Выбор источников ионизирующих излучений при проведении радиационных испытаний МОП и КМОП ИС

Несмотря на то, что в условиях космического пространства поглощенная доза определяется потоками высокоэнергетических электронов и протонов, зачастую испытания в лабораторных условиях проводятся с использованием изотопных источников гамма-излучения. или рентгеновских источников. Такая замена радиационных источников главным образом обусловлена относительной дешевизной и простотой технической реализации экспериментов. При этом необходимо определить, во-первых, возможна ли замена при испытаниях электронного и протонного излучения на гамма- или рентгеновское, а во-вторых, если такая замена возможна, то какой из источников (гамма- или рентген) лучше использовать.

Как показывает практика, в тех случаях, когда радиационная деградация ПП и ИС определяется ионизационными эффектами, такая замена вполне оправдана. В настоящее время при испытаниях приборов, изготовленных по МОП- или КМОП-технологии, на стойкость к воздействию поглощенной дозы ИИ КП замена облучения электронами и протонами на облучение камма- или рентгеновскими квантами является широко распространенным подходом. Такая же замена осуществляется и для других технологических вариантов, основанных на использовании МДП-структур в качестве активных элементов, например, для МНОП-приборов. В качестве примера на рис. 3.54 [69] представлены дозовые зависимости напряжения на затворе р-канальных транзисторов, входящих в состав КМОП ИС 564ЛН2, а также р-МНОП-транзисторов с толщиной подзатворного SiO₂ 106,7 нм и толщиной Si₃N₄ 100 нм.

Из рис. 3.54 видно, что все экспериментальные точки, полученные с использованием различных видов ионизирующих излучений, в пределах погрешности эксперимента (не более 20 %) укладываются на общую кривую дозовой зависимости изменения напряжения на затворе транзистора при фиксированном рабочем токе стока. Эти результаты говорят о возможности и обоснованности замены при испытаниях изделий данного типа облучения электронами и протонами облучением гамма-квантами с помощью изотопного источника.

Аналогичная замена источника ионизирующего излучения при радиационных испытаниях возможна и в тех случаях, когда деградация и отказ вследствие набора поглощенной дозы, определяется эффектами, связанными с полевыми оксидами или скрытыми оксидами в КНИ-структурах. Однако если микросхема изготовлена по биполярной технологии, то такую замену можно осуществить, только убедившись, что отказ ИС действительно вызван именно утечками по полевым оксидам. В противном случае (т.е. когда существенную роль играют структурные повреждения, вносимые при радиационном облучении) эксперименты с использованием изотопных гамма-источников могут привести к значительно завышенным значениям дозы отказа, по сравнению с теми, которые наблюдаются при воздействии электронов и протонов. Это хорошо видно из рис. 3.55 [70], где представлены дозовые зависимости коэффициента передачи по току при воздействии гамма-квантов, электронов и протонов для ИС 249КП1, которая представляет собой два оптоэлектронных ключа.

а

б

Рис. 3.54. Изменение напряжения на затворе р-канальных транзисторов, входящих в состав КМОП ИС 564ЛН2 (а), а также р-МНОП-транзисторов с толщиной подзатворного SiO₂ 106,7 нм и толщиной Si₃N₄ 100 нм (б) в зависимости от поглощенной дозы: ¡ — облучение b-электронами с помощью стронций-итриевого изотопного источника (0,1 рад(Si)/с); ¨, ▲ — облучение электронами с энергией 6,8 МэВ при плотности потока 1,5×10⁹ см^–2с^–1; D, ▼ —– облучение гамма-квантами (18,5 Р/с); Ñ, ●, ■ — облучение протонами с энергией 100 МэВ; напряжение на затворе р-МОП-транзисторов при облучении –8 В; напряжение на затворе р-МНОПтранзисторов при облучении –5 В [16]

Критерием отказа является снижение коэффициента передачи до значения K_I £ 0,5.
Из рис. 3.55 видно, что дозы отказа, полученные при облучении электронами, в 2,6 раза меньше, а при облучении протонами в10,8 раза меньше, чем при облучении гамма-квантами.

Таким образом, если дозовая деградация или отказ ПП и ИС происходит вследствие введения в полупроводниковый материал структурных повреждений, или если нет полной уверенности в том, что отказ происходит вследствие ионизационных эффектов, при радиационных испытаниях следует проводить облучение изделий высокоэнергетическими электронами и протонами.

Другим важным моментом, который следует рассмотреть, является выбор между гамма- и рентгеновским источником. В ряде случаев наблюдается практически полное совпадения данных полученных при гамма- и рентгеновском облучении (см., например, рис. 3.15 и 3.26). Однако в некоторых случаях испытания, проведенные с использованием гамма- и рентгеновских источников ИИ, дают различные значения дозы отказа (особенно часто это наблюдается в случаях, когда отказ обусловлен накоплением заряда в полевых оксидах или в захороненных оксидах КНИ-структур).

Выбор источника ИИ обычно рекомендуется выбирать с точки зрения наилучшего соответствия реальным условиям по величине выхода заряда [13]. В диапазоне значений напряженности электрического поля, характерном для полевых оксидов и захороненных оксидов в КНИ-структурах при типовых электрических режимах, выход заряда при воздействии гамма-квантов ⁶⁰Со и рентгеновских квантов может различаться почти в 2 раза [13].

Рис. 3.55. Дозовые зависимости коэффициента передачи по току К_I ИС 249КП1 при облучении гамма-квантами источника ⁶⁰Co (·), электронами с энергией 7 МэВ (■) и протонами с энергией 20,7 МэВ (▲). Электрический режим при облучении: излучающий диод обесточен; коммутируемое напряжение на фотоприемнике U_ком.=30 В; сопротивление нагрузки R_н=1,2 кОм

В случае воздействия гамма-квантов, как уже отмечалось ранее (см. п. 1.3.3), преобладает эффект Комптона, и образующиеся вторичные электроны имеют среднюю энергию порядка 0,8 МэВ, что соответствует диапазону значений энергии электронов, характерному для космического пространства. В этом диапазоне энергий электроны имеют приблизительно одинаковые низкие значения ЛПЭ в кремнии (см. рис. 1.9, б). При малых значениях ЛПЭ будет наблюдаться значительное разделение электронов и дырок, образующихся вследствие ионизации, а также отдельных электронно-дырочных пар. В этом случае будет преобладать механизм родственной рекомбинации, что даст высокие значения выхода заряда. Следовательно, с точки зрения выхода заряда облучение гамма-квантами ⁶⁰Со хорошо подходит для моделирования дозовых эффектов, вызванных высокоэнергетическими электронами космического пространства.

В случае воздействия рентгеновских квантов с энергией 10 кэВ образуются вторичные электроны в основном за счет фотоэффекта (см. п. 1.3.3). Они имеет существенно меньшую энергию (порядка 0,05 МэВ) и существенно большие значения ЛПЭ (см. рис. 1.9, а) сравнимые со значениями ЛПЭ, характерными для протонов космического пространства. При высоких значениях ЛПЭ плотность ионизации будет существенно выше, и будет преобладать механизм колонной рекомбинации, что даст низкие значения выхода заряда. Следовательно, с точки зрения выхода заряда облучение рентгеновскими квантами с энергией 10 кэВ хорошо подходит для моделирования дозовых эффектов, вызванных высокоэнергетическими электронами космического пространства.

Следует отметить, что гамма-облучение можно применять для моделирования дозовых эффектов как от электронов, так и от протонов. В последнем случае гамма-облучение даст более консервативную оценку стойкости, т.е. радиационная стойкость испытываемого изделия будет занижена.

Кроме того, при использовании рентгеновского излучения могут возникнуть проблемы с дозиметрическим сопровождением и определением доз, поглощенных в чувствительных областях прибора. Это связано с относительно низкой проникающей способностью рентгеновского излучения, в результате чего профиль распределения поглощенной дозы по толщине облучаемого образца будет неоднородным.