Методические разработки Для направления: 550700 - Электроника и микроэлектроника по специальности 550715 — Технология и проектирование интегральных микросхем
УДК 621.382 ББК 32.844 я73
Рецензент: главный технолог ОАО "НЗПП" А. А. Меркушев
Составители: Мустафаев Г.А., Тешев Р.Ш.
Влияние ионизирующего излучения на параметры изделий электронной техники. Методические разработки. - Нальчик, Каб.- Балк. ун-т, 2004. - 32 с.
Издание содержит методические разработки по темам и вопросам, выносимым на самостоятельную работу. В работе рассмотрены взаимодействия ионизирующих излучений с атомами мишени, описаны дефекты смешения в кремниевых полупроводниковых приборах, приведены механизмы отказов и способы повышения радиационной стойкости изделий электронной техники.
Предназначено для студентов-магистров направления "Электроника и микроэлектроника" по магистерской программе "Технология и проектирование интегральных схем".
Рекомендовано РИСом университета
УДК 621.382 ББК 32.844 я73
© Кабардино-Балкарский государственный университет, 2004
Воздействие радиации приводит как к обратимым, так и необратимым изменениям электрических свойств твердотельных приборов и интегральных схем. Поскольку такие изменения могут приводить к отказам электронных подсистем, значительные усилия в последнее время направляются на разработку методов, позволяющих избежать ухудшения параметров микроэлектронных устройств при облучении. Во многих случаях решать эту проблему целесообразно путем создания радиационно-стойких приборов и интегральных схем. Необходимой предпосылкой для этого является понимание основных физических эффектов, происходящих в электронных материалах, приборах и интегральных схемах под влиянием ионизирующих излучений. Достижение такого понимания позволяет приступить к последовательному осуществлению последовательных шагов по разработке и созданию радиационно-стойких изделий. К числу частиц, которые при попадании в приборы и схемы могут вызвать нежелательные последствия, относятся электроны, протоны, фотоны, альфа-частицы, тяжелые ионы. Их можно разделить на две основные группы: фотоны и заряженные частицы. При облучении некоторой мишени механизм взаимодействия между налетающей частицей и объектом зависит от ряда параметров. Для частиц такими параметрами являются масса, заряд, кинетическая энергия, а для мишени - масса, заряд, плотность. Существуют разные типы взаимодействия между первичными частицами и атомами мишени. Фотоны электрически нейтральны, а их масса покоя равна нулю. Результатами их взаимодействия с атомами мишени могут быть фотоэффект, комптоновское рассеяние и рождение пар. Во всех трех случаях появляются свободные электроны, обладающие некоторой энергией. Диапазон энергий фотонов, в котором преобладает фотоэффект, зависит от атомного номера Z материала. Вероятность взаимодействия, приводящего к появлению фотоэффекта, уменьшается с увеличением энергии фотона и увеличивается с ростом Z, Если падающий фотон обладает достаточной энергией, чтобы удалить электрон С К-оболочки, то большинство (« 80%) столкновений происходит с излучением электронов с К-оболочки. В процессе фотоэффекта энергия падающего фотона полностью поглощается вылетающим электроном (фотоэлектроном). В случае испускания электрона с К - оболочки происходит переход в оставшееся незаполненное состояние электрона с L - оболочки и в зависимости от значения Z сопровождается либо излучением рентгеновского кванта с определенной длиной волны (характеристическое излучение), либо испусканием низкоэнергического Оже-электрона: L — оболочки. В отличие от фотоэффекта при комитоновском рассеянии не происходит полного поглощения энергии падающего фотона. Энергия фотона в этом случае гораздо больше, чем энергия связи электронов в атоме (как, например, в К-оболочке). Падающий фотон отдает часть своей энергии электрону атома, рассеиваясь на нем и создавая, таким образом, энергичный комптоновский электрон, а сам продолжает движение с более низкой энергией в материале мишени. По мере возрастания энергии фотона эффект Комптона начинает преобладать над фотоэффектом. Третий вид взаимодействия фотона с веществом - рождение пар. Его пороговая энергия 1.02 МэВ. При такой энергии фотон, столкнувшись с мишенью с высоким атомным номером Z, полностью поглощается, вызывая рождение пары позитрон-электрон. (Позитрон обладает той же массой и зарядом, что и электрон, но заряд у него положительный). Для кремния (Z=14) фотоэффект преобладает при энергиях более 50 кэВ, а создание пар - при энергиях выше 20 МэВ. В промежуточном интервале энергий основным является комптоновский эффект. При падении на мишень заряженных частиц их взаимодействие с ней носит в основном характер резерфордовского рассеяния (кулоновского рассеяния). В этом случае возможно как возбуждение электронов в атоме, так и их высвобождение (ионизация). Кроме того, при резерфордовском рассеянии самим атомам может быть передана энергия, достаточная для того, чтобы сместить их из нормального положения в решетке. Тяжелые заряженные частицы могут участвовать в ядерных взаимодействиях, к числу которых относятся упругое и неупругое рассеяние и трансмутация. При упругих столкновениях бомбардирующая частица отдает часть своей энергии атому материала мишени и может сместить его относительно нормального положения в решетке. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока отдаваемая энергия будет больше энергии, требуемой для смещения (для большинства электронных материалов 5-30 эВ). Смещенный атом (называемый первичным атомом отдачи или первично выбитым атомом) постепенно будет терять энергию на ионизацию и может в свою очередь сместить другие атомы решетки. Неупругое рассеяние заключается в захвате падающей частицы ядром атома мишени с последующим! испусканием частицы более низкой энергии. В этом процессе теряется кинетическая энергия, а ядро мишени оказывается в возбужденном состоянии. Возбужденное ядро, испуская гамма-квант, возвращается к своему первоначальному состоянию. Кинетическая энергия испущенной частицы меньше энергии падающей частицы на величину энергии гамма-кванта. При неупругом взаимодействии может происходить также смещение атома мишени. Реакция трансмутации представляет собой захват падающей частицы ядром атома мишени с последующим испусканием другой частицы (например, альфа-частицы). Оставшийся атом претерпевает трансмутацию, т.е. превращается из одного элемента в другой. Взаимодействие движущихся протонов с кремнием с последующим изменением свойств материала и прибора в результате протонной бомбардировки сводится к процессам упругого и неупругого рассеяния. Процесс полного упругого взаимодействия включает в себя резерфордовское рассеяние и упругое ядерное рассеяние. Оба эти процесса могут привести к смещению атомов решетки из положения равновесия, хотя упругое ядерное взаимодействие гораздо эффективнее, поскольку в этом случае падающий протон передает сравнительно большое количество энергии первичному атому отдачи кремния. Последний теряет затем свою энергию на ионизацию и процессы смещения. Неупругие ядерные взаимодействия в кремнии играют существенную роль при энергии протонов больше 10 МэВ. Высокоэнергетичные атомы отдачи, образовавшиеся в результате неупругих взаимодействий, приводят к появлению дефектов смещения и к ионизации. Резерфордовское рассеяние преобладает при создании атомов отдачи относительно низкими энергиями (5кэВ). Упругое ядерное рассеяние существенно для возникновения атомов отдачи с энергиями выше 10кэВ. Если принять во внимание все разнообразие видов частиц, диапазонов их энергий, а также механизмов взаимодействия, можно представить себе, насколько сложны эффекты, возникающие в облученных материалах и приборах. На практике, однако, для того чтобы оценить влияние излучения на приборы и схемы, достаточно рассмотреть два основных физических механизма - смещение атомов из узлов решетки (дефект смещения) и генерацию электронно-дырочных пар (ионизацию). В общем случае частицы, проходя через электронные материалы, отдают часть своей энергии на ионизацию, а остальную энергию - на смещение атомов. Чтобы вызвать смещение атомов в кремнии, минимальная энергия налетающего электрона должна быть около 150 кэВ. Для протонов пороговая энергия -100 эВ. Число смещений, производимых частицами с энергией выше этих порогов, можно определить, зная значения сечения рассеяния. Скорость падающих на материал частиц выражается через плотность потока частиц с размерностью частица/(см2*с). Интеграл по времени от плотности потока - флюенс, частица/см2. Энергия, идущая в материале на ионизацию, выражается в радах (rad - поглощенная доза радиации). Один рад эквивалентен энергии 100 эрг, поглощенной 1г вещества. Мощность дозы ионизирующего излучения обычно выражается в рад/с. Единица поглощенной дозы (Gy) эквивалентна 1 Дж/кг, или 100 рад.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
