Изменение характеристик МОП-транзисторов и КМОП-логических элементов при радиационном облучении

Накопление при радиационном облучении заряда в оксиде и заряда ПС приводит к изменению порогового напряжения МОП-транзистора:

DV_th = DV_ot + DV_it, (3.30)

где DV_th — изменение порогового напряжения; DV_ot — сдвиг порогового напряжения, обусловленный накопленным в оксиде зарядом; DV_it — сдвиг порогового напряжения, обусловленный накопленным зарядом ПС.

Вклады зарядов оксида и ПС в общее изменение порогового напряжения могут быть определены следующим образом [8, 15, 18]:

; (3.31)
, (3.32)

где DQ_ot, DQ_it — радиационно-индуцированное изменение удельных зарядов оксида и ПС соответственно; С₀ — удельная емкость диэлектрика.

Изменения зарядов оксида и ПС определяются как разность значений соответствующих зарядов после радиационного облучения и исходных значений. Заряд оксида связан с концентрацией положительно заряженных оксидных ловушек через соотношение

, (3.33)

где N_ot⁺(x) — распределение по толщине оксида концентрации положительно заряженных оксидных ловушек.

Заряд ПС Q_it может быть рассчитан через плотность ПС с помощью выражения (3.13) (см. п. 3.2.2).

Следует отметить, что накопленный заряд и сдвиг напряжения имеют разные знаки (см. выражения (3.31) и (3.32)). При положительном заряде сдвиг порогового напряжения будет отрицательным, и, наоборот, при отрицательном заряде сдвиг порогового напряжения будет положительным. Таким образом, в приборах, в которых доминирует накопление заряда в оксиде, пороговое напряжение будет сдвигаться преимущественно в отрицательную сторону.

При облучении с высокой мощностью дозы в течение малого времени нейтрализация заряда в оксиде будет проявляться слабо, и величина DV_ot может быть достаточно большой по модулю и отрицательной [13]. Кроме того, при этих условиях облучения будет недостаточно времени для накопления заряда ПС, и величина DV_it обычно получается малой. Таким образом, при высоких значениях мощности дозы и малых временах облучения сдвиг порогового напряжения как n-, так и р-канальных транзисторов, может быть большим и отрицательным. В случае n-канальных транзисторов большие отрицательные сдвиги порогового напряжения могут существенно повысить ток утечки сток-исток, что в свою очередь вызывает значительное повышение статического тока утечки по цепи питания КМОП ИС I_DD и в потенциале может привести к отказу ИС.

При средних значениях мощности дозы будет иметь место некоторая нейтрализация захваченного в оксиде заряда, а также будет иметь место некоторое накопление ПС [13]. Следовательно, в этом случае могут быть большими значения как DV_ot, так и DV_it. В n-канальных транзисторах DV_ot и DV_it стремятся компенсировать друг друга. Поэтому при средних мощностях дозы, даже несмотря на то, что вклады в сдвиг порогового напряжения (DV_ot и DV_it) могут быть большими, суммарное изменение порогового напряжения n-канального транзистора может быть небольшим, и уровень радиационного отказа ИС может быть относительно высоким.

При длительном низкоинтенсивном облучении транзисторов, изготовленных по радиационно-стойкой технологии, в процессе облучения нейтрализуется большая часть захваченного в оксиде заряда [13]. В результате величина DV_ot обычно получается небольшой. В противоположность этому, длительное время низкоинтенсивного облучения достаточно для выхода процесса накопления ПС на насыщение. Это приводит к положительному сдвигу порогового напряжения n-канальных транзисторов и снижению подвижности носителей. В результате снижается рабочий ток транзисторов и может произойти отказ ИС по динамическим параметрам.

На рис. 3.32 [13] показана зависимость сдвига порогового напряжения от мощности дозы для n-канальных транзисторов, облученных дозой 1 Мрад(Si). Эти данные получены из результатов, представленных на рис. 3.27. Следует отметить, что при наибольшей мощности дозы (200 рад(Si)/с) наблюдается большой отрицательный сдвиг порогового напряжения. При наименьшей мощности дозы (0,1 рад(Si)/с) наблюдается большой положительный сдвиг порогового напряжения. При мощности дозы 2 рад(Si)/с сдвиг порогового напряжения приблизительно равен нулю.

Рис. 3.32. Изменение порогового напряжения в зависимости от мощности дозы (зависимость построена по данным, представленным на рис. 3.27, см. п. 3.3.8)

В случае р-канальных транзисторов и DV_ot, и DV_it имеют отрицательные значения и они складываются. При высокой мощности дозы DV_ot может быть большим. При низкой мощности дозы DV_ot все еще может быть большим, вследствие того, что стандартные значения рабочих напряжений, подаваемых на р-канальные транзисторы, не дают значительной нейтрализации посредством туннелирования захваченного в оксиде заряда. Кроме того, также может быть большим значение DV_it. Таким образом, как при высокой, так и при низкой мощности дозы, может наблюдаться большой отрицательный сдвиг порогового напряжения р-канальных транзисторов.

В случае коммерческих технологических вариантов n-канальных транзисторов даже при длительном облучении, характерном для космоса, будет наблюдаться значительно меньшая нейтрализация заряда, захваченного в оксиде [13]. В этом случае отклик прибора может определяться накоплением заряда в оксиде, аналогично тому, как это происходит в стойких приборах в течение малого времени после воздействия радиационного импульса. Таким образом, для некоторых коммерческих технологических вариантов причиной, определяющей отказ ИС в космической среде, может служить большой отрицательный сдвиг порогового напряжения n-канальных транзисторов, приводящий к сильному росту статического тока утечки по цепи питания ИС, или большой отрицательный сдвиг порогового напряжения р-канальных транзисторов. Для других коммерческих технологических вариантов и большинства радиационно-стойких технологических вариантов причиной отказа ИС в космической среде может служить большой положительный сдвиг порогового напряжения
n-канальных транзисторов и/или большой отрицательный сдвиг порогового напряжения
р-канальных транзисторов (заметим, что для некоторых радиационно-стойких технологических вариантов скорость нейтрализации заряда в оксиде для n-канальных транзисторов может быть ниже, и отказ ИС при низкой мощности дозы также может вызываться увеличением тока утечки ИС [13]).

Одним из следствий зависимости от времени нейтрализации заряда в оксиде и накопления ПС является «rebound-эффект» [13, 32, 64]. На рис. 3.33 [13] показаны зависимости порогового напряжения и его составляющих от времени облучения и отжига для n-канальных транзисторов, облученных при комнатной температуре и отожженных как при комнатной температуре, так и при 125 °С (отжиг с подачей смещения при повышенной температуре после облучения часто используется для наблюдения rebound-эффекта). Типичные значения температуры для таких исследований составляют ~100 °С. При облучении и отжиге подавалось напряжение 10 В. Величины DV_ot и DV_it определялись по отношению к исходным значениям соответствующих вкладов в пороговое напряжение. Из рисунка видно, что при облучении идет большое накопление зарядов в оксиде и на ПС. Для исследуемых приборов и условий облучения в оксиде накапливается больший заряд, чем на ПС, что ведет к отрицательному сдвигу порогового напряжения. Это обычно наблюдается в лабораторных экспериментах при средних значениях мощности дозы для многих технологических вариантов. Во время отжига как при комнатной температуре, так и при 125 °С, идет нейтрализация заряда в оксиде. Однако время нейтрализации величины DV_ot при температуре 125 °С существенно меньше, чем при комнатной температуре. За тот же интервал времени наблюдается небольшое изменение заряда ПС (небольшое повышение). Итоговым результатом отжига является то, что пороговое напряжение имеет большое положительное значение. Пороговое напряжение «откатывается» (rebound-эффект) от значения, меньшего исходного (до облучения), измеренного сразу по окончании облучения, до измеренного после отжига значения, превосходящего исходное. В сущности при испытаниях на rebound-эффект моделируются условия, характерные для космоса, путем нейтрализации значительной части захваченного в оксиде заряда (что должно иметь место при длительном низкоинтенсивном облучении) в отсутствии отжига заряда ПС.

Рис. 3.33. Изменение V_th, DV_ot и DV_it в процессе облучения при комнатной температуре и последующего отжига с подачей электрического смещения при температурах 25 и 125 °С (иллюстрация понятия rebound-эффекта) [13]

Рост числа ПС приводит к снижению подвижности носителей заряда в канале транзистора. В общем случае деградация подвижности при накоплении ПС описывается соотношением [13]

, (3.34)

где m₀ — значение подвижности до облучения; a — постоянная.

В ходе различных экспериментов по исследованию подвижности было обнаружено, что выражение (3.34) выполняется для большинства условий за исключением начальных моментов (< 0,1 с) после воздействия радиационного импульса [13]. В начальные моменты времени после облучения (~0,01 с) вблизи границы Si/SiO₂ может иметь место значительная концентрация захваченного в оксиде заряда, которая также может влиять на деградацию подвижности, а в ряде случаев и определять её. Однако, по мере движения фронта туннелирования электронов вглубь оксида, сопровождающегося нейтрализацией заряда оксида вблизи границы, значимость заряженных дырочных ловушек в процессе деградации подвижности понижается [13].

Накопление ПС при радиационном облучении также приводит к повышению уровня так называемого фликкер-шума, который относится к шумам типа 1/f и является доминирующим низкочастотным шумом в МОП-транзисторах. Данный вид шума обусловлен флуктуацией заряда, вызываемой рекомбинацией и генерацией носителей через ПС. Действие проникающей радиации приводит к росту плотности ПС, а следовательно к повышению уровня низкочастотных шумов и увеличению частоты, начиная с которой преобладают шумы со спектром 1/f.

Выходные напряжения КМОП-логических элементов практически не меняются даже при заметном росте токов утечки при облучении, поскольку они фиксируются на уровнях, определяемых потенциалами общих шин питания: V_вых¹ » V_пит; V_вых⁰ » 0. Однако происходит сдвиг переключательной характеристики в результате изменения пороговых напряжений транзисторов, что сопровождается соответствующими изменениями напряжений отпирания V_вх.от. = V_thⁿ и запирания V_вх.з. » V_пит – V_th^p. При этом, в зависимости от изменений пороговых напряжений транзисторов, может расшириться или сузиться область входных напряжений, ограниченная пределами V_вх.от. и V_вх.з., при которых в элементе протекает сквозной ток, так как оказываются в проводящем состоянии одновременно как n-, так и р-канальные транзисторы. Расширение этой области приводит к росту тока потребления, а сужение — к его уменьшению [5, 65]. Дозовые эффекты приводят к увеличению токов утечки в кристалле, что также приводит к увеличению тока потребления.

Быстродействие КМОП-логических элементов, определяемое средним временем задержки распространения сигнала, изменяется при облучении по двум причинам: из-за изменения пороговых напряжений и вследствие уменьшения удельной крутизны транзисторов. При переходе из состояния логической «1» в состояние логического «0» задержка распространения сигнала определяется задержкой отпирания n-канальных транзисторов t_з.от.ⁿ. Хотя эта задержка определяется временем нарастания управляющего сигнала до уровня порогового напряжения V_thⁿ, указать однозначно, как изменится t_з.от.ⁿ, невозможно без оценки величины DE = V_пит – (V_thⁿ + V_th^p): если она увеличивается, то t_з.от.ⁿ возрастает [65]. При облучении также изменяется и задержка отпирания р-канальных транзисторов, которая определяется временем заряда паразитных емкостей до уровня V_пит – V_th^p токамиn-канальных транзисторов при переключении элемента из состояния логического «0» в состояние логической «1».

Таким образом, радиационная стойкость КМОП-логических элементов лимитируется либо допустимым значением помехоустойчивости, либо снижением быстродействия. Разумеется, речь идет об ограничениях указанных параметров, при которых обеспечивается нормальное функционирование ИС в данном устройстве. При таком подходе радиационная стойкость оказывается значительно ниже, чем при определении предельных доз по критериям отказа ИС.