Електричні параметри елементів інтегральних схем в умовах дії радіації - Автореферат

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. Комплексне визначення фізико-електричних процесів в опромінених елементах твердотільної електроніки і тих, що опромінюються, на основі встановлення закономірних звязків 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. Дослідити зміну нелінійних властивостей компонентів ІС: металевих, напівпровідникових, електронно-діркових і транзисторних структур під впливом потоків гамма-квантів та нейтронів і їх вплив на параметри ІС. 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.Електричний сигнал також зазнає впливу електричного поля цих областей, тобто він деформується, бо периферія і ядро змінює свою геометричну форму та розміри (рис. 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. Дослідження механічних властивостей малодислокаційного (102 см-2) кремнію при ?-опроміненні показало вплив виникаючого ІК освітлення на електричні та механічні властивості n-, р-кремнію, на внутрішній фотоефект, що повязано з зарядовим станом дислокацій та областей радіаційного дефектоутворення. 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. 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.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: Вперше проаналізовано оптичне випромінювання, яке виникає при взаємодії високо енергетичних частинок з кремнієм, його поширення в структурах ІС і вплив на електричні параметри p-n переходів і р-n-р структур. Отримані експериментальні результати по вивченню характеристик елементів твердотільної електроніки (транзистори, діоди, резистори), що є нелінійними і змінюються в процесі опромінення високоенергетичними частинками (як окремих так і елементів, що входять до складу ІС). На основі вивчення нелінійних процесів в опромінених структурах вперше установлена висока інформативність про степінь радіаційного пошкодження матеріалу третьої гармоніки (зміна досягає 600% порівняно з величиною опору де зміна 2-6%). При цьому в обємі утворюється сферичний тепловий центр в вигляді термічного пика і парних центрів кристалізації, що можна пояснити генерацією електроно-позитроних пар при взаємодії гама-квантів з напівпровідниками. На основі вивчення нелінійних процесів в опромінених напівпровідниках реалізовано спосіб виміру дози і флюенса високоенергетичних частинок з допомогою мікродатчиків, які можна розмістити в конструкціях реактору та інших механізмах, які знаходяться в полі високоенергетичного випромінювання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

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: Вперше проаналізовано оптичне випромінювання, яке виникає при взаємодії високо енергетичних частинок з кремнієм, його поширення в структурах ІС і вплив на електричні параметри p-n переходів і р-n-р структур. Експериментально встановлено збільшення до 300% часу розсмоктування транзисторів та до 200% часу затримки сигналів в ІС. Показано, що транзистори опромінені дозою 1012н ? см-2 при дальнішому опромінені нейтронами (5·1013н ? см-2) змінюють параметри значно менше, чим неопромінені. Енергія нейтронів - 14 МЕВ.

Вперше сформульовані і досліджені закономірності явища перерозподілу енергії між першою, другою і третьою гармонійними складовими сигналу, що поширюється у опромінених ІС, в елементах твердотільної електроніки. Отримані експериментальні результати по вивченню характеристик елементів твердотільної електроніки (транзистори, діоди, резистори), що є нелінійними і змінюються в процесі опромінення високоенергетичними частинками (як окремих так і елементів, що входять до складу ІС). На основі вивчення нелінійних процесів в опромінених структурах вперше установлена висока інформативність про степінь радіаційного пошкодження матеріалу третьої гармоніки (зміна досягає 600% порівняно з величиною опору де зміна 2-6%). Метод вивчення зміни гармонійних складових при опромінені може бути перспективною методикою для дослідження природи радіаційних дефектів.

Вперше отримані експериментальні результати по утворенню дефектів при гама-опроміненні в аморфних структурах германія і кремнію внаслідок процесів вибухової кристалізації. При цьому в обємі утворюється сферичний тепловий центр в вигляді термічного пика і парних центрів кристалізації, що можна пояснити генерацією електроно-позитроних пар при взаємодії гама-квантів з напівпровідниками.

Показано, що термоелектротренуваня підвищує стійкість ІС до радіаційних впливів і наведене термодинамічне пояснення цьому явищу.

Експериментально установлено, що використання іонного легування, хоча і веде до виникнення значної концентрації дефектів при поверхневому шарі кремнію, підвищує РС більш чим на 30%. Це повязано з виключенням поверхневих дефектів з процесу термічної дифузії і утворенням нових витоків для радіаційних дефектів. Запропонована технологія підвищення РС ІС.

На основі вивчення нелінійних процесів в опромінених напівпровідниках реалізовано спосіб виміру дози і флюенса високоенергетичних частинок з допомогою мікродатчиків, які можна розмістити в конструкціях реактору та інших механізмах, які знаходяться в полі високоенергетичного випромінювання. Розроблено пристрій для дистанційного виміру параметрів електронно-діркових переходів і ІС які опромінюються в горизонтальному каналі ядерного реактора [14, 15].

ПЕРЕЛІК опублікованих праць за темою дисертації

Викулина Л.Ф., Храмов Е.Ф. Метод компенсации действия радиации на магнитоуправляемые микросхемы // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2001. - №4-5. - С. 49-50.

Пелихатий М.М., Гнап А.К., Храмов Є.П., Прохоров Г.В., Коваленко М.Й., Сухова Т.П., Рохманов М.Я. Області розупорядкування в напівпровідниках // Вісник ХНУ ім. В.Н.Каразіна, №574, серія фізична “Ядра, частинки, поля”, випуск 4/20/2002. - С. 81-88.

Гнап А.К., Коваленко Н.И., Храмов Е.Ф., Прохоров Г.В. Моделирование изменения частотных свойств транзисторных структур // Системи обробки інформації. Збірник наукових праць. Вип. 3(19), м. Харків, НАНУ, ПАНИ, ХВУ. - 2002. - С. 13-21.

Храмов Є.П., Прохоров Г.В., Гнап А.К. Растрова електронна мікроскопія вибухової кристалізації в напівпровідникових плівках // Технология приборостроения. - 2002. - №2. - С. 3-6.

Вікулін І.М., Гнап А.К., Прохоров Г.В., Храмов Є.П. Мікронеоднорідності обєму іонно-легованного кремнія // Технология приборостроения. - 2002. №1. - С. 83-87.

V.G.Volkov, V.D.Ryznikov, A.K.Gnap, N.I.Kovalenko, V.V.Chernikov, E.F.Khramov Optical processes in silicon and microelectronic structures based there on upon interaction with high-energy radiation // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83). - 2003. - №3. - С. 154-157.

Храмов Е.Ф., Прохоров Г.В., Пелихатый Н.М., Гнап А.К. Взрывная кристаллизация тонких пленок полупроводников при облучении g-квантами // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. - №2. - С. 58-60.

Викулин И.М., Храмов Е.Ф., Прохоров Г.В., Гнап А.К. Микронеоднородности поверхности ионно-легированного слоя кремния // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. - №1. - С. 55-58.

Викулин И.М., Прохоров Г.В., Храмов Е.Ф., Коваленко Н.И. Отбор радиационно стойких интегральных микросхем // Труды V Международной научно-практической конференции “Системы и средства передачи и обработки информации” Академия связи Украины, ОНАС им. А.С. Попова, 4-9 сентября 2001 г., г. Одесса. - С. 58-59.

Храмов Е.Ф., Прохоров Г.В., Пелихатый Н.М. Способ измерения дозы высокоэнергетического излучения // Труды V Международной научно-практической конференции “Системы и средства передачи и обработки информации” Академия связи Украины, ОНАС им. А.С. Попова, 4-9 сентября 2001г., г. Одесса. - С. 68-69.

Коваленко Н.И., Храмов Е.Ф., Гнап А.К. Нелинейность характеристик электронно-дырочных переходов, подвергнутых воздействию высокоэнергетичных частиц // Додаток до журналу 4,5 2002р Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. Матеріали виступів (тези доповідей) учасників 15-ї Міжнародної школи-семінару “Перспективні системи управління на залізничному, промисловому та міському транспорті” (м. Алушта, 13-20 вересня 2002 р.). - С. 25.

Прохоров Г.В., Храмов Е.Ф., Коваленко Н.И. Диагностика надежности и качества слоистых полупроводниковых структур на основе комплексных измерений, включающих 1/f // 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників.-м.Одеса, 10-14 вересня 2002 р. - Том 1. - С. 161-162.

Пелихатый Н.М., Коваленко Н.И., Храмов Е.Ф., Гнап А.К. Оптичні дослідження мікронеоднородностей плівок германію, опромінених гамма-квантами // Сучасні проблеми науки та освіти. Матеріали 3-ї Міжнародної міждисциплінарної науково-практичної конференції 1-9 травня 2002. - С. 19.

Патент України №51923А, G21K5/08. Спосіб аналізу та контролю поля високоенергетичного випромінювання / Гнап А.К, Храмов Є.П., Коваленко М.Й. Бюл. №12, 2002 р.

Патент України №63158А, G01R29/00. Пристрій для дистанційного дослідження зразків / Гнап А.К., Коваленко М.Й., Прохоров Г.В., Храмов Є.П., Бюл. №1, 2004 р.