Моделирование накопления заряда в облученных МОП/КНИ-транзисторах

The charge build-up in the interface of silicon / buried oxide in n-channel MOS/SOI transistors depending on their geometric parameters and electrical modes during ionizing irradiation is calculated with the use of the software Silvaco. It is shown that the electrical mode is most “harsh”, when during irradiation the voltage of +5 V is applied to drain and source electrodes and 0 V is applied to substrate, gate and channel feeding. The amount of the built-up charge can be substantially reduced by applying a negative bias to the substrate and by decreasing the thickness of the buried oxide layer.С помощью программного комплекса Silvaco проведен расчет накопления встроенного в окисел заряда у границы раздела кремний – скрытый окисел в n-канальных МОП/КНИ-транзисторах в зависимости от их геометрических параметров и электрических режимов при воздействии ионизирующего излучения. Показано, что наиболее «жестким» является режим, при котором во время облучения на сток и исток подается напряжение +5 В, а на подложку, затвор и запитку канала – 0 В. При этом величину накопленного заряда удается существенно снизить, прикладывая к подложке отрицательное смещение и уменьшая толщину слоя захороненного окисла. Полученные результаты компьютерного моделирования могут быть использованы испытателями электронных компонентов для предварительной оценки стойкости МОП/КНИ-приборов к накопленной дозе ионизирующего излучения

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ОТЖИГ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ МЕЖДОУЗЕЛЬНОГО ТИПА В ЛЕГИРОВАННЫХ БОРОМ КРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ

Using the same n+–p diode structures, the effect of injection of minority charge carriers on the annealing of various interstitial defects has been studied in silicon irradiated with α-particles. It has been found that the self-interstitial silicon atoms (Sii) possess the highest sensitivity to forward current injection. At a liquid nitrogen temperature and a forward current density of 10–20 mA/cm2, the time constant for Sii annealing is about a few seconds. To activate the interstitial boron atoms at Т ≤ 140 K, substantially higher direct current densities are required (≥ 100 mA/cm2). However, it has been found that the forward current injection not only enhances, but even causes the retardation of interstitial carbon annealing. It is suggested that only the reactions of interstitial atoms, characterized by a strong electron-phonon coupling, can be enhanced by recombination processes.  С использованием одних и тех же n+–p диодных структур проведено изучение влияния инжекции электронов в p-область диода на отжиг в ней простейших дефектов междоузельного типа, созданных облучением α-частицами. Обнаружено, что собственные междоузельные атомы Si обладают наиболее высокой чувствительностью к инжекции. При температуре жидкого азота и плотности прямого тока 10–20 мА/см2 постоянная времени их отжига составляет единицы секунд. Для активации атомов междоузельного бора при Т ≤ 140 К требуются более высокие плотности прямого тока (≥ 100 мА/см2). В отличие от двух предыдущих случаев, пропускание прямого тока через n+–p-переход не только ускоряет, но даже замедляет отжиг междоузельного углерода. Высказано предположение, что только реакции междоузельных атомов, которые характеризуются сильным электрон-фононным взаимодействием, могут быть ускорены в результате рекомбинационных процессов. 

ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИ ОСАЖДЕННЫХ ПЛЕНОК НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗО И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Modern semiconductor devices and microchips are sensitive to the effects of ionizing radiation. Nevertheless, they are widely used in military and space technology, in the nuclear industry. At the same time, a number of technological, circuit and software solutions are used to reduce the effects of radiation exposure. The most preferable method is one based on using shields, due to its low cost and excellent radiation properties of shield’s materials. Recently, special attention has been paid to the study of multilayer structures. Experimental samples of Ni-Fe alloys and multilayer Ni-Fe/Cu structures with different chemical composition were obtained by electrochemical deposition. The dependence of chemical composition variation from deposition conditions was determined. Ni-Fe alloys crystal structure was studied using X-ray diffraction. Shielding properties of Ni-Fe/Cu multilayer structures were investigating on linear accelerator ELA-4 under 4 MeV electron irradiation. Silicon p-MOSFETs were used as test structures. Evaluation of electron flow weakening effectiveness was performed by current-voltage characteristics changing – threshold voltage of pMOS-transistors, which were located behind shields based on NiFe/Cu multilayered structures and without shields. It was found that increasing number of Ni-Fe layers within the same total thickness leads to maximum shielding efficiency.Современные полупроводниковые приборы и микросхемы чувствительны к воздействию ионизирующих излучений. Тем не менее они широко применяются в военной и космической технике, в ядерной индустрии. При этом используется ряд технологических, схемотехнических и программных решений, уменьшающих последствия радиационного воздействия. Наиболее предпочтительным решением является выбор метода на основе использования экранов, поскольку он экономичнее и определяется радиационными свойствами используемых для изготовления экранов материалов. В последнее время особое внимание уделяется исследованию многослойных структур, так как при прохождении излучений через эти материалы возможно значительное ослабление эффектов радиационного воздействия, что имеет значительный научный и прикладной интерес. Методом электролитического осаждения получены экспериментальные образцы покрытий сплавов NiFe и многослойных структур NiFe/Cu с различным химическим составом. Установлены зависимости изменения химического состава от условий осаждения. Методом рентгеновской дифракции проведены исследования кристаллической структуры. Покрытия характеризуются гранецентрированной кубической решеткой, с увеличением концентрации железа параметр элементарной ячейки увеличивается. Эффективность радиационной защиты многослойных структур NiFe/Cu оценивалась при облучении электронами с энергией 4 МэВ на линейном ускорителе ЭЛУ-4. В качестве тестовых структур использовались кремниевые МОП-транзисторы. Эффективность ослабления электронного потока была оценена по изменению вольтамперных характеристик: порогового напряжения для МОП транзисторов, расположенных за экранами на основе многослойных структур NiFe/Cu, и без экранов. Установлено, что с ростом количества слоев при сохранении суммарной толщины эффективность экранирования увеличивается, что позволяет создавать высокоэффективные экраны при сопоставимых массогабаритных параметрах.

Ослабление потоков электронов радиационных поясов Земли защитными экранами на основе композита W-Cu

For decreasing the radiation effects of the cosmic environment on the electronic components of spacecraft, local protection shields are used. They are manufactured on the basis of materials with high density and large atomic numbers (tungsten, tantalum, the W-Cu composite etc.) and then integrated into the ceramic-and-metal package of electronic components with an insufficient level of radiation resistance. On the basis of the Monte Carlo approach we considered the methods of decreasing the level of the dose absorbed by the crystals of active elements if using the radiation shields based on the W-Cu composite in hybrid metal cases under the action of electrons of a circular orbit with an inclination angle of 30° and an altitude of 8000 km. The electron spectra at the maximum and minimum solar activity were obtained using OMERE 5.3 software. It was established that an increase in the mass thickness of the base and cover of cases with shields up to 1.67 g / cm2 makes it possible to reduce the dose load by 3.5–3.7 times at the minimum and by 3.9–4.1 times at the maximum of solar activity. The optimization of protection by lowering the upper layer of the W-Cu composite to the base to a height of 1.2 mm reduces the absorbed dose by 6.8–9.3 times at the minimum and by 7.6–10.7 times at the maximum solar activity.Для снижения дозовых нагрузок на электронную компонентную базу космических аппаратов от потоков электронов и протонов радиационных поясов Земли применяются экраны локальной радиационной защиты. Такие экраны изготовляют на основе материалов с большим порядковым номером и высокой плотностью (вольфрам, тантал, композит W-Cu и др.), а затем интегрируют в металлокерамические корпуса электронных компонентов с недостаточным уровнем радиационной стойкости. Методом Монте-Карло рассмотрены способы снижения уровня поглощенной дозы кристаллами активных элементов с помощью экранов радиационной защиты на основе композита W-Cu в гибридных металлических корпусах при воздействии электронов круговой орбиты с углом наклонения 30° и высотой 8000 км. Спектры электронов при максимуме и минимуме солнечной активности были получены с помощью программы OMERE 5.3. Установлено, что увеличение массовой толщины основания и крышки корпусов экранами до значения 1,67 г/см2 позволяет снизить дозовую нагрузку в 3,5–3,7 раза при минимуме и 3,9–4,1 раза при максимуме солнечной активности. А оптимизация защиты путем опускания верхнего слоя композита W-Cu к основанию до высоты 1,2 мм уменьшает значение поглощенной дозы в 6,8–9,3 раза при минимуме и 7,6–10,7 раза при максимуме солнечной активности

БИСТАБИЛЬНЫЕ ЦЕНТРЫ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ В ОБЛУЧЕННЫХ КРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ p-ТИПА

Deep level transient spectroscopy (DLTS) has been used for studying the electrically active defects in p-type silicon crystals irradiated with fast electrons and α-particles. A new bistable radiation-induced center with deep levels around the midgap of silicon is revealed. The main characteristics of this center are determined and some suggestions on its origin are given.Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) исследованы электрически активные дефекты в кристаллах кремния p-типа, облученных быстрыми электронами и α-частицами. Обнаружен новый бистабильный радиационно-индуцированный центр с глубокими уровнями вблизи середины запрещенной зоны Si. Определены основные характеристики данного центра и высказаны предположения о его возможной природе

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ОТЖИГ КОМПЛЕКСА СОБСТВЕННОЕ ДИМЕЖДОУЗЛИЕ – КИСЛОРОД В КРЕМНИИ p-ТИПА

With the use of deep level transient spectroscopy (DLTS) the effect of injection of minority charge carriers (electrons) on an annealing rate of self di-interstitial – oxygen (I2O) complex in silicon has been studied. The complex has been formed by irradiation of epitaxial boron-doped n+–p diode structures with alpha-particles at room temperature. It has been shown that the disappearance of this complex at room temperature begins at a direct current density of ~1.5 A/cm2. This characteristic current density has been found for 10 W·cm p-type silicon when the total radiation defect density was less than 15 % of the initial boron concentration, a divalent hole trap with energy levels of Ev + 0.43 eV and Ev + 0.54 eV has been found to appear as a result of recombination-enhanced annealing of the I2O. When the I2O complex is annealed thermally, the concurrent appearance of an electron trap with an energy level of Ec – 0.35 eV has been observed. It has been shown that the divalent hole trap represents a metastable configuration (BH-configuration) of the bistable defect, whereas the electron trap is stab le in the p-Si configuration (ME-configuration). From the comparison of DLTS signals related to different defect configurations it is found that the ME-configuration of this bistable defect can be characterized as a center with negative correlation energy. It has been shown that the injection-stimulated processes make it very difficult to obtain reliable data on the formation kinetics of the bistable defect in the BH-configuration when studying the thermal annealing of the I2O complex.Методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) с использованием n+–p-структур исследовано влияние инжекции неосновных носителей заряда (электронов) на отжиг комплекса собственное димеждоузлие – кислород (I2O) в кремнии, облученном альфа-частицами. Показано, что в легированном бором кремнии, имеющем удельное сопротивление 10 Ом·см, инжекционно-стимулированный отжиг этого комплекса при комнатной температуре начинается при плотности прямого тока ~1,5 А/см2. При этом суммарная концентрация радиационных дефектов не превышала 15 % от начальной концентрации бора. В результате инжекционно-стимулированного отжига I2O образуется двухвалентная дырочная ловушка с уровнями Ev + 0,43 эВ и Ev + 0,54 эВ. Установлено, что в кремнии р-типа проводимости эта ловушка соответствует эмиссии дырок метастабильной конфигурацией бистабильного дефекта (BH-конфигурация). В основной конфигурации (ME-конфигурация) этот бистабильный дефект проявляет себя как электронная ловушка с уровнем Ec – 0,35 эВ. На основании данных об отношении амплитуд сигнала DLTS бистабильного дефекта в различных конфигурациях сделан вывод, что в ME-конфигурации он ведет себя как центр с отрицательной корреляционной энергией. Показано, что наличие инжекционно-стимулированных процес- сов существенно затрудняет получение достоверных данных о кинетике образования бистабильного дефекта в BH-конфигурации при исследовании термического отжига комплекса собственное димеждоузлие – кислород

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ ОСАЖДЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ВИСМУТА И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Microelectronic products are widely used in aerospace, aviation, military and nuclear engineering. However, they are very sensitive to various ionizing radiations (electrons, protons, heavy charged particles, X-ray and gamma radiation). The common used material for radiation protection is lead. In recent years, bismuth deposition has become an interesting subject for the electrochemical community because of bismuth’s unique electrical, physical and chemical properties. There is a limited number of authors dealing with continuous bismuth films onto metallic substrates by electrodeposition. The conditions of electrochemical deposition of bismuth and the structure of coatings were examined. Electrochemical deposition with the inputted various organic additives and without them was carried out. It is shown that bismuth coatings have a rhombohedral lattice, and thаt adding of a number of organic additives into the electrolyte results changing in a coatings growth texture. The protection efficiency of shields based on bismuth under 1.6–1.8 MeV electron irradiation energy was measured. The electron beam attenuation efficiency was estimated by changing of current-voltage characteristics of semiconductor test structures which were located behind the shields and without them. It has been determined that bismuth shields with 2 g/cm2 reduced thickness and attenuation coefficient of 156 have optimal protection effectiveness and mass dimensional parameters.Современные изделия микроэлектронной техники широко применяются в ракетно-космической, авиационной, военной и атомной технике. Однако данные изделия весьма чувствительны к воздействию различных ионизирующих излучений (электроны, протоны, тяжелые заряженные частицы, рентгеновское и гамма-излучения). В настоящее время спектр синтезируемых материалов достаточно широк, ряд из них может быть перспективен для использования в качестве экранов радиационной защиты. В качестве материала экранов, эффективно поглощающих высокоэнергетические излучения, обычно используют тяжелые элементы. Наиболее широко применяемый тяжелый металл – свинец, но он имеет ряд недостатков. Висмут является нетоксичным и обладает невысокой стоимостью, а широкие технологические возможности получения делают его весьма актуальным для применения в качестве материала для радиационной защиты. Исследованы условия электрохимического осаждения и структура покрытий висмута, а также влияние на них различных органических добавок. Показано, что покрытия на основе висмута имеют ромбоэдрический тип кристаллической решетки, а введение в электролит ряда органических добавок приводит к изменению текстуры роста покрытий. Установлено, что с ростом толщины покрытий микроструктура изменяется от дендридной, крупнокристаллической, – к мелкодисперсной. Изучена эффективность радиационной защиты экранов на основе висмута при облучении электронами с энергией 1,6–1,8 МэВ. Эффективность ослабления электронного потока оценивалась по изменению вольтамперных характеристик тестовых МОП-транзисторных структур, расположенных за экранами и без экранов. Установлено, что оптимальными с точки зрения эффективности защиты и массогабаритных параметров являются экраны из висмута характеризующиеся значениями приведенной толщины 2 г/см2 и коэффициентом ослабления, равным 156.

Моделирование пробегов и потерь энергии высокоэнергетических ионов в однослойных и многослойных материалах

Linear and mass ranges of protons and argon ions in aluminum, alumina, bismuth, and W77.7Cu22.3 composite shields were calculated using the SRIM software package. It is shown that the protection efficiency against high-energy ions by materials with large atomic charge (Z) values is higher, from the position of linear ranges of particles, and lower, from the position of mass ranges, in comparison with materials with low Z values. The dependence of the threshold energy on the serial number of particles for aluminum, bismuth, and composite W77.7Cu22.3 shields is determined. The ionization loss spectra for the passage of both protons with an energy of 20 MeV and krypton ions with an energy of 7.75 GeV through multilayer Bi/Al/Al2O3 and Al/Al2O3/Bi structures were calculated. These results showed that the braking of high-energy particles in the case when the first layer contains a heavy element is higher than in the case when the first layer contains a light element. The influence of the sequence in the arrangement and thickness of the layers in the multilayer structures of the Bi/Al/Al2O3 system on the efficiency of protection against high-energy ions was studied. It is shown that the nature of the dependences R(E) and ion energy losses are determined by the sequence of arrangement of individual layers, which is due to the difference in the conversion of the spectra by the material of the first layer. The studied radiation shields can be used in aerospace and nuclear technologies, as well as in many scientific and medical devices, and can be used to protect against the effects of a wide range of ionizing radiation (electrons, protons, heavy charged particles, etc.).С помощью программного комплекса SRIM рассчитаны линейные и массовые пробеги протонов и ионов аргона в экранах из алюминия, оксида алюминия, висмута и композита W77,7Cu22,3. Показано, что эффективность защиты от высокоэнергетических ионов материалами с большими значениями заряда ядер атомов (Z) выше с позиции линейных пробегов частиц и ниже с позиции массовых пробегов, чем материалами с низкими значениями Z. Определена зависимость пороговой энергии от Z высокоэнергетических ионов для экранов из алюминия, висмута и композита W77,7Cu22,3. Проведены расчеты спектров потерь на ионизацию при прохождении протонов с энергией 20 МэВ и ионов криптона с энергией 7,75 ГэВ через многослойные структуры Bi/Al/Al2O3 и Al/Al2O3/Bi. Расчеты показали, что торможение высокоэнергетических частиц в случае, когда первый слой содержит тяжелый элемент, выше, чем в случае, когда первый слой содержит легкий элемент. Изучено влияние последовательности в расположении и толщины слоев в многослойных структурах системы Bi/Al/Al2O3 на эффективность защиты от высокоэнергетических ионов. Показано, что характер зависимостей R(E) и потерь энергии ионов определяется очередностью расположения отдельных слоев, что связано с различием преобразования спектров материалом первого слоя. Рассмотренные экраны радиационной защиты могут быть использованы в элементах и аппаратуре ракетно-космической техники, могут обеспечить требования по устойчивости к воздействию различных видов ионизирующих излучений (электронное, протонное, гамма-излучение, тяжелые заряженные частицы и др.)

Forward current enhanced elimination of the radiation induced boron-oxygen complex in silicon n+-p diodes

Using forward current injection with densities in the range 15-30A/cm(2) we can effectively eliminate the radiation-induced boron-oxygen complex, which is the main compensating center in irradiated Si solar cells. It was found that for a given forward current density the elimination rate is decreasing with increasing irradiation dose. Additionally, some evidences have been obtained on the negative-U properties of the radiation-induced boron-oxygen complex