Метод определения интегральной поглощенной дозы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Космические аппараты в процессе эксплуатации подвергаются воздействию радиационных факторов [1, 2]. С увеличением срока активного существования космического аппарата на орбите возрастает роль радиационных отказов элементной базы, входящей в его состав. Определение поглощенной дозы чувствительными элементами СБИС является достаточно сложной задачей. В условиях космического аппарата сложно обеспечить одинаковые условия облучения для чувствительного элемента СБИС и датчика накопленной дозы. Для обеспечения максимальной идентичности условий воздействия ионизирующего излучения космического пространства на чувствительный элемент СБИС и на датчик накопленной дозы необходимо размещать датчик вблизи СБИС в приборном отсеке или даже непосредственно на печатной плате. Важным является и обеспечение идентичности электрических режимов датчика и чувствительного элемента СБИС. Для применения в нано- и пикоспутниках датчики поглощенной дозы должны иметь малые массогабаритные показатели и более высокую точность. Поэтому разработка датчиков, позволяющих контролировать поглощенную дозу чувствительных элементов элементной базы в условиях воздействия радиационных факторов космического пространства на основе МДП-сенсоров радиационных излучений, технологически совместимых с изделиями микросистемной техники, является актуальной задачей.

В данной работе разработан метод контроля интенсивности радиационного излучения и определения интегральной поглощенной дозы с использованием МДП-структур. Проведено исследование воздействия -частиц и г-излучения на МДП-структуры, находящиеся в специальных электрических режимах.

В настоящее время в качестве датчиков интегральной поглощенной дозы радиационных излучений широко используются МДП-транзисторы (RADFET - сенсоры) [3, 4]. В результате воздействия радиационного излучения в подзатворном диэлектрике таких транзисторов происходит накопление положительного заряда, приводящее к изменению порогового напряжения. Величина изменения порогового напряжения МДП-транзистора пропорциональна интегральной поглощенной дозе [2-4]. Аналогичное накопление положительного заряда в подзатворном диэлектрике происходит и в МДП-конденсаторах. В то же время, в работах [5, 6] было показано, что ионизационные процессы в диэлектрической пленке МДП-структур можно использовать для контроля интенсивности радиационных излучений. Таким образом, использование МДП-структур позволяет контролировать как интенсивность радиационного излучения, так и величину интегральной поглощенной дозы радиационного излучения.

В качестве экспериментальных образцов использовался специально разработанный набор тестовых МДП-конденсаторов [6]. МДП-конденсаторы формировались на пластинах КЭФ-4,5 кристаллографической ориентацией <100>. Низкоомный полупроводник был специально выбран для удобства создания сильнополевых инжекционных режимов при изучении ионизационных процессов, протекающих под действием облучения в тонких диэлектрических пленках. Двуокись кремния толщиной 50ч100 нм получали термическим окислением кремния в атмосфере кислорода при температуре 1000 С с добавлением 3% HCl. Верхние электроды формировались с использованием фотолитографии по алюминиевой пленке, напыленной магнетронным методом. После формирования Al-электродов проводили отжиг в среде азота при температуре 475 С. Для удобства контактирования и использования полученные кристаллы частично разваривались в корпуса интегральных микросхем. С этой целью все контактные площадки были сформированы на толстой пленке SiO2. Также были сформированы планарные контакты к подложке.

Во время облучения к МДП-структуре прикладывается импульс постоянного тока, обеспечивающий заряд емкости структуры, а затем установление режима сильнополевой туннельной инжекции электронов в диэлектрик. Амплитуда импульса тока выбиралась, исходя из условия незначительной зарядовой деградации МДП-структуры, обусловленной инжекцией электронов втечение всего измерительного цикла, а также получением необходимой чувствительности МДП-структуры. Экспериментальная установка позволяла переключать амплитуду прикладываемого токового импульса, реализуя режимы многоуровневой токовой нагрузки [7,8]. Для получения информации об изменении зарядового состояния диэлектрической пленки и влиянии радиационной ионизации непосредственно в процессе облучения во время токового воздействия контролировалось напряжение на МДП-структуре. Кроме того, изменение зарядового состояния МДП-структур после радиационных воздействий контролировалось с использованием C-V метода.

Все структуры испытывались при положительной полярности металлического электрода, что позволяло создать в полупроводнике МДП-структуры режим обогащения и исключить влияние полупроводника на перенос заряда через МДП-структуры, который в этом случае определялся только свойствами инжектирующей границы раздела и объемом диэлектрической пленки.

Для исследования влияния -частиц на МДП-структуры, находящиеся в режиме сильнополевой инжекции носителей в диэлектрик, образцы подвергались воздействию излучения источника 239Pu. Мощность потока -частиц составляла 1010 c-1•см-2.

Экспериментальные результаты, иллюстрирующие воздействие -частиц на МДП-структуры в условиях приложения к образцу постоянного импульса тока плотностью 10_8 ч 10-6 А/см-2, представлены на рис. 1. Участок 1 на рис.1 соответствует заряду емкости МДП-структуры постоянным током плотностью 10-8 А/см2 до напряжения, обеспечивающего переход структуры в режим сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремниевой подложки (участок 2). Затем на расстоянии нескольких миллиметров от затвора МДП-структуры помещали источник -частиц (рис. 1, облучению соответствуют участки 3,4,5,6). В [5] было показано, что при приложении к МДП-структуре постоянного импульса тока плотностью J0 можно записать следующее выражение для суммы плотностей токов:

J0 = Jс + Jinj + Jion, (1)

где Jс=C(dV/dt) - плотность емкостного тока; С - удельная емкость МДП-структуры; Jinj - плотность тока сильнополевой туннельной инжекции электронов; Jion - плотность тока ионизации, возникающего в МДП-структуре под действием излучения.

Рис. 1. Временная зависимость напряжения на МДП-структуре при заряде (участки 1,5) и разряде (участок 3) емкости МДП-структуры, а также при протекании сильнополевого инжекционного тока (участки 2,6,7,8,9) в условиях приложения к образцу постоянного импульса тока: 1,2,3,4 - 10-8 А/см2; 5,6,7,8,9 - 10-6 А/см2; на участках 3,4,5,6,8 проводилось облучение -частицами

диэлектрик полупроводник интегральный

Следовательно, если плотность ионизационного тока больше плотности J0, то будет наблюдаться разряд емкости МДП-структуры до напряжений близких к нулю (рис. 1, участок 3). По скорости разряда емкости МДП-структуры на этом участке, с использованием формулы (1), была рассчитана плотность тока ионизации, которая составила 3·10-7 А/см2 в середине участка и уменьшалась до 2·10-7 А/см2 в области более слабых электрических полей. На участке 5 (рис. 1) плотность тока, прикладываемого к МДП-структуре, была увеличена до 10-6 А/см2, в результате чего Jion стала меньше J0 и структура перешла в режим заряда емкости. Наличие ионизационного тока на участке 5 приводит к уменьшению скорости возрастания напряжения (рис. 1) по сравнению с режимом, в котором отсутствовало облучение. Напряжение было рассчитано с использованием выражения (1). На этом участке значение Jion также дало значение (2ч3)·10-7 А/см2. На участке 6 (рис. 1) напряжение, при котором структура переходит в режим сильнополевой инжекции электронов, ниже, чем на участке 7, где отсутствует облучение. Плотность ионизационного тока на участке 6 (рис. 1) можно рассчитать, используя выражение (1) и уравнение для плотности тока Фаулера-Нордгейма [1, 7].

Таким образом, ионизационный ток, возникающий в процессе облучения МДП-структуры при поддержании режима протекания постоянного тока, может существенно уменьшать электрическое поле в диэлектрической пленке. Плотность ионизационного тока, рассчитанная с использованием выражений (1) и (2) на участках 6 и 8 (рис. 1) была равна 5·10-7 А/см2. Более высокая плотность ионизационного тока на участках 6 и 8 была, по-видимому, обусловлена полевой зависимостью радиационной ионизации [5, 6].

После прекращения кратковременного действия -облучения напряжение на МДП-структуре практически возвращается к значениям, наблюдавшимся до облучения (рис. 1), что свидетельствует об отсутствии заметных деградационных процессов в диэлектрической пленке [5-8]. При более длительных воздействиях -частиц в подзатворном диэлектрике у границы раздела с кремнием накапливается положительный заряд, плотность которого пропорциональна интегральной поглощенной дозе ионизирующего излучения [3-5]. Накопление положительного заряда приводит к уменьшению напряжения, падающего на МДП-структуре в режиме сильнополевой инжекции электронов VI при протекании постоянного тока. Еще более существенное влияние накопление положительного заряда оказывает на сдвиг C-V характеристик.

Проведена апробация разработанного МДП-сенсора при контроле интегральной поглощенной дозы ионизирующего облучения. Для исследования использовалось ионизирующее излучение гамма квантов (источник Co60). Радиационная чувствительность сдвига C-V зависимостей по оси напряжения к гамма-излучению в зависимости от параметров подзатворного диэлектрика составляла 2ч10 мВ/Гр и дозовая зависимость сдвига напряжения, соответствующего середине запрещенной зоны (ДVmg), была близка к линейной в диапазоне до 300 Гр.

Таким образом, был разработан метод контроля интенсивности радиационного излучения и определения интегральной поглощенной дозы с использованием МДП-структур. Проведено исследование воздействия -частиц и г-излучения на МДП-структуры, находящиеся в специальных электрических режимах. Установлено, что ионизационный ток, возникающий в процессе радиационного облучения МДП-структуры, в режиме протекания через диэлектрик постоянного тока может существенно уменьшать электрическое поле в диэлектрической пленке. Показано, что из анализа временной зависимости напряжения, падающего на МДП-структуре в режиме протекания постоянного тока, можно определить величину ионизационного тока. Это явление можно использовать в сенсорах радиационных излучений, позволяющих контролировать как интенсивность радиационных излучений, так и величину интегральной поглощенной дозы ионизирующего излучения.

Литература

1. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. - М.: Энергоатомиздат. 1988, 256 с.

2. Ma T. P., Dressendorfer P. V. Ionizing radiation effects in MOS devices and circuits. New York: Wiley Interscience, 1989.

3. Перевертайло В.Л. Датчики интегральной поглощенной дозы ионизирующего излучения на основе МОП-транзисторов// Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2010. №5-6. С.22-29.

4. Vasovic N.D, Ristic G.S. A new microcontroller-based RADFET dosimeter reader// Radiation Measurement. 2012. V.47. P272-276.

5. Андреев B.В., Бондаренко Г.Г., Лычагин А.А., Столяров А.А., Ульяненко С.Е. Радиационная ионизация в структурах металл-диэлектрик-полупроводник в режиме сильнополевой инжекции электронов// Физика и химия обработки материалов. 2006. № 6. С. 19-23.

6. Андреев B.В., Столяров А.А., Васютин М.С., Михальков А.М. Активный чувствительный элемент сенсора радиационных излучений на основе МДП-структур с наноразмерными диэлектрическими слоями// Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2010. С.118-127.

7. Andreev V.V., Bondarenko G.G., Maslovsky V.M., Stolyarov A.A.: Multilevel current stress technique for investigation thin oxide layers of MOS structures// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. V. 41, 2012. P. 012017.

8. Andreev V.V., Bondarenko G.G., Maslovsky V.M., Stolyarov A.A., Andreev D.V. Control current stress technique for the investigation of gate dielectrics of MIS devices// Phys. Status Solidi C. 2015. V. 12. No. 3. P. 299-303.

Размещено на Allbest.ru