Проникающая радиация имеет две формы: электромагнитное излучение (гамма- и рентгеновское излучение) и излучение частиц (электроны, ионы, нейтроны). При прохождении через полупроводниковый материал быстрые частицы или фотоны теряют свою энергию вследствие ряда процессов. Степень реализации того или иного процесса зависит как от природы и энергии частицы (или фотона), так и от ряда свойств облучаемого материала. Кроме того, на характер энерговыделения при прохождении облучаемого материала могут влиять внешние условия во время облучения (например, температура). В общем случае при воздействии ИИ на твердое тело могут иметь место следующие первичные эффекты [2, 3, 9, 11]:
· ионизация атомов (разрыв валентных связей — обратимый процесс);
· смещение атомов из узлов решетки (образование простейших дефектов типа пар Френкеля);
· возбуждение атомов и электронов без смещения (нагрев кристалла);
· ядерные превращения.
С точки зрения деградации параметров ПП и ИС при воздействии проникающей радиации основную роль играют радиационные эффекты двух видов: ионизационные эффекты и эффекты смещения. В дальнейшем в настоящем издании будут в основном рассматриваться радиационные эффекты этих видов.
Ионизационные эффекты связаны с ионизацией вещества излучением, т.е. с образованием под действием ИИ свободных носителей заряда. Данные носители, перемещаясь по объему облучаемого материала и захватываясь на имеющиеся там ловушки, могут привести к накоплению заряда в различных областях приборных структур (как правило, это различные диэлектрические слои) и вызвать деградацию параметров ПП и ИС. Ионизационные эффекты такого типа, в частности, определяют деградацию параметров ПП и ИС, выполненных по МОП- и КМОП-технологии, а также некоторых биполярных ПП и ИС (в том случае, если их отказ определяется каналами утечек, связанными с диэлектрическими слоями). Кроме того, вследствие ионизационных эффектов в активных и пассивных областях ПП и ИС могут возникать импульсы ионизационных токов. Эти токи, в зависимости от их величины и локализации, а также от типа облучаемого изделия, могут привести к различным эффектам как обратимого, так и необратимого характера. К обратимым эффектам можно отнести, например, возникновение в выходных цепях импульсных сигналов помех, что может привести к сбоям в работе РЭА, изменение логического состояния цифровых ИС (триггеров, регистров, ячеек памяти и т.п.). К необратимым эффектам, которые могут развиться в катастрофический отказ облучаемого изделия, можно отнести радиационное защелкивание в КМОП-схемах (включение паразитных тиристорных структур), вторичный пробой в МДП-транзисторах и ИС динамической памяти, связанный с механизмом усиления ионизационных токов паразитными биполярными транзисторами, пробой подзатворного диэлектрика в мощных МДП-транзисторах и др.
Эффекты смещения обусловлены перемещением атомов из своего нормального положения в кристаллической решетке. Эти перемещения приводят к появлению структурных дефектов в кристаллической решетке, называемых радиационными дефектами (РД). Образование РД в объеме облучаемых полупроводниковых материалов ведет к изменению их электрофизических параметров, что приводит, в свою очередь, к изменению характеристик облучаемых ПП и ИС. Механизмы отказа при радиационном облучении, связанные с эффектами смещения, наиболее характерны для ПП и ИС, изготовленных по биполярной технологии, поскольку их основные характеристики в основном определяются объемными свойствами полупроводниковых материалов (как уже упоминалось выше, отказы изделий данного типа, связанные с ионизационными эффектами, также возможны). Кроме того, проявление эффектов смещения более характерно в случае воздействия излучения частиц (электронов, протонов, нейтронов, ТЗЧ), однако при воздействии гамма-квантов также могут наблюдаться эффекты смещения как результат взаимодействия атомов мишени с образующимися при облучении комптоновскими электронами.
