Основы физики взаимодействия ионизирующих излучений с полупроводниками

Введение

Влиянию проникающей радиации на материалы электронной техники, полупроводниковые приборы (ПП) и интегральные схемы (ИС) в настоящее время в научно-техническом мире уделяется достаточно большое внимание. Как правило, исследования по данной тематике ведутся по трем основным направлениям:

· физика взаимодействия ионизирующего излучения с твердым телом;

· применение проникающей радиации в технологии микроэлектроники;

· исследования деградации полупроводниковых приборов и микросхем при их эксплуатации в условиях воздействия проникающей радиации.

Первое направление исследований определяет научный базис для решения прикладных проблем: знания в области физики взаимодействия проникающей радиации с твердым телом необходимы как для обоснованного выбора оптимальных режимов радиационно-технологических процессов (РТП), так и для корректного проведения радиационных испытаний изделий электроники и микроэлектроники и последующего анализа и интерпретации результатов испытаний.

Применение проникающей радиации в технологии ПП и ИС представляет большой практический интерес с точки зрения возможности управления их параметрами. Следует отметить, что актуальность задачи регулирования электрических параметров и оптимизации технологического производства ПП и ИС непрерывно растёт в связи с необходимостью увеличения объема выпуска приборов, постоянным усложнением полупроводниковой технологии и уменьшением геометрических размеров активных областей полупроводниковых приборных структур.

Актуальность тематики радиационной-стимулированной деградации ПП и ИС и
определения уровней радиационной стойкости элементной базы во многом обусловлена
бурным развитием космической техники. Среди многочисленных факторов, влияющих на работоспособность бортовой аппаратуры и элементной базы при их эксплуатации, особое значение имеет воздействие полей ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства (КП) — высокоэнергетических электронов, протонов и тяжелых ионов. Влияние ИИ КП на элементы, входящие в состав бортовой аппаратуры, может привести к их отказу как за счет деградации характеристик вследствие накопления поглощенной дозы, так и за счет одиночных радиационных эффектов, имеющих вероятностный характер. Таким образом, определение радиационной стойкости ПП и ИС является одним из важных элементов задачи
обеспечения надежности и безотказности бортовой аппаратуры и космического аппарата (КА) в целом.

В настоящем издании излагается материал, посвященный радиационным эффектам в кремниевых ПП и ИС при воздействии ИИ КП.

В первом разделе кратко проанализированы характеристики радиационных условий в окружающем пространстве. При этом основное внимание уделено внешним воздействующим факторам КП, и в частности, радиационным факторам КП, но также кратко рассмотрены характеристики ИИ ядерного взрыва (ЯВ) и атомных электростанций (АЭС). Рассмотрены некоторые физические величины и единицы их измерения, с которыми постоянно приходится иметь дело при определении радиационных нагрузок на аппаратуру и ее комплектующие, при расчетной оценке стойкости ПП и ИС, при организации, проведении и обработке результатов радиационных испытаний и исследований, проводимых в лабораторных условиях. Также кратко проанализированы основные физические процессы при взаимодействии ионизирующих излучений с полупроводниковыми материалами.

Второй раздел посвящен деградации параметров биполярных приборных структур (диодов и транзисторов) вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении.

Третий раздел посвящен различным аспектам радиационно-индуцированного накопления заряда в структуре Si/SiO₂ и влиянию этого процесса на характеристики ПП и ИС. Здесь также рассмотрено влияние температуры и электрического режима при облучении ПП и ИС, а также интенсивности облучения, на процесс радиационно-индуцированного накопления заряда. Проанализированы процессы релаксации (отжига) накопленного при облучении заряда. Рассмотрены некоторые особенности радиационного накопления заряда, связанные с полевыми оксидами, а также со встроенными оксидами КНИ-структур. Рассмотрены основные методические моменты, которые необходимо учитывать при проведении радиационных испытаний ПП и ИС.

В четвертом разделе рассмотрены радиационные эффекты в биполярных транзисторах, а также изготовленных по биполярной технологии аналоговых и цифровых интегральных схемах, характерные для длительного низкоинтенсивного радиационного облучения при эксплуатации в условиях космического пространства.

В пятом разделе рассмотрены основные виды и классификация одиночных радиационных эффектов (одиночных событий) при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства. Приведено описание физических процессов, вследствие которых возникают одиночные события. Рассмотрены основные экспериментальные и расчетно-экспериментальные методы, использующиеся для получения информации о чувствительности изделий полупроводниковой электроники к одиночным событиям при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства.

Усвоение материала, изложенного в настоящем издании, позволит читателям:

· научиться понимать физические основы деградации изделий электроники и микроэлектроники при воздействии радиационных факторов;

· сформировать представления об организационно-техническом обеспечении радиационных испытаний изделий электроники и микроэлектроники;

· ознакомиться с существующими экспериментальными и расчетно-экспери-ментальными методами исследований радиационной стойкости изделий электроники и микроэлектроники.

Понимая невозможность полноценного рассмотрения всех аспектов тематики радиационных эффектов в ПП и ИС в рамках одного издания, авторы ограничились лишь достаточно кратким описанием основных моментов касательно данной проблемы, и только для ионизирующих излучений космического пространства, имея в виду, что образование в изделиях микроэлектроники структурных дефектов и дефектов, связанных с ионизацией, является схожим как для радиационных воздействий КП, так и для факторов ЯВ и АЭС. Однако в конце издания приведен список источников, которые можно порекомендовать для более подробного изучения вопросов, связанных с данной тематикой.

ОСНОВЫ ФИЗИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ

В современном высокотехнологичном мире ионизирующие излучения довольно часто сопутствуют научной, технической и военной деятельности человека. В первую очередь это касается разработки, хранения и возможного применения ядерного оружия, эксплуатации космической техники и атомных реакторов, проведения научных исследований с применением ускорителей заряженных частиц и изотопных источников, медицины. Во многих случаях эти излучения целенаправленно (ядерное оружие), случайно (аварии на ядерных объектах) или вынужденно (эксплуатация космических аппаратов) воздействуют на системы управления и радиоэлектронную аппаратуру различного назначения, основой которых являются изделия полупроводниковой электроники. Таким образом, вопросы влияния ионизирующих излучений на полупроводниковые приборы и микросхемы является важной народнохозяйственной задачей, и в этой области ведутся масштабные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Основой успешного решения научно-технических задач в данной области является понимание физических основ процессов, протекающих при воздействии ионизирующих
излучений на материалы электронной техники, а также знание характеристик ионизирующих излучений космического пространства, ядерного взрыва и атомных электростанций.