Устойчивость радиационных изменений электрических параметров полупроводниковых приборов

Непосредственно после облучения наблюдается, как правило, нестабильность параметров ПП и ИС в рабочем диапазоне температур. Поэтому анализ поведения радиационно-чувствительных параметров облученных приборов при температурах, превышающих предельно допустимый рабочий диапазон, представляет практический интерес для выбора предпочтительных режимов стабилизирующего отжига.

Характер отжига радиационных изменений параметров ПП и ИС имеет существенное отличие от отжига радиационных центров в однородных образцах полупроводников [3]. Это определяется рядом причин: наличием в приборных структурах двух и более областей разного типа проводимости с резкими градиентами концентрации примесей, конструктивно-технологическими особенностями приборов, влиянием технологического процесса (особенно высокотемпературных операций) на кинетику накопления и отжига радиационных центров — в частности, влиянием перераспределения примесей в приповерхностных слоях при термическом окислении, изменением состояния кислорода в решётке и др. Указанные причины приводят к более сложному характеру отжига в приборных структурах и, как правило, к более высоким предельным температурам отжига [2, 3].

Из материала, изложенного в предыдущем разделе, видно, что при облучении и при отжиге изменения параметров приборов определяются радиационными центрами в различных областях приборной структуры. Поскольку природа, концентрация и свойства (энергетический спектр, кинетика накопления и отжига и др.) радиационных центров в различных областях приборных структур различны, термостабильность радиационных изменений основных параметров приборов будет неодинакова, что создаёт хорошие предпосылки для управления сочетанием параметров при отжиге.

Количественно процесс отжига любого радиационно-чувствительного параметра прибора можно оценивать величиной степени отжига j, получаемой на основе экспериментальных данных [3]. В частности, для параметров b и I_к0 биполярных транзисторов можно записать:

; , (2.15)

где b₀ и I_{к0 (0)} — значения параметров до облучения; b_Ф и I_{к0 Ф} — значения параметров после облучения; b_t и I_{к0 t} — значения параметров после некоторого этапа отжига.

В случае кремниевых планарных транзисторов n-p-n-типа 2Т312 было показано [3], что восстановление b и I_к0 после облучения при комнатной температуре практически отсутствует. Первая стадия отжига наблюдается в диапазоне температур от 120 до 140 °С, причем при токе эмиттера 0,5 мА степень отжига составляет j_b = 0,35, а при токе эмиттера 5 мА — j_b = 0,05. Этот факт подтверждает вывод о том, что при малых уровнях инжекции механизм снижения b в кремниевых транзисторах при облучении определяется в основном поверхностными эффектами и рекомбинационными потерями в слое объемного заряда эмиттерного перехода, так как именно в этом диапазоне температур начинается отжиг поверхностных изменений и Е-центров с участием атомов фосфора, концентрация которых особенно велика в эмиттерной области транзисторов 2Т312 [3]. Вторая стадия отжига наблюдается при температурах порядка 250 °С, и степень отжига больше при токе эмиттера 5 мА, однако полного восстановления b не наблюдается. Это позволяет предположить, что на этой стадии начинается отжиг радиационных центров других типов, возможно А-центров и дивакансий [3], в области базы и слое объемного заряда эмиттерного перехода. Практически полное восстановление I_к0 наблюдается уже при температурах 140–180 °С, что совпадает с диапазоном восстановления поверхностных свойств планарных приборов после воздействия ионизирующего излучения.

В случае германиевых транзисторов (типа 1Т311, 1Т313) после облучения наблюдается значительное восстановление b и I_к0 в диапазоне рабочих температур, что свидетельствет в первую очередь о существенном влиянии состояния поверхности на параметры германиевых транзисторов при облучении. При температуре 150 °С происходит полное восстановление I_к0 и наблюдается восстановление b за счет отжига объемных радиационных центров. Однако, как и в случае кремниевых транзисторов, это восстановление не является полным, так как в объем е структуры прибора остается часть радиационных центров, имеющих большие энергии активации отжига и стабильных при последующей длительной работе приборов в диапазоне допустимых по ТУ температур и электрических нагрузок.

При исследованиях восстановления прямого падения напряжения кремниевых диодов Д214 и Д231 [3], облучённых реакторными нейтронами и гамма-квантами, при отжиге в диапазоне температур £ 400 °С были отмечены четыре стадии отжига с возрастанием энергии активации каждой последующей стадии и отсутствие полного восстановления значения U_пр при температуре 400 °С. В то же время имеются данные о большей устойчивости в диодных структурах «глубоких» радиационных центров, ответственных за снижение времени жизни: на облученных электронами диодных матрицах 2Д911 после отжига при температуре
220–300 °С при практически полном восстановлении значения U_пр уровень t_восст был в 20 раз ниже исходного (до облучения и отжига) [3].

Рассмотренные данные показывают, что отжиг радиационных изменений параметров ПП и ИС происходит в несколько стадий, и полный отжиг наблюдается при температурах, значительно превышающих рабочие температуры приборов, что качественно коррелирует с приведенными данными по отжигу радиационных центров в полупроводниках. Эти данные
подтверждают вывод о целесообразности применения стабилизирующего отжига приборов после технологического облучения.

Убедительным доказательством возможности стабилизации радиационных изменений параметров приборов при применении отжига послужили результаты, полученные на транзисторах 2Т306 [3]. После облучения быстрыми электронами с энергией 5 МэВ флюенсом 7∙10¹⁵ см^–2 и отжига при температуре 400 °С в течение 30 мин транзисторы 2Т306 прошли дополнительные испытания на высокотемпературное хранение (+300 °С, 50 ч) и показали высокую стабильность основных параметров (b, t_s) при последующей длительной работе в электрическом режиме при температуре +125 °С. Желательный стабильный эффект при этом (снижение b и t_s) был достигнут.

Следует отметить, что радиационная обработка в комплексе с отжигом (в том числе в различных газовых средах) может быть использована не только для регулирования параметров приборов с сохранением их стабильности на уровне текущей продукции, но и для существенного (в 3–4 раза) повышения стабильности параметров.

Как уже было отмечено, отжиг облученных приборов может не только быть использован для стабилизации их параметров, но и служить элементом управления сочетанием параметров (например, усилительных и импульсных). Прогнозировать чисто расчётным путем поведение комплекса параметров приборов после облучения и отжига весьма затруднительно. Предпочтительный режим отжига (температура, время, среда) для конкретного типа прибора, исходя из поставленной задачи, может быть выбран из экспериментальных данных по изохронному и изотермическому отжигу параметров прибора [3].

3 ДОЗОВЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В СТРУКТУРЕ Si/SiO₂ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И МИКРОСХЕМ

Одним из основных элементов современных кремниевых приборов и интегральных схем является структура Si/SiO₂. Данная структура может выступать в роли одного из активных элементов (например в случае полупроводниковых приборов и интегральных схем, изготовленных по МОП- или КМОП-технологии) или как пассивный элемент (граница раздела пассивирующего окисла с кремнием — имеется во всех технологических вариантах изготовления кремниевых ИС и ПП). Главным свойством данной структуры с точки зрения радиационной стойкости является накопление зарядов в диэлектрике и на границе раздела полупроводник-диэлектрик при радиационном облучении. Вследствие этого происходит изменение электрофизических характеристик элементов ИС: изменяется пороговое напряжение МОП-транзисторов, возрастают токи утечки транзисторов в закрытом состоянии, образуются каналы утечки, связывающие различные элементы ИС и др. Данные эффекты относят к классу поверхностных радиационных эффектов. По своей природе данные эффекты являются ионизационными (т.е. первичным механизмом взаимодействия проникающей радиации с облучаемым веществом, приводящим к возникновению данных эффектов, является ионизация), и они заметно проявляются при относительно небольших дозах: порядка 10³–10⁴ рад в зависимости от конструктивно-технологического исполнения ПП и ИС (в ряде случаев и при меньших дозах). Вследствие этого зачастую радиационная стойкость кремниевых ПП и ИС определяется именно поверхностными радиационными эффектами (объемные радиационные эффекты проявляются при более высоких значениях поглощенной дозы, когда уже произошел отказ из-за поверхностных эффектов).

3.1 Особенности строения структуры Si/SiO₂