ЭФФЕКТЫ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ОБЛУЧЕНИЯ В ПРИБОРАХ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ НА БАЗЕ КРЕМНИЯ

Рассмотрены дозовые ионизационные эффекты в полупроводниковых приборах и интегральных схемах на базе кремния в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства. Дано описание механизма радиационно−индуцированного накопления заряда в диэлектрике МОП−структур и на границе раздела полупроводник/диэлектрик. Также проанализирована природа дефектов в структуре Si/SiO2, отвечающих за эти процессы. Преведены особенности отжига накопленного при облучении заряда в диэлектрике и поверхностных состояний. Рассмотрены особенности деградации МОП− и биполярных приборов в условиях низкоинтенсивного радиационного облучения, характерного для космического пространства. Показано, что в условиях низкоинтенсивного облучения в МОП−приборах возникают зависящие от времени эффекты, обусловленные особенностями кинетики накопления и отжига зарядов в структуре Si/SiO2, тогда как в биполярных приборах наблюдаются истинные эффекты мощности дозы. Дан обзор основных методов экспериментального моделирования эффектов низкоинтенсивного облучения при ускоренных испытаниях кремниевых приборов и микросхем. Показано, что для моделирования зависящих от времени эффектов в МОП−приборах и истинных эффектов мощности дозы в приборах и микросхемах биполярной технологии используют принципиально разные экспериментальные подходы.

1. Barth, J. L. Applying computer simulation tools to radiation effects problems / J. L. Barth // IEEE NSREC. Short Course Notes. Section I. Modeling space radiation environments. − Snowmass Village (CO, USA), 1997. − P. I−1—I−83.

2. Stassinopoulos, E. G. The space radiation environment for electronics / E. G. Stassinopoulos, J. P. Raymond // Proc. IEEE. − 1988. − V. 76, N 11. − P. 1423—1442.

3. Srour, J. R. Radiation effects on microelectronics in space / J. R. Srour, J. M. McGarrity // Proc. IEEE. − 1988. − V. 76, N 11. − P. 1443—1469.

4. Таперо, К. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения / К. И. Таперо, В. Н. Улимов, А. М. Членов. − М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

5. Таперо, К. И. Основы радиационной стойкости изделий электронной техники: радиационные эффекты в изделиях электронной техники: учеб. пособие / К. И. Таперо, С. И. Диденко. − М. : Изд. Дом МИСиС, 2013.

6. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов. − М. : ФИЗМАТЛИТ, 2013.

7. Schwank, J. R. Total dose effects in MOS devices / J. R. Schwank // IEEE NSREC. Short Course Notes. − Phoenix (Arizon, USA), 2002. − P. III−1 — III−123.

8. Helms, C. R. The silicon — silicon−dioxide system: its microstructure and imperfections / C. R. Helms, E. H. Poindexter // Rep. Prog. Phys. − 1994. − N 57. − P. 791—852.

9. Lenahan, P. M. Hole traps and trivalent silicon centers in metal/oxide/silicon devices / P. M. Lenahan, P. V. Dressendorfer // J. Appl. Phys. − 1984. − V. 55, N 10. − P. 3495—2499.

10. Warren, W. L. Paramagnetic defect centers in BESOI and SIMOX buried oxides / W. L. Warren, M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, D. M. Fleetwood, P. S. Winokur, R. A. B. Devine, W. P. Maszara, J. B. McKitterick // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1993. − V. 40, N 6. − P. 1755—1764. DOI: 10.1109/23.273482

11. Conley, J. F. Electron spin resonance study of E’ trapping centers in SIMOX buried oxides / J. F. Conley, P. M. Lenahan, P. Roitman // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1991. − V. 38, N 6. − P. 1247—1252.

12. Herve, D. Comparative study of radiation−induced electrical and spin active defects in buried SiO2 layers / D. Herve, J. L. Leray, R. A. B. Devine // J. Appl. Phys. − 1992. − V. 72, N 8. − P. 3634—3640. DOI: 10.1063/1.352306

13. Boesch (Jr.), H. E. Time−dependent radiation−induced charge effects in wafer−bonded SOI buried oxides / H. E. Boesch (Jr.), T. L. Taylor // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1992. − V. 39, N 6. − P. 2103− 2113.

14. Boesch (Jr.), H. E. Time−dependent hole and electron trapping effects in SIMOX buried oxides / H. E. Boesch, Jr., T. L. Taylor, L. R. Hite, W. E. Bailey // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1990. − V. 37, N 6. − P. 1982—1989

15. Stahlbush, R. E. Electron and hole trapping in irradiated SIMOX, ZMR, and BESOI buried oxides / R. E. Stahlbush, G. J. Campisi, J. B. McKitterick, W. P. Maszara, P. Roitman, G. A. Brown // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1992. − V. 39, N 6. − P. 2086— 2097. DOI: 10.1109/23.211407

16. Winokur, P. S. Two−stage process for buildup of radiation−induced interface states / P. S. Winokur, H. E. Boesch (Jr.), J. M. McGarrity, F. B. McLean // J. Appl. Phys. − 1979. − V. 50, N 5. − P. 3492—3495.

17. McLean, F. B. A framework for understanding radiation− induced interface states in SiO2 MOS structures / F. B. McLean // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1980. − V. 27, N 6. − P. 1651—1657.

18. Shaneyfelt, M. R. Interface trap buildup rates in wet and dry oxides / M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, D. M. Fleetwood, P. S. Winokur, K. L. Hughes, G. L. Hash, M. P. Connors // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1992. − V. 39, N 6. − P. 2244—2251. DOI: 10.1109/23.211427

19. Schwank, J. R. Radiation−induced interface−state generation in MOS devices / J. R. Schwank, P. S. Winokur, F. W. Sexton, D. M. Fleetwood, J. H. Perry, P. V. Dressendorfer, D. T. Sanders, D. C. Turpin // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1986. − V. 33, N 6. − P. 1177— 1184.

20. Saks, N. S. Time dependence of interface trap formation in MOSFETs following pulsed irradiation / N. S. Saks, C. M. Dozier, D. B. Brown // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1988. − V. 35, N 6. − P. 1168— 1177.

21. Boesch (Jr.), H. E. Time−dependent interface trap effects in MOS devices / H. E. Boesch (Jr.) // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1988. − V. 5, N 6. − P. 1160—1167.

22. Lenahan, P. M. Radiation−induced trivalent silicon defect buildup at the Si−SiO2 interface in MOS structures / P. M. Lenahan, K. L. Brower, P. V. Dressendorfer, W. C. Johnson // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1981. − V. 28, N 6. − P. 4105—4106.

23. Lenahan, P. M. An electron spin resonance study of radiation−induced electrically active paramagnetic centers at the Si/SiO2 interface / P. M. Lenahan, P. V. Dressendorfer // J. Appl. Phys. − 1983. − V. 54, N 3. − P. 1457—1460.

24. Poindexter, E. H. Interface states and electron spin resonance centers in thermally oxidized (111) and (100) silicon wafers / E. H. Poindexter, P. J. Caplan, B. E. Deal, R. R. Razouk // J. Appl. Phys. − 1981. − V. 52, N 2. − P. 879—884.

25. Gerardi, G. J. Interface traps and Pb centers in oxidized (100) silicon wafers / G. J. Gerardi, E. H. Poindexter, P. J. Caplan, N. M. Johnson // Appl. Phys. Lett. − 1986. − V. 49, N 6. − P. 348— 350.

26. Pease, R. L. ELDRS in bipolar linear circuits: a review / R. L. Pease, R. D. Schrimpf, D. M. Fleetwood // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009. − V. 56, N 6. − P. 1894—1908.

27. Согоян, А. В. Особенности пострадиационных релаксационных процессов в КНС ИС / А. В. Согоян, Г. Г. Давыдов // Радиационная стойкость электронных систем. − 2005. − Вып. 8. − С. 49—50.

28. Shaneyfelt, M. R. Thermal−stress effects and enhanced low dose rate sensitivity in linear bipolar ICs / M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, J. R. Witczak,, D. M. Fleetwood, R. L. Pease, P. S. Winokur, L. C. Riewe, G. L. Hash // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2000. − V. 47, N 6. − P. 2539—2545. DOI: 10.1109/23.903805

29. Boesch (Jr.), H. E. Temperarure− and field−dependent charge relaxation in SiO2 gate insulators / H. E. Boesch (Jr.), J. M. McGarrity, F. B. McLean // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1978. − V. 25, N 3. − P. 1012—1016.

30. Boesch (Jr.), H. E. Enhanced flatband voltage recovery in hardened thin MOS capasitors / H. E. Boesch (Jr.), F. B. McLean, J. M. McGarrity, P. S. Winokur // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1978. − V. 25, N 6. − P. 1239—1245.

31. Fleetwood, D. M. Using laboratory X−ray and Co−60 irradiations to predict CMOS device response in strategic and space environments / D. M. Fleetwood, P. S. Winokur, J. R. Schwank // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1988. − V. 35, N 6. − P. 1497—1505.

32. Schwank, J. R. Physical mechanisms contributing to device «Rebound» / J. R. Schwank, P. S. Winokur, P. J. McWhorter, F. W. Sexton, P. V. Dressendorfer, D. C. Turpin // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1984. − V. 31, N 6. − P. 1434—1438.

33. Derbenwick, G. F. CMOS hardness for low−dose−rate environments / G. F. Derbenwick, H. H. Sander // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1977. − V. 24, N 6. − P. 2244—2247.

34. Lelis, A. J. Reversibility of trapped hole charge / A. J. Lelis, H. E. Boesch, Jr., T. R. Oldham, F. B. McLean // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1988. − V. 35, N 6. − P. 1186—1191.

35. Fleetwood, D. M. The role of border traps in MOS high− temperature postirradiation annealing response / D. M. Fleetwood, M. R. Shaneyfelt, L. C. Reiwe, P. S. Winokur, R. A. Reber // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1993. − V. 40, N 6. − P. 1323—1334. DOI: 10.1109/23.273535

36. McWhorter, P. J. Modeling the anneal of radiation−induced trapped holes in a varying thermal environment / P. J. McWhorter, S. L. Miller, W. M. Miller // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1990. − V. 37, N 6. − P. 1682—1689.

37. Oldham, T. R. Spatial dependence of trapped holes determined from tunneling analysis and measured anneaking / T. R. Oldham, A. J. Lelis, F. B. McLean // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1986. − V. 33, N 6. − P. 1203—1209.

38. McWhorter, P. J. Modeling the memory retention characteristics of SNOS transistors in a varying thermal environment / P. J. McWhorter, S. L. Miller, T. A. Dellin // J. Appl. Phys. − 1990. − V. 68, N 4. − P. 1902—1908.

39. Lelis, A. J. Response of interface traps during high−temperature anneals / A. J. Lelis, T. R. Oldham, W. M. DeLancey // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1991. − V. 38, N 6. − P. 1590—1597.

40. Fleetwood, D. M. High−temperature silicon−on−insulator electronics for space nuclear power systems: requirements and feasibility / D. M. Fleetwood, F. V. Thome, S. S. Tsao, P. V. Dressendorfer, V. J. Dandini, J. R. Schwank // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1988., V. 35, N 5. − P. 1099—1112. DOI: 10.1109/23.7506

41. Winokur, P. S. Total−dose radiation and annealing studies: implications for hardness assurance testing / P. S. Winokur, F. W. Sexton, J. R. Schwank, D. M. Fleetwood, P. V. Dressendorfer, T. F. Wrobel, D. C. Turpin // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1986. − V. 33, N 6. − P. 1343—1351. DOI: 10.1109/TNS.1986.4334603

42. Jonston, A. H. Super recovery of total dose damage in MOS devices / A. H. Jonston // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1984. − V. 31, N 6. − P. 1427—1433.

43. Schrimpf, R. D. Physics and hardness assurance for bipolar technologies / R. D. Schrimpf // IEEE NSREC Short Course, 2001. − P. IV−1—IV−67.

44. Enlow, E. W. Response of advanced bipolar processes to ionizing radiation / E. W. Enlow, R. L. Pease, W. E. Combs, R. D. Schrimpf, R. N. Nowlin // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1991. − V. 38, N 6. − P. 1342—1351. DOI: 10.1109/23.124115

45. McClure, S. Dependence of total dose response of bipolar linear micro−circuits on applied dose rate / S. McClure, R. L. Pease, W. Will, G. Perry // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1994. − V. 41, N 6. − P. 2544—2549.

46. Johnston, A. H. Total dose effects in conventional bipolar transistors and linear integrated circuits / A. H. Johnston, G. M. Swift, B. G. Rax // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1994. − V. 41, N 6. − P. 2427—2436.

47. Beaucour, J. T. Total dose effects on negative voltage regulator / J. T. Beaucour, T. Carriere, A. Gach, D. Laxague // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1994. − V. 41, N 6. − P. 2420—2426. DOI: 10.1109/23.340597

48. Chen, X. Jie Modeling the dose rate response and the effects of hydrogen in bipolar technologies / X. Jie Chen, H. J. Barnaby, P. Adell, R. L. Pease, B. Vermeire, K. E. Holbert // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2009. − V. 56, N 6. − P. 3196—3202. DOI: 10.1109/ TNS.2009.2034154

49. Tapero, K. I. Comparison of irradiation at low dose rate and irradiation at elevated temperature to reveal ELDRS in bipolar li near circuits / K. I. Tapero, A. S. Petrov, V. N. Ulimov, P. A. Chubunov, V. S. Anashin // 15th European Conf. on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS). − Moscow, 2015. − P. 1—5. DOI: 10.1109/RADECS.2015.7365593

50. Johnston, A. H. Enhanced damage in bipolar devices at low dose rates: effects at very low dose rates / A. H. Johnston, C. I. Lee, B. G. Rax // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1996. − V. 43, N 6. − P. 3049—3059.

51. Witczak, S. C. Accelerated tests for simulating low dose rate gain degradation of lateral and substrate pnp bipolar junction transistors / S. C. Witczak, R. D. Schrimpf, K. F. Galloway, D. M. Fleetwood, R. L. Pease, J. M. Puhl, D. M. Schmidt, W. E. Combs, J. S. Suehle // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1996. − V. 43, N 6. − P. 3151—3160. DOI: 10.1109/23.556919

52. Романенко, А. А. Влияние ионизирующего излучения низкой интенсивности на биполярные изделия электронной техники / А. А. Романенко // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. − 2002. − Вып. 4. − С. 121—132.

53. Fleetwood, D. M. Physical mechanisms contributing to enhanced bipolar gain degradation at low dose rates / D. M. Fleetwood, S. L. Kosier, R. N. Nowlin, R. D. Schrimpf, R. A. Reber, M. DeLaus, P. S. Winokur, A. Wei, W. E. Combs, R. L. Pease // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1994. − V. 41, N 6. − P. 1871—1883. DOI: 10.1109/23.340519

54. Fleetwood, D. M. Radiation effects at low electric fields in thermal, SIMOX, and bipolar−base oxides / D. M. Fleetwood, L. C. Reiwe, J. R. Schwank, S. C. Witczak, R. D. Schrimpf // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1996. − V. 43, N 6. − P. 2537—2546. DOI: 10.1109/23.556834

55. Witczak, S. C. Space charge limited degradation of bipolar oxides at low electric fields / S. C. Witczak, R. C. Lacoe, D. C. Mayer, D. M. Fleetwood, R. D. Schrimpf, K. F. Galloway // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1998. − V. 45, N 6. − P. 2339—2351. DOI: 10.1109/23.736453

56. Graves, R. J. Modeling low−dose−rate effects in irradiated bipolar−base oxides / R. J. Graves, C. R. Cirba, R. D. Schrimpf, R. J. Milanowski, A. Michez, D. M. Fleetwood, S. C. Witczak, F. Saigne // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1998. − V. 45, N 6. − P. 2352—2360. DOI: 10.1109/23.736454

57. Rashkeev, S. N. Physical model for enhanced interface−trap formation at low dose rates / . N. Rashkeev, C. R. Cirba, D. M. Fleetwood, R. D. Schrimpf, S. C. Witczak, A. Michez, S. T. Pantelides // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2002. − V. 49, N 6. − P. 2650—2655. DOI: 10.1109/TNS.2002.805387

58. Hjalmarson, H. P. Mechanisms for radiation dose−rate sensitivity of bipolar transistors / H. P. Hjalmarson, R. L. Pease, S. C. Witczak, M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, A. H. Edwards, C. E. Hembree, T. R. Mattsson // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2003. − V. 50, N 6. − P. 1901—1909. DOI: 10.1109/TNS.2003.821803

59. Tsetseris, L. Common origin for enhanced low−dose−rate sensitivity and bias temperature instability under negative bias / L. Tsetseris, R. D. Schrimpf, D. M. Fleetwood, R. L. Pease, S. T. Pantelides // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2005. − V. 52, N 6. − P. 2265—2271. DOI: 10.1109/TNS.2005.860670

60. Boch, J. Dose rate effects in bipolar oxides: Competition between trap filling and recombination / J. Boch, F. Saigne, A. D. Touboul, S. Ducret, J.−F. Carlotti, M. Bernard, R. D. Schrimpf, F. Wrobel, G. Sarrabayrouse // Appl. Phys. Lett. − 2006. − V. 88. − P. 232113. DOI: 10.1063/1.2210293

61. Boch, J. Physical model for low−dose−rate effect in bipolar devices / J. Boch, F. Saigne, R. D. Schrimpf, J. −R. Vaill, L. Dusseau, E. Lorfvre // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2006. − V. 53, N 6. − P. 3655— 3660. DOI: 10.1109/TNS.2006.886008

62. Fleetwood, D. M. Electron capture, hydrogen release and enhanced gain degradation in bipolar linear devices / D. M. Fleetwood, R. D. Schrimpf, S. T. Pantelides, R. L. Pease, G. W. Dunham // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2008. − V. 55, N 6. − P. 2986—2991. DOI: 10.1109/TNS.2008.2006485

63. Hjalmarson, H. P. Calculations of radiation dose−rate sensitivity of bipolar transistors / H. P. Hjalmarson, R. L. Pease, R. Devine // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 2008. − V. 55, N 6. − P. 3009—3015.

64. Belyakov, V. S. Use of MOS structures for the investigation of low−dose−rate effects in bipolar transistors / V. S. Belyakov, V. S. Pershenkov, A. V. Shalnov, I. N. Shvetzov−Shilovsky // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1995. − V. 42, N 6. − P. 1660—1666.

65. Freitag, R. K. Study of low−dose−rate effects in commercial linear bipolar ICs / R. K. Freitag, D. B. Brown // IEEE Trans. Nucl. Sci. − 1998. − V. 45, N 6. − P. 2649—2658.

66. Petrov, A. S. Influence of temperature and dose rate on the degradation of BiCMOS operational amplifiers during total ionizing dose testing / A. S. Petrov, K. I. Tapero, V. N. Ulimov // Microelectronics Reliability, 2014. − V. 54. − P. 1745—1748.

67. Tapero, K. I. Dose effects in CMOS operational amplifiers with bipolar and CMOS input stage at different dose rates and temperatures / K. I. Tapero, A. S. Petrov, P. A. Chubunov, V. N. Ulimov, V. S. Anashin // 15th European Conf. on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS). − Moscow, 2015. − P. 1—4. DOI: 10.1109/RADECS.2015.7365602