Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения: основы радиационной стойкости изделий электронной техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 1896

Кафедра полупроводниковой электроники
и физики полупроводников

К.И. Таперо

Радиационные эффекты
в кремниевых интегральных
схемах космического применения

Основы радиационной стойкости
изделий электронной техники
космического применения

Курс лекций

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва  2011

УДК 621.38

 
Т12

Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. В.Н. Улимов

Таперо, К.И.
Т12  
Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах 
космического применения : основы радиационной стойкости изделий электронной техники : курс лекций / К.И. Таперо. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2011. – 252 с.

ISBN 978-5-87623-415-5

В курсе лекций по дисциплине «Основы радиационной стойкости изделий электронной техники космического применения» рассмотрены следующие вопросы: основы физики взаимодействия ионизирующих излучений с 
полупроводниками; изменение электрофизических параметров биполярных 
приборных структур вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении; дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и 
их влияние на характеристики полупроводниковых приборов и микросхем; 
особенности деградации биполярных приборов и микросхем при воздействии 
низкоинтенсивного ионизирующего излучения; одиночные события в изделиях электроники и микроэлектроники при воздействии отдельных заряженных 
частиц космического пространства; численное моделирование радиационных 
эффектов в кремниевых приборах при воздействии ионизирующего излучения 
космического пространства.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210100 
«Электроника и наноэлектроника» и по специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника».

УДК 621.38

ISBN 978-5-87623-000-0
 Таперо, К.И., 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление .............................................................................................................3
Условные обозначения ..........................................................................................6
Введение ................................................................................................................9
1. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ 
ИЗЛУЧЕНИЙС ПОЛУПРОВОДНИКАМИ ......................................................12
1.1. Радиационные условия в космическом пространстве .............................12
1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства ....12
1.1.2. Источники ионизирующих излучений
в космическом пространстве .....................................................................14
1.2. Величины, характеризующие ионизирующее излучение
и его взаимодействие с веществом ...................................................................16
1.2.1. Некоторые величины и единицы, характеризующие
ионизирующее излучение и его поле ..........................................................16
1.2.2. Некоторые величины и единицы, характеризующие 
взаимодействие ионизирующего излучения с веществом ........................18
1.2.3. Некоторые дозиметрические величины и единицы.........................20
1.2.4. Некоторые величины и единицы, характеризующие
изотопные источники ионизирующих излучений .....................................23
1.3. Физические процессы при взаимодействии ионизирующих
излучений с материалами электронной техники ............................................24
1.3.1. Первичные радиационные эффекты при воздействии 
проникающей радиациина полупроводниковые материалы ....................25
1.3.2. Смещение атомов из узлов решеткипри воздействии 
ионизирующих излучений ............................................................................26
1.3.3. Ионизация при воздействии проникающей радиации
на полупроводниковые материалы ..............................................................40
1.3.4. Ядерные превращения при воздействии ионизирующих
излучений ........................................................................................................49
1.3.5. Термостабильные радиационные центрыв полупроводниках .......51
1.3.6. Изменение электрофизических параметров
полупроводниковых материалов при радиационном облучении .............55
2. ИЗМЕНЕНИЕЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
БИПОЛЯРНЫХ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР ВСЛЕДСТВИЕ ВВЕДЕНИЯ 
СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВПРИ РАДИАЦИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ ......60
2.1. Диодные структуры .....................................................................................60
2.2. Транзисторные структуры ..........................................................................64
2.3. Устойчивость радиационных изменений электрических параметров 
полупроводниковых приборов ..........................................................................68
3. ДОЗОВЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В СТРУКТУРЕ Si/SiO2 
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ 
ПРИБОРОВ И МИКРОСХЕМ ...........................................................................71

3.1. Особенности строения структуры Si/SiO2 ................................................71
3.1.1. Особенности строения диоксида кремния ........................................71
3.1.2. Особенности строения границы раздела Si/SiO2 .............................78
3.1.3. Влияние водорода и водородсодержащих соединений
на свойства структуры Si/SiO2 ......................................................................81
3.2. Электрические методы исследований заряда в оксиде и плотности 
поверхностных состояний .................................................................................84
3.2.1. Метод вольт-фарадных характеристик ..............................................85
3.2.2. Метод подпороговыхвольт-амперных характеристик .....................87
3.2.3/ Методы, основанные на измерении надпороговой
вольт-амперной характеристики транзисторов ..........................................91
3.2.4. Метод накачки заряда ..........................................................................92
3.3. Накопление и релаксация зарядовв структуре Si/SiO2
при радиационном облучении и отжиге ..........................................................94
3.3.1. Общее описание процессов накопления заряда
в структурах Si/SiO2 при радиационном облучении ..................................94
3.3.2. Выход заряда ........................................................................................96
3.3.3. Перенос дырок через SiO2 ..................................................................98
3.3.4. Накопление и нейтрализация заряда на ловушках в оксиде .........102
3.3.5. Механизм нейтрализации заряда в оксиде .....................................107
3.3.6. Особенности накопления поверхностных состояний
при радиационном облучении ....................................................................110
3.3.7. Латентное накопление поверхностных состояний ........................116
3.3.8. Накопление поверхностных состояний в зависимости
от интенсивности излучения ......................................................................118
3.3.9. Отжиг поверхностных состояний ....................................................120
3.3.10. Механизм накопления поверхностных состояний .......................121
3.3.11. Граничные ловушки .........................................................................127
3.4. Влияние космической радиации на характеристики приборов
и микросхем, изготовленных на основе МОП-структур ..............................130
3.4.1. Изменение характеристик МОП-транзисторов
при радиационном облучении ....................................................................130
3.4.2. Влияние конструктивно-технологических характеристик
на радиационную стойкостьМОП-структур .............................................136
3.4.3. Радиационные эффекты в МОП-структурах с ультратонкими 
оксидами ........................................................................................................138
3.4.4. Некоторые особенности дозовых радиационных
эффектов в МДП-структурах с альтернативными диэлектриками ........141
3.4.5. Влияние полевых оксидов на радиационную стойкость 
интегральных схем .......................................................................................146
3.4.6. Особенности проявления дозовых радиационных эффектов
в микросхемах, изготовленных по КНИ-технологии ..............................150
3.5. Особенности радиационных испытаний приборов и микросхем
на основе МОП- и КМОП-структур ...............................................................159

3.5.1. Корреляция между отдельными транзисторами
и микросхемами ...........................................................................................159
3.5.2. Наихудший электрический режим ...................................................162
3.5.3. Влияние высокотемпературной нагрузки (наработки)
перед облучением на радиационную стойкость .......................................169
3.5.4. Выбор источников ионизирующих излучений
при проведении радиационных испытаний МОП и КМОП ИС ............172
3.5.5. Процедуры радиационных испытаний, учитывающие
влияние факторов низкой интенсивности облучения ..............................176
4. ОСОБЕННОСТИ ДЕГРАДАЦИИ БИПОЛЯРНЫХ ПРИБОРОВ 
И МИКРОСХЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО 
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ЭФФЕКТ ELDRS) .............................181
4.1. Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик 
биполярных транзисторов ...............................................................................182
4.2. Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик 
биполярных интегральных схем .....................................................................189
4.3. Физические моделиэ ффектов низкоинтенсивного облучения 
биполярных приборов и микросхем ...............................................................193
4.4. Проблема экспериментального моделирования воздействия
излучений низкой интенсивностина биполярные изделия ..........................195
4.5. Выводы ........................................................................................................199
5. ОДИНОЧНЫЕ СОБЫТИЯ В БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОТДЕЛЬНЫХ 
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ..............200
5.1. Основные виды и классификация одиночных событий .......................200
5.1.1. Краткое описание основных видов ОС ...........................................202
5.1.2. Основные параметры чувствительности полупроводниковых 
приборов и микросхемк одиночным событиям........................................211
5.2. Физические процессы, приводящие к возникновению одиночных 
событий ..............................................................................................................216
5.2.1. Общее описание процессов возникновения одиночных
событий .........................................................................................................216
5.2.2. Образование носителей заряда (ионизация) ...................................221
5.2.3. Рекомбинация неравновесных носителей заряда ...........................226
5.2.4. Перенос неравновесных носителей .................................................232
5.2.5. Сбор заряда .........................................................................................234
5.3. Экспериментальные методы исследования чувствительности
изделий полупроводниковой электроники к одиночным событиям
при воздействии тяжелых заряженных частиц и протонов .........................239
5.3.1. Эксперименты на ускорителях протонов ........................................240
5.3.2. Эксперименты на ускорителях ионов ..............................................242
5.3.3. Эксперименты с изотопными источниками ....................................245
5.3.4. Эксперименты с использованием ионных микропучков ..............247
5.3.5. Эксперименты с использованием имитаторов ...............................247
Библиографический список .............................................................................249

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ELDRS — повышенная чувствительность при низкой интенсивности 
излучения (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity)
EOT – эквивалентная толщина оксида (equivalent oxide thickness)
RILC – радиационно-индуцированный ток утечки (radiation-induced 
leakage current)
RNO – переокисленный азотированный оксид (reoxidized nitrided oxide)
SEB – одиночный эффект выгорания (Single Event Burnout)
SEFI – одиночный эффект функционального прерывания (Single Event 
Functional Interrupt)
SEGR – одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика (Single 
Event Gate Rupture)
SEHE – одиночный микродозовый эффект (Single Event Hard Error)
SEL – одиночные события радиационного защелкивания (Single Event 
Latchup)
SES – одиночный эффект вторичного пробоя (Single Event Snappback)
SET – переходная ионизационная реакция, вызванная попаданием 
ионизирующей частицы в чувствительную область микросхемы (Single 
Event Transient)
SEU – одиночные обратимые сбои (Single Event Upset)
SILC – ток утечки, вызванный электрическим полем в оксиде 
(stress-indu ced leakage current)
STI – изоляция с использованием поверхностных канавок (shallow-trench isolation)
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
БИС – большая интегральная схема
БТ – биполярный транзистор
ВАХ – вольт-амперная характеристика
ВФХ – вольт-фарадная характеристика
ГКЛ – галактические космические лучи
ДОЗУ – динамическое оперативное запоминающее устройство
ИИ – ионизирующее излучение
ИС – интегральная схема
КА – космический аппарат
КМОП – комплементарные структуры металл–оксид–полупроводник
КНИ – кремний на изоляторе
КП – космическое пространство
ЛПЭ – линейные потери энергии
МДП – металл–диэлектрик–полупроводник
МНОП – металл–нитрид–оксид–полупроводник
МОП – металл–оксид–полупроводник

ННЗ – неосновные носители заряда
ОЗЧ – отдельные заряженные частицы
ОПЗ – область пространственного заряда
ОС – одиночные события
ОЯЧ – отдельные ядерные частицы
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ПП – полупроводниковые приборы
ПС – поверхностные состояния
РД – радиационный дефект
РПЗ – радиационные пояса Земли
РТП – радиационно-технологические процессы
РЭА – радиоэлектронная аппаратура
СКЛ – солнечные космические лучи
СОЗУ – статическое оперативное запоминающее устройство
ТЗЧ – тяжелые заряженные частицы
ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
ЭПР – электронный парамагнитный резонанс
ЭРИ – электрорадиоизделия
 – флюенс (перенос) частиц
N +
ot – концентрация положительно заряженных ловушек в оксиде
 – плотность потока частиц
d – поперечное сечение взаимодействий, приводящих к смещениям 
атомов
i – энергия ионизации
ion – интегральная плотность потока тяжелых заряженных частиц
ion – плотность потока тяжелых заряженных частиц
ion – частота возникновения одиночных событий при воздействии тяжелых заряженных частиц
ox – относительная диэлектрическая проницаемость оксида
p – интегральная плотность потока протонов
p – плотность потока протонов
p – частота возникновения одиночных событий при воздействии протонов
s – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника
C0 – удельная емкость подзатворного оксида
Cfb – емкость в режиме плоских зон
Cinv – емкость в режиме инверсии
Cmg – емкость в режиме середины зоны (начала инверсии)
Dit – плотность поверхностных состояний
Ea – энергия атома отдачи
Ea max – максимальная энергия атома отдачи

Ed – пороговая энергия образования смещений
Ee – энергия электронов
Eg – ширина запрещенной зоны
Ei – энергия ионизации движущегося атома
Eox – напряженность электрического поля в оксиде
Ep – энергия протонов
Icp – ток накачки заряда
Id – ток стока
IDD – ток потребления
IG – ток утечки затвора
Iобр – обратный ток диода
K – константа радиационного изменения времени жизни неосновных 
носителей заряда
K – константа, характеризующая скорость роста удельного сопротивления при облучении
KL – константа радиационного изменения диффузионной длины неосновных носителей заряда
L – линейные потери энергии
Nsub – концентрация легирующей примеси в подложке
P – мощность дозы гамма-излучения
pem – вероятность термоэмиссии в единицу времени
ptun – вероятность туннелирования в единицу времени
Qit – удельный заряд поверхностных состояний
Qot – удельный заряд оксида
Qs – удельный заряд области пространственного заряда полупроводника
RAuger – скорость Оже-рекомбинации
Rband-to-band – скорость межзонной рекомбинации
Rsrh – скорость рекомбинации Шокли–Рида–Холла
tox – толщина оксида
UDD – напряжение питания
Ufb – напряжение плоских зон
Ug – напряжение затвора
UGS – напряжение затвор-исток
Uit – вклад поверхностных состояний в пороговое напряжение
Umg – напряжение середины зоны (начала инверсии)
Uot – вклад заряда оксида в пороговое напряжение
Up-n – падение напряжения на p-n переходе
Uth – пороговое напряжение
Uб – падение напряжения на базе диода
Uк – падение напряжения на приконтактных областях диода
Uпр – прямое падение напряжения на диоде

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в научно-техническом мире влиянию проникающей радиации на материалы электронной техники, полупроводниковые приборы (ПП) и интегральные схемы (ИС) уделяется достаточно 
большое внимание. Как правило, исследования по данной тематике 
ведутся по трем основным направлениям:
 
● физика взаимодействия ионизирующего излучения с твердым 
телом;
 
● применение проникающей радиации в технологии микроэлектроники;
 
● исследования деградации полупроводниковых приборов и микросхем при их эксплуатации в условиях воздействия проникающей 
радиации.
Первое направление исследований определяет научный базис для решения прикладных проблем: знания в области физики взаимодействия 
проникающей радиации с твердым телом необходимы как для обоснованного выбора оптимальных режимов радиацион но-технологических 
процессов (РТП), так и для корректного проведения радиационных испытаний изделий электроники и микроэлектроники и последующего 
анализа и интерпретации результатов испытаний.
Применение проникающей радиации в технологии ПП и ИС представляет большой практический интерес с точки зрения возможности 
управления их параметрами. Следует отметить, что актуальность задачи регулирования электрических параметров и оптимизации технологического производства ПП и ИС непрерывно раст ет в связи с 
необходимостью увеличения объема выпуска приборов, постоянным 
усложнением полупроводниковой технологии и уменьшением геометрических размеров активных областей полупроводниковых приборных структур.
Актуальность тематики радиационной-стимулированной деградации ПП и ИС и радиационной стойкости элементной базы во многом 
обусловлена бурным развитием космической техники. Среди многочисленных факторов, влияющих на работоспособность бортовой аппаратуры и элементной базы при их эксплуатации, особое значение 
имеет воздействие полей ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства (КП) – высокоэнергетических электронов, протонов и 
тяжелых ионов. Влияние ИИ КП на элементы, входящие в состав бортовой аппаратуры, может привести к их отказу как за счет деградации 

характеристик вследствие накопления поглощенной дозы, так и за счет 
одиночных радиационных эффектов, имеющих вероятностный характер. Таким образом, определение радиационной стойкости ПП и ИС 
является одним из важных элементов задачи обеспечения надежности 
и безотказности бортовой аппаратуры и космического аппарата (КА) 
в целом.
В курсе лекций излагается материал, посвященный радиационным 
эффектам в кремниевых ПП и ИС при воздействии ИИ КП.
В первом разделе кратко проанализированы внешние воздействующие факторы КП, и в частности, радиационные факторы космического пространства. Рассмотрены основные величины и единицы их 
измерения, с которыми постоянно приходится иметь дело при определении радиационных нагрузок на аппаратуру КА и ее комплектующие, при расчетной оценке стойкости ПП и ИС, при организации, 
проведении и обработке результатов радиационных испытаний и исследований, проводимых в лабораторных условиях. Также кратко проанализированы основные физические процессы при взаимодействии 
ионизирующих излучений с полупроводниковыми материалами. 
Второй раздел посвящен деградации параметров биполярных приборных структур (диодов и транзисторов) вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении. 
Третий раздел посвящен различным аспектам радиационно-индуцированного накопления заряда в структуре Si/SiO2 и влиянию этого процесса на характеристики ПП и ИС. Здесь также рассмотрено 
влияние температуры и электрического режима при облучении ПП 
и ИС, а также интенсивности облучения на процесс радиационноиндуцированного накопления заряда. Проанализированы процессы релаксации (отжига) накопленного при облучении заряда. Рассмотрены 
некоторые особенности радиационного накопления заряда, связанные с 
полевыми оксидами, а также со встроенными оксидами КНИ-структур. 
Рассмотрены основные методические моменты, которые необходимо 
учитывать при проведении радиационных испытаний ПП и ИС.
В четвертом разделе рассмотрены радиационные эффекты в биполярных транзисторах, а также изготовленных по биполярной технологии аналоговых и цифровых интегральных схемах, характерные 
для длительного низкоинтенсивного радиационного облучения при 
эксплуатации в условиях космического пространства.
В пятом разделе рассмотрены основные виды и классификация 
одиночных радиационных эффектов (одиночных событий) при воз