Экспериментальные исследования воздействия радиации на вах транзисторов МОП

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

не превышает 0,08 °/с, то в измерении участвует только первая ветвь - младшая линейка. При этом главное ИПУ этой ветви (ПТЧ) ведет работу в разомкнутом цикле, то есть вне контура СОС. Если модуль входной угловой скорости выходит из пределов 0,08 °/с, то в работу включается вторая ветвь. В этом случае ИПУ и ПТЧ вместе с Кр и СТ уже находятся в составе контура СОС и участвуют в ее динамике. В этом и заключается суть комбинированного принципа построения функциональной схемы ИК.

Выходные статические характеристики обоих измерительных контуров представлены на рис. 3 и рис. 4.

Итоговые результаты

Достоинством младшей линейки является то, что как всякая линейная система она позволит иметь наивысшую чувствительность в «нуле» системы. При этом составляющая «нуля», обусловленная электронной частью системы, будет существенно меньше, чем в варианте импульсной СОС. Преимуществом старшей линейки является то, что она на основе биполярного ШИМа позволит иметь наивысшую (с точки зрения возможного) линейность всей выходной характеристики ИК. Правда в контуре старшей линейки будет свой «ноль», поэтому в полете, возможно, придется его калибровать отдельно.

Выбор комбинированного принципа построения измерительной системы позволит получить на выходе прибора цену младшего разряда выходной информации с дискретностью порядка 0,005 дуг.с, что будет соответствовать суммарно по обеим линейкам показателю информационной добротности свыше 1300 кГц, чего ранее никогда не достигалось.

При этом следует особо отметить, что, несмотря на столь значительное повышение показателя информационной добротности, ошибка нуля системы, обусловленная схождением фронтов импульсов ШИМа, в ПТЧ будет снижена по меньшей мере в 12 раз по сравнению с приборами КИНД34-020/027 (в 4 раза за счет снижения диапазона измерения младшей линейкой и в 3 раза за счет выбранной частоты работы ШИМ 250 Гц, вместо 750 Гц). Таким образом, прогнозируемые точностные характеристики прибора можно представить в таблице.

Библиографический список

1. Казаков, Б.А. Техническое предложение к проведению модернизации приборов типа КИНД34-020, 027. / Б. А. Казаков. - М.: НИИ ПМ, 2006. - КИН-ДЭ001, 1986 (на правах рукописи).

2. Казаков, Б. А. Отчет по СОИ прибора КИНД34-020 / Б. А. Казаков и др. - М.: НИИ ПМ, 1998. - КИН-ДЭ001.0413 (на правах рукописи).

3. Волынцев, А.А. ТУ на прибор КИНД34-020 /

А.А. Волынцев, Б.А. Казаков. - М.: НИИ ПМ, 1998. - КИНД.402.132.020 ТУ

экспериментальные исследования воздействия радиации на вах транзисторов моп

С.В. ПУШКАРСКИЙ, НИИ космических систем, канд. техн. наук

При решении проблемы обеспечения качества и длительных сроков активного функционирования КА на орбите важную роль играет качество комплектующих электрорадиоизделий бортовой аппаратуры, а также их реакция на воздействия факторов космического пространства. Среди электрорадиоизделий особую роль играют изделия полупроводниковой электроники, составляющие основу элементной базы бортовой

ommo53@mail.ru

аппаратуры и одновременно наиболее чувствительные к воздействию радиации космического пространства. Поэтому исследования по разработке методов обеспечения длительной работоспособности изделий микроэлектроники на борту КА являются одной из важных задач при проектировании современных КА.

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований воз-

106

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

действия радиации на вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзисторов со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП), которые являются основными полупроводниковыми элементами бортовой аппаратуры.

Известно, что ионизирующее излучение приводит к образованию поверхностных состояний (ПС) на границе раздела полупроводник-диэлектрик и накоплению паразитного заряда в окисле транзистора. При этом захваченный в подзатворном диэлектрике транзистора заряд приводит к изменению порогового напряжения AVot, а ПС, кроме вклада в сдвиг порогового напряжения AVt, вызывают уменьшение крутизны сток-затворных ВАХ и возрастание параметра S, характеризующего наклон ВАХ на подпороговом участке. Кроме того, в приборах с коротким каналом радиационно индуцированные ПС приводят к ряду характерных эффектов, не наблюдаемых в длинноканальных МОП тразисторов (МОПТ).

Исследуемые образцы представляли собой ^-канальные тестовые транзисторы с длиной канала 5 мкм, толщиной подзатворного окисла ^Ю2) d = 120 nm и концентрацией легирующей примеси в подложке Nsub = 1017 см3. Образцы облучались рентгеновскими квантами с энергией Е « 25 кэВ и дозой D < 106 rad (Si) на установке ИРИС-МЗ. Результаты воздействия ионизирующего излучения на МОПТ оценивались по изменению подпороговых ВАХ. Пороговым напряжением МОП-транзистора считается напряжение на затворе, при котором ток стока достигает заданного значения (обычно 10-5А). В области слабой инверсии, когда напряжение на затворе МОП-транзистора меньше порогового, ток стока не равен нулю, а экспоненциально спадает с уменьшением напряжения на затворе. Этот ток называют подпороговым, а вольтамперную сток-затворную характеристику называют подпороговой ВАХ. Метод снятия сток-затворных подпороговых ВАХ позволяет исследовать зарядовые эффекты (кинетику изменения плотности зарядов в окисле (Qa) и на ПС (QJ области пространственного заряда полупроводника (Q) и плотности ПС (NJ при облучении. Измерения проводились на автоматизированной установке.

D, A

Рис. 1. Подпороговые ВАХ и-канальных МДПТ после облучения рентгеном в зависимости от наличия смещения на стоке VD при различных дозах облучения D, рад: 1) исходные данные ВАХ, 2) D = 104; 3) 105; 4) 106. Напряжение на стоке VD, B: 5

Рис. 2. Зависимость порогового напряжения _р-каналь-ных МДПТ от напряжения на стоке при рентгеновском облучении. Доза облучения D, рад: 0

На рис.1 представлены подпороговые ВАХ ^-канального транзистора после облучения рентгеном с энергией кванта ~25 КэВ, а на рис. 2 - соответствующие зависимости порогового напряжения AVT от напряжения на стоке VD (пороговое напряжение определялось из аппроксимации зависимости тока стока id от напряжения на затворе vg на квадратичном участке). Для исходных ВАХ характерна незначительная зависимость порогового напряжения от напряжении на стоке (кривые 1, рис. 1). Облучение приводит к деформации ВАХ. Во-первых, с увеличением поглощенной дозы уменьшается наклон подпороговой ВАХ. Во-вторых, усиливается зависимость порогового напряжения от смеще-

ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009

107

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ния на стоке V Эти особенности поведения параметров короткоканальных МОПТ могут быть объяснены двумерным эффектом разделения заряда ПС на части, экранируемые стоком и затвором. Экранирование части заряда ПС стоком увеличивает индуцируемый затвором заряд в полупроводнике, что приводит к открытию канала при меньших значениях порогового напряжения. Чем выше потенциал стока, тем больше доля экранируемого этим электродом заряда ПС и заметнее уменьшение порогового напряжения.

Функциональная зависимость порогового напряжения VT от смещения на стоке определяется распределением плотности ПС по длине канала вблизи стока. При равномерном распределении ПС зависимость в координатах VT - VD можно представить в виде

VT = VT0 - YVD. С1)

Коэффициент у зависит от величины полного заряда на ПС и в окисле и увеличивается с увеличением поглощенной дозы.

Рис. 3. Зависимость порогового напряжения р-ка-нальных МДПТ от напряжения на стоке при облучении в РЭМ с напряжением на стоке. 1) Vn = 0 В, N = 4- 1016см-2; 2) Vn = 10 В, N = 4-1016 см-2; 3) облучена пристоковая область канала, N = 4-1016см-2. На вставке - зависимость плот-

e

ности ПС от координаты вдоль канала

При увеличении поглощенной дозы наблюдается искажение линейной зависимости VT(VD) (рис. 3, кривая 1), что может быть обусловлено неравномерным распределением ПС по длине канала (Ne. = 1016 см2 - поверхностная плотность зарядов). Этот факт подтверждался известными модельными эк-

спериментами по облучению транзисторов с напряжением на стоке (кривая 2) и локальному облучению пристоковой части канала в растровом электронном микроскопе (РЭМ) (кривая 3).

В обоих случаях на кривой зависимости VT(VD) можно выделить два прямолинейных участка с разными наклонами, причем точка перегиба V на кривой 2 лежит вблизи значения напряжения, при котором происходило облучение.

Наличие двух прямолинейных участков на VT(VD) зависимостях свидетельствуют о том, что плотность ПС по длине канала можно аппроксимировать двумя участками с разным значением NSS (вставка на рис. 3). При малых напряжениях на стоке выполняется условие а < L, где а - длина участка с высокой плотностью ПС NSS2.

При высоких потенциалах на стоке имеет место а > L (второй участок), а наклон VT(VD) характеристики соответствует плотности NSS1. Напряжение VD = V соответствует условию а = L и может быть использовано для определения длины области с повышенной плотностью ПС вблизи стока.

Облучение МОПТ с напряжением на стоке приводит к появлению принципиально нового эффекта, который не проявляется при облучении той же дозой, но при отсутствии смещения на стоке, т.е. при VD= 0.

На рис. 4 представлены ВАХ р-каналь-ного МОПТ, облученного со смещением на стоке. Обнаруживаются качественные различия ВАХ, измеренных при разных значениях Vd (кривые 1, 2). При больших напряжениях на стоке наблюдается не экспоненциальная, а более плавная степенная зависимость тока стока ID от напряжения V , кроме того, появляется участок тока, слабо зависящий от напряжения на затворе.

Этот эффект - эффект «прокола» обусловлен протеканием тока в глубине полупроводника из-за снижения полем стока высоты потенциального барьера на переходе исток-подложка.

На вставке к рис. 4 приведено условное изображение распределения потенциала на р-п-р структуре исток-подложка-сток, иллюстрирующее этот эффект.

108

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 4. Подпороговые ВАХ ^-канальных МОПТ, облученных со смещением: 1) Vd= -16 B

Vsub = 0 B; 2) Vd = -5 B, Vsub=0 B; 3) Vd = - 16 B Vsub = 5 B; 4) Vd= - 16 B, Vsub=0 B

Индуцированное стоком снижение высоты потенциального барьера на истоке вызывает инжекцию неосновных носителей из истока в подложку и собирание их полем стока. Наблюдаемый эффект «прокола» является следствием повышенной плотности радиаци-онно стимулированных ПС вблизи стока.

Проникновение поля стока вдоль границы раздела сдерживается за счет участия ПС в экранировании этого поля (вставка на рис. 3).

При этом изменяется форма области пространственного заряда, индуцируемого стоком. Также увеличивается расстояние от поверхности, на котором происходит понижение барьера истока. Протекание тока «прокола» в глубине полупроводниковой подложки характеризуется ослаблением влияния на этот ток напряжения затвора. В то же время подача обратного напряжения на подложку восстанавливает высоту потенциального барьера на истоке и тем самым подавляет ток «прокола». ВАХ, измеренные при подаче обратного смещения на подложку, имеют типичный для подпорогового тока вид (рис.4, кривая 3).

Проанализируем решение обратной задачи, т.е. возможность нахождения величин плотности ПС и эффективного заряда по подпороговым токам.

Для МОПТ с длинным каналом такая проблема решена [1, 3]. ВАХ в области под-

пороговых токов для длинноканальных приборов может быть выражена в явном виде как функция двух потенциалов смещения

/

1D = I0 eXP I ~ (VG - VT ) |X

f

kTn

i i qm

1-exp l- tvd

\\

где I0 - ток, измеряемый при VG = VT в режиме насыщения относительно напряжения на стоке (VD > Зп /Зт); п = (с +с+с )/c ; m = (с +сп)/с ;

х ох D ss ox5 4 ох D ox5

сх = s080x/d0x - геометрическая емкость диэлектрика;

с =qN - емкость ПС;

ss ss

CD

/ \-1/2

Г £А/(Na - Nd ) ^

2(У. + VSUB ) -Р

- емкость области пространственного заряда полупроводника.

Пример экспериментальной ВАХ МОПТ при различных смещениях на электродах приведен на рис. 4.

Плотность ПС рассчитывается из параметров крутизны S (или п = qS/kT), характеризующих наклон ВАХ (2), построенной в координатах ln(ZD/I0)- VG.

Ns =

Эффективный заряд в диэлектрике определяется по измеряемому значению порогового напряжения VT и рассчитанному значению плотности ПС N

X

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

109

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

плотности ПС Nss для различных значений плотности заряда окисла Q0, см-2 : 0

Qot = Q*b - N Фв - cJvT - 2ФВ),

где Q*B - объемный заряд полупроводника при ^ = 2Фв-

Для МОПТ с коротким каналом плотность ПС может быть также рассчитана по формуле (3). Однако определить Qot из уравнения (4) не представляется возможным из-за наличия зависимости порогового напряжения VT от смещения на стоке VD. Согласно результатам расчета, при равномерно распределенной плотности ПС по длине канала эта зависимость является линейной (1), а коэффициент пропорциональности у определяется величинами Q , и N .

На рис. 5 представлены зависимости параметра у от плотности ПС, рассчитанные для различных Qo{ С использованием таких зависимостей значение эффективного заряда Qof может быть найдено по величинам у и Nss, определяемым из ВАХ в подпороговой области.

Представленное рассмотрение позволяет установить, что особенностью воздействия ионизирующего излучения на короткоканальные МДП-транзисторы является то, что основной причиной их деградации может явиться не только параметрический отказ

(изменение VT, S и т.д.), но и выход из строя вследствие появления радиационно-индуцированных токов утечек и пробоя, что приводит к увеличению токов потребления и нарушения теплового режима.

Условия данных процессов зависят от конструктивно-технологических особенностей приборов и должны определяться в каждом конкретном случае. Наличие ПС усиливает потенциал стока VD и его влияние на VT короткоканальных МОП-транзисторов, что обусловлено двумерным эффектом разделения заряда ПС на части, экранируемые стоком и затвором. Функциональная зависимость VT от смещения на стоке определяется распределением плотности ПС по длине канала. Наличие повышенной плотности поверхностных состояний (ППС) вблизи стока приводит к снижению напряжения «прокола», появлению тока утечки, радиационно-индуцированного пробоя и «защелки» в КМОП- приборах. Эти эффекты могут явиться определяющими в деградации приборов с коротким каналом и должны учитываться при прогнозировании стойкости изделий к воздействию ионизирующих излучений. ППС и эффективный заряд в короткоканальных МДП-приборах могут быть определены из ВАХ, измеряемых в области подпороговых токов. ППС определяются и для длинноканальных приборов по наклону ВАХ в координатах ln/d _VcP а эффективный заряд из сравнения экспериментальных ВАХ с расчетной, получаемой в результате двумерного численного решения системы уравнений, описывающих процессы токопереноса в транзисторе.

Библиографический список

1. Першенков B.C. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем /

B. C. Першенков, В.Д. Попов, А.В. Шальнов. - М.: Атомиздат, 1988.

2. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов /

C. Зи. - М.: Мир, 1984.

3. McWroter P. J., Winokur P. S. Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped-oxide charge in metal - oxide - semiconductor -transistors // Appl. Phys. Lett.- 1986.-48(2).-P. 133

110

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009