ОдеськИЙ національнИЙ політехнічнИЙ університет

ХРАМОВ ЄВГЕН ПИЛИПОВИЧ

УДК 621.01:620.179.1

Електричні параметри

елементів інтегральних схем

в умовах дії радіації

05.27.01 – твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній академії зв’язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук,

професор Вікулін Іван Михайлович,

Одеська національна академія зв’язку,

завідувач кафедри фізики

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук,

професор Гусєв Володимир Олександрович, Севастопольський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, директор департаменту електронної техніки;

кандидат технічних наук, доцент Завадський Віктор Афанасійович, Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри радіоелектроніки

Провідна установа: | Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, кафедра мікроелектроніки

Захист відбудеться “__4__” ____05________2005р о _15__ годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради К 41.052.03 при Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університета за адресою: 65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “_1_” ______04____ 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _____________ Андріянов О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Застосування мікроелектроніки в енергетиці, транспорті, апаратурі Чорнобильської зони, космічному приладобудуванні, військовій техніці і інших виробах твердотільної електроніки, якими укомплектовується радіоелектронна апаратура, у системах керування ядерними енергетичними установами, визначає значний інтерес спеціалістів і інженерів до проблеми зміни параметрів інтегральної схемотехніки при опроміненні.

Проблемі формування і поширення електричних сигналів у структурах інтегральних схем (ІС) при опромінюванні присвячено небагато досліджень. Робота присвячена цьому питанню.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалася в Одеській національній академії зв'язку ім. А.С.Попова як складова частина науково-дослідної роботи кафедри фізики та проводилася відповідно до координаційних планів НАН України і Мінвузу по проблемі “Фізика напівпровідників”:

3-13-97. Дослідження фізичних механізмів формування профілів розподілу атомів віддачі та радіаційних дефектів при взаємодії заряджених та високоенергетичних частинок з шаруватими структурами на основі напівпровідників.

№ ДР 0197U016514.

3-13-00. Радіаційні ефекти в шаруватих структурах на основі напівпровідників і діелектриків та розробка теоретичних основ радіаційного моніторингу довкілля на основі геоінформаційного моделювання. № ДР 010U002794.

Мета дослідження. Комплексне визначення фізико-електричних процесів в опромінених елементах твердотільної електроніки і тих, що опромінюються, на основі встановлення закономірних зв'язків між процесами радіаційного дефектотворення і електричними процесами в інтегральних схемах, і на основі досліджуваних і виявлених під час досліджень нових електрофізичних явищ запропонувати і розробити методи підвищення радіаційної стійкості.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані задачі:

1.

2.

3.

4.

Об’єкт дослідження – резистори і електронно-діркові структури ІС.

Предмет дослідження – процеси та механізми, які мають місце в елементах інтегральних схем в умовах дії радіаційного випромінювання; засоби підвищення радіаційної стійкості елементів твердотільної електроніки.

Методи дослідження. Для розв’язання перелічених задач у дисертації використані сучасні методи дослідження структури матеріалів, електрофізичних характеристик елементів інтегральних схем при дії рентгенівського, гама і
нейтронного випромінювання.

Достовірність отриманих наукових результатів визначається співпаданням отриманих експериментальних результатів при використанні незалежних методів дослідження ІС та їх компонент, забезпечується використанням строгих методів теорії електронно-діркових переходів та ІС, апробацією на наукових семінарах і конференціях, публікаціями у наукових журналах і тематичних збірниках, упровадженням на СКТБ “Елемент” м. Одеса та заводі “Гравітон” м. Чернівці. Для перевірки теоретичних результатів використовувались методи комп’ютерного моделювання та обробки даних експериментальних досліджень з застосуванням програмних продуктів MathCAD 2002, Electronics Workbench.

Наукова новизна отриманих результатів:

1.

2.

3.

4.

5.

Практична цінність отриманих результатів полягає у можливості по побудованим фізичним і електрофізичним моделям і по отриманих формулах та експериментальним даним пояснити механізми радіаційної деградації ІС.

Результати цієї роботи можуть бути використані:

·

·

·

·

·

Особистий внесок здобувача полягає в розробці теоретичних [4] і електричних [5] моделей поведінки кластерів дефектів, моделей опромінених компонентів, у результатах аналізу імпульсних характеристик опромінених планарних транзисторних структур і у розробці пристроїв для дистанційного виміру параметрів p-n переходів та ІС при опроміненні [2, 3, 9, 15], в аналізі впливу вторинного світлового випромінювання на імпульсні параметри транзисторних структур і відповідно ІС [11]. Внесок автора також складається з оптичних та електрономікроскопічних досліджень кремнію та германію, процесу вибухової кристалізації [10, 12], в розробці способу виміру дози опромінювання [14], а також загальних питань аналізу нелінійностей.

Апробація робіт. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на наукових семінарах і конференціях Харківського національного політехнічного інституту, Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, Харківського військового університету, Харківського фізико-технічного інституту АН УРСР, на третій і четвертій міжнародних конференціях “Сучасні проблеми науки та освіти” (2002 р. і 2003 р., Ужгород, Ялта), на другій і третій міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми гуманізації та гармонізації управління” (2001, 2002 р. Харків), на п’ятій міжнародній науково-практичній конференції “Системи і засобу передачі і обробки інформації” (Одеса, 2001 р.), на 63 НТК ХДАЗТ (Харків, 2001 р.), на засіданнях 15-і Міжнародної школи-семінара “Перспективні системи управління на транспорті” (2002 р., м. Алушта), на ХІ Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології”(2003 р., м. Харків), на Першій Українській науковій конференції з фізики напівпровідників (2002 р., м. Одеса), на Міжнародній конференції по модифікації поверхні (2002 р., м. Феодосія), на Міжнародній конференції (2002 р.,
м. Алушта), на Міжнародній конференції по моделюванню електронної техніки (2003 р., м. Харків).

Публікації. Основні положення дисертації відображені в 15 наукових працях, опублікованих у наукових журналах, збірниках наукових статей, в тому числі 8 у фахових, у працях міжнародних конференцій, в двох патентах України.

Структура і обсяг роботи. Дисертацій складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел.

Робота виконана на 183 сторінках, містить 78 рисунків, 6 таблиць, в тому числі є список 161 найменувань літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність теми досліджень, сформульована її практична цінність, вказана новизна отриманих результатів.

У першому розділі – “Області розупорядкування і частотні властивості виробів твердотільної електроніки” – виходячи з ознайомленням з літературними та технічними джерелами, вітчизняними і зарубіжними, зроблений висновок про відносно повне високоякісне дослідження точкових дефектів, дислокацій та їх скупчень в напівпровідниках. Область, яка слабо вивчена, майже не досліджена, лежить посередині. Тому нами проведені теоретичні дослідження природи розупорядкованих областей та аналіз їх впливу на сигнали, які поширюються в опромінених структурах мікроелектроніки. Проаналізовано формування областей радіаційних ушкоджень, які змінюють зарядовий стан, впливають на проходження змінного струму і деформують електричний сигнал, який поширюється в інтегральних схемах.

При взаємодії високоенергетичних частинок з напівпровідниками та при гальмуванні первинно зміщених атомів утворюються області розупорядкування. В них положення рівня Фермі і провідність відрізняються від значень в неушкодженому матеріалі. Поблизу області розупорядкування має місце викривлення енергетичних рівнів. Наявність областей розупорядкування (рис. 1), які створюють потенціальний бар’єр в об’ємі, впливає на рух носіїв заряду. Це особливо проявляється при змінах напрямку руху носіїв заряду при поширенні електричних сигналів. В дійсності rеф має значення відстані, на якій електричне поле Е навколо розупорядкованої області дорівнює середньому значенню

.

Розрахунки передбачають, що концентрація розупорядкованих зон відома, або відомий мікроскопічний переріз їх утворення. Але ж саме ці величини важко визначати з необхідною точністю. Аналіз будови та поведінки розупорядкованих областей показує, що поширення в опромінених кристалах електричного сигналу веде до зарядки розупорядкованих областей і процесів перезарядки енергетичних рівнів в них. Електричний сигнал також зазнає впливу електричного поля цих областей, тобто він деформується, бо периферія і ядро змінює свою геометричну форму та розміри (рис. 2). Має місце перерозподіл зарядів між матрицею та деструктурованою областю. Діє закон збереження енергії (заряду). Зміни зовнішньої межі області просторового заряду мають несиметричний характер по відношенню до напрямку змінного електричного поля.

Основними елементами ІС є діодні і тріодні структури, тому була промодельована зміна їх частотних характеристик при опроміненні.

Одержане співпадання при розрахунку на ЕОМ по одержаних нами формулах з експериментальними даними [3].

У другому розділі – “Об’єкти, прилади та методики досліджень” –приведені технології виготовлення елементів та ІС, стандартні та оригінальні методи вимірювання параметрів.

Для виявлення мікронеоднорідностей використовувалась оптична і електронна мікроскопія, а для дослідження інфрачервоного випромінювання та вищих гармонік створені оригінальні методики і прилади. Для дистанційного вимірювання параметрів приладів під час опромінення розроблені оригінальні пристрої. Аналіз і контроль дози опромінення вівся згідно розробленого способу та стандартними методами. Опромінення нейтронами (2 МеВ) велось на реакторі Інституту ядерних досліджень НАН України та генераторі (14 МеВ) Київського національного університету, гама-квантами на установці “Исследователь” Харківського національного університету, іонами на установці “Везувій-1”.

При дослідженні електричних параметрів вимірювання проводились на партіях зразків в кількості 32254 шт. Дані експериментів статистично оброблялись.

У третьому розділі – “Нелінійні властивості опромінених резисторів ІС і p-n структур” – запропоновано задачу вивчення оптичних процесів в напівпровідникових структурах ІС при опроміненні ?-частинами, протонами, іонами, нейтронами та їх впливу на радіаційну стійкість. При дії радіації в ІС виникають фотоструми в об’ємі та p-n переходах, бо кремній прозорий для ІК світла. Дослідження механічних властивостей малодислокаційного (102 см-2) кремнію при ?-опроміненні показало вплив виникаючого ІК освітлення на електричні та механічні властивості n-, p-кремнію, на внутрішній фотоефект, що пов’язано з зарядовим станом дислокацій та областей радіаційного дефектоутворення.

Досліджено радіаційну стійкість напівпровідникових резисторів. Найменшу радіаційну стійкість мають пінч-резистори в зв’язку зі значною зміною площі поперечного перерізу за рахунок розмиття p-n переходів при опроміненні. Вплив рентгенівського, гама та нейтронного опромінення на фоточутливі характеристики p-n структур визначився їх деградацією, зміною прямої та зворотної вітки ВАХ, зміною часу життя неосновних носіїв зарядів. На пряму та зворотну ВАХ впливає також зміна спектру пропускання скляних лінз та зміна спектральної фоточутливості опромінених фотодіодів. В час дії рентгенівських променів характеристика p-n переходу деформується.

Транзисторні структури ІС ТТЛ працюють в схемі з загальним емітером в імпульсному режимі. Дослідження імпульсних властивостей транзисторних структур показало зменшення часу розсмоктування при дозах 1011-1013 і його збільшення при 1014н·см-2. Освітлення p-n переходів веде до збільшення часу розсмоктування від 12 до 21 мікросекунди (1012н·см-2). Для дози 1014н·см-2 освітлення майже не впливає на час процесу. Вплив опромінення на параметри системи, які були опромінені при флюенсі 5·1013-1014н·см-2, менший, ніж на неопромінені транзистори.

Результати дослідження динамічних параметрів ІС дозволяють розраховувати часові діаграми логічних схем, що працюють в радіаційному полі. Інерційність ІС визначається перехідними процесами включення та виключення діодних і транзисторних структур, величинами внутрішніх ємностей. Накопичення і розсмоктування носіїв зарядів в активних та пасивних областях, як звісно, визначає час затримки включення чи виключення. Осцилограми показують збільшення часу затримки включення і виключення (Ен = 14МеВ при дозах 1012н·см-2) приблизно в два рази. При 5·1013н·см-2 60% ІС повністю не працюють. Час насичення мікросхеми визначається часом життя неосновних носіїв в базі вихідного транзистора. При опромінені ІС 143 серії нейтронами з
Е = 2МеВ і гама-променями збільшується час переходу із стану логічної одиниці в стан логічного нуля (t1,0). Для ІС 106 серії спостерігається зниження t1,0. Відпал при Т = 4200C не відновлює характеристики ІС.

В динамічному режимі аналогового ключа ІС 143 виникає паразитний ємнісний зв’язок, коли один канал закривається, а другий відкривається. Викиди напруги, що виникають на затворах через ємність виток - затвор поступають на вихід сусіднього каналу. При збільшенні флюєнса нейтронів довжина і амплітуда додатної та від’ємної завад збільшуються.

В зв’язку з неможливістю пояснити збільшення часу включення і виключення, часу переходу t1,0 ІС тільки зміною часу розсмоктування, в транзисторних структурах були проведені дослідження нелінійностей опромінених резисторів: металічних і напівпровідникових. При опроміненні нейтронами та гама-квантами третя гармоніка в металічних резисторах збільшується на 50-60%, а в напівпровідникових на 400-600%.

При взаємодії гармонійного коливання з нелінійною системою вихідний сигнал передається в вигляді функції:

При взаємодії сигналу з нелінійним електричним дефектом, вихідний сигнал можна розглядати як складну періодичну функцію, складовими якої є її гармоніки. Якщо при малих значеннях сигналу знехтувати значеннями членів ряду, що вміщують Ео у степені m, то:

Амплітуда m-тої гармоніки пропорційна m-му степеню амплітуди сигналу. Для третьої гармоніки можна записати:

Вважаємо k1 = ј, b3 = const. Для амплітуди третьої гармоніки J3 = E30/R і позначивши Ео = Е10, запишемо: Е30 = Rk1E, де R – опір резистора, в якому досліджується третя гармоніка. Тоді k1R можна записати як k = k1R = E30/E.

При зміні амплітуди сигналу коефіцієнт k не постійний. Тому для резисторів:

де , l – ширина та довжина резисторної структури; n – коефіцієнт, величина якого визначається частотою першої гармоніки; T – коефіцієнт тепловіддачі резисторної структури; s – поверхневий опір резистора. Коефіцієнт k можна визначити, ураховуючи геометричні розміри і фізичні властивості резистора

Експериментальні дані показують залежність коефіцієнта від величини сигналу першої гармоніки (рис. 3). При зміні величини першої гармоніки змінюються ефективні розміри резисторної структури і поверхневий опір резистора. Якщо розглядати процес проходження змінного за амплітудою та напрямком електричного сигналу через кремній, в якому сформовані розупорядковані області, то згідно законам термодинаміки процес взаємодії носіїв зарядів з такими мікронеоднорідностями не може бути симетричним (оберненим). При збільшенні амплітуди першої гармоніки має місце заряд областей, який підкоряється закону

J = Joe-t,

де Jo – початковий струм заряду; J – струм заряду в момент часу t; – постійна заряду. Після заряду області зі зменшенням сигналу та зміною напрямку струму відбувається розряд. Він буде мати другу постійну заряду – 2. Це пояснює асиметрію сигналу. На величину амплітуди вищих гармонік впливають теплові властивості елементів: температурний коефіцієнт опору, теплопровідність, теплоємність та дисипація енергії. Різниця в характері зміни рівня третьої гармоніки в резисторах, ізольованих р-n переходом і шаром окислу, пояснюється розупорядкованими областями, розташованими поруч р-n переходу або шаром оксиду, який ізолює резистор.

При дослідженні областей радіаційних пошкоджень практично неможливо визначити об’ємні реальні процеси, які в них відбуваються. Їх можна тільки уявити. Це пов’язано з неможливістю проникнути в ці закриті об’єми без порушення їх фізичної сутності. Тому для моделювання за основу взяті області, що лежать у поверхневому шарі речовини (див. рис. 1,в). Для цього були вибрані два типи транзисторів, планарний кремнієвий транзистор і германієвий сплавний транзистор з характерним кільцевим розміщенням эмітерної області в середині базової.

При проходженні сигналу через базову область планарної транзисторної структури спостерігаються нелінійні залежності сигналів, що виникають у p-n переходах. Після попереднього аналізу отриманих результатів був вибраний напівпровідник п-типу, що представляє базову область транзисторної структури. Кластери дефектів моделювалися областями эмітерного чи колекторного переходів. Переходи моделюють поверхні кластерів дефектів. На емітері спостерігаються відхилення форми напруги від синусоїдальної. Вони складають, у залежності від величини вхідної напруги, до 10% від амплітудного значення, сигналу. Досліджувався диференціальний сигнал між ним і вхідною напругою. Досліджені осцилограми диференціального сигналу при амплітуді вхідного сигналу 0,15 В, 1,5 В и 15 В частотою 20кГц.

При малих вхідних напруженнях форма диференціального сигналу синусоїдальна. При збільшенні амплітуди вхідного сигналу вище 1,5 В вона стає асиметричною. Це приводить до появи постійного потенціалу на емітері. Так як деформації сигналу виникають на p-n переходах, то, змінюється і гармонічний склад сигналу, який поширюється в структурі. Амплітуди другої і третьої гармонік при включенні у вимірювальний ланцюг базового опору, зростають в 3-5 разів і мають амплітуду 1-2,5 мВ при амплітуді вхідної напруги 1 В. Деформації в сигналі емітера більш значні і складають 40 мВ для другої гармоніки і 3,5 мВ – для третьої гармоніки. На емітері виникає негативний потенціал.

Освітлення базової області приводить до генерації носіїв заряду у всьому об’ємі. Деформація потенціалу емітера зменшуються, наближаючись за формою до синусоїдальної. При освітленні базової області в 3000 люкс величина позитивного потенціалу на емітері порядку 0,1 В, а зменшення вхідної напруги складає приблизно 15%.

Дослідження моделювання процесів дозволяють зробити висновки про перспективність методів, основаних на вивченні вищих гармонічних складових сигналу для дослідження деформації сигналів в опромінених ІС, для виміру флюенса нейтронів чи дози гама-квантів. Це може бути перспективною методикою для вивчення та інтерпретації природи та виду радіаційних дефектів у напівпровідниках та металах.

У четвертому розділі – “Дефекти і вибухова кристалізація” – була поставлена задача дослідження мікронеоднорідностей, які виникають в тонких квазіаморфних шарах напівпровідників при опроміненні. Такі мікронеоднорідності і є причиною деформації сигналів, які поширюються в ІС опромінених високоенергетичними частинками.

Оптичні спектральні характеристики опромінених гама-квантами плівок германію зміщуються в сторону коротких хвиль, що обумовлено пружними полями навкруги закристалізованих виділень. У опромінених (1,16·108Р) плівках германію товщиною 1200 ангстрем є неоднорідності розміром до 5 мкм. Вони відрізняються за кольором від однорідного фону. У центрі утворення є підвищення 0,02-0,05 мкм із яскраво-жовтим забарвленням. Навколо підвищення є поле червоного кольору, що переходять у бузкове. З віддаленням від центра воно переходить у синьо-блакитне поле плівки. Показана залежність величини і форми мікронеоднорідностей від товщини плівки. Дослідження “на просвіт” і у “відбитому світлі”, при освітленні зразків під малими кутами дозволили виявити обємну форму мікроенеоднорідностей.

При дефектоутворенні головну роль відіграє атом, який першим зійшов зі свого стійкого положення в кристалічній гратці і вирушив в свій шлях по кристалу. Тому виконано експерименти по дослідженню дефектів і дефектних областей, які формуються при бомбардуванні кремнію іонами кремнію , коли відсутня хімічна взаємодія в умовах малих доз (1012 іон.см-2) і енергіях 30 кеВ.

Після зняття тонких шарів поверхня кремнію хімічно забарвлювалася іонами міді для виявлення електрично активних областей. З поверхонь пофарбованих зразків знімалися вуглецеві репліки і досліджувались в електронному мікроскопі. Розмір змінених областей від 10 до 150 нм. Коли інтенсивність потоку іонів кремнію, що зміщені з рівноважного положення збільшується, то розупорядковані області перекриваються і у таких місцях утворюються аморфізовані зони, петлі дислокацій.

Спроба пояснити процеси формування мікронеоднорідностей, які були виявлені в плівках германію з домішками фосфору і сірки, тільки за допомогою теорії термічних піків і каскадної теорії нам не вдалася. Це обумовлено великим об’ємом речовини, яка піддається енергетичному перетворенню, бо об’єм термічного піка менше об’єму нового утворення на порядок.

В плівках германію виявлені два типи мікронеоднорідностей: великі деревоподібні структури розміром до 5 мкм (у площині тонкої плівки), і малі, майже точкові утворення менше 0,02 мкм. Для аналізу впливу геометричних розмірів (товщини) плівки були виготовлені зразки плівок з різкою зміною товщини шару у вигляді сходинки від 120 до 510 нм. У товстому шарі геометрія мікронеоднорідностей інша і їх розміри менше. Це свідчить про роль тепловідводу і теплопровідності. Навколо висвітлені області пружних полів.

В об’ємі напівпровідника досліджено утворення сферичного теплового цент-ру. Розроблена модель дозволяє говорити про одночасне протікання чотирьох конкуруючих процесів кристалізації, передачі енергії сусідній ділянці, релаксації пружної деформації на сусідній ділянці, зміни стехіометричного складу сусідніх ділянок. При перекристалізації спостерігаються процеси викиду матеріалу приповерхнього шару. Формуються мікронеоднорідності, частини яких мають різний тип провідності. Вони дають контраст в растровому електронному мікроскопі.

Використання іонного легування кремнію дозволяє підвищити радіаційну стійкість ІС 143 серії на 30%. Це пов’язано з виключенням поверхневих дефектів з процесу термічної дифузії і утворенням нових витоків для радіаційних дефектів. Іонне розпухання має місце не тільки для кремнію, але і для структур типа кремній-золото, кремній-алюміній, кремній-молібден і др.

У п’ятому розділі – “Підвищення РС елементів твердотільної електроніки” – розглянуті задачі підвищення радіаційної стійкості інтегральних схем.

Досліджено вплив гама-променів на параметри безконтактного керованого магнітним полем перемикача, для стабілізації роботи якого в схемі введений зворотній зв’язок, при якому зменшення Ux компенсується за рахунок зростання ie i h21e. Для збільшення діапазону зміни h21e необхідно в якості струмозадаючого транзистора використовувати схему Дарлінгтона. Це забезпечує стійкість порога перемикача до потоків Ф = 1018 квант. см-2. Якщо взяти розподіл в параметрах ІС, то він характеризується нормальним розподіленням в партії. При цьому ІС, параметри яких лежать з краю розподілу виходять з ладу в першу чергу. Тому були розроблені критерії класифікації ІС на три класу по радіаційної стійкості . Це дозволило виявляти не менше 80% неякісних ІС.

Для підвищення РС біполярних транзисторів їх потрібно витримувати при підвищеній температурі і в робочому електричному режимі. Це приводить до підвищення радіаційної стійкості планарних транзисторних структур і ІС. РЕА зібрана із елементів, що пройшли ТЕТ, має підвищену РС. Режими ТЕТ підбирають таким чином, щоб це були межові параметри. З точки зору термодинаміки введення термічної і електричної енергії веде до упорядкування системи, тобто до пониження її ентропії. Термодинамічна інтерпретація підтверджує експериментальні результати досліджень про можливість введення ТЕТ в процес підвищення радіаційної стійкості компонент РЕА.

ВИСНОВКИ

В наслідок проведення експериментальних, модельних досліджень та теоретичного аналізу встановлено, що динамічні процеси радіаційного дефектотворення в напівпровідниках, металах, резисторах ІС, ємностях ІС, p-n переходах та транзисторних структурах ІС впливають визначально на параметри ІС, що і дало можливість зробити наступні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

ПЕРЕЛІК опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

Храмов Є.П. Електричні параметри елементів інтегральних схем в умовах дії радіації. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – твердотільна електроніка. – Одеський національний політехнічний університет.

Досліджувався вплив опромінення на параметри інтегральних схем та розроблялись методи підвищення радіаційної стійкості. Вивчені закономірності перерозподілу енергії між гармонійними складовими сигналу, що поширюється, у металевих і напівпровідникових резисторах, p-n переходах і транзисторах досліджуваних ІС. На основі вивчення нелінійних процесів в опромінених напівпровідниках реалізований спосіб виміру дози і флюэнса частинок. Виявлені раніше не описані мікронеоднорідності, які утворюються у плівках германія при гамма-опроміненні. Іонне легування, хоча і приводить до значної концентрації дефектів, підвищує радіаційну стійкість на 30%. Проаналізовані термодинамічні процеси й ентропія термопольових впливів і їх позитивний вплив на радіаційну стійкість ІС. Проаналізовано процес виникнення оптичного випромінювання і його поширення в прошарках ІС.

Ключові слова: опромінення, транзистор, діод, інтегральна схема, вищі гармоніки, час включення.

Храмов Е.Ф. Электрические параметры элементов интегральных схем в условиях действия радиации. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – твердотельная электроника. – Одесский национальный политехнический университет.

В качестве объектов исследования выбраны тонкие металлические и полупроводниковые слои, электронно-дырочные переходы, полупроводниковые и металлические резисторы, полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, транзисторы, изготовленные по МОП-технологии, ключевые интегральные схемы на основе биполярных, планарных транзисторов, интегральные схемы на основе МОП транзисторов средней степени интеграции. Энергия ионов изменялась от 3 до 2000 кэВ, нейтронов равна 2мэВ и 14мэВ. Применялось как стандартное оборудование для измерения параметров, так и разработанные устройства для дистанционного измерения параметров электронно-дырочных переходов и ИС во время облучения нейтронами, гамма-квантами, ионами, потоком рентгеновского излучения и в горизонтальном канале ядерного реактора. Проводилась статистическая обработка результатов измерений. Образцы изготавливались по промышленным технологиям с использованием заводского оборудования, что обеспечивало воспроизводимость параметров и надежность полученных результатов.

Изучено влияние облучения на параметры интегральных схем и разработаны методы повышения радиационной стойкости. Разработаны математические модели поведения областей типа кластеров дефектов и изменения параметров транзисторных структур при облучении. Изучены и сформулированы закономерности перераспределения энергии между гармоническими составляющими сигнала, распространяющегося в металлических и полупроводниковых резисторах, p-n переходах и транзисторах облученных ИС. Получены экспериментальные результаты по исследованию нелинейных характеристик элементов. Для моделирования областей радиационных повреждений выбран германиевый сплавной транзистор с характерным кольцевым расположением эмиттерной области в объеме базовой. При прохождении сигнала сквозь (вдоль) базовой области транзисторной структуры наблюдаются нелинейные зависимости сигналов, которые возникают в электронно-дырочных переходах как эмиттерном, так и коллекторном. Переходы моделируют границы кластеров дефектов. На основе изучения нелинейных процессов в облученных полупроводниках проанализирован, предложен и реализован способ измерения дозы и флюэнса высокоэнергетических частиц. Выявлены с использованием оптической и электронной микроскопии ранее не описанные микронеоднородности, возникающие в пленках германия при гамма-облучении. Получены экспериментальные результаты по формированию дефектов при гамма-облучении в аморфных структурах германия вследствие процессов взрывной кристаллизации. Аналогичные процессы имеют место при ионном легировании кремния. Экспериментально установлено, что применение ионного легирования повышает выходных ИС и РС больше чем на 30%. Проанализированы термодинамические процессы и энтропия термополевых воздействий. Исследован процесс возникновения оптического излучения при взаимодействии высокоэнергетических частиц с элементами, его распространение в структурах ИС и влияния на p-n переходы. Экспериментально показано, что при этом увеличивается время рассасывания в транзисторах. Это ведет к увеличению времен включения и выключения ИС и удлинению импульсов. Рассмотрены аспекты повышения радиационной стойкости интегральных схем.

Ключевые слова: облучение, транзистор, диод, интегральная схема, высшие гармоники, время включения.

Khramov Е. Еlectric parameters of elements of integrated circuits in conditions of act of radiation. Manuscript.

The dissertation on competition for a scientific degree of Candidate of engineering science on a speciality 05.27.01 – solid state electronics. The dissertation is devoted to studying of influence of an irradiation on dynamic parameters of integrated circuits and development of methods of increase of radiating stability.

Effect of bombarding radiation on parameters of integrated circuits was explored, and methods of raise of radiative durability developed. Regularity of disproportionation of energy between the harmonic composite a signal which is passed round in metal and semiconductor resistors, p-n transitions and transistors of explored integrated circuits are investigated. On the basis of studying nonlinear processes in the irradiated semiconductors the expedient of measuring of a dose is implemented. Are revealed earlier not circumscribed inhomogeneity which are gained in samples of germanium at gamma bombarding radiation. The ion implantation though leads to to the considerable concentration of flaws, raises radiative durability on 30 %. Thermodynamic processes and their positive effect on radiative durability of integrated circuits are analysed. Process of origination of optical radiation and its extending in layers of integrated circuits is analysed.

Key words: an irradiation, the transistor, the diode, the integrated circuit, the maximum harmonics, time of inclusion.