необходимость обеспечения бесперебойной работы спутниковых систем навигации, исследования различного рода космических и астрономических объектов (планет, галактик, туманностей и др.) требуют создания радиоэлектронного оборудования, имеющего возможность долговременного функционирования в условиях воздействия негативных факторов космического пространства. Основными причинами возможного выхода из строя электроники в составе космических аппаратов ранее запланированного срока является воздействие на интегральные микросхемы низкоинтенсивного ионизирующего излучения и переменной температуры.

Бортовая электроника космических аппаратов постоянно подвергается воздействию ионизирующего излучения космического пространства, источником которого служат электроны и протоны радиационных поясов Земли, а также солнечные и галактические космические лучи. Долговременное функционирование в экстремальных условиях может привести к выходу из строя изделий электронной техники в составе радиоэлектронной аппаратуры ранее запланированного срока. При прогнозировании сроков работоспособности космических аппаратов на орбите Земли в течение длительного времени нужно учитывать фактическую интенсивность радиационного воздействия. Для биполярных изделий электронной техники характерен эффект низкой интенсивности, проявляющийся в увеличении радиационной деградации электрических параметров приборов при снижении интенсивности облучения для фиксированной поглощённой дозы. Разработка эффективной методики, позволяющей проводить адекватную оценку времени бесперебойного функционирования изделий электронной техники является актуальной задачей.

Большинство существующих физических моделей эффекта низкой интенсивности в биполярных приборах имеют качественный характер или большое количество параметров, экстракция которых по экспериментальным данным затруднительна, что усложняет использование моделей для проведения численных оценок радиационной стойкости полупроводниковых приборов в реальных условиях космического пространства.

Проблема оценки радиационной стойкости полупроводниковых приборов в условиях низкоинтенсивного облучения в широком диапазоне температур и мощностей доз может быть решена с использованием конверсионной модели эффекта низкой интенсивности. Модель предполагает специальную процедуру экстракции подстроечных параметров, что позволяет проводить численные оценки радиационной деградации электрических характеристик полупроводниковых приборов в широком диапазоне интенсивностей и температур для любой поглощенной дозы. Каждый прибор имеет свой уникальный набор значений подстроечных параметров, позволяющих проводить численную оценку его радиационной стойкости при заданных условиях эксплуатации.

Известные в настоящее время методики прогнозирования радиационной стойкости изделий электронной техники дают результаты для воздействия излучения постоянной мощности дозы. В реальных условиях эксплуатации космические аппараты, пересекая радиационные пояса Земли, находится в условиях воздействия периодически изменяющейся интенсивности облучения. Температура эксплуатации может меняться произвольным образом, периодически приближаясь к границам рабочего диапазона температур. В настоящее время, набор экспериментальных данных по низкотемпературному облучению крайне ограничен. Актуальной является задача прогнозирования дозы отказа радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с учётом фактического профиля интенсивности дозовой нагрузки и температуры во время космической миссии, для решения которой требуется

доработка математического аппарата конверсионной модели эффекта низкой интенсивности с целью учёта переменных условий облучения.

Цель диссертации заключается в создании расчётно-экспериментальных средств на базе конверсионной модели эффекта низкой интенсивности, позволяющих проводить оценку радиационной стойкости биполярных изделий микроэлектронной техники космического назначения с учётом динамики изменения температуры эксплуатации в процессе космических миссий.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

. Исследование особенностей и физических механизмов эффекта низкой интенсивности в биполярных изделиях электронной техники при низкотемпературном облучении;

. Разработка аппаратно-программного комплекса для контроля и стабилизации температурного режима при экспериментах по облучению биполярных полупроводниковых приборов в широком диапазоне температур;

. Экспериментальное определение зависимостей радиационно-чувствительных параметров полупроводниковых приборов восприимчивых к эффекту низкой интенсивности и приборов, в которых данный эффект отсутствует, от поглощённой дозы для различных температур и мощностей доз при облучении;

. Разработка методического аппарата для оценки работоспособности биполярных микросхем при воздействии ионизирующего излучения низкой интенсивности на базе конверсионной модели с учётом переменной температуры и мощности дозы.

Методы проведенных исследований.

При разработке методического аппарата для оценки работоспособности биполярных микросхем в условиях воздействия ионизирующего излучения низкой интенсивности на базе конверсионной модели, с учётом переменной температуры и мощности дозы, предложенной в диссертации, использовались методы физики микроэлектронных структур, полупроводников и диэлектриков. Для верификации разработанного методического аппарата были проведены исследования температурных зависимостей деградации электрических параметров биполярных микросхем при воздействии ионизирующего излучения в части дозовых эффектов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Математический аппарат конверсионной модели эффекта низкой интенсивности, позволяющий оценивать радиационную стойкость биполярных изделий электронной техники при произвольном профиле изменения температуры и интенсивности в процессе облучения.

2. Методический аппарат для оценки работоспособности биполярных приборов при воздействии ионизирующего излучения низкой интенсивности на базе конверсионной модели с учётом переменной температуры и мощности дозы.

3. Программно-аппаратная реализация системы задания температурного режима изделий электронной техники при радиационных испытаниях.

4. Анализ результатов экспериментальных исследований радиационной стойкости биполярных кремний-германиевых приборов с позиции конверсионной модели эффекта низкой интенсивности.

Научная новизна диссертации:

1. Установлено, что эффект низкой интенсивности при низкотемпературном облучении может наблюдаться в тех приборах,

в которых он не проявляется в случае облучения при комнатной температуре.

2. Математический аппарат конверсионной модели эффекта низкой интенсивности адаптирован для оценки радиационной стойкости биполярных изделий электронной техники при произвольном профиле изменения температуры и интенсивности в процессе облучения.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1. Разработан методический аппарат для оценки работоспособности биполярных микросхем при воздействии ионизирующего излучения низкой интенсивности на базе конверсионной модели с учётом переменной температуры и мощности дозы.

2. Разработан аппаратно-программный комплекс для контроля и стабилизации температуры, позволяющий реализовать методику оценки работоспособности биполярных микросхем при воздействии ионизирующего излучения низкой интенсивности на базе конверсионной модели с учётом переменной температуры и мощности дозы.

3. Обоснована невосприимчивость SiGe-транзисторов к эффекту низкой интенсивности в широком диапазоне температур эксплуатации.

Личный вклад соискателя.

Все экспериментальные результаты, методики измерения и обработки экспериментальных данных, приведенных в диссертации, получены и предложены лично соискателем. Модели и теоретические расчеты разрабатывались и выполнялись совместно с коллегами и соавторами соискателя. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, получены лично соискателем на установках ГУ-200 и Гамма-Рид ФГУП «НИИП»

Связь работы с крупными научными программами и темами.

Работа проводилась в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ», ФГУП «НИИП» (г. Лыткарино), ФГУП «ВНИИА» и Филиале ОАО "ОРКК" - "НИИ КП" в рамках следующих государственных отраслевых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

1. Экспериментальное исследование влияния электрического режима биполярных интегральных микросхем при испытаниях на стойкость к воздействию ионизирующего излучения с учётом эффекта низкой интенсивности (Договор № 00-3-027-1028от "9" января 2014г).

2. Экспериментальные исследования и испытания ЭРИ с учётом эффектов низкой интенсивности (Договор 00-3-027-1157 от 26 июня 2015).

3. Исследования по разработке методики моделирования дозовых эффектов в МОП-приборах при воздействии ИИ высокой и средней интенсивности (Договор № 00-3-027-1133 от 16 февраля 2015).

4. Исследования по разработке неразрушающих методов отбраковки по дозовой стойкости сложнофункциональных микросхем, выполненных по биполярной технологии, для отличающихся условий облучения (шифр НИР «Ядро-МИФИ» Договор № 00-3-027-0224 от 1 апреля 2016)

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты диссертации докладывались на Научной сессии НИЯУ МИФИ (2015); ежегодных всероссийских конференциях "Радиационная стойкость" (Лыткарино, 2015-2017), международных конференциях ICNBE 2015, NSREC (2015-2017) и RADECS (2015-2017).

Опубликованные результаты.

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях журналов перечня ВАК: "Датчики и системы", "Вопросы атомной науки и техники", а

также журналах входящих в систему индексирования базы данных Scopus и Web of Science, Microelectronics Reliability и IEEE Transactions on Nuclear Science.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 133 страницы. Диссертация содержит 63 рисунка. Список литературы содержит 71 наименование.

В первой главе приведён обзор физических моделей и методик прогнозирования работоспособности полупроводниковых приборов в условиях воздействия ионизирующего излучения по дозовым эффектам с учетом эффекта низкой интенсивности. Показано, что ни одна из существующих методик не даёт возможности осуществлять прогноз с учётом реально изменяющихся температуры и интенсивности ионизирующего излучения на орбите Земли. Во второй главе получены расчетные соотношения на базе конверсионной модели эффекта низкой интенсивности, позволяющие получить численную оценку изменения радиационно-чувствительного параметра биполярного прибора от времени для изменяющихся условий облучения. Приведены результаты численного моделирования радиационно-индуцированного изменения входного тока биполярного компаратора напряжения для условий переменной мощности дозы и температуры с использованием полученных соотношений. В третьей главе описан программно-аппаратный комплекс для контроля и стабилизации температуры, разработанный для исследования температурных зависимостей деградации электрических параметров биполярных микросхем при воздействии ионизирующего излучения в части дозовых эффектов. Показано, что данное устройство имеет высокое быстродействие и эффективность активного охлаждения, позволяющее задавать температуру интегральных микросхем при радиационных испытаниях. В четвёртой главе приведены результаты экспериментов по облучению биполярных приборов при различных интенсивностях и температурах. Установлено, что эффект низкой

интенсивности при низкотемпературном облучении может наблюдаться в тех приборах, в которых он не проявляется в случае облучения при комнатной температуре. В пятой главе приведены результаты использования разработанного расчётно-экспериментального методического аппарата для оценки радиационной стойкости биполярных приборов с учётом реальной динамики изменения температуры эксплуатации в условиях космического пространства. В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований радиационной стойкости биполярных кремний-германиевых приборов. Проведён анализ результатов с позиции конверсионной модели эффекта низкой интенсивности. Показана высокая радиационная стойкость и невосприимчивость SiGe транзисторов к эффекту низкой интенсивности в широком диапазоне температур эксплуатации.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

1.1. Физические модели эффекта низкой интенсивности

При эксплуатации радиоэлектронного оборудования в условиях воздействия ионизирующего излучения, характерных для космического пространства, может наблюдаться эффект низкой интенсивности, ограничивающий срок службы изделий электронной техники в составе бортовой космической аппаратуры и проявляющийся в ухудшении электрических характеристик полупроводниковых приборов при снижении интенсивности радиационного воздействия.

Деградация современных биполярных изделий электронной техники связана с уменьшением коэффициента усиления биполярных транзисторов, что обусловлено увеличением тока поверхностной рекомбинации. Процесс рекомбинации осуществляется на дефектах границы пассивирующий окисел - полупроводник и связан с накоплением положительного заряда в объёме пассивирующего окисла, а увеличение рекомбинационных потерь связано со встраиванием поверхностных состояний на границе раздела окисел-полупроводник.

Одной из самых известных физических моделей, описывающих процесс встраивания радиационно-индуцированных поверхностных состояний на границе окисел-полупроводник в процессе облучения, является так называемая водородная модель. Водородная модель основана на гипотезе что ионы водорода выделяются в окисле в результате радиолиза гидридных соединений (например, гидроксильных групп) или благодаря энергии, выделяемой при событиях электрон-дырочной рекомбинации. Образовавшиеся ионы водорода, подходя к границе Si/SiO2, депассивируют поверхностные связи, которые приводят к встраиванию поверхностных

состояний [1, 2] (процесс поверхностной пассивации, широко используемый в технологии производства изделий микроэлектроники, вызывает отжиг дефектов подложки, в результате чего плотность поверхностных состоянии уменьшается). Исследования показывают, что искусственное [3] или технологическое введение водорода в МОП-структуру приводит к значительному увеличению темпа образования поверхностных состояний при облучении и после него. Это традиционно (например, [3]) рассматривается как иллюстрация особой роли водорода в процессе образования поверхностных состояний.

Представленные в работе [4] результаты согласуются с предположением о том, что для образования поверхностных состояний необходимо не только наличие положительно заряженных соединений водорода вблизи поверхности кремния, граничащей с диэлектриком. Важной составляющей процесса является взаимодействие между гидридными соединениями и электронами из подложки. Обе составляющие могут быть причиной, ограничивающей темп образования поверхности состояний в зависимости от конкретных условий.

В работе [4] представлены результаты эксперимента, в котором использовались ^канальные МОП-транзисторы с толщиной окисла 30 нм. Данные приборы подвергались воздействию рентгеновских лучей с энергией 8 кэВ и интенсивностью 1 крад ^Ю2) / с до значения общей поглощённой дозы равном 3 Мрад ^Ю2). В процессе облучения напряжение на затворе транзисторов составляло +5 В. После облучения, устройства помещали на 24 часа в среду молекулярного водорода (отжиг). Накопление поверхностных состояний регистрировалось на стадии отжига с использованием методики измерения подпороговых вольт-амперных характеристик. В рамках эксперимента были исследованы четыре различных режима, представленных в Табл. 1.

Таблица 1.1. Режимы экспериментальных исследований

Режимы эксперимента 1 2 3 4

Электрическое поле в окисле + + - -

Электроны подложки + - + -

Отношение ЛУ^/ЛД^0/)* 46 13 11 < 5

*

ЛУцапп - величина приращения плотности поверхностных состояний на этапе отжига, ЛЫШгг - величина приращения плотности поверхностных состояний на этапе облучения.

Электрические режимы во время отжига были выбраны таким образом, чтобы поле в окисле способствовало перемещению ионизированных соединений водорода к границе раздела Si/SiO2 (положительное направление, знак "+" в первом ряду таблицы) или от неё (отрицательное направление, знак "-" в первом ряду таблицы). Знак плюс в ряду таблицы "электроны подложки" соответствует режиму обогащения электронами в приповерхностной области подложки на границе с окислом, знак минус, режиму истощения.

Таким образом, различные комбинации электрического поля в диэлектрике, определяющего присутствие соединений водорода вблизи границы Si/SiO2 и концентраций электронов в подложке на границе с окислом были объединены в экспериментальных исследованиях в режимах 1-4.

На рисунке 1.1 показана полученная экспериментальная зависимость приращения порогового напряжения ДУ^, вызванного накоплением поверхностных состояний при отжиге МОП-транзисторов в среде молекулярного водорода для четырех различных режимов.

10* 101 10* Время, с

Рис.1.1. Зависимость приращения порогового напряжения ДУЙ от времени при отжиге МОП-транзисторов в среде молекулярного водорода для четырех

различных режимов.

Результаты на рис.1.1 соответствуют гипотезе о том, что если количество соединений водорода в непосредственной близости от границы БьБЮг низкое, то скорость и энергия активации процесса генерации поверхностных состояний, как можно ожидать, определяются в основном переносом водородных соединений в окисле.

Напротив, при наличии соединений водорода вблизи поверхности кремния, кинетика, энергия активации и зависимость протекающих процессов от напряжённости электрического поля связаны с туннелированием электронов из подложки. Такой подход хорошо согласуется с экспериментальными данными и водородной моделью, которые определяют влияние водорода на процессы образования поверхностных состояний, а также учитывают процесс конверсии.

Физическая модель, на базе которой разрабатывается методический аппарат для оценки радиационной стойкости полупроводниковых приборов космического назначения с учетом реальной динамики изменения

интенсивности радиационного воздействия и температуры при эксплуатации должна учитывать физические механизмы лежащие в основе так называемого эффекта низкой интенсивности. На сегодняшний день существуют различные модели эффекта низкой интенсивности. Ряд физических моделей базируется на рассмотрении процессов увеличения темпа встраивания поверхностных состояний на границе кремний - пассивирущий окисел при снижении мощности дозы облучения [5-7]. Другой класс физических моделей рассматривает эффект с позиций зависимости выхода заряда в окисле от интенсивности радиационного воздействия [8, 9]. Для определения какая из существующих моделей оптимально подходит для разработки методического аппарата необходимо провести аналитический обзор физических моделей эффекта низкой интенсивности в полупроводниковых приборах, а также определить степень согласования данных моделей с экспериментальными данными.

В ходе экспериментов, представленных в работе [10], было обнаружено, что новое поколение биполярных приборов демонстрирует большую деградацию коэффициента усиления при облучении низкой мощностью дозы, чем при высокоинтенсивном облучении. Деградация коэффициента усиления, являющегося основным ограничивающим фактором в использовании биполярных транзисторов с эмиттером на поликремнии в условиях воздействия ионизирующего излучения, в 2-3 раза выше для интенсивности радиационного воздействия 1,1 рад(Б1) / с, чем для интенсивности равной 300 рад / с. Кроме того, было обнаружено [10], что высокотемпературный отжиг после высокоинтенсивного облучения приводит к восстановлению коэффициента усиления тока транзистора (до исходного значения). Это означает, что традиционная процедура облучения биполярных приборов с целью моделирования условий воздействия излучения низкой интенсивности может быть неправильной и, следовательно, нуждается в модификации [11].

Было показано [12-14], что данное явление при низкоинтенсивном облучении обусловлено аномальным увеличением положительного заряда, который захватывается толстым слоем экранирующего окисла, расположенным над переходом эмиттер-база. Этот рост действительно является аномальным, поскольку в МОП-транзисторах при облучении низкой мощностью дозы происходит нейтрализация захваченных дырок, что приводит к уменьшению положительного заряда.

Физическая модель эффекта предложена в [15]. Авторы полагают, что в объеме окисла имеются метастабильные центры, захватывающие дырки. В то время как заряд классических дырочных ловушек (Ет'-центров) отжигается в течение нескольких лет при нормальных условиях, время релаксации (постоянная времени отжига) заряда метастабильных центров составляет от нескольких секунд до нескольких часов. При облучении высокой мощностью дозы (заряжается большое количество метастабильных центров) число метастабильных заряженных центров велико, и этот захваченный заряд создает дополнительное внутреннее электрическое поле, которое уменьшает выход заряда в окисле по сравнению со случаем низкоинтенсивного облучения. При облучении низкой мощностью дозы заряд метастабильных центров и соответствующее дополнительное электрическое поле меньше, и, как следствие, наблюдается более высокий выход заряда. Модель [15] подтверждается результатами облучения при температуре +60 ° С. По мере повышения температуры метастабильные центры подвергаются термическому отжигу, а выход заряда увеличивается до значения, которое характерно для случая низкоинтенсивного облучения. Авторы [15] также проанализировали влияние электронов, захваченных вблизи границы Si/SiO2, на аномальное увеличение общего положительного заряда, но они исключили важную роль этих электронов в наблюдаемом эффекте.

В работе [7] рассматривается альтернативная физическая модель и способ исследования эффекта низкой интенсивности. Данный эффект

объясняется авторами наличием так называемых мелких ловушек электронов в окисле. Предполагается, что МОП-транзистор используется для моделирования поверхностного рекомбинационного тока биполярного транзистора. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований МОП-транзистора в биполярном режиме.

Авторы работы [7] предлагают следующую физическую модель эффекта низкой интенсивности в биполярных транзисторах. Полный положительный заряд в окисле зависит от количества дырок, которые избежали рекомбинации при переносе. Обычно предполагается, что дырка рекомбинирует со свободным электроном, но также необходимо учитывать взаимодействие свободной дырки с захваченным электроном. Таким образом, наличие отрицательного захваченного заряда в окисле может резко снизить выход дырок из-за рекомбинации свободных дырок.

Электронные ловушки играют огромную роль в окислах биполярных структур, потому что выполняются следующие условия. Во-первых, электрическое поле в окисле мало. Поэтому радиационно-индуцированные электронные ловушки заняты. Во-вторых, обычный маскирующий окисел не является радиационно-стойким. Захват таких ловушек происходит в объеме окисла, поэтому электронные ловушки генерируются вдоль всего пути движения дырок к границе Si-SiO2. При низкоинтенсивном облучении занятых электронных ловушек меньше, чем при умеренных значениях мощности дозы. Это приводит к уменьшению потерь дырок вследствие захвата дырок на занятые электронные ловушки, что приводит к увеличению положительного заряда. Следовательно, положительный заряд, захваченный окислом, увеличивается с уменьшением мощности дозы. Термический отжиг положительного заряда, захваченного окислом, в условиях комнатной температуры при длительном низкоинтенсивном облучении не может компенсировать их рост, вызванный увеличением выхода положительного заряда.

Концепция электронных ловушек достаточно хорошо соответствует экспериментальным данным [15]. Главная цель эксперимента в работе [15] заключалась в небольшом повышении температуры (60оС) при высокоинтенсивном облучении, что привело к термической диссоциации метастабильных центров и к уменьшению их влияния на выход положительного заряда. Авторы работы [7] предполагают, что увеличение температуры во время высокоинтенсивного облучения, активизирует процесс электронной эмиссии из ловушек. Уменьшение количества захваченных электронов приводит к уменьшению рекомбинации свободных дырок, т.е. увеличивается выход положительного заряда, захваченного диэлектриком.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Родин Александр Сергеевич, 2019 год

ЛИТЕРАТУРА

[1] T.P. Ma and P.V. Dressendorfer, Ionizing Radiation Effects in MOS devices and Circuits, New York: J. Wiley & Sons, 1989.

[2] F.B. McLean, A framework for understanding radiation induced interface states in SiO2 MOS structures, IEEE Trans. Nucl. Sci., , vol. NS27, no. 6,pp. 1651-1657,1980.

[3] R.E. Stahlbush, Slow and fast state formation caused by hydrogen, in The Physics and Chemistry of SiO2 and the Si-SiO2 Interface, Plenum Press, 1996.

[4] A.V. Sogoyan, S.V. Cherepko, and V.S. Pershenkov. The Hydrogenic-Electron Model of Accumulation of Surface States on the Oxide Semiconductor Interface under the Effects of Ionizing Radiation. Russian Microelectronics, Vol. 43, No. 2, pp. 162-164,2014.

[5] G.I. Zebrev, Modeling and simulation of the enhanced low-dose-rate sensitivity of thick isolating layers in advanced ICs, Russian Microelectronics,2006.

[6] D. M. Fleetwood, S. L. Kosier, R. N. Nowlin, R. D. Schrimpf, R. A. Reber, Jr. M. DeLau, P. S. Winokur, A. Wei, W. E. Combs and R. L. Pease. Physical mechanisms contributing to enhanced bipolar gain degradation at low dose rates. IEEE Transactions On Nuclear Science, vol. 41, no. 6, december 1994.

[7] V.V.Belyakov, V.S.Pershenkov, A.V.Shalnov, L.N.Shvetzov-Shilovsky, Use of MOS Structures for the Investigation of Low-Dose-Rate Effects in Bipolar Transistors, IEEE Transactions on nuclear science, vol. 42 no. 6, December 1995.

[8] J. Boch,F. Saigné, R. D. Schrimpf, J.-R. Vaillé, L. Dusseau and E. Lorfèvre, Physical Model for the Low-Dose-Rate Effect in Bipolar Devices Member, IEEE Transactions On Nuclear Science, vol. 53, 2006.

[9] Daniel M. Fleetwood, Ronald D. Schrimpf, Sokrates T. Pantelides, Ronald L. Pease, and Gary W. Dunham, Electron Capture, Hydrogen Release, and Enhanced Gain Degradation in Linear Bipolar Devices, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 55, no. 6, December 2008.

[10] E.W. Enlow, R.L. Pease, W.E. Combs, R.D. Schrimpf and R.N. Nowlin, Response of Advanced Bipolar Processes to Ionizing Radiation, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. NS-38, No. 6, pp.1342-1351, December 1991.

[11] S. McClure, R.L. Pease, W.Wil1, and G. Perry, Dependence of Total Dose Response of Bipolar Linear Microcircuits on Applied Dose Rate, ZEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. NS-41, No.6, pp.2544-2549, December 1994.

[12] R.N. Nowlin, E.W. Enlow, R.D. Schrimpf, and W.E. Combs, Trends in the Total-Dose Response of Modem Bipolar Transistors, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol.NS-39, pp.2026-2035, December 1992.

[13] R.N. Nowlin, D.M. Fleetwood, R.D. Schrimpf, R.L. Pease and W.E.Combs, Hardness Assurance and Testing Issues for Bipolar / BiCMOS Devices, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. NS-40, No.6, pp.1686-1693, December 1993.

[14] S.L. Kosier, R.D. Shrimpf, R.N. Nowlin, D.M. Fleetwood, M. DeLaus, R.L. Pease, W.E. Combs, A. Wei, and F. Chai, Charge Separation for Bipolar Transistors, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. NS-40, No.6, pp.12761285, December 1993.

[15] D. M. Fleetwood, S. L. Kosier, R. N. Nowlin, R. D. Schrimpf, R. A. Reber Jr., M. DeLaus, P. S. Winokur, A. Wei, W. E. Combs, and R.L. Pease,

"Physical mechanisms contributing to enhanced bipolar gain degradation at low dose rates," IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 41, pp. 1871-1883, 1994.

[16] G.I. Zebrev, Modeling and simulation of the enhanced low-dose-rate sensitivity of thick isolating layers in advanced ICs, Russian Microelectronics, 2006.

[17] H.E. Boesch, J. M. Bendetto. The relationship between Co-60 and 10-keV x-ray damage in MOS devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. - V.33. - P. 1318-1323, 1986.

[18] F. B. McLean, H. E. Boesch, Jr., and T. R. Oldham, Electron-Hole Generation, Transport, and Trapping in SiO2 in Ionizing Radiation Effects in MOS Devices & Circuits, Wiley, New York, pp. 87- 192, 1989.

[19] R. N. Nowlin, D. M. Fleetwood and R.D. Schrimpf, Saturation of the Dose-Rate Response of BJTs below 10 rad(SiO2)/s: Implications for Hardness Assurance, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-41, No. 6, 1994.

[20] D.M. Fleetwood, S.L. Miller, R.A. Reber, Jr.P. McWhorter, P. Winokur, M. Shaneyfelt and J. Schwank, New Insights into Rad-Induced Oxide-Trap Charge Through TSC Measurement and Analysis, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-39, 1992.

[21] D.M. Fleetwood, P.S. Winokur, R.A. Reber, Jr.T. L. Meisenheimer, J.R. Schwank, M. R. Shaneyfelt and L.C. Riewe, Effects of Oxide Traps, Interface Traps and Border Traps, on MOS Devices, J. Appl. Phys. 73, 5058, 1993.

[22] D.M. Fleetwood, M.R. Shaneyfelt, W.L. Warren, J.R. Schwank, T.L. Meisenheimerand P.S. Winokur, Border Traps: Issues for MOS Radiation Response and Long-Term Reliability, Microelectronics and Reliability (Special Issue. Nov.), 1994.

[23] A.J. Lelis, T.R. Oldham, H.E. Boesch, Jr. and F. B. McLean, The Nature of the Trapped Hole Annealing Process, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-36, 1989.

[24] W.L. Warren, M.R. Shaneyfelt, D.M. Fleetwood, J.R. Schwank, P.S. Winokur and R.A.B. Devine, Microscopic Nature of Border Traps in MOS Oxides, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-41, No. 6, 1994.

[25] W.L. Warren, M.R. Shaneyfelt, I. Schwank, D.M. Fleetwood, P.S. Winokur, R. Devine, W.P. Maszara, and J.B. McKitterick, Paramagnetic Defect Centers in BESOI and SIMOX Buried Oxides, IEEE Trans. Nucl. Sci., 1993.

[26] S.N. Rashkeev, C.R. Cirba, D.M. Fleetwood, R.D. Schrimpf, S.C. Witczak, A. Michez, and S.T. Pantelides, Physical Model for enhanced interface-trap formation at low dose rates, IEEE Trans. Nucl.Sci., vol. 49, pp. 2650-2655, 2002.

[27] J. Boch, F. Saigne, J.F. Carlotti, A.D. Touboul, S. Ducret, M.F. Bernard, R.D. Schrimpf, F.Wrobel, and G. Sarrabayrouse, Dose-rate effects in bipolar oxides: Competition between trap filling and recombination, Appl. Phys. Lett., vol. 88, p. 232113, 2006.

[28] M. Walters and A. Reisman, Radiation-induced neutral electron trap generation in electrically biased insulated gate field effect transistor gate insulators, J. Electrochem. Soc., vol. 138, pp. 2756-2762, 1991.

[29] T. H.Ning, Electron trapping in SiO2 due to electron-beam deposition of aluminum, J. Appl. Phys., vol. 49, pp. 4077-4082, 1978.

[30] V.S. Pershenkov, V.B. Maslov, S.V. Cherepko, I.N. Shvetzov Shilovsky, V.V. Belyakov, A.V. Sogoyan, V.I. Rusanovsky, V.N. Ulimov, V.V. Emelianov and V.S. Nasibullin, The effect of emitter junction bias on

the low dose-rate radiation response of bipolar devices, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 44, pp. 1840-1848, 1997.

[31] L. Onsager, Initial recombination of ions, Phys. Rev., vol. 54, pp. 554-557, 1938.

[32] R.L. Pease, G.W. Dunham, J.E. Seiler, D.G. Platteter, and S. McClure, Total dose and dose rate response of an AD590 temperature transducer, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 54, no. 4, pp. 1049-1054, Aug. 2007.

[33] X.J. Chen, H.J. Barnaby, B. Vermeire, K. Holbert, D. Wright, R.L. Pease, G. Dunham, D.G. Platteter, J. Seiler, S. McClure, and P. Adell, Mechanisms of enhanced radiation-induced degradation due to excess molecular hydrogen in bipolar oxides, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 54, no. 6, pp. 1913-1919, Dec. 2007.

[34] R.L. Pease, D.G. Platteter, G.W. Dunham, J.E. Seiler, P.C. Adell, H. J. Barnaby, and X.J. Chen, The effects of hydrogen in hermetically sealed packages on the total dose and dose rate response of bipolar linear circuits, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 54, no. 6, pp. 2168-2173, Dec. 2007.

[35] R.N. Nowlin, D.M. Fleetwood, and R.D. Schrimpf, Saturation of the dose-rate response of bipolar transistors below 10 rad(SiO2)/s: Implications for hardness assurance, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 41, pp. 2637-2641, 1994.

[36] S.C. Witczak, R.D. Schrimpf, K.F. Galloway, D.M. Fleetwood, R.L. Pease, J.M. Puhl, D.M. Schmidt, W.E. Combs, and J.S. Suehle, Accelerated tests for simulating low dose rate gain degradation of lateral and substrate PNP bipolar junction transistors, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 43, pp. 31513160, 1996.

[37] R.L. Pease, D.G. Platteter, G.W. Dunham, J.E. Seiler, H.J. Barnaby, R.D. Schrimpf, M.R. Shaneyfelt, M.C. Maher, and R.N. Nowlin,

Characterization of enhanced low dose rate sensitivity (ELDRS) effects using gated lateral PNP transistor structures, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 51, no. 6, pp. 3773-3780, Dec. 2004.

[38] I.G. Batyrev, R. Durand, D. Hughart, M. Bounasser, D.M. Fleetwood, R.D. Schrimpf, B. Tuttle,G.W.Dunham, and S.T. Pantelides, Effects of hydrogen soaking on the radiation response of bipolar transistors: Experiment and modeling, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 55, no. 6, Dec. 2008.

[39] D.M. Schmidt, A. Wu, R.D. Schrimpf, D.M. Fleetwood, and R.L. Pease, Modeling ionizing radiation induced gain degradation of the lateral pnp bipolar junction transistor, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 43, no. 6, pp. 3032-3039, Dec. 1996.

[40] R.L. Pease, Total ionizing dose effects in bipolar devices and circuits, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 50, no. 3, pp. 539-551, Jun. 2003.

[41] D.M. Fleetwood, L.C. Riewe, J.R. Schwank, S.C.Witczak, and R.D. Schrimpf, Radiation effects at low electric fields in thermal, SIMOX and bipolar-base oxides, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 43, no. 6, pp. 2537-2546, Dec. 1996.

[42] D.M. Fleetwood and H.A. Eisen, Total-dose radiation hardness assurance, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 50, no. 3, pp. 552-564, Jun. 2003.

[43] V.S. Pershenkov, D.V. Savchenkov, A.S. Bakerenkov, V.N. Ulimov, A.Y. Nikiforov, A.I. Chumakov, A.A. Romanenko, The conversion model of low dose rate effect in bipolar transistors, RADECS, статья № 5994661, pp. 290-297, 2009.

[44] V.S. Pershenkov, D.V. Savchenkov, A.S. Bakerenkov, V.N. Ulimov, Conversion model of enhanced low-dose-rate sensitivity for bipolar ICs (2010) Russian Microelectronics, 39 (2), pp. 91-99, 2010.

[45] V.S. Pershenkov, A.S. Bakerenkov, A.V. Solomatin, V.V. Belyakov, The estimation of long time operation bipolar devices in space environment using conversion model of ELDRS, RADECS, статья № 6937456, 2013.

[46] V.S. Pershenkov, A.V Sogoyan, V.A Telets, Conversion model of radiation-induced interface-trap buildup and the some examples of its application, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 151 (1), статья № 012001, 2016.

[47] V.S. Pershenkov, D.V Savchenkov, A.S. Bakerenkov, V.N Ulimov, A.Y. Nikiforov, A.I. Chumakov, A.A. Romanenko, The conversion model of low dose rate effect in bipolar transistors, RADECS, Pages 290-297,2009.

[48] MIL-STD-883-H, Test Method 1019.8, Ionizing Radiation (Total Dose) Test Procedure Feb. 26, 2010

[49] ESCC Basic Specification No. 22900, European Space Agency, Issue 5, 2016.

[50] V.S. Pershenkov, A.S. Petrov, A.S. Bakerenkov, V.N. Ulimov, V.A. Felytsyn, A.S. Rodin, V.V. Belyakov, V.A. Telets, V.V. Shurenkov, True dose rate physical mechanism of ELDRS effect in bipolar devices, Microelectronics Reliability, 2017.

[51] V.S. Pershenkov, D.V. Savchenkov, A.S. Bakerenkov, A.S. Egorov, Calculation of surface recombination current in bipolar microelectronic structures subjected to ionizing radiation, Russian Microelectronics, v.38, № 1, pp. 21-33,2009.

[52] T.L. Turflinger, W.M. Schemichel, J.F. Krieg, J.L. Titus, A.B. Campbell, M. Reeves, R.J. Walters, P.W. Marshall, and R.L. Pease, ELDRS in Space: An Updated and Expanded Analysis of the Bipolar ELDRS Experiment on MPTB, IEEE Trans. Nucl. Sci., 2003, vol. NS-50, no.6, pp.2328-2334.

[53] F. Roig, L. Dusseau, J. Boch, F. Saigne, J.-R. Vaille, A. Touboul, P. Adell, E. Lorfevre, A thermal annealing approach to extend metal oxide semiconductor devices lifetime exposed to very high dose levels, RADECS, Sept 2012.

[54] R.D. Harris, S.S. McClure, B.G. Rax, R.W. Evans and I. Jun, Comparison of TID effects in space-like variable dose rates and constant dose rates, IEEE Trans. Nucl. Sci.,vol.55, no.6, pp.3088-3095, 2008.

[55] http://www.loip.ru/catalog/termostatyi-serii-loip-lt-400/loip-lt-400/

[56] А.С. Бакеренков, В.В. Беляков, Н.В. Варламов, А.М. Никитин, В.С. Першенков, В.В. Шуренков, Е.С. Волкодаев, Т.С Ермоленко, Система задания и контроля температуры при экспериментах на циклотроне по исследованию одиночных сбоев в микросхемах, Ядерная физика и инжиниринг. Т. 2. № 6. С. 502,2011

[57] A.S. Bakerenkov, V.V. Belyakov, A.E. Kozyukov [et al.], Temperature control system for the study of single event effects in integrated circuits using a cyclotron accelerator, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 773, № 11, pp. 33-38,2015.

[58] V.S. Anashin, A.E. Kozyukov, V.V. Emeliyanov [et al.], Equipment and test results of the electronic components to SEE in the temperature range, IEEE Radiation Effects Data Workshop: proceeding. 2012, pp.276280, 2012.

[59] A.H. Johnston, R.T. Swimm, D.O. Thorburn, Total dose effects on bipolar integrated circuits at low temperature, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 59, Issue 6. pp. 2995-3003, 2012.

[60] A.S. Bakerenkov, V.V. Belyakov, V.S. Pershenkov, A.A. Romanenko, D.V. Savchenkov, V.V. Shurenkov, Extracting the fitting parameters for the conversion model of enhanced low dose rate sensitivity in

bipolar devices, Russian Microelectronics, v.42, Issue 1, January, pp. 4852,2013.

[61] Earth Observation resources (eoPortal), ESA, https : //directory.eoportal .org.

[62] John D. Cressler, Radiation Effects in SiGe Technology, IEEE transactions on Nuclear Science, vol. 60, № 3, pp. 1992-2014, June 2013.

[63] A.P.G. Prakash, A.K. Sutton, R.M. Diestelhorst, G. Espinel, J. Andrews, B. Jun, J.D. Cressler, P.W. Marshall, C.J. Marshall, The effects of irradiation temperature on the proton response of SiGe HBTs, IEEE transactions on Nuclear Science, vol. 53, № 6, pp. 3175-3181, December 2006.

[64] M. Ullan, M. Wilder, H. Spieler, E. Spencer, S. Rescia, F.M. Newcomer, F. Martinez-McKinney, W. Kononenko, F.F. Glilo, S. Diez, Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS) tests on advanced SiGe bipolar transistors for very high total dose applications, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 724, pp. 41-46,2013.

[65] D.V. Gromov, V.V. Elesin, G.V. Chukovand V.V. Repin, Radiation effects in bipolar transistors baised on silicon-germanium heterostructures, in Proc. 19th Int. Crimean Conf. Microwave and Telecommunication Technology, Sevastopol, Crimea, Ukraine, Sept. 14 - 18, pp. 726-727,2009.

[66] P.K. Skorobogatov and A.Y. Nikiforov, Simulation of bulk ionization effects in SOI devices,Russian Microelectronics, vol. 27, no. 1, pp. 1-6, 1998.

[67] V.V. Belykov, A.I. Chumakov, A.Y. Nikiforov, V.S. Pershenkov, P.K. Skorobogatov and A.V. Sogoyan, Prediction of local and global ionization effects on ICs: The synergy between numerical and physical simulation, Russian Microelectronics, vol. 32, no. 2, pp. 105-118, 2003.

[68] G.I. Zebrev, D.Y. Pavlov, V.S. Pershenkov, A.Y. Nikiforov, A.V. Sogoyan, D.V. Boychenko, V.N. Ulimovand V.V. Emelyanov, Radiation response of bipolar transistors at various irradiation temperatures and electric biases: Modeling and experiment/EEE Trans. Nucl. Sci., vol. 53, no. 4, pp. 1981-1987, 2006.

[69] O. Akhmetov, D.V. Boychenko, D.V. Bobrovskiy, A.I. Chumakov, O.A. Kalashnikov, and A.Y. Nikiforov, System on module total ionizing dose distribution modeling, Proc. 29th Int. Conf. on Microelectronics MIEL, Belgrade, Serbia, May 2014, pp. 329-331,2014.

[70] Z. Fleetwood, A. Cardoso, I. Song, E. Wilcox, N. Lourenco, S. Philips, R. Arora, P. Paki-Amouzou, J. Cressler, Evaluation of enhanced low dose rate sensitivity in fourth-generation SiGe HBTs, IEEE transactions on Nuclear Science, vol. 61, № 6, pp. 2915-2922, December 2014.

[71] P.C. Adell ; I.S. Esqueda ; H.J. Barnaby ; B. Rax ; A.H. Johnston, Impact of low temperatures (< 125 K) on the total ionizing dose response and ELDRS in gated lateral PNP BJTs,2012 IEEE Transactions on Nuclear Science. 59, 6.