Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении аналоговых
интегральных схем (ИС) ЧРСТНО- го применения с повышенной радиационной стойкостью к стационарному
ионизирующему излучению.
Цель изобретения - увеличение радиационной
стойкости интегральных схем за счет уменыпения деградаций электрических параметров.
На чертеже показана зависимость (| от температуры стабилизирующего отчига.
В предлагаемом способе транзисторы радиационно-чувствитетьных каскадов
схемы выполняют составными, подгонку коэффициентов усиления составных
транзисторов проводят путем введения радиационных дефектов в область пере-1
хода эмиттер-база облучением флюен ,н
сами 1-10 ° - 5-10 частиц/гм , затем все элементы схемы облучают У-квантами флюенсами 5-Ю16- 5х
дЮ|7кв/см2 и отжигают при .
О
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
При эксплуатации аналоговых микросхем
в полях радиации происходит не-| обратимое изменение их параметровj среди которых наиболее радиационно-
чувствительными являются коэффициент усиления Кя и входной ток 1в)(. Кроме уменьшения К и возрастания lw
в результате воздействия облучения происходит изменение смещения нуля,
увеличивается .разность(входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам.
Радиационная стойкость операционных усилителей в первую очередь .определяется чувствительностью к облучения
транзисторов, которые в схеме работают 0 активном режиме я обеспечивают высокий коэффициент усиления.
Деградация коэффициента усиления транзисторов связана с образованием радиационных рекоибияацяоняых цент-
рое в объеме кремния в приповерхностной области.
В предлагаемом способе повышение радиационной стойкости схемм к воз-
действмо «оюимрушцге излучения достигается м счет введения в технологический
провесе, опередив радиациоя- ао щрмцческой обработки Для этот го исеольвуется последовательное облучение
транзисторов р&-частицами я
квантами, обеслечяваюадмн введение
в структурн таквх радиационных дефектов , которые понижают чувствитель- ность яараметров к последующему
воздействию овйученял при использовании в аппаратуре. Облучением f -квантами
достигаете устранение быстрой компоненты деградация ), оврабрт ка Ы частицами вводят структуру
объемные радяацновяые дефекты. Кроме того, использование Об--облучений необходимо
для точной подгонки коэффициентов усиления транзисторов, используемых в дифференциальных каскадах
схемы. В предлагаемом способе ОС-частицами облучались только тран- эисторы, обеспечивающие достижение
заданного коэффициента усиления схемы , так как нет необходимости обрабатывать
Ы -частицами пассивные элементы (диффузионные резисторы) или транзисторы , используемые в генераторе
стабильного тока дифференциального
каскада.
Так как введение радиационных дефектов в активные области транзисторов приводит к уменьшению коэффициен
o
$
0
5
0
5
0
5
та уситения, необходимая величина усиления
каскада достигается за счет использования составных транзисторов, ,
дйя которых коэффициент усиления дается выражением
ьв-ь«. ,(,)
где h j, и h g, - коэффициенты усиления первого и второго транзисторов соответственно.
Из выражения (1) видно, что h2t г100-400 каскада могут быть получены
на транзисторах со значениями
ОА) h i,9 x 10-20.
В данном способе предлагается все транзисторы схемы после операций
изготовлений контактов и межэлементных соединений и облучения 04 -частицами
, обработать У -излучением финансами 5«10W- 5 10 т кв/см .
Величина фгаоенсов выбрана экспериментально и соответствует насыщению
. ионизационного изменения h л транзистора от флюенса облучения, при
флюеисах выше 5-10 кл/см1 ухудшаются такие характеристики транзистора,
как обратные токи р-п-перехода, шумовые характеристики, появляется более
сильная зависимость параметров от температуры; Соответственно не обеспечиваются и эксплуатационные
характеристики интегральной схемы, например, по входным токам.
Основные усилительные каскады операционного усилители выполнены по дифференциальной
схеме. Транзисторы в дифференциальном каскаде должны иметь идентичные характеристики. После
обработки У-квантами может появляться напряжение разбаланса, так как радиационные свойства оксидного
покрытия могут несколько различаться и транзисторы могут иметь различные величины п« .
Подгонку параметров транзисторов в предлагаемом способе осуществляют
путем облучение Ot -частицами от изотопного источника. Обнаружено, что
после облучения частицами параметры транзисторов выравниваются. Это связано с тем, что фЈ-облучение
вводит радиационные дефекты в объем базы более эффективно, чем в приповерхностную
область, и изменение коэффициента усиления транзисторов определяется рекомбинационными процессами в области объемного заряда р-п-перехода эмиттер - база. После
-облучения и стабилизирующей термо -| обработки величины h,.обоих транзисторов выравниваются, так как
определяются заданной концентрацией радиационных дефектов, а не тех- нологическими разбросами концентра- Q
ции неконтролируемых центров реком - бинации. Для точной подгонки используют флюенсы облучения 1-10 -
5-Ю частиц/см. При потоках выше 5-10 частиц/смг величина п2)дотдель-15 но ваятого транзистора уменьшается
ниже 10 и ухудшаются такие параметры , как обратные токи р-п-перехода. При флюенсах ниже 1 10 частиц/см1
изменение величины Ьг( составляет менее 10%, что не позволяет достигнуть
идентичности характеристик подгоняемых транзисторов. Кроме того, схема,в которой транзисторы имеют
очень большие коэффициенты усиления, склонна к самовозбуждению из-за паразитных положительных обратных
связей.
Для того, чтобы после 6«6-обработки
не возрастали обратные токи коллекторного р-п-перехода, управление
taortLtuuiirku h . о ппситпд гяомпм пгтпоп 20
25
30
величиной h
2 Э
в предлагаемом способе осуществляют за счет изменения
эффективности эмиттера и скорости ре jr комбинации неосновных носителей в
базе транзистора. Для этого пробег -частиц и Si устанавливают равным
глубине залегания эмиттерного р-п-перехода вертикального транзистора. 40
Введение радиационных дефектов в область объемного заряда эмиттерного
перехода увеличивает рекомбинацион- ные потери носителей, следствием
чего является снижение hz, , кол
лекторный переход,р-п-переход и
область коллектора практически не повреждается. Следствием этого является
также повышение критического потока повреждения транзистора при ис- пользовании У-обработки, так как
одной из причин выхода транзистора из строя является появление последовательного
сопротивления из-за компенсации кремния радиационными дефектами в коллекторной области.
В предлагаемом способе стабилизирующий отжиг предлагается проводить
при 180-220°С. Температура (220°С)
Q 15
20
25
30
jr 40
45
50
5
на верхнем пределе оппедспгня экспериментально
и соответетяуст нячалУ стадии радиационных дефектов, которые ответственны за быегрую
компоненту изменения Ьг, при ионизирующем излучении, температуры Ниже
180° С не обеспечивают стабилизации параметров схемы. Так как п ряде ёлу-
чаев после изготовления кристаллов ИС их необходимо нагревать до 300-
350°С (например, при посадке кристаллов в корпус на эвтектику Au-Si или
Приклейку полнимиднын л я кон) , в спо- собе возможна и такая последовательность операций: вначале быть
проведена операция подгонки коэффициентов усиления облучением об-частица-
ми, затем скранбировяние и посадка кристаллов в корпус, & после этого -
радиационная обработка А1 -квантами и стабилизирующий параметры термический
отжит. Времена стабилизирующего отжига совпадают с временами отжига по прототипу.
Способ, испытывался при изготовлении аналоговых биполярных интегральных
схем (операционных усилителей). Промышленным аналогом этой схемы является операционный усилитель типа
140 УД 1. По сравнению с известной в предлагаемой схеме на составных
транзисторах выполнен второй каскад усиления (который обеспечивает коэффициент
усиления с 280-300 и выходной каскад. Первый каскад усиления (коэффициент усиления - 4-5j не является
определяющим в деградации коэффициента усиления операционного усилителя
. В то же время обнаружено, что радиационно-термическая обработка
ti-частицами транзисторов входного ка- каскада существенно ухудшает входные токи усилителя.
Пример 1. В -матричном кристалле , в качестве которого использовался
кремний с диэлектрической изоляцией
(марки КСДИ карманах
из монокристаллического кремния стандартными методами окисления (на поверхности создают слой толщиной
,6 мкм), диффузии и разгонки примесей , Металлизации и вжигания контактов
формируют биполярные транзисторы и диффузионные резисторы. Коэффициенты усиления транзистороп h
ЈЈ обеспечиваются формирование ем фа-зоной области толлшпои 0,70 ,8 мкм и концентрацией легирующей примеси «2 -10 . Элементы соединяют проводящими дорожками согласно
принципиальной схеме (см.чертеж),в которой радиационно-чувствительные транзисторы выполнены составными.
Перед операцией селективной радиа- цнонно-термической обработки pt-частицами
с Планерной стороны на пластины наносят слой фоторезиста толщиной Si 3 мкм, и методом фотолитографии
вскрывают окна над эмиттерными областями составленных транзисторов. Затем пластины помещают в облучатель-
ную установку с источниками вЈ -частиц на основе изотопа , уменьшают энергию оЈ-частиц путем использования
лавсановой пленки и регулированием расстояния между поверхностью пластины и источника таким
образом, чтобы максимум в распределении оЈ -частиц приходился на глубину залегания эмиттерного р-п-пере-
хода ( 1,2 мкм от поверхности кремния ), и проводят облучение флюенсом
1-10 бЈ-частиц/см . Затем пластины помечают в камеру изотопной установки MPX-JH25 И, где обрабатывают
-квантами флюенсами 1 tO кв/см2. Далее стабилизируют параметры отжигом пластин при 200 С в течение
60 мин. После разделения пластин на кристаллы монтаж кристаллов в корпус
производят путем приклеивания компаундом на основе эпоксидной смолы (ЭД-6).
Пр и м е р 2. Аналогично примеру 1, за исключением того, что флю енс облучения J-квантами устанавливают
равным 5 -101 кв/см2.
П р и м е р 3. Аналогично примеру
1, за исключением того, что флюенс облучения у -квантами устанавливают равнин 5 10|Гкв/смг.
П р и м е р 4. Аналогично примеру 1, за исключением того, что облучени
У -квантами проводят флюенсом 1 101° частиц/см5 .
П р и м е р 5. Аналогично примеру 1, за исключением того, что температуру стабилизирующего отжига уг га-
навливают 220°С.
П р и м е р 6. Аналогично примеру
1, за исключением того, что iемпе- ратуру стабилизирующего отжига устанавливают 180°0.
671070Н
Пример 7. Аналогично примеру
1, за исключением того, что облучение С -частицами проводят флюенсом 5 частицУсм .
Изготовленные по предлагаемому способу схемы обладали такими же
эксплуатационными параметрамиj как серийные (140 УД 1). Схемы, изготовЮ
ленные с применением РТО, имели время установления выходного напряжения с 0, мкм и частоту единичного
1 усиления 1,1-1,2 МГц. Испытания на радиационную стойкость ИС прово15
лились на изотопной установке АРХ- Jf-25 М при интенсивности флюенса
облучения 590 Р/с и температуре облучения 43°С. Контролировались следующие
параметры ИС: коэффициент усиле20 ния по напряжению Кп; входной ток
25
30
35
смещения I.- разность входных токов входное напряжение смещения нуля 1fU(i потребляемый схемой ток
1 при номинальном напряжении питания .л
В качестве показателей, характеризующих стойкость изделий к непрерывному
У -излучению, выбраны следующие: показатель допустимой стойкости -
значение флюенса облучения («)« при котором значения параметров ИС не выходят
зА допустимые по ТУ пределы (по К - за 30% изменение)) начальная скорость деградации коэффициента
усиления
и „Кд (Л
К
1ИСХ . (Z)
0)
(Ф- Ф1)
где и К
фи) К
5
ИС
0
5
значения коэффициентов усиления схемы при флю-
енсах Ф(0 и ф«(Ф|г
7ф(0);
значение коэффициента
усиления схемы до облучения .
Из полученных, данных следует, что
поставленная цель достигается при вариации параметров радиационно-терми
ческой обработки внутри заявленных интервалов, приведенных в отличител
ной части Аормулы изобретения. При этом обеспечивается повышение радиационной
стойкости схем без ухудшения исходных параметров, связанных с про
чедением операции РТО. Наиболее оптимальными режимами РТО являлись:
облучение оЈ -частицами флюенсами 5
to
10W 5-10м часгиц/см2 и -квантов 5-10й - 5-10 7кв/сы2 , ПРИ которых Ф превышало З Ю кв/смг
(величину, которая достигнута на схемах , изготовленных на структурах КСДИ, по способу-прототипу).
При выходе возможных комбинаций параметров режимов РТО за пределы
заявленного интервала (температуры стабилизирующей термообработки выше
Формула изобретения Способ изготовления интегральных
220 С) радиационная стойкость заявля- 15 схем, включающий формирование в нзоемой схемы не превышала стойкости
схеМ| изготовленных по способу-прототипу с использованием только flЈ -РТО,
но была значительно выше стойкости серийной схемы (140 УД 1) с такими 20
же исходными эксплуатационными харак-. теристнками. При температурах стабилизирующего
отжига ниже 180°С обеспечивалась радиационная стойкость ИС однако при исследовании долгояремеи- 25
ной стабильности электрических параметров (100 ч при 125вС при приложении напряжения питания + 12,6 В)
обнаружена деградация К h и 1 , что недопустимо по ТУ (см.чертеж,на 30
котором видно, что стадия отжига, определяющая стабильность характеристик
при 125°С, находится при 150- 170°С).
лнровэнных монокрнсталлических карманах кремния транзисторов, диодов и
пассивных элементов, соединение элементов проводящими дорожками в необходимой
последовательности, подгонку электрических параметров транзисторов путем обнуления 06 -частицами
выбранных участков схемы и тер мический отжиг, отличающнй-
с я тем, что, С целью увеличения радиационной стойкости интегральных
схем за счет уменьшения деградация электрических параметров, транзисторы
каскадов схемы с большим коэффициентом усиления выполняют составными,
подгонку параметров проводят путем введения радиационных дефектов в
область перехода эмиттер-база облучением ОС -частицами Алюенсами
(1 1010- 5 -10й ) см-, затем все элеПри использовании в технологическом
процессе флюенсов облучения - -квантами выше 5-10 кв/см схемыf
гимели низкую ра/шацн нную ггойкпсгь по параметру I& .
Предлагаемый способ изготовления аналоговых ИС по сраинению г извест
ными способами имеет следующие преимущества: рбеспечнвает повышение радиационной
стойкости для заданных по ТУ значений исходных параметров; обеспечивает улучшение воспроизводимости
параметров схем в партии.
Формула изобретения Способ изготовления интегральных
схем, включающий формирование в нзо
лнровэнных монокрнсталлических карманах кремния транзисторов, диодов и
пассивных элементов, соединение элементов проводящими дорожками в необходимой
последовательности, подгонку электрических параметров транзисторов путем обнуления 06 -частицами
выбранных участков схемы и тер мический отжиг, отличающнй-
с я тем, что, С целью увеличения радиационной стойкости интегральных
схем за счет уменьшения деградация электрических параметров, транзисторы
каскадов схемы с большим коэффициентом усиления выполняют составными,
подгонку параметров проводят путем введения радиационных дефектов в
область перехода эмиттер-база облучением ОС -частицами Алюенсами
(1 1010- 5 -10й ) см-, затем все элементы схемы облучают у-квантами фпю- енсами (5 ) см 2, а отжиг
проводят при 180-220°С.
от fff/f
(f - Uf --(fffff № -к ,
С
1
1
JL
100 150 200 250 300 350 400 T°C
1
JL
