УДК 621.382.3:551.521.64
МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ МОП-ТРАНЗИСТОРА
MODEL OF THE INFLUENCE OF RADIATION AND TEMPERATURE ON THE MOSFET CHARACTERISTICS
Орешков Павел Николаевич
аспирант
Е-mail: oreshkovpavel@mail.ru
Попов Виктор Дмитриевич
д-р техн. наук, профессор E-mail: wdpopov@mail.ru
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: Предложена модернизированная модель влияния ионизирующего излучения и температуры на характеристики р-канального МОП-транзистора, подтвержденная при анализе результатов модельного и натурного экспериментов. Отмечена возможность применения исследованного МОП-транзистора как первичного преобразователя дозиметрического датчика. Ключевые слова: МОП-транзистор, ионизирующее излучение, мощность дозы, доза, температура, датчик.
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи, состоящие, в основном, из потоков электронов и протонов радиационных поясов Земли и солнечного ветра, воздействуют на полупроводниковые приборы и интегральные схемы в бортовой аппаратуре космического аппарата на околоземных орбитах, приводят к ухудшению параметров полупроводниковых изделий и затем к их отказу. Эффект деградации параметров изделий при длительном низкоинтенсивном (НИ) воздействии космических лучей значительно отличается от последствий кратковременного высокоинтенсивного облучения. Поэтому большую актуальность приобретает прогноз радиационной стойкости при длительном НИ облучении этих изделий в условиях реального космоса через проведение моделирующих экспериментов. В качестве источника моделирующего ионизирующего излучения НИ в настоящее
60
время используется гамма-излучение изотопов Со или Cs137. Достоинство этих источников — возможность получения НИ воздействия на облучаемые изделия электронной техники, тогда как при радиационных испытаниях на ускорителях протонов или электронов НИ воздействие в принципе невозможно.
Для сравнения эффектов деградации параметров изделий электронной техники в космическом пространстве и в условиях моделирующего воздействия необходимо применять датчики ИИ, такие, чтобы эффек-
Oreshkov Pavel N.
Graduate Student
Е-mail: oreshkovpavel@mail.ru
Popov Victor D.
D. Sc. (Technical), Professor E-mail: wdpopov@mail.
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: The modernized model of influence ionizing radiations and temperatures on characteristics р-channel MOS transistor which is used for the analysis of results of modeling and natural experiments is offered. The estimation of an opportunity of application investigated MOS transistor as primary converter of the dosimetric gauge is given.
Keywords: MOS transistor, ionizing radiation, doze rate, a doze, temperature
ты, возникающие в них, имели ту же природу, что и в испытываемых изделиях. Поэтому в качестве датчиков ИИ обычно применяют МОП-транзисторы (МОПТ). Применение МОПТ в качестве дозиметра описано в литературе, например, для дозиметрии потока альфа-частиц [1]. В [2] описано аналогичное применение МОПТ с двухслойным подзатворным диэлектриком. Однако такие транзисторы серийно не выпускаются, и для практического применения можно рекомендовать доступные серийные МОПТ.
МОДЕЛЬ МОП-ТРАНЗИСТОРА
Целью данной работы является разработка модели МОПТ, в которой учитывается изменение порогового напряжения затвора от мощности дозы НИ, и проверка ее в моделирующих и реальных условиях (на орбите космического аппарата).
При воздействии ИИ наблюдаются два основных эффекта: накопление положительного заряда в дефектах пленки оксида кремния (подзатворного диэлектрика) и образование дефектов на границе раздела оксид — кремний. Эти эффекты значительно зависят от мощности дозы (интенсивности) ИИ.
Рассмотрим суммарное влияние этих эффектов на сдвиг порогового напряжения МОП-транзистора. В качестве датчика выбран серийный МОП-транзистор 2П301Б с индуцированным каналом p-типа (рМОПТ)
и толщиной подзатворного оксида 170 нм. Облучение
производилось в канале шахты-хранилища реактора
137
ИРТ НИЯУ МИФИ от источника Сб в пассивном режиме. Измерение мощности дозы осуществлялось универсальным дозиметром типа ДКС-101. До и после каждого этапа облучения производились измерения сто-ко-затворных характеристик.
В случае НИ облучения рМОПТ на сдвиг порогового напряжения влияет радиационно-стимулированная эмиссия Шоттки. Электроны, возникшие в результате ионизации в кремнии, переходят в диэлектрик (оксид кремния) через его границу с кремнием. Модель сдвига порогового напряжения МОП-транзистора представлена в [3].
В [4] постулировалась логарифмическая зависимость Аиэм (числа электронов, забрасываемых при облучении) от мощности дозы ИИ. Для проверки этого было проведено измерение токов через пленку подзатворного оксида рМОПТ при воздействии гамма-излучения от источника Сб137. Результаты измерений общего тока затвора транзистора при закороченных выводах стока, истока и подложки представлены в таблице. Кроме того, выполнен расчет тока через пленку оксида 1ох, вызванного ионизацией. Вычитая из общего тока затвора значения 1ох, получаем ток эмиссии /эм через границу оксид кремния—кремний. Полученная таким образом зависимость /эм(Р) представлена на рис. 1. Как можно видеть, в логарифмическом масштабе эта зависимость при Р < 1 рад/с достаточно близка к линейной с коэффициентом корреляции 0,91.
По результатам эксперимента изменение порогового напряжения А и предлагается описывать зависимостью вида
А и = А ин
1п -
в + К-
1п -
в + К-
1 - е
(1)
Р, рад/с А Лох, А I А -*эм> А
0,0017 0,006 0,16 0,77 1,9 1,55-10-9 2,55-10-9 4,95-10-9 9,25-10-9 1,74-10-8 9,66-10-12 3,41-10 11 9,09'10-1° 4,38-10-9 1,08-10-8 1,54-10-9 2,52-10-9 4,04-10-9 4,87-10-9 6,60-10-9
1э, мкА 7,00Е—3
6,00Е—3
5,00Е—3
4,00Е—3
3,00Е—3
2,00Е—3
1,00Е—3
0,00Е+3
/
/
* У
0,001
0,01
0,1
1 10
Р, рад/с
Рис. 1. Изменение тока эмиссии в цепи затвора рМОПТ при разных значениях мощности дозы
1с, 9 7 5 3 1 мкА
/ / 1
//Г
г—""Т^ Г
-3,5 -4 -4,5 -5 и, В
где Р — мощность дозы; Р> = 1 рад/с; Б — поглощенная доза; А и — изменение порогового напряжения; А инас — изменение порогового напряжения при насыщении накопленного заряда; в и К — параметры модели.
Изменение тока и его составляющих через подзатворный оксид рМОПТ
Рис. 2. Усредненные вольтамперные характеристики облученных рМОПТ:
♦ — до отжига и после отжига, ■ — 30 мин, ▲ — 90 мин, • — 150 мин
По значениям пороговых напряжений рМОПТ до и после облучения были определены параметры К = -3,13-10-6 рад/с и в = 2,32-10-5 1/рад.
Поскольку в условиях космического пространства изменяется не только мощность дозы, но и температура, то для учета влияния отжига накопленного заряда предлагается зависимость
Я = ипор/ипор 0, (2)
где ип0р и ип0ро — пороговые напряжения рМОПТ после отжига и после облучения соответственно. Характеристика процесса отжига определяется выражением Я = ехр(-уоехр(-£0(Г - То)/кТТ>)(),
где — характеристическая частота; Еа — энергия активации процесса отжига; ? — время отжига; Т — температура среды во время отжига; Т> — температура окружающей среды без отжига.
Образцы рМОПТ после облучения гамма-излучением с мощностью дозы Р = 1,0 рад/с отжигались при температуре 150 °С. Облучение и отжиг транзисторов проводился поэтапно при закороченных выводах. Отжиги проводились в течение 30 мин (1 этап), 60 мин (2 этап) и 60 мин (3 этап). После каждого этапа эксперимента измерялись стоко-затворные характеристики
в
0
58
вепвогв & Эувгетв • № 1.2015
при комнатной температуре. Результаты эксперимента представлены на рис. 2.
По результатам отжига получены следующие параметры модели: Е„ = 8,03-10~20 Дж = 5,02-10-1 эВ и у0 = 1,63-10~2 с1.
Таким образом, получена математическая модель рМОПТ с учетом воздействия НИ ионизирующего излучения и температуры.
МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
В качестве моделирующего излучения в данной работе использовался источник электронов [5] со спектром, близким к спектру электронов в радиационных поясах Земли.
Облучение сборки рМОПТ типа 2П301Б с закороченными выводами производилось при комнатной температуре на расстоянии 60 см от источника. В конструкции сборки использовались экраны с толщинами 1000 и 90 мкм. Учитывалось влияние коваровой крышки толщиной 0,1 мм.
До и после облучения рМОПТ производились измерения стоко-затворных характеристик. Результаты измерений и расчета по модели (1) для двух значений мощности дозы представлены на рис. 3.
НАТУРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Результаты натурного эксперимента по облучению блока рМОПТ типа 2П301Б были получены после нахождения его на борту Международной космической станции (МКС) в течение 11 лет [6]. Перед экспериментом крышки корпусов у всех транзисторов были спилены. Часть их была накрыта экраном плотностью 0,022 г/см2.
Облучение происходило, в основном, "пиками" ИИ разной величины, обусловленными прохождением МКС в области "Бразильской аномалии" с повышенным потоком электронов и протонов. Для упрощения расчетов было определено среднее время пролета каждого пика облучения, принятое равным 6 мин.
А и, В
1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 О, крад
Рис. 3. Сдвиги пороговых напряжений рМОПТ под воздействием электронов от источника 8г-У при разных мощностях ИИ и закороченных выводах:
• — 1,19 рад/с, ■ — 0,43 рад/с, — — расчет
0, 0, 0, 0, 0, 0, 000000 о о о о о о а о о о о о о В
0 5 10 15 20 г, ч
Рис. 4. Изменение порогового напряжения МОПТ в течение
2
суток за защитой 0,022 г/см
А и, В 2,5
2 1,5 1
0,5
20
40
60
100
О, крад
Рис. 5. Зависимости изменения значения порогового напряжения от полученной дозы для натурного эксперимента:
• — эксперимент, расчет (1 — с учетом отжига, 2 — б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.