автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Применение радионуклидных источников α-излучения для имитации нейтронного воздействия на кремниевые биполярные транзисторы

Применение радионуклидных источников а-излучения для имитации нейтронного воздействия на кремниевые биполярные транзисторы

Специальность:

05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ЯНВ 2314

Москва 2013

005544486

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-производственное предприятие «Пульсар».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Синкевич В.Ф.

Официальные оппоненты: Чумаков Александр Иннокентьевич

доктор технических наук, профессор технический директор ОАО «ЭНПО СПЭЛС»

Ужегов Вячеслав Михайлович кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ведущий научный сотрудник - начальник сектора

ФГУП «ЦНИИмаш»

Ведущая организация: ФГУП «НИИП»

г. Лыткарино, Московской области

Защита состоится « 28 » января 2014 г. в 16°° часов на заседании диссертационного совета Д212.131.02 в МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78. Автореферат диссертации размещен на сайте МГТУ МИРЭА www.mirea.ru

Автореферат разослан « » р X 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Биполярные транзисторы, как и другие активные элементы, на сегодняшний день определяют возможности перспективных систем радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Скорость, точность и, конечно, долговечность — все эти качества различных систем и комплексов зависят от микроэлектронной компонентной базы. Выход из строя одного элемента может привести к потере функционирования целого комплекса. Причиной неработоспособности зачастую является ионизирующее излучение. Разработчики изделий полупроводниковой электроники принимают различный комплекс мер по снижению влияния ионизирующего излучения на работу элемента, а к самим изделиям предъявляется ряд требований, которые подтверждаются испытаниями на воздействие специальных факторов.

Согласно действующим нормативным документам испытания изделия полупроводниковой электроники (ИПЭ) на воздействие специальных факторов должны проводиться на моделирующих установках (МУ), поскольку в этом случае наиболее полно воспроизводятся реальные условия радиационного воздействия. Однако обеспечить с помощью МУ требуемую оперативность испытаний изделий микроэлектроники достаточно трудно, а во многих случаях и невозможно, что снижает эффективность проведения испытаний. Кроме того у испытаний с помощью МУ есть ряд других существенных недостатков - остаточная наведенная радиоактивность после воздействия нейтронов и высокоэнергетичных протонов на испытуемых изделиях, высокая стоимость проведения испытаний, сложность измерения параметров ИПЭ в связи с необходимостью использования дистанционной метрики.

Поэтому наряду с испытаниями на МУ в последние годы применяются и внедряются в практику методик испытаний, основанные на использовании имитирующих установок - имитаторов. Имитационные испытания ИПЭ позволяют оперативно получать информацию о радиационной стойкости разрабатываемых изделий без проведения сложных и дорогостоящих испытаний на МУ.

Использование имитационных методик испытаний позволяет сократить сроки и стоимость проведения работ по созданию современных систем РЭА.

Целью работы является разработка методики проведения имитационных испытаний нейтронного воздействия на кремниевые биполярные транзисторы с помощью радионуклидных источников ос-излучения.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс научных, экспериментальных и организационных задач:

- выполнен обзор представленных на отечественном и мировом рынках изотопных источников а-излучения;

- проведены дозиметрические измерения радионуклидных а-источников при различных взаимных расположениях блока детектирования и а-источника;

- исследовано пространственное распределение радиационных дефектов в кремнии при его облучении а-частицами РнИ;

- исследовано влияние режимов облучения а-частицами с целью имитации нейтронного воздействия с последующей проверкой этих режимов при облучении биполярных транзисторов с различными параметрами (тип прибора, глубины залегания эмиттерной и коллекторной областей, концентрация носителей в базе);

- определены коэффициенты эквивалентности нейтронного и альфа воздействий Кэквп/а на биполярные транзисторы;

- разработан и внедрен макет нового имитатора на основе изотопного а-источника;

- исследована применимость коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий КЭкв в/а Для имитационных испытаний интегральных микросхем операционных усилителей. Показана возможность такого применения.

Исследования по теме диссертации проводились и внедрены в ОАО «НПП «Пульсар» в процессе выполнения ОКР «Цифра-4» и ОКР «Цифра-5».

Научная новизна работы

■ Экспериментально показана возможность формирования при помощи радионуклидных источников а-облучения равномерных профилей радиационных дефектов в кремниевых структурах на глубинах до 8 мкм при наличия воздушного промежутка протяженностью 15 мм между источником и мишенью.

■ Определены, в режиме облучения с воздушным промежутком 15 мм, значения коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий КэквпЛх Для кремниевых биполярных транзисторов: для р-п-р типа Кэквп/а от 1900 до 3400, для п-р-п типа КЭКвл/а от 2300 до 4500, в диапазоне плотностей токов от 0,2 до 700 А/см2 и уровней инжекции от 6 -10~5 до 3 • 10"1.

■ Экспериментально показано, что по полученным зависимостям коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий от уровня инжекции, можно с помощью радионуклидных источников а-излучения имитировать воздействие быстрых нейтронов на кремниевые биполярные транзисторы, работающие в усилительном режиме, с концентрацией легирующей примеси

в базе от 4,5-1016 см'3 до 6-Ю17 см'3 и технологической глубиной расположения базы до 8 мкм от поверхности кристалла с учетом металлизации и слоя диэлектрика.

■ Показана возможность имитационных испытаний операционных усилителей, с использованием полученных для биполярных транзисторов коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий и методики определения уровня инжекции для структур, входящих в состав ИМС.

Практическая значимость

Практическая ценность диссертации заключается в следующем:

■ Определена возможность оперативного проведения исследований стойкости ИПЭ к воздействию нейтронного излучения на всех этапах проведения НИОКР с помощью РнИ а-излучения;

■ Разработана на основе радионуклидного источника а-излучения имитационная установка, позволяющая оперативно проводить имитационные испытания нейтронного воздействия на ИПЭ в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 125 °С и контролировать параметры во время испытаний, при этом на изделии отсутствует остаточная радиоактивность и минимизировано влияние электромагнитных помех.

» Проведены имитационные испытаний нейтронного воздействия на биполярные аналоговые микросхемы операционных усилителей с помощью радионуклидных источников а-излучения, показавшие хорошее совпадение с результатами испытаний на установках, модулирующих воздействие нейтронов.

Основные положения, выносимые на защиту

■ При неколлимированном а-облучении с помощью радионуклидного источника с толщиной слоя изотопа, меньшей пробега а-частиц в нем, и наличии воздушного промежутка протяженностью от 12 до 18 мм между поверхностью источника и мишенью в кремнии с удельным сопротивлением 10-30 Ом-см формируется близкий к равномерному профиль радиационных дефектов протяженностью 3-8 мкм.

" Максимальная протяженность профиля радиационных дефектов, близкого к равномерному с погрешностью не более 10%, обеспечивается при расположении мишени на расстоянии (15 ± 0,5) мм от поверхности радионуклидного источника.

Используя режим а-облучения с воздушным промежутком протяженностью 15 мм между радионуклидным источником и мишенью, и облучение быстрыми нейтронами, можно экспериментально получить по изменению объемного времени жизни носителей заряда в кремниевых биполярных транзисторах р-п-р и п-р-п типов зависимости коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий КЭкв Ыа от уровня инжекции и типа проводимости полупроводника.

Рассчитав рабочие токи в транзисторных структурах ИМС в программе РБрюе и определив структуру, работающую при минимальном уровне инжекции, можно, из-за наличия в микросхемах операционных усилителей наиболее чувствительных к нейтронному воздействию транзисторных структур, провести испытания, имитирующие воздействие быстрых нейтронов на биполярные аналоговые микросхемы, используя значения коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий Кэкв пм> полученные для кремниевых биполярных транзисторов.

Апробация работы

Результаты работы доложены и обсуждены:

- на УШ-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 21-23 октября 2009 г.

- на научно-технической конференции «Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ», Москва, МИЭМ, 2010 г.

- на 1Х-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Звенигород, 01-03 декабря 2010 г.

- на Х-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 12-14 октября 2011 г.

- на XI-ой Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 17-19 октября 2012 г.

- на 16-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиационная стойкость электронных систем» («Стойкость-2013»), Лыткари-но, 04-05 июня 2013 г.

- на ХП-ой научно-технической конференции «Твердотельная электро-

ника, сложные функциональные блоки РЭА», Москва, 24-25 октября 2013 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 работы — в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения и списка цитируемой литературы. Основное содержание работы изложено на 124 страницах, включая: 32 таблицы, 52 рисунка, приложение и список цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформирована проблема и определена основная цель работы, обоснована научная новизна полученных результатов, практическая их значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены состояние и актуальные проблемы проведения испытаний ИПЭ на моделирующих установках нейтронного воздействия и имитаторах.

Выделены основные преимущества и недостатки МУ нейтронного воздействия.

Проанализирована изложенная в ОСТ 11. 073.13 методика имитационных испытаний воздействия специальных факторов, использующая изотопный источник а-излучения [1]. Рассмотрены требования проведения имитационных испытаний.

Проанализированы теоретические расчеты, подтверждающие возможность замены нейтронов на а-частицы.

Сформулировано основное требование, которое необходимо учитывать и включать в методику имитационных испытаний с помощью изотопных источников - распределение дефектов, образующихся при облучении а-частицами радио-нуклидных источников должно быть близким к равномерному. Это требование необходимо для увеличения эффективности определяемых коэффициентов эквивалентности альфа и нейтронного воздействий.

Проанализированы работы [2-9], в которых приводятся данные о пространственном распределении радиационных дефектов в кремнии при облучении а-частицами радионуклидных источников. В рассматриваемых работах нет четких сведений о профиле радиационных дефектов, который бы соответствовал равномерному профилю радиационных дефектов, образующемуся при нейтронном воздействии.

Во второй главе проанализированы представленные на отечественном и мировом рынках изотопные источники а-излучения, где критериями выбора а-источника являлись: активность - для обеспечения приемлемых времен на проведение имитационных испытаний; тип изотопа - для стабильности параметров излучения источника с течением времени, площадь а-источника - для применения с учетом размера кристаллов. В результате чего сделан вывод, что наиболее подходящим для имитационных испытаний являются источники типа АИП-Н, выпускаемые в Российской Федерации во ФГУП «ПО «Маяк». Источники данно-

го типа выполнены на основе изотопа плутония, скорее всего, Ри-238 с периодом полураспада 84 года и Ри-239 с периодом полураспада 24000 лет. Габаритные размеры таких источников составляют 70мм х 35 мм, а рабочая поверхность, покрытая изотопом, - 60мм х 25мм, соответственно площадь активной поверхности — 15 см2. Активность источника не превышает 3-108 Бк. Средняя энергия частиц Еаср = 5,4МэВ.

Проведены дозиметрические измерения интегральных потоков а-частиц источника, используемого в работе. Каждый а-источник, используемый в имитационных методиках, должен проходить дозиметрические измерения, т.к. активность изотопа в паспорте точно не указывается, а она связана с основным параметром, которым является плотность потока а-излучения ф (а/см"2с"'). Коэффициент эквивалентности КЭквп/а напрямую связан с потоками этих двух излучений соотношением:

_ фп

Кэкв л/а = ~Т~ О)

а

Фа - интегральный поток а-частиц эквивалентный (по эффекту) интегральному потоку нейтронов Ф„.

Величина интегрального потока а-частиц определялась с помощью измерителя скорости счета УИМ 2-2. Для этого к входу измерителя подключался блок детектирования БДЗА-01.

С целью точного определения значения плотности потока а-частиц на источнике размещался алюминиевый экран с калиброванным отверстием для определения плотности потока а-частиц сра.

Интегральный поток а-частиц определялся из предположения, что поток а-частиц с источника равномерен.

Дозиметрические измерения проводились при различном расположении а-источника и блока детектирования:

- блок детектирования располагался на различных расстояниях Ь относительно а-источника (рис.1);

- между блоком детектирования и источником были расположены коллимационные пластины, диаметр коллиматора ё = 10 мм, таким образом определялась плотность потока при коллимированном облучении.

Рис.1 Блок-схема установки для проведения измерений плотности неколлимированного потока а-частиц

Помимо этого были определены плотности потоков а-частиц в случае, когда алюминиевый экран с отверстием располагался вплотную к сцинтиллятору блока детектирования.

На рис. 2 представлены результаты измерений в случае, когда блок детектирования располагался на различных расстояниях И от поверхности источника и при различном расположении экрана. Видно, что полученные результаты хорошо согласуются между собой.

фа, а-см"2- с-1

Ь, мм

Рис. 2 Зависимость плотности потока а-частиц от расстояния до детектора

При расположении экрана на источнике в результате дозиметрических измерений можно «просканировать» поверхность а-источника и получить информацию о распределении слоя изотопа по рабочей поверхности источника. Также было выполнено:

1. Оценка эффективной площади источника. Оценка проведена с учетом пробега а-частиц, расстояния до мишени и взаимного расположения мишени и изотопного источника. По результатам сделан вывод, что смещением мишени (до 6 мм) от центральной точки источника можно пренебречь.

2. Теоретический расчет влияния температуры и атмосферного давления на значения плотностей потоков а-частиц. При изменении указанных параметров меняется и пробег а-частиц. Расчет показал, что при изменении атмосферного давления на Др = 30 мм. рт. ст. и температуры на ДТ = 5 °С плотность потока а- частиц изменится не более чем на 9%.

3. Оценка ионизационной составляющей радионуклидных источников. Величину влияния ионизационной составляющей а-источников на ИПЭ можно оценивать при помощи у-облучения и коэффициента эффективности у- и а- воздействий К3фф г/а.

В третьей главе исследованы изменения удельного сопротивления, полученные по изменению сопротивления растекания, и концентрации основных носителей, полученные из вольт-фарадных характеристик (частоты подаваемого переменного сигнала - 2 кГц, 100 кГц и 1 МГц), по глубине в кремниевых полупроводниковых структурах, облученных а-частицами РнИ:

- при расположении облучаемого образца непосредственно на источнике излучения и на различных расстояниях от него;

- при облучении образца коллимированным потоком а-частиц через отверстие диаметром <1=10мм при различной длине коллиматора.

Исследование проводилось на эпитаксиальных пленках и диодных структурах.

Эпитаксиальные структуры выбраны толщиной 30 и 40 мкм, исходя из максимального пробега а-частиц в кремнии (при энергии а-частиц Еа = 4,5 МэВ х5| = 22 мкм), с удельными сопротивлениями: 10 Ом-см, 30 Ом-см. Образцы диодных структур выбраны р+-п типа на основе эпитаксиальных пленок с удельным сопротивлением р = 25 Ом-см, глубина р-п перехода составляет 3,5 мкм, базовая область составляет 70 мкм.

При непосредственном расположении мишени на а-источнике все а-частицы, вылетевшие из источника под различными углами, будут участвовать в дефектообразовании. Концентрация дефектов постепенно спадает от поверхности вглубь мишени до максимальных глубин пробега а-частиц в кремнии. При продолжительном облучении вклад дефектов, образующихся ближе к поверхности, в изменение удельного сопротивления уменьшается вследствие того, что значительная их часть уже не сможет захватывать основные носители, т.к. уровень

Ферми окажется ближе к середине запрещенной зоны, чем уровни некоторых дефектов [10 - 13]. За счет этого профиль распределения удельного сопротивления (рис.3) постепенно выравнивается по глубине исследуемого образца.

Коллимированное облучение характеризуется отношением диаметра коллиматора с1 к его длине /. Чем оно меньше, тем выше степень коллимации пучка а-частиц. За счет коллимации и воздушного промежутка между а-источником и исследуемым образцом, равным I, а-частицы, вышедшие из источника под малыми углами к поверхности источника, не влияют на образование дефектов, т.к просто не смогут достигать поверхности исследуемого образца. В связи с этим максимальное де-фектообразование наблюдается преимущественно в конце пробега а-частиц в кремнии (рис.4, кривая Ф]). С ростом интегрального потока облучения область с резким увеличением удельного сопротивления расширяется (рис.4, кривая Фг), что объясняется тем же эффектом (уменьшением захвата основных носителей на радиационные дефекты с приближением уровня Ферми к середине запрещенной зоны).

При наличии воздушного промежутка между изотопным источником и мишенью часть а-частиц, вылетевших из источника под ма-

0 2 < 10 13 14 1« 18 30 23 34

х, лиси

Рис. 3 Распределение относительной величины удельного сопротивления по глубине при неколли-мированном облучении Ф, = 5,11 -Ю'0 а/см2, Ф2 = 1,6410" а/см2

Рис. 4 Распределение относительной величины удельного сопротивления по глубине при коллимиро-ванном облучении с I = 18 мм Ф, = 3,14-10|0а/см2, Ф2 = 9,36-1010 а/см2

% ----

- 4 тУ*

ч! * ■

0

V '"'} "• -1 А

\ ----- -------

°и

1

1

лыми углами к поверхности источника, не участвует в образовании дефектов, т.к., как и в случае коллимированного облучения, эти частицы не будут достигать поверхности исследуемого образца.

Меняя расстояние до а-источника, можно снизить количество образующихся радиационных дефектов у поверхности, при этом изменение у поверхности будет гораздо больше чем в глубине мишени, т.е. при некоторой протяженности воздушного промежутка в образце может существовать область с относительной равномерностью дефектообразова-ния (рис.5). Участок равномерности удельного сопротивления р, с погрешностью не более 10 % сохраняется в диапазоне интегральных потоков а-частиц от 1,3 • Ю10 а/см2 до 2,51 • Ю10 а/см2.

Так же в режиме с воз- Д^^/л^ душным зазором и расстоянием Ь=15мм были облучены эпитак-сиальные структуры. На рис. 6 представлены пространственные распределения относительной величины концентрации легирующей примеси (фосфора) в эпитаксиальных структурах 26кэфю ПрИ а-облучении на

250ЭЯЭС0,01

расстоянии Ь = 15 мм интегральными потоками Ф) = 2,59-101С а/см2 и Ф2 = 5,18-Ю10 а/см2, полученные из С-У характеристик с барьером Шотгки на

х, мкм

Рис.5 Распределение относительной величины удельного сопротивления по глубине при облучении с Ъ = 15 мм различными интегральными потоками Ф, = 1,310'° а/см, Ф2 = 1,710'° а/см2, Ф3 = 2,51-Ю'0 а/см2

*

Рис. б Распределение относительной величины концентрации донорной примеси по глубине при облучении различными интегральными потоками Ф, = 2,5910'° а/см2, Ф2 = 5,18-10'° а/см2

высокоомном слое (частота подаваемого переменного сигнала - 1 МГц), где и ^ф - концентрации фосфора до и после облучения. Данные зависимости определяют уменьшение электрически активного фосфора из-за включения его в состав радиационных дефектов (Е-центров). Равномерность приведенных зависимостей по глубине образца свидетельствует о равномерности распределения радиационных дефектов, содержащих фосфор. Причем эта равномерность сохраняется и при различных интегральных потоках облучения.

Вследствие того, что равномерность дефектообразования сохраняется в структурах с меньшим удельным сопротивлением, то можно предположить, что такая же тенденция сохранится и в сильно легированных структурах.

На рис. 7 представлены распределения концентрации Е-центров ()и ди-вакансий (ЛГ,, ) по глубине. Из рисунка видно, что существует достаточно протяженная область с равномерной концентрацией дефектов (для Е-центров до 9 мкм, для ди-вакансий до 8 мкм). Также можно сделать вывод, что основной вклад в изменение концентрации основных носителей в кремнии п-типа в материалах с концентрациями примеси до 1017 см"3 при а-облучении вносят Е-центры, т.к. уровень Ферми будет ниже положения энергетических уровней А-центров, а сечения захвата Е-центров больше, чем у остальных центров [14], которые могут участвовать в удалении носителей.

Эффективность рекомбинационных центров зависит от концентрации этих центров, сечения захвата носителя и от положения уровня Ферми. Исходя из того, что из всего количества различных радиационных дефектов на изменение времени жизни носителей заряда влияют только один-два из них [15]. Так же принимая во внимание сечения захвата носителей [14], можно сделать вывод, что в материале р-типа наиболее эффективными рекомбинационными центрами будут дивакансии (Еу + 0.19) и так как их распределение будет равномерным, то равномерным будет и распределение остальных радиационных центров в р-материале.

Ы*

4.1СГ Э-МО1 МО* 23*11? 2*10*

N.

У

1>101 1.10» 5-101

X, МКМ

Рис. 7 Распределение радиационных дефектов по глубине в кремнии при облучении в режиме «воздушный зазор» на расстоянии 15 мм от поверхности источника интегральным потоком Ф = 2,51-10'° а/см2

В четвертой главе определены коэффициенты эквивалентности нейтронного и альфа воздействий КЭквп/аП0 экспериментальным данным деградации

коэффициента передачи тока в транзисторных структурах при а-облучении с воздушным зазором протяженностью 15 мм.

Для оценки применимости варианта а-облучения, обеспечивающего распределение дефектов, близкое к равномерному, с целью имитации нейтронного воздействия проведены сравнительные эксперименты по облучению одних и тех же транзисторных структур на пластине последовательно радионуклидным источником а-излучения и источником быстрых нейтронов со средней энергией Е„ ~ 1,3 МэВ.

Экспериментальная выборка составляла не менее десяти структур каждого типа. Структуры отличались типом проводимости базы, концентрацией основных носителей в базе прибора и различным расположением базовой области прибора от поверхности (см. таблицу 1).

Диапазон средних значений концентраций основных носителей в базе прибора составлял от 4,5 1016 см"3 до 6-Ю17 см"3.

Эффективность дефектообразования при а и нейтронном облучении оценивалась по величине изменения объемных рекомбинационных потерь Д11у, которая имеет в общем случае две составляющие: Д11д — изменение рекомбинационных потерь в активной базе и Д11эп - изменение рекомбинационных потерь в эмиттерном переходе. При этом обе составляющие линейно зависят от интегрального потока облучения Ф.

Таким образом, коэффициент эффективности нейтронного и альфа воздействий КЭффп/а для исследованных структур равен:

где: АЯу - изменение рекомбинационных потерь на линейном участке зависимостей Д(>0 = /(Ф),

д(Х„г)- среднее значение изменения обратной величины коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером Ь2|е на пластине при облучении.

Коэффициент эквивалентности нейтронного и альфа воздействий Кэкв п/а равен обратной величине коэффициента эффективности нейтронного и альфа воздействий Кэффпм'■

(2)

к,

1

ЭКВ п/а

к,

(3)

ЭФФ п/а

Для всех структур получены данные об изменениях Ь2ш при альфа- и нейтронном облучениях в диапазоне токов и рассчитаны величины Кэкв „/а для каждого типа прибора. На рис.8 приведены рассчитанные по формуле (3) зависимости Кэкв и/о от уровня инжекции в базу транзисторов с учетом погрешности дозиметрии.

Данные по ____ Кэиш/а

средним глубинам залегания эмитгерно-го (хе) и коллекторного ( ) переходов, площади эмитгерно-го перехода, концентрации легирующей примеси в базе, типу проводимости базовой области, а так же по обозначениям на рис.8 приведены в таблице 1.

3000 I----

1500 ------------

0.00001 0.0001

0,001 0,01 ■ 1 ¿2 *3 • 4 ♦ 5 Л6

Таблица 1

0.1 1 уровень ннжекции

Рис. 8. Зависимость коэффициента эквивалентности от уровня инжекции

е, мкм Х„ *, мкм Бэп, см2 N6, см"3 тип базы обозначение

0,6 0,9 0,27-10"4 6-10" п 1

0,8 2 4,41-10" 1,4-1017 п 2

1,8 2,6 2,8-10"4 4,5-1016 п 3

1,25 2,6 3,2-10"4 9-Ю16 Р 4

2 3,5 1,28-10"4 10" Р 5

2,5 4,0 2,03-10" 8,5- 101Ь Р 6

Из рисунка видно, что величины Кэкв п/а Для всех испытанных транзисторов в зависимости от типа проводимости базовой области ложатся на одну и ту же кривую. При этом величина КЭкв п/а растет с увеличением уровня инжекции. Этот результат связан с тем, что рекомбинационные процессы при нейтронном облучении имеют более сильную инжекционную зависимость, чем при а-облучении, т.к. они определяются процессами рекомбинации на разупорядоченных областях в отличие от а-облучения, где наряду с разупорядоченными областями существенный вклад в рекомбинацию вносят точечные дефекты[16].

Таким образом, видно, что коэффициент КЭкв п/а зависит от типа прибора (п-р-п, р-п-р), а также от уровня инжекции, при котором работает транзистор.

В связи с тем, что испытания ИПЭ проходят в диапазоне температур, то проведен ряд экспериментов по облучению транзисторных структур а-частицами радионуклидных источников при пониженных температурах. Для этого разработан макет имитационной установки.

Испытательная камера снабжена нагревателем. Перед проведением испытаний камера прогревается для уменьшения влажности воздуха, что реализуется при помощи вмонтированного вентилятора в стенку камеры. После прогрева окно с вентилятором перекрывается.

Низкая температура достигается благодаря парам азота, поступающим по медным трубкам. Трубки вмонтированы в охладительный столик. Подача паров азота регулируется при помощи нагревателя в сосуде Дьюара.

В пятой главе проведены исследования облучения интегральных микросхем операционных усилителей (ОУ) а-частицами с использованием определенных в настоящей работе коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий в целях проверки возможности использования коэффициентов для микросхем.

В связи с тем, что коэффициенты эквивалентности определены по изменению объемного времени жизни носителей заряда, то они могут быть использованы для приборов, работающих в усилительном режиме, т.к. коэффициент передачи тока биполярного транзистора Ь2ш наиболее сильно зависит от изменения времени жизни[17].

Наиболее чувствительным параметром ОУ к радиационному воздействию является: коэффициент усиления Ки (для усилителей с обратной связью по напряжению) или коэффициент преобразования Кпр (для усилителей с токовой обратной связью), входные токи 1Вх [18] (1вх1 - по неинвертирующему входу, 1Вхг -по инвертирующему входу), поэтому они выбраны критериями возможности применения коэффициентов эквивалентного воздействия. В связи с тем, что в микросхеме несколько биполярных транзисторов, коэффициент эквивалентного воздействия определялся для каждого из них, а для проведения имитационных испытаний выбирался наименьший, что в свою очередь гарантирует качество проведенной оценки.

Расчет токов коллектора биполярных транзисторов ИМС ОУ осуществлялся при помощи программы РБрюе, входящей в пакет прикладных программ ОгСас!. Для расчета была смоделирована электрическая схема испытываемой

ИМС ОУ с использованием библиотек биполярных транзисторов, используемых в микросхеме.

В таблице 2 приведены сведения о токах коллектора, уровнях инжекции и коэффициентах эквивалентности для транзисторов, входящих в состав исследованной ИМС. Наименьший коэффициент эквивалентного воздействия у приборов работающих при меньших уровнях инжекции.

Таблица 2

р-п-р транзисторы п-р-п транзисторы

обозначение 1к, мкА уровень инжекции К-ЭКВ п/а обозначение 1к, мкА уровень инжекции Кэкв п/о

ТР05 1,7-10"4 4-Ю'1 3430 Ш05 2,7-10^ 1,7-10"' 4410

ТР15 8,6-10"4 4,9-10"' 3480 Ш15 8,6-10^ 2,2-10"' 4500

ТР2(Ю 8,3-10"4 3,5-10"' 3390 ТО20Б 8,4-10^ 1,4-10"' 4330

ТРЗОБ 1,4-10"3 3,8-10"' 3410 ШЗО 2,6-10"4 3,3-10"2 3840

ТР50 1,5-1(Г3 2,2-10"1' 3260 тазоБ 1,4-Ю"3 1,6-10"' 4370

ТЫ50 1,5-10"3 7,5-10"2 4110

В таблице 3 приведены исходные значения измеряемых параметров ОУ. Таблица 3

Образец № 1 2 3 4 5 6 7 8

КПр, В/мА 1288 1383 1211 1250 1554 1541 1578 1615

1вхь мкА -0,76 -2,34 -0,51 -1,41 -4,87 -4,7 -6,01 -5,99

1ВХ2, мкА 0,33 1,65 0,3 6,48 -13,21 -14,09 -2,17 -2,32

В таблицах 4 и 5 представлены значения параметров микросхем после воздействия различных потоков нейтронов и а-частиц. Таблица 4

нейтроны Ф„ = 7-1012п/см2 Ф„ = З-Ю13 п/см2

Образец № 1 2 3 4 1 2 3 4

КПР, В/мА 1056 1110 1015 1035 651 690 660 663

1вх1, мкА 0,57 -1,05 0,9 -0,3 4,96 3,08 5,33 3,39

1вх2. мкА -3,62 -1,69 -3,39 2,98 -16,03 -12,47 -15,61 -8,29

Таблица 5

а-частицы Фа = 2,14-109 а/см2 Ф0 = 9,18109 а/см2

Образец № 5 6 7 8 5 6 7 8

КПр, В/мА 1189 1171 1207 1243 676 650 712 707

1вхь мкА -2,28 -2,09 -3,74 -3,42 1,4 1,76 -0,93 -0,69

1вх2, мкА -17,9 -18,36 -6,11 -6,08 -28,97 -29,7 -14,88 -15,49

Кпрф/К jjpq

«и-

□

i

О нейтроны □ a-частицы

На рисунке 10 представлены зависимости средних значений относительных изменений коэффициента преобразования Кпр от флюенса излучения, а также границы соответствующих среднеквадратичных отклонений. В первой точке изменение коэффициента преобразования при а- и нейтронном воздействиях составляют 18% и 23%, соответственно, во второй - 48% и 56%, соответственно. На рис. 11 представлена зависимость изменения обратной величины коэффициента преобразования от интегрального потока а-частиц, линейность представленной на рисунке зависимости указывает на, преимущественно, объемные изменения в ИМС.

На рис.12 и рис.13 представлены аналогичные зависимости модуля изменения входных токов от флюенса излучения.

Используя значение коэффициента эквивалентности а- и у- воздействии, была проведена оценка влияния ионизационной составляющей на ОУ. За время облучение а-частицами ^ равное „„^ ДЦ/Кщ.) 3,06-104 с, поглощенная доза Бпогл составляет 33,4 кРад (Н20). Исходя из полученного значения дозы исследуемы образцы ОУ были облучены у-квантами на установке ГОИС-5. В таблице 6 представлены значения коэффициента преобразования Кпр и входных то-

а 2Е+09 4Е+09 6Е+09 8Е+09 1Е«1а

Ф, част/см*

Рис.10 Зависимость относительной величины изменения коэффициента преобразования от интегрального потока а-частиц

О 2Е+09 4Е*09 6Е+09 8Í+09 1Е410

Ф, а/см2

Рис. И Зависимость изменения обратной величины коэффициента преобразования от интегрального потока а-частиц

ков 1вхь 1вх2 ОУ до и после воздействия у-квантов.

Таблица 6

у-кванты исходные Опогл = 33,4 кРад (Н20)

Образец № 9 10 11 12 9 10 11 12

КПр, В/мА 1288 1094 1044 1028 1252 1050 990 998

+1вх> мкА -2,65 -1,73 -1,34 -1,13 -2,32 -1,37 -0,62 -1,19

-1вх, мкА 1,08 -0,95 -1,24 -1,09 1,12 -0,72 0,2 -0,6

|Д1вх1|

О

О нейтроны

□ а-частицы

Ф, част/см2

Рис.12 Зависимость изменения \AIbxi \ от флюенса излучения

20.0 18Л 16.0 «.О 12 Я 10.0 >Л>

Л1ВХ2|

В

О нейтроны

□ а-частицы

0 2Е«М 4Е*99 6Е-0Э в£+» 1Е.13

Ф, част/см2

Рис.13 Зависимость изменения \AIbx2 | от флюенса излучения

Соответственно вкладом ионизационной составляющей на фоне общих изменений параметров ОУ можно пренебречь.

Также полученные коэффициенты эквивалентности использовались для оценки радиационной стойкости микросхем, разработанных в рамках ОКР «Цифра-4» и «Цифра-5» в ОАО «Н1111 «Пульсар».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Экспериментально доказана возможность применения радионуклидных источников а-излучения для имитации нейтронного воздействия на кремниевые биполярные транзисторы.

2. Показана возможность применения радионуклидных источников а-излучения для имитации нейтронного воздействия на кремниевые интегральные микросхемы, выполненные по биполярной технологии.

3. При использовании коэффициента эквивалентности КЭкв в/а для биполярных транзисторов с глубиной залегания базы до 8 мкм от поверхности кристалла с учетом металлизации и слоя диэлектрика необходимо учитывать уровень инжекции и тип материала базовой области.

4. При проведении дозиметрических измерений радионуклидных источников а-излучения целесообразно ограничивать потоки а-частиц, располагая экран с отверстием непосредственно на детекторе. Таким образом будет происходить усреднение потока а-части со всей эффективной площади источника.

5. Изменение климатических условий не вносит искажений на величины измеряемых плотностей потоков а-частиц, а наибольшую погрешность при проведении дозиметрических измерений дает блок детектирования (20%), что должно учитываться в имитационных методиках.

6. Наиболее приемлемым режимом облучения, обеспечивающим равномерное распределение радиационных дефектов с погрешность < 10 %, является режим, при котором мишень располагается на расстоянии 15 мм от поверхности а-источника.

7. Разработана имитирующая установка на основе радионуклидных источников а-излучения, работающая в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 125 °С и позволяющая оперативно проводить испытаний полупроводниковых приборов с контролем параметров во время испытаний.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Аврасин Э.Т., Вологдин Э.Н., Гантман И.Я., Сидоров Д.В., Смирнов Д.С. Экспериментальные исследования использования радионуклидных источников альфа-излучения в полупроводниковой технологии и при имитационных испытаниях изделий полупроводниковой электроники на стойкость к воздействию специальных факторов. II Материалы VIII научно-техн. конф. молодых специалистов. Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. - Дубна. — 2009. - С. 101 - 102.

2. Аврасин Э.Т., Вологдин Э.Н., Гантман И.Я., Сидоров Д.В., Смирнов Д.С. Исследование пространственного распределения концентрации основных носителей в кремнии, облученном a-частицами радионуклидных источников. // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. - 2010. - Вып. 1. -С. 58-63.

3. Сидоров Д.В. Экспериментальные исследования использования радионуклидных источников альфа-излучения в полупроводниковой технологии и при имитационных испытаниях изделий полупроводниковой электроники на стойкость к воздействию специальных факторов. // Тез. докл. научно-техн. конф. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. - Москва. - 2010. - С. 302.

4. Вологдин Э.Н., Гантман И.Я., Сидоров Д.В. Исследование изменения электрофизических параметров кремния при его облучении a-частицами радионуклидных источников. // Материалы. IX научно-техн. конф. Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. - Звенигород. - 2010. - С. 169.

5. Вологдин Э.Н., Гантман И.Я., Сидоров Д.В. Исследование изменения электрофизических параметров кремния при его последовательном облучении альфа-частицами радионуклидных источников и бета-частицами радионуклидных источников при повышенных температурах. II Материалы X научно-техн. конф. молодых специалистов. Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. - Дубна. - 2011. - С. 156 - 159.

6. Вологдин Э.Н., Гантман И.Я., Сидоров Д.В. Разработка требований к методике имитации воздействия нейтронного излучения на изделия полупроводниковой электроники с помощью альфа-частиц радионуклидных источников. // Материалы XI Всероссийской научно-техн. конф. Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. — Дубна.- 2012. - С. 164 - 165.

7. Вологдин Э.Н., Гантман И.Я., Сидоров Д.В. Анализ режимов облучения кремниевых полупроводниковых приборов альфа-частицами радионуклидных источников с целью создания методики имитации воздействия нейтронного излуче-

ния. // Материалы XI Всероссийской научно-техн. конф. Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. - Дубна.- 2012. - С. 166 - 170.

8. Вологдин Э.Н., Гантман И .Я., Сидоров Д.В. Анализ пространственного распределения радиационных дефектов при облучении кремния альфа-частицами радионуклидных источников. // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. - 2013. - Вып. 1. - С. 52 - 59.

9. Вологдин Э.Н., Сидоров Д.В. Анализ применимости методики имитации воздействия нейтронного излучения на изделия полупроводниковой электроники с помощью радионуклидных источников а-излучения. // Тез. докл. 16 Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем «Стойкость-2013». - Лыткарино. - 2013. - С. 85 - 86.

10. Вологдин Э.Н., Сидоров Д.В., Синкевич В.Ф. Применение радионуклидных источников а-излучения для имитации нейтронного воздействия на интегральные микросхемы операционных усилителей. // Материалы XII научно-техн. конф. Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. - Моск-ва.-2013.-С. 247-252.

Цитируемая литература

1. ОСТ 11.073.013-2008 4.10.

2. Коломенская Т.Н., Кумахов М.А., Булгаков Ю.В. - ФТП, 1968, т.2, в.8 с. 1206

- 1207.

3. Губская В.И., Звягин В.И., Кучинский П.В., Ломако В.М. - ФТП, 1979, т.13, в.1, с. 171-173.

4. Губская В .И., Кучинский П.В., Ломако В. М., Петрунин А.П. - ФТП, 1981, т. 15, в.2, с. 421 -422.

5. Берман Л.С., Ременюк А.Д., Шуман В.Б. - ФТП, 1981, т.15, в.6, с. 1155- 1158.

6. Берман Л.С., Маляренко A.M., Ременюк А.Л., Суханов В.Л., Толстобров М.Г. // ФТП. 1988. Т.22. В.5. с. 844 - 848.

7. Берман Л.С., Иванов A.M., Строкан Н.Б. // Письма в ЖТФ. 1993. Т.19. В.20. с. 24 - 28.

8. A.M. Иванов, Н.Б. Строкан, В.Б. Шуман. Письма ЖТФ, 23, 79 (1997).

9. Иванов A.M., Строкан Н.Б., Шуман В.Б. Свойства р+- п - структур с заглубленным слоем радиационных дефектов // ФТП. - 1998. - т. 32, №3.

- с.359 - 365.

10. B.C. Вавилов, Н.А. Ухин. Радиационные дефекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. Москва: Атомиздат, 1969.

11. B.C. Вавилов. Действие излучений на полупроводники. - Москва: Физматгиз, 1963.

12. Е.А. Ладыгин. Радиационная технология твердотельных электронных приборов. - М.: ЦНИИ «Электроника», 1976.

13. Э.Н. Вологдин, А.П. Лысенко. Интегральные радиационные изменения параметров полупроводниковых материалов: - Москва, 1998.

14. В.А. Козлов, В.В. Козловский. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и а-частицами. Обзор. // ФТП. -2001, -т.35. вып.7. - с. 769-795.

15. К.И. Таперо, В.Н. Улимов, А.М. Членов. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. - Москва: Бином, 2012.

16. Э.Н. Вологдин, А.П. Лысенко. Интегральные радиационные изменения параметров полупроводниковых материалов: - Москва, 1998.

17. Г.Г. Райкунов, H.A. Анфимов, Н.Г. Паничкин и др. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2013

18. Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, В.А. Вавилов. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. - Минск: Наука и техника, 1986. — 256 с.

Сидоров Дмитрий Владимирович

Применение радионуклидных источников а-излучения для имитации нейтронного воздействия на кремниевые биполярные транзисторы

Автореферат

Заказ № 38. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии ОАО «НПП «Пульсар» 105187, Москва, Окружной проезд, 27 Подписано к печати 13 декабря 2013 г.

Открытое акционерное общество «Научно-производственное

предприятие «Пульсар»

Применение радионуклидных источников а-излучения для имитации нейтронного воздействия на кремниевые биполярные транзисторы

Специальность 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлек тронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на

квантовых эффектах

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201454371

На правах рукописи

Сидоров Дмитрий Владимирович

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Синкевич В.Ф.

Москва 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

Глава 1. Влияние альфа и нейтронного излучений на кремний........... 10

1.1 Моделирующие установки и существующие методики имитации воздействия нейтронного излучения на изделия полупроводниковой электроники............................................................................. 10

1.2 Взаимодействие быстрых нейтронов с веществом....................... 11

1.3 Взаимодействие а-частиц с Е = 4,5 МэВ с веществом.................. 12

1.4 Пространственное распределение радиационных дефектов по глубине при а-облучении с помощью радионуклидных источников........................................................................................ 13

1.5 Реальная структура радиационных дефектов в кристаллах........... 18

1.6 Влияние облучения на время жизни неосновных носителей заряда..................................................................................... 21

1.7 Влияние радиационного воздействия на коэффициент передачи тока биполярного транзистора..................................................... 21

1.8 Выводы.............................................................................. 25

1.9 Заключение........................................................................ 25

Глава 2. Дозиметрические измерения радионуклидных источников а-излучения............................................................................. 27

2.1 Выбор изотонного источника для проведения исследований......... 27

2.2 Методика проведения дозиметрических измерений..................... 29

2.3 Результаты измерений........................................................... 32

2.4 Оценка ионизационной составляющей радионуклидных источников........................................................................................ 41

2.5 Выводы.............................................................................. 45

Глава 3. Исследование изменения электро-фнзических параметров кремниевых полупроводниковых приборов и структур при облучении а-частицамн радионуклидных источников..................................... 46

3.1 Методики измерения электро-физических параметров кремниевых полупроводниковых приборов и структур..............................................................46

3.2 Исследуемые образцы......................................................................................................................49

3.3 Расположение облучаемого образца на источнике а-излучення..........50

3.4 Коллимированное облучение образцов..........................................................................53

3.5 Облучение с воздушным зазором между образцом и источником

а-из лучения..........................................................................................................................................................60

3.5 Выводы............................................................................................................................................................66

Глава 4. Коэффициенты эквивалентности нейтронного и альфа воздействий на кремниевые биполярные транзисторы......................................................67

4.1 Методики измерения параметров биполярных транзисторов..................69

4.2 Рекомбинационные потери в биполярных транзисторах..............................70

4.3 Оценка уровня инжекции для исследуемых приборов....................................84

4.4 Оценка деградации коэффициента передачи тока биполярного транзистора при низких температурах......................................................................................87

4.5 Выводы..............................................................................................................................................................90

Глава 5. Применение коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий при имитационных испытаниях интегральных

микросхем операционных усилителей................................................................................................91

5.1 Исследуемые образцы......................................................................................................................91

5.2 Методика проведения исследований применения коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий ................................................92

5.3 Результаты исследования..............................................................................................................95

5.4 Выводы..............................................................................................................................................................100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................101

Список литературы......................................................................................................................................105

Список сокращений......................................................................................................................................110

Приложение........................................................................................................................................................112

Актуальность работы

Биполярные транзисторы, как и другие активные элементы, на сегодняшний день определяют возможности перспективных систем радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Скорость, точность и, конечно, долговечность -все эти качества различных систем и комплексов зависят от микроэлектронной компонентной базы. Выход из строя одного элемента может привести к потере функционирования целого комплекса. Причиной неработоспособности зачастую является ионизирующее излучение. Разработчики изделий полупроводниковой электроники принимают различный комплекс мер по снижению влияния ионизирующего излучения на работу элемента, а к самим изделиям предъявляется ряд требований, которые подтверждаются испытаниями на воздействие специальных факторов.

Согласно действующим нормативным документам испытания изделия полупроводниковой электроники (ИПЭ) на воздействие специальных факторов должны проводиться на моделирующих установках (МУ), поскольку в этом случае наиболее полно воспроизводятся реальные условия радиационного воздействия. Однако обеспечить с помощью МУ требуемую оперативность испытаний изделий микроэлектроники достаточно трудно, а во многих случаях и невозможно, что снижает эффективность проведения испыташш. Кроме того у испыташш с помощью МУ есть ряд других существенных недостатков - остаточная наведенная радиоактивность после воздействия нейтронов и высокоэнергетичных протонов на испытуемых изделиях, высокая стоимость проведения испытаний, сложность измерения параметров ИПЭ в связи с необходимостью использования дистанционной метрики.

Поэтому наряду с испытаниями на МУ в последние годы применяются и внедряются в практику методик испыташш, основанные на использовашш имитирующих установок - имитаторов. Имитационные испытания ИПЭ поз-

воляют оперативно получать информацшо о радиационной стойкости разрабатываемых изделий без проведения сложных и дорогостоящих испытаний на МУ.

Использование имитационных методик испытаний позволяет сократить сроки и стоимость проведения работ по создашпо современных систем РЭА.

Целью работы является разработка методики проведения имитационных испытаний нейтронного воздействия на кремниевые биполярные транзисторы с помощью радионуклидных источников а-излучения.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс научных, экспериментальных и организационных задач:

- выполнен обзор представленных на отечественном н мировом рынках изотопных источников а-излучения;

проведены дозиметрические измерения радионуклидных а-источников при различных взаимных расположениях блока детектирования и а-источника;

- исследовано пространственное распределение радиационных дефектов в кремшш при его облучении а-частицами РиИ;

- исследовано влияние режимов облучения а-частицами с целыо имитации нейтронного воздействия с последующей проверкой этих режимов при облучении биполярных транзисторов с различными параметрами (тип прибора, глубины залегания эмштерной и коллекторной областей, концентрация носителей в базе);

- определены коэффициенты эквивалентности нейтронного и альфа воздействий КЭКв в/« на биполярные транзисторы;

- разработан и внедрен макет нового имитатора на основе изотопного а-источника;

исследована применимость коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий КЭКв п/а Для имитационных испытаний биполярных интегральных микросхем операционных усилителе и показана возможность такого применения.

Исследования по теме диссертащш проводились и внедрены в ОАО «НПП «Пульсар» в процессе выполнения ОКР «Цифра-4» и ОКР «Цнфра-5».

Научная новизна работы

■ Экспериментально показана возможность формирования при помощи радионуклидных источников а-облучения равномерных профилей радиационных дефектов в кремниевых структурах на глубинах до 8 мкм при наличия воздушного промежутка протяженностью 15 мм между источником и мишенью.

■ Определены, в режиме облучения с воздушным промежутком 15 мм, значения коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий Кэкв п/а для кремниевых биполярных транзисторов: для р-п-р типа Кэквп'а от 1900 до 3400, для п-р-п типа КЭквп/а от 2300 до 4500, в диапазоне плотностей токов от 0,2 до 700 А/см2 и уровней инжекщш от 6-10'5 до 3-Ю"1.

■ Экспериментально показано, что по полученным зависимостям коэффициентов эквивалентности нейтрошюго и альфа воздействий от уровня инжекции, можно с помощью радионуклидных источников а-нзлучения имитировать воздействие быстрых нейтронов на кремниевые биполярные транзисторы, работающие в усилительном режиме, с концентрацией легирующей примеси в базе от 4,5-1016 см"3 до 6-Ю17 см"3 и технологической глубиной расположения базы до 8 мкм от поверхности кристалла с учетом металлпзащш и слоя диэлектрика.

■ Показана возможность имитационных испытаний операционных усилителей, с использованием полученных для биполярных транзисторов коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий и методики определения уровня инжекщш для структур, входящих в состав ИМС.

Практическая значимость

Практическая ценность диссертации заключается в следующем:

■ Определена возможность оперативного проведения исследований стойкости ИПЭ к воздействию нейтронного излучения на всех этапах проведения НИОКР с помощью РнИ а-излучения;

■ Разработана на основе радионуклидного источника а-излучения имитационная установка, позволяющая оперативно проводить имитационные испытания нейтронного воздействия на ИПЭ в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 125 °С и контролировать параметры во время испытаний, при этом на изделии отсутствует остаточная радиоактивность и минимизировано влияние электро-магнитных помех.

■ Проведены имитационные испытаний нейтронного воздействия на биполярные аналоговые микросхемы операционных усилителей с помощью радионуклидных источников а-излучения, показавшие хорошее совпадение с результатами испытаний на установках, моделирующих воздействие нейтронов.

Осповиые положения, выносимые на защиту

■ При неколлимированном а-облучении с помощью радионуклидного источника с толщиной слоя изотопа, меньшей пробега а-частиц в нем, и наличии воздушного промежутка протяженностью от 12 до 18 мм между поверхностью источника и мишенью в кремтш с удельным сопротивлением 10 - 30 Ом'см формируется близкий к равномерному профиль радиациошплх дефектов протяженностью 3-8 мкм.

■ Максимальная протяженность профиля радиационных дефектов, близкого к равномерному с погрешностью не более 10%, обеспечивается при расположении мишени на расстоянии (15 ± 0,5) мм от поверхности радионуклидного источника.

■ Используя режим а-облучения с воздушным промежутком протяженностью 15 мм между радионуклидным источником и мишенью, и облучение быстрыми нейтронами, можно экспериментально получить по изменению объемного времени жизни носителей заряда в кремниевых биполярных транзисторах р-п-р и п-р-п типов зависимости коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействш! КЭквп/а от уровня инжекции и типа проводимости полупроводника.

■ Рассчитав рабочие токи в транзисторных структурах ИМС в программе РЗрюе и определив структуру, работающую при минимальном уровне инжекции, можно, из-за наличия в микросхемах операционных усилителей наиболее чувствительных к нейтронному воздействию транзисторных структур, провести испытания, имитирующие воздействие быстрых нейтронов на биполярные аналоговые микросхемы, используя значения коэффициентов эквивалентности нейтронного и альфа воздействий КЭкв и/а» полученные для кремниевых биполярных транзисторов.

Апробация работы н публикации

- Результаты работы доложены и обсуждены:

- на УШ-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 21 -23 октября 2009;

- на научно-технической конференции «Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ», Москва, МИЭМ, 2010;

- на 1Х-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Звенигород, 0103 декабря 2010;

- на Х-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 12-14 ок-

тября 2011;

- на Х1-ой Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 17-19 октября 2012;

- на 16-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиационная стойкость электронных систем» («Стойкость-2013»), Льггкарино, 04-05 июня 2013.

- на ХП-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Москва, 24-25 октября 2013.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 работы - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Список публикаций приведен в заключении.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения и списка цитируемой литературы. Основное содержание работы изложено на 124 страницах, включая: 32 таблицы, 52 рисунка, приложение и список литературы.

Глава 1 Влияние альфа и нейтронного излучений на кремний

1.1 Моделирующие установки и существующие методики имитации воздействия пейтропиого излучения па пзделия полупроводпиковон электроники

В настоящее время, согласно действующим нормативным документам [1], испытания изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) на стойкость к воздействию нейтронного излучения проводятся на моделирующих установках (МУ), поскольку считается, что в этом случае наиболее полно воспроизводятся реальные условия радиационного воздействия. Сами МУ нейтронного излучения представляют собой ядерные реакторы, работающие в непрерывном или импульсном режимах [2]. Несмотря на то, что МУ обеспечивают прямое моделирование воздействия нейтронного излучения для реальной радиационной обстановки у испытаний с использованием моделирующих установок есть ряд существенных недостатков - отсутствие оперативности, остаточная наведенная радиоактивность на испытуемых изделиях, высокая стоимость проведения процесса облучения, сложность проведения процесса облучения, необходимость дистанционной метрики параметров приборов.

Согласно нормативной документации по испытаниям ИПЭ [3], допускается проводить имитационные испытания (имитацию) нейтронного воздействия с помощью а-излучения радионуклпдных источников (РнИ). Это повысит оперативность получения информации по радиационной стойкости ИПЭ, существенно уменьшит стоимость испытаний и исключит остальные минусы.

Так же к достоинствам РнИ относятся малые габариты, простота обращения с ними и полное отсутствие энергопотребления [4]. Недостатками являются малая плотность потока и необходимость проводить испытания на некорпусированных приборах.

Изложенный в [3] метод испытаний имеет существенный недостаток, как так предполагает проведение дублирующих испытаний на источниках нейтронного и а - излучений для каждого нового разработанного типа прибора с целью получения соответствующего коэффициента эквивалентности воздействия данных излучений КЭквэ который связан с потоками этих двух излучений соотношением [3]:

Фа=Кэкв'Фп (1-1)

Фа - интегральный поток а-частиц эквивалентный (по эффекту) интегральному потоку нейтронов Ф„.

Коэффициенты эквивалентности КЭкв должны зависеть от глубины залегания «чувствительных» областей в приборе, т.е. тех участков, изменение электрофизических параметров в которых определяет деградацию параметров прибора. Использование вакуумной камеры для получения максимальных глубин проникновения а-частнц [3] в структуру полупроводникового прибора существенно усложнит процесс проведения испытаний. Для исключения этих недостатков необходимо разработать новые методы испытаний и найти коэффициенты эквивалентности, которые были бы универсальными для различных типов приборов или для приборов, значения параметров которых принадлежали определенному диапазону значений.

Получение универсальных коэффициентов эквивалентности должно быть основано