Главная  Интегральный монолит 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [ 80 ] [81] [82] [83] [84]

транзисторов в сильной степени подвержены влиянию нейтронного излучения.

Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером .р является одним из наиболее важных параметров транзистора, на который оказывает влияние нейтронное излучение. Можно показать, что значение коэффициента усиления р после воздействия нейтронной радиации может быть связано с величиной Ро до воздействия излучения и с величиной полного потока нейтронов с помощью следующего соотнощения:

где Тб - время пролета базы; Ф - поток нейтронов, нейтр./см; k - постоянная, определяемая экспериментально.

Коэффициент пропорциональности k является функцией типа проводимости, удельного сопротивления, уровня инжекции носителей, энергии нейтронов и температуры. Табулированные значения коэффициента k можно найти в литературе для различных условий. Для больщинства транзисторов п-р-п типа, применяемых в монолитных полупроводниковых схемах, значения k


10" ID-

Доза, нойглрон/с

Рис. 11-10. Зависимость коэффициента усиления iP транзисторов интегральных схем от дозы при нейтронном облучении.

/ - п-р-п транзистор; 2 - р-п-р транзистор, в котором подложка служит коллектором; 3 -боковой р-п-р транзистор.


да"-

Доза, ивйтрои/с

Рис. U-11. Зависимость удельного сопротивления кремния я-типа от дозы нейтрон-.ного облучения.

лежат в пределах от 10 до 3-10 нейтр./с-см2.

Время пролета базы Тб обратно пропорционально квадрату щирины базы W- Поэтому транзисторы, имеющие большую ширину базы, такие, как транзистор р-п-р с горизонтальным расположением областей и транзистор р-п-р, в котором подложка используется в качестве коллекторной области, более чувствительны к нейтронному облучению, чем обычные п-р-п транзисторы. Так как частота /т транзистора непосредственно связана с временем пролета базы Тб, коэффициент усиления по току у транзисторов с высокой частотой /т менее подвержен влиянию нейтронного излучения, чем у транзисторов, имеющих небольшую величину /т- На рис. 11-10 приведена типовая зависимость снижения коэффициента усиления р для транзисторов, применяемых в интегральных схемах, при облучении потоком нейтронов.

Атомы, смещенные из узлов кристаллической решетки под действием нейтронного облучения, являются также центрами рассеивания и снижают подвижность носителей р, что приводит к увеличению удельного сопротивления р полупроводникового материала. На рис. 11-11 показано предполагаемое изменение удельного сопротивления для различных значений исходного удельного сопротивления ро крем-



ния и-типа. Как видно из рисунка, для большинства значений удельного сопротивления, применяемых при изготовлении монолитных схем,-изменение удельного сопротивления под влиянием нейтронного излучения не имеет существенного значения для радиационной устойчивости аналоговых интегральных схем, так как ухудшение характеристик - активных элементов происходит при значительно более низких дозах~об-лучения (см. рис. 11-10).

11-5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СХЕМ, УСТОЙЧИВЫХ К РАДИАЦИИ

Для повышения радиационной устойчивости монолитных схем необходимо применять специальные технологические процессы, использовать дополнительные устройства и некоторые схемные решения.

Первым шагом в повышении устойчивости монолитных схем к ионизирующей радиации является исключение изолирующих р-п переходов, которые имеют большую площадь. Это достигается путем применения устройств с диэлектрической изоляцией, которые былц описаны в гл. 1 (см. рис. 1-14 и 1-15). Таким способом можно избавиться от фототоков перехода коллектор - подложка и исключить явление полного нарушения работы п-р-п транзисторов. Применение диэлектрической изоляции также позволяет изготовлять на одной пластине с п-р-п транзисторами дополнительные транзисторы р-п-р типа с малой толщиной базовой области (см. рис. 2-18), которые обладают значительно более высокой устойчивостью к нейтронному излучению по сравнению с р-п-р транзисторами с горизонтальным расположением областей и транзисторами с подложкой в качестве коллекторной области. Кроме обычного метода диэлектрической изоляции, для изготовления схем с повышенной устойчивостью к радиации могут использоваться другие структуры, в которых не применяются р-п пе-

реходы, смещенные в обратном направлении, например кремниевые структуры на сапфире.

Обычные резисторы, изготовляемые одновременно с диффузией базовых областей транзисторов, не устойчивы к излучениям. Для повышения радиационной устойчивости интегральных схем необходимо применять тонкопленочные, а не диффузионные резисторы. Никель-хромовые, танталовые и кремние-хромовые тонкопленочные резисторы, на которые радиация не оказывает влияния, обычно используют при разработке устойчивых к радиации схем вместо диффузионных. В некритичных участках схем взамен диффузионных резисторов можно также использовать изолированные диэлектрическим методом объемные резисторы.

Во время импульса фототока, вызванного воздействием ионизирующей радиации, плотность тока в алюминиевой металлизации необходимо ограничивать, чтобы предотвратить быстрое выгорание при чрезмерном ее нагреве или постепенное разрушение, обусловленное эффектом электромиграции (см. § 6-5).

Для обеспечения надежной работы в обычных условиях при отсутствии радиации плотность тока в соединительных алюминиевых проводниках интегральной схемы не должна превышать величины 10 А/см. Плотность переходного тока, обусловленного действием импульса ионизирующей радиации, для исключения эффекта электромиграции должна сохраняться на уровне не более 10 А/см. Поэтому в схемах с повышенной устойчивостью к радиации обычно применяют более широкие и более толстые полоски соединительной металлизации, чем в обычных интегральных схемах. Кроме того, для защиты от повреждений при сборке самой схемы и соединительной металлизации сверху на слой металлизации наносят дополнительный пассивирующий



слой из стекла. Поэтому дополнительный этап покрытия схемы слоем стекла можно использовать как часть технологического процесса изготовления интегральных схем, устойчивых к радиации.

Благодаря специфическому характеру использования интегральных схем с повышенной устойчивостью к радиации они имеют не только высокую устойчивость к излучению, но также и высокую надежность. Для устранения образования хрупких соединений разнородных металлов в интегральных схемах с повышенной устойчивостью к радиации вместо золотых проводников используют алюминиевые проволочки, которые присоединяют к алюминиевой металлизации ультразвуковым методом.

Кроме того, мягкое рентгеновское излучение и гамма-излучение вызывают внутренний нагрев корпуса схемы. Нагрев обусловлен тем, что рентгеновские или гамма-лучи при взаимодействии с материалом корпуса отдают ему часть своей энергии. Количество тепловой энергии, выделяющейся при облучении, зависит от атомного веса материала и увеличивается с его возрастанием. Поэтому для повышения радиационной устойчивости схем при их изготовлении необходимо свести до минимума применение материалов с большим атомным весом, например золота, а по возможности исключить их полностью.

11-6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ РАДИАЦИИ

Базируясь на анализе радиационных эффектов, которые были рассмотрены в § 11-4, можно сформулировать некоторые основные правила проектирования устройств п схем с повышенной устойчивостью к радиации.

Проектирование устройств

1. Минимизация площади р-п переходов. Так как величина фототока, возникающего при воздействии

радиации, пропорциональна площади р-п перехода, площади всех переходов, и в особенности коллекторно-базового, должны быть сведены к минимуму.

2. Использование транзисторов с тонкой базовой областью с целью уменьшения влияния нейтронных дефектов кристаллической решетки на коэффициент усиления р.

3. Обеспечение высокого исходного значения коэффициента усиления ip с тем, чтобы минимально допустимое значение р при его уменьшении под действием излучения имело место при более высоких уровнях радиации!

4. Обеспечение высокой поверхностной концентрации примесей во всех областях р-типа во избежание инверсии слоя у поверхности под действием ионизирующего излучения.

5. Устранение по возможности МОП транзисторов, так как они менее устойчивы к воздействию радиации по сравнению с биполярными и полевыми транзисторами с диодным затвором.

6. Применение тонкопленочных резисторов вместо диффузионных.

7. Использование материалов с низким объемным удельным сопротивлением с целью уменьшения роста удельного сопротивления, обусловленного появлением дефектов в кристаллической решетке при нейтронном облучении.

Проектирование схем

1. Применение схем компенсации фототока с целью уменьшения величины вторичного фототока. Величина фототока пропорциональна площади р-п перехода. Поэтому фототек, образующийся в переходе коллектор - база и протекающий через базовую область, можно за-шунтировать на землю путем присоединения идентичного диода между базой и землей. Такой способ компенсации фототока схематически показан на рис. 11-12 для усилительного каскада с общим эмит-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [ 80 ] [81] [82] [83] [84]

0.0009