Влияние ионизирующего излучения космического пространства на свойства полупроводниковых приборов

УДК 621.382

ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С.И. Рембеза, А.А. Стоянов

В статье рассмотрен состав и свойства космических лучей в радиационных поясах Земли, которые являются источниками ионизирующих излучений для полупроводниковых компонентов систем космической связи. Описаны результаты основных воздействий космических лучей на параметры полупроводниковых кристаллов и интегральных схем. Рассмотрены возможности прогнозирования радиационных воздействий и некоторые способы повышения радиационной стойкости изделий микроэлектроники

Ключевые слова: космические лучи, виды радиационных дефектов, полупроводниковые интегральные схемы, методики испытаний, радиационная стойкость приборов

Все современные виды дальней связи (интернет, GPS, связь специального назначения и др.) используют радиоэлектронные системы космических аппаратов (спутников),

находящихся в зоне радиационных поясов Земли. В состав радиоэлектронных систем спутников входят изделия полупроводниковой электроники, которые в условиях длительного космического полета (10-15 лет) подвергаются непрерывному воздействию ионизирующего излучения космических лучей низкой интенсивности с мощностью дозы порядка 10-6 ^ 10-2 Р/с. В связи с большой энергией всех компонентов космических лучей (~ МэВ) они обладают высокой проникающей способностью и могут существенно изменить параметры полупроводниковых интегральных схем и привести к отказу систем связи при их длительной работе в космосе.

В данной статье рассматриваются основные типы и физических процессов дефектов, возникающих в кремнии и в приборных структурах на его основе, в результате воздействия космического ионизирующего излучения. Обсуждаются возможности разработки методик

предварительного отбора радиационно-стойких схем, а также методик моделирования процессов радиационного воздействия.

Обосновываются некоторые схемотехнические и технологические решения, направленные на повышение радиационной стойкости изделий микроэлектроники.

Космические лучи - поток заряженных частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих к Земле со всех

Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473)243-76-95

Стоянов Андрей Анатольевич - ФГУП НИИЭТ, соискатель, тел. (473)243-76-95

направлений космического пространства, в том числе и от Солнца. В Солнечную систему космические лучи попадают в основном от источников, расположенных в пределах нашей галактики - галактические космические лучи, но некоторая доля космических лучей приходит от Солнца после мощных солнечных вспышек -солнечные космические лучи. Названные космические лучи являются первичными и при вхождении в атмосферу Земли, сталкиваясь с ядрами молекул и атомов воздуха, они образуют большое количество вторичных частиц (протонов, электронов, мезонов, фотонов, у-квантов и др.), которые называются вторичными космическими лучами [1].

Космические лучи представляют собой в основном ядра атомов различных элементов, полностью лишенные электронов и обладающие огромными кинетическими энергиями (вплоть до Ек ~ 1020 эВ). По составу более 90 % частиц космических лучей всех энергий составляют протоны, 7 % - ядра гелия (а - частицы) и лишь небольшая доля (~ 1 %) приходится на ядра более тяжелых элементов. Космические лучи содержат также < 1 % релятивистских электронов с энергиями Ек > 1 ГэВ, а также небольшое количество (~ 0,1 %) позитронов. Такой состав космических лучей приблизительно соответствует средней распространенности элементов во Вселенной.

Энергетический спектр основной составляющей космических лучей - протонов имеет вид немонотонной кривой с максимумом при Ек = 300 ^ 500 МэВ и минимумом при Ек = 20 ^ 30 МэВ на один нуклон (рис.1). Форма энергетического спектра а - частиц и более тяжелых ядер близка к форме спектра протонов. Таким образом, основными ионизирующими компонентами космических лучей являются протоны высоких энергий

(> 500 МэВ/кулон), а-частицы высоких

энергий, электроны и у-кванты, как космического происхождения, так и образующиеся в результате взаимодействия космических лучей между собой и с атмосферой Земли.

В околоземном пространстве космические лучи взаимодействуют с геомагнитным полем Земли, которое экранирует поверхность планеты от потоков солнечных и галактических космических полей и является ловушкой для заряженных частиц. Концентрация

захваченных в подобную ловушку частиц определяется интенсивностью источника этих частиц и их временем жизни, то есть потерями за счет столкновений и ионизации атмосферы Земли. Заряженные частицы движутся между полюсами Земли по сложным траекториям, ионизируя на своем пути атомы атмосферы и создавая разные типы вторичных ионов.

Рис. 1. Дифференциальный спектр протонов космических лучей

Естественные радиационные пояса Земли имеют тороидальную форму и охватывают высоты от 300 до 20000 км, то есть практически все орбиты искусственных спутников Земли, обеспечивающих системы космической связи в частности, «Интернет» и элементы связи специального назначения (рис.2). Естественные радиационные пояса содержат ионизирующие излучения

космического пространства, которые состоят главным образом из двух корпускулярных составляющих - электронов с энергиями до 3 МэВ и протонов с энергиями до 900 МэВ. Обе эти составляющие обладают низкой интенсивностью с мощностью дозы порядка 106 ^ 10-2 Р/с, но достаточно большой

проникающей способностью, чтобы оказывать разрушающее воздействие на

полупроводниковые элементы аппаратуры

спутников при длительном нахождении на орбите.

В соответствии с общепринятыми моделями взаимодействия быстрых частиц с кристаллической решеткой полупроводника [2] кинетическая энергия частицы расходуется на ядерное торможение и на электронное

Рис.2. Радиационные пояса Земли, обусловленные ее магнитным полем и заполненные заряженными частицами космических лучей

взаимодействие (ионизационные потери). Ядерное торможение приводит к смещению атомов вещества из равновесных положений, к образованию точечных дефектов Френкеля кластеров точечных дефектов, и разупорядоченных областей аморфизации кристалла. При электронном взаимодействии, рассматриваемом как вязкое торможение, энергия частицы приводит в основном к возбуждению электронной системы кристалла, к ее частичной ионизации, к образованию пар электрон-дырка, и к генерации электромагнитного тормозного излучения. Оба механизма проявляются при торможении протонов, а-частиц и других быстрых частиц и электронов, содержащихся в космических лучах.

Для образования точечного радиационного дефекта в кристалле необходимо, чтобы энергия быстрой частицы превышала величину пороговой энергии Бд смещения атома из узла кристаллической решетки. Для кремния Бд принимают равной ~ 15 эВ [3] и в этом случае все компоненты космических лучей могут приводить к возникновению точечных радиационных дефектов в кремнии. Так как часть энергии ионизирующей частицы расходуется на ядерное торможение, то на пример для образования точечных дефектов в 81 требуются быстрые протоны с энергией, превосходящей 100 кэВ. Если кинетическая энергия быстрой частицы многократно превышает пороговую энергию образования дефекта Бд, то возможно образование

вторичных дефектов структуры в результате каскадов упругих столкновений и возникновения аморфизации кристалла. Типичный радиационный дефект Френкеля представляет собой вакансию и атом кремния в междоузлии, что приводит к уменьщению концентрации свободных носителей и к увеличению электросопротивления кристалла. При переходе междоузельного атома в вакансию дефект исчезает аннигилирует и электрические свойства кристалла

восстанавливаются.

Повышение температуры кристалла

повышает вероятность аннигиляции

радиационных дефектов и позволяет частично восстановить электрические свойства

полупроводникового материала. Поэтому уменьшить влияние радиационных дефектов на электрические свойства кристаллов можно путем контролируемой термообработки, как поступают при использовании технологии

ионной имплантации при изготовлении р-п-переходов в кремнии [3]. Однако, в реальных условиях работы аппаратуры космической

связи осуществить такой процесс затруднительно, но можно предварительно провести радиационно-термическую

отбраковку интегральных схем с пониженной радиационной стойкостью до установки их в аппаратуру космической связи.

В методе радиационно-термической отбраковки интегральных схем с пониженной радиационной стойкостью сначала

производится облучение образцов

контролируемой дозой и энергией ионизирующего излучения, которое приводит к изменению определенных параметров интегральных схем. Затем выполняется восстановительный отжиг с периодическими замерами контролируемых параметров интегральных схем. Режимы облучения и отжига выбираются таким образом, чтобы они не ухудшали надежностные характеристики интегральных схем. Для конкретных типов интегральных схем должны быть исследованы и установлены оптимальные режимы обработки и восстановительного отжига радиационных дефектов. В результате восстановительного отжига выявляются интегральные схемы или технологические операции, не обеспечивающие требуемой для данного изделия радиационной стойкости. Разбраковка осуществляется по результатам полного или частичного восстановления параметров интегральной схемы после восстановительного термического отжига радиационных дефектов.

Одним из результатов ионизационных потерь быстрых частиц при взаимодействии с полупроводниковым кристаллом является образование большого количества электроннодырочных пар и ионизация примесных уровней в запрещенной зоне. Это приводит за счет генерации неравновесных носителей зарядов к неконтролируемому увеличению токов через приборные структуры, в том числе токов утечки, обусловленных неосновными носителями зарядов.

Процессы ионизации полупроводника под действием космических лучей можно моделировать, например, с помощью искусственного создания условий лавинной инжекции в подзатворный окисел КМОП-структур. Подзатворный окисел подвергается воздействию положительных импульсов высокого напряжения, что сопровождается туннелированием электронов из подложки в окисел. При этом некоторая часть инжектированных электронов приводит к образованию электронно-дырочных пар в объеме окисла, которые ведут себя также, как и при их образовании в результате воздействия ионизирующего излучения на КМОП-структуру при положительном смещении на затворе. В результате можно получить аналитическую зависимость плотности инжектированного в окисел заряда от расчетной дозы облучения. Для разработки методик анализа радиационной стойкости КМОП - структур определенных типов, используемых в космической аппаратуре связи, необходимо исследовать условия

возникновения электронно-дырочных пар при лавинной инжекции.

Простейшим точечным радиационным дефектом является дефект Френкеля (вакансия и атом, смещенный в междоузлие), обладающий в основном акцепторными свойствами. Поэтому электрические свойства полупроводниковых материалов и структур п-типа значительно сильнее изменяются под воздействием радиации, чем свойства материалов и структур р-типа. При этом чем выше концентрация носителей зарядов в р-структуре, тем выше ее радиационная стойкость, так как космические лучи имеют малую интенсивность и создают радиационные дефекты невысокой концентрации. Данный физический эффект обусловливает такие конструкционные и технологические решения, как использование радиационно-стойких охранных колец р-типа в конструкциях КМОП больших интегральных схем.

В настоящее время также проводятся исследования по оценке защитных свойств от космической радиации конструкционных материалов и корпусов СВЧ модулей [4], работы по повышению надежности микроэлектронных соединений

радиационностойких мощных транзисторов [5] и другие исследования. Таким образом, проблема повышения радиационной стойкости изделий микроэлектроники имеет комплексный характер и должна решаться по нескольким направлениям.

Заключение

1. Рассмотрен состав и свойства

космических лучей как источника

ионизирующего излучения, воздействующего на полупроводниковые интегральные схемы.

2. Рассмотрены основные виды

радиационных потерь в полупроводниках и их влияние на свойства интегральных схем.

3. Обоснованы методики имитации радиационных воздействий и прогнозирования устойчивости интегральных схем к космическому облучению.

Воронежский государственный технический университет ФГУП НИИЭТ, г. Воронеж

INFLUENCE OF COSMIC RADIATION ON SEMICONDUCTOR DEVICES PROPERTIES

S.I Rembeza, A.A. Stoyanov

In the article are observed compositional and properties of cosmic rays at Earth radiation zones as sourse of ionized

radiation for semiconducting device in the cosmic communication systems. Results of influence cosmic radiation on parameters of

integral circuits (IC) are discripted. Acdiscussed possibilites of prediction influence of radiation as well as methods for IC radiation stability increasing

Key words: cosmic rays, radiation defects types, semiconducting circuits, treatment methods

4. Физически обоснованы некоторые конструкционные и технологические способы повышения радиационной стойкости определенных типов интегральных схем.

Литература

1. Гинзбург В.Л., Сыроватский Г.И. Происхождение космических лучей, М., 1963.

2. Вавилов В.С., Действие излучений на полупроводники. М., Физматгиз, 1963, С. 264.

3. Технология СБИС в 2 книгах под ред. С. Зи, М., Мир, 1986, Т. 1, 404 с.

4. Петров А.И., Гагарин С.В., Метод оценки защитных свойств конструкционных материалов модулей СВЧ и стойкость модулей к воздействию ионизирующих излучений космического пространства, Компоненты и технологии, 2007, № 10, 172 - 174.

5. Ланин В.Л., Рубцевич И.К., Керенцев А.,

Повышение надежности микроконтактных

соединений радиационно-стойких мощных

транзисторов, Силовая электроника, 2010, № 3, 100 - 105.