СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО ТЕСТИРОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ПРИБОРНОЙ СТРУКТУРЫ К ОБЛУЧЕНИЮ БЫСТРЫМИ НЕЙТРОНАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК H01L21/66 

Группа изобретений относится к способам имитационного тестирования изделий микро- и наноэлектроники и предназначена для экспрессной оценки чувствительности параметров приборных структур к воздействию нейтронных потоков.

Радиационная стойкость электронно-компонентной базы приборов микро- и наноэлектроники является важным качеством, определяющим их пригодность для функционирования в полях проникающей радиации, например в космосе и/или реакторных установках.

Одним из наиболее важных факторов радиационного повреждения является воздействие потоков быстрых нейтронов. При разработке новых или адаптации старых технологий создания приборов и схем возникает задача экспрессной оценки чувствительности параметров структур и их составных частей к воздействию нейтронных потоков. Поскольку прямые испытания в реальных условиях космического или реакторного облучения обычно недоступны для исследователей, то оценка радиационной стойкости может быть проведена путем применения имитационных испытаний. Так как при облучении быстрыми нейтронами дефекты создаются атомами отдачи, такая экспрессная оценка может быть выполнена без проведения натурных испытаний для каждой партии изделий данного типа, если в качестве источника повреждающего излучения использовать ионные пучки, то есть осуществить ионно-лучевую имитацию. Для оценки адекватности такой имитации и выбора ее режимов проводят сравнительные расчеты, позволяющие определять степень радиационного повреждения тех или иных компонентов электронных схем при двух видах облучения - быстрыми нейтронами и ускоренными ионами. Предлагаемый способ удобен тем, что позволяет использовать стандартные ионно-лучевые установки, применяемые во многих исследовательских центрах и в промышленности, вместо дорогостоящих и малодоступных источников нейтронного излучения.

Ввиду того, что испытания на моделирующих установках, как правило, являются дорогостоящими ввиду сложности и большой стоимости моделирующей установки, а также необходимости привлечения для их обслуживания большого количества квалифицированного персонала, в ряде случаев целесообразно использовать имитационные испытания (тестирования) приборных структур (изделий), которые проводятся на более простом в обслуживании оборудовании. Так, с помощью лазерного облучения можно добиться в приборных структурах эффектов, аналогичных по своим проявлениям и последствиям для изделия эффектам при воздействии короткого импульса гамма-излучения (см. например, патенты US 7375332 В1, опубл. 20.05.2008; US 8481345 В1, опубл. 09.07.2013). Однако при использовании в качестве имитатора лазера необходимо работать с изделиями без корпуса из-за большого поглощения излучения лазера в металлах.

Также из уровня техники известен способ испытаний полупроводниковых приборов, в частности фотоприемников по патенту RU 2168239 С2, кл.Н01L 21/66, опубл. 27.05.2001.

Способ включает облучение импульсным гамма-нейтронным реакторным излучением со средней энергией нейтронов 1-3 МэВ и измерение фотоэлектрических параметров до и после облучения, по изменению которых определяется радиационная стойкость фотоприемников. Стойкость к протонному и электронному излучениям определяется по результатам испытаний на стойкость к импульсному гамма-нейтронному излучению реактора со средней энергией нейтронов 1-3 МэВ с коэффициентами пересчета потоков реакторных нейтронов со средней энергией нейтронов 1-3 МэВ к потокам протонов с энергией 64 МэВ (К=1-5), к потокам протонов с энергией 20-21 МэВ (К=2-10), к потокам протонов с энергией 6 МэВ (К=9-20, к потокам электронов с энергией 4-5 МэВ (К=0,1-1).

Недостатками способа являются, во-первых, использование для моделирования дорогостоящих и малодоступных установок, создающих гамма-нейтронное реакторное излучение, а во-вторых, использование реакторного гамма-нейтронного излучения вместо электронного и протонного облучений существенно меняет механизм дефектообразования в исследуемой структуре. В случае реакторного облучения преобладает механизм, обусловленный смещением атомов из узлов решетки при атомном столкновении, в то время как при использовании высокоэнергетического протонного и электронного облучений преобладает механизм ионизации вещества. Поэтому совпадение результатов электронного и протонного облучения, с одной стороны, и облучение гамма-нейтронным реакторным излучением, с другой, может иметь место только для некоторых конкретных типов приборов.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к предлагаемой группе изобретений является способ испытаний полупроводниковых приборов, в частности фотоприемников по патенту RU 2168240 С1, кл. Н01 L 21/66, G01R 31/26, опубл. 27.05.2001, включающий: облучение потоками импульсного гамма-нейтронного излучения со средней энергией нейтронов (1,0-3,0) МэВ, измерение параметров до и после облучения, по изменению которых определяется радиационная стойкость фотоприемников. Стойкость к нейтронному излучению с энергией 14 МэВ определяют по результатам испытаний на стойкость к импульсному гамма-нейтронному излучению со средней энергией нейтронов (1,0-3,0) МэВ с коэффициентом пересчета потоков реакторных нейтронов к потокам нейтронов с энергией 14 МэВ (К=0,8-3). Данный способ близок к предлагаемому тем, что он, во-первых, определяет чувствительность параметров к видам облучения, вызывающим смещения атомов, в частности к нейтронному, и, во-вторых, включает пересчет от одного вида облучения к другому. Однако и этот способ обладает тем недостатком, что требует использования дорогостоящих и малодоступных установок.

В задачу настоящей группы изобретений положено создание нового универсального способа имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами.

В результате реализации заявляемого способа осуществляется возможность экспрессной оценки чувствительности параметров приборных структур и их составных частей к воздействию нейтронных потоков при проверке применяемых технологических, конструктивно-топологических, схемотехнических и функциональных решений, направленных на снижение радиационной чувствительности изделий в процессе их разработки, при проведении периодических испытаний в условиях неритмичного производства и изготовления изделий малыми партиями без проведения облучения всех изделий. Способ не предполагает больших затрат на проведение испытаний и дает достаточно достоверный результат.

Техническим результатом от использования предлагаемого способа является повышение достоверности результатов испытаний, сокращение времени испытания, использование доступного для исследователей оборудования, а также расширение арсенала способов имитационного тестирования приборных структур на радиационную стойкость.

Поставленная задача достигается тем, что в способе имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами по первому варианту путем воздействия на указанную структуру эквивалентным облучением другого типа и оценки степени радиационной стойкости по величине отклонения критериальных параметров структуры в результате такого воздействия, на приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 10⁹ см^-2 до 10¹⁵ см^-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами, причем для установления правильности расчета эквивалентного флюенса выбирают флюенс ионного облучения, при котором изменение критериальных параметров превышает порог чувствительности средства контроля критериальных параметров, определяют соответствующий эквивалентный флюенс облучения быстрыми нейтронами, проводят разовое натурное испытание облучением приборной структуры быстрыми нейтронами при эквивалентном флюенсе, сравнивают полученное отклонение критериальных параметров с отклонением при выбранном флюенсе ионного облучения и судят по результату сравнения о правильности расчета эквивалентного флюенса

Поставленная задача достигается также тем, что по второму варианту в способе имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами путем воздействия на указанную структуру эквивалентным облучением другого типа и оценки степени радиационной стойкости по величине отклонения критериальных параметров структуры в результате такого воздействия, на приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 10⁹ см^-2 до 10¹⁵ см^-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами производят сравнение критического флюенса ионов с флюенсом, эквивалентным заданному предельно допустимому флюенсу быстрых нейтронов, и в случае, если этот флюенс ионов меньше критического, то проводят разовое натурное испытание при флюенсе быстрых нейтронов, равном предельно допустимому, если при этом отклонение критериальных параметров не превышает допустимую величину, то в дальнейшем испытание стойкости приборных структур к облучению быстрыми нейтронами проводят путем облучения ионами с флюенсом, эквивалентным предельно допустимому флюенсу быстрых нейтронов.

В частных случаях заявленного способа компьютерное моделирование проводят методом Монте-Карло; приборную структуру выполняют на основе кремния или германия, полупроводникового соединения типа А₃В₅ или выбирают мемристорную тонкопленочную структуру с эффектом многократного резистивного переключения; для имитационного тестирования используют ионы химических элементов, входящих в состав чувствительной области приборной структуры, либо подбирают ионы близкие по массе к ним, например, ионы инертных газов; в качестве критериальных параметров для мемристорной тонкопленочной структуры с эффектом многократного резистивного переключения выбирают напряжение переключения из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением, напряжение перехода из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением, величины токов в этих состояниях.

На фиг. 1 показаны спектры фотолюминесценции исходного (0) и облученных быстрыми нейтронами (Е=1.89МэВ) образцов гетероструктуры с тремя квантовыми ямами одинаковой ширины и различным содержанием индия при Т=77 K: спектр 1 соответствует флюенсу нейтронов 10¹⁴ н/см²; 2-5⋅10¹⁴ н/см²; 3-10¹⁵ н/см²

На фиг. 2 показано влияние на спектры фотолюминесценции гетероструктуры с квантовыми ямами InGaAs/GaAs облучения изовалентными ионами (As^-) с энергией 55 кэВ. Спектр (0) соответствует исходному образцу; спектр (1) соответствует флюенсу ионов - 10⁹ см^-2; спектр 2 - флюенсу 10¹⁰ см^-2; спектр 3 - флюенсу 10¹¹ см^-2.

На фиг. 3 показаны спектры фотолюминесценции исходного (0) и облученного быстрыми нейтронами (Е=1.89 МэВ) (1) образцов гетероструктуры при Т=77 K. Флюенс нейтронов - 1.5⋅10¹⁵ н/см².

На фиг. 4 показано влияние на спектры фотолюминесценции структуры с одним слоем квантовых точек InAs/GaAs облучения изовалентными ионами (As^-) с энергией 55 кэВ. Спектр (0) соответствует исходному образцу; спектр (1) соответствует флюенсу ионов - 10⁹ см^-2; спектр 2 - флюенсу 10¹⁰ см^-2; спектр 3 - флюенсу 10¹¹ см^-2.

На фиг. 5 приведены распределения вакансий по глубине при облучении кремния реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2) и ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2 + 56 кэВ, 2.2⋅10⁹ см^-2).

На фиг. 6 показаны энергетические спектры движущихся атомов Si в диапазоне глубин 100-110 нм при облучении кремния ионами Si⁺ (140 кэВ) и нейтронами (0.2-1 МэВ).

На фиг. 7а приведена проекция на плоскость X-Y, параллельную поверхности, координат вакансий, созданных при облучении образца Si ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2).

На фиг. 7б приведена проекция на плоскость X-Z, перпендикулярную поверхности образца, координат вакансий, созданных при облучении реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2).

На фиг. 8 показано распределение по глубине вакансий при облучении ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2) и реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2) кремния с захороненным слоем Si_0,5Ge_0,5 толщиной 10 нм.

На фиг. 9а показаны координаты вакансий в плоскости X-Y, параллельной поверхности образца, созданных в захороненном слое с наноостровками Si_0,5Ge_0,5 при облучении ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2); на фиг 9б - реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2). Кружками обозначены проекции наноостровков.

На фиг. 10 показаны спектры фоточувствительности эпитаксиальной гетероструктуры p⁺ (подложка КДБ-0,01 (100)) - Si/Ge - n⁺⁺ (Si : As).

На фиг. 11 представлены распределения смещенных атомов мемристивной структуры на основе SiO₂, облученной ионами Si⁺ и O⁺ при энергии 150 кэВ, воспроизводящих воздействие нейтронов с энергией 1 МэВ.

На фиг. 12 представлены типичные вольтамперные характеристики, демонстрирующие биполярное резистивное переключение после электроформовки мемристивной структуры на основе SiO₂.

На фиг. 13 приведены результаты измерения токов в разных резистивных состояниях для мемристивных структур до и после облучения совместно ионами Si⁺ и O⁺.

Способ по варианту 1 применяют для приборных структур, обладающих сравнительно низкой радиационной стойкостью, т.е. таких структур, для которых при проведении стандартных натурных испытаний при облучении быстрыми нейтронами возможно получение отклонений критериальных параметров на величину, превышающую порог чувствительности средств контроля. Второй вариант применяют для структур, обладающих настолько высокой радиационной стойкостью, что при стандартных натурных испытаниях трудно получить отклонение критериальных параметров.

Способ имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами по первому варианту осуществляют следующим образом. Проводят облучение чувствительной области приборной структуры ионами с флюенсом Ф₁, при котором критериальные параметры приборной структуры отклоняются от заданного значения на величину, превосходящую допустимую для данного типа прибора, т.е. превышают порог чувствительности средств контроля критериальных параметров. Затем проводят компьютерный расчет концентрации дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры при флюенсе Ф₁ ионного облучения. После этого с помощью компьютерного расчета определяют эквивалентный флюенс Ф₂ нейтронного облучения, при котором концентрация дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры равна концентрации дефектов при вышеуказанном флюенсе Ф₁ ионного облучения. Далее проводят разовое натурное испытание быстрыми нейтронами с эквивалентным флюенсом Ф₂. Если изменение критериальных параметров приборной структуры при таком натурном испытании окажется (в пределах допустимой погрешности) равным изменению этих критериальных параметров при облучении эквивалентным флюенсом Ф₁ ионного облучения, то тестирование приборных структур в дальнейшем проводят облучением с флюенсом ионного облучения, эквивалентным заданному предельно допустимому флюенсу нейтронного облучения.

Способ имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами по второму варианту осуществляют следующим образом. Проводят облучение чувствительной области приборной структуры ионами с флюенсом, равным критическому, т.е. таким флюенсом, при котором критериальные параметры приборной структуры отклоняются от заданного значения на величину, превосходящую допустимую для данного типа прибора (превышают порог чувствительности средств контроля критериальных параметров). После этого с помощью компьютерного расчета определяют концентрацию дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры при указанном выше флюенсе ионного облучения. Затем проводят расчет флюенса Ф₁ нейтронного облучения (эквивалентного флюенса), при котором концентрация дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры равна концентрации дефектов (смещенных атомов) при указанном выше флюенсе ионного облучения. Далее проводят расчет эквивалентного флюенса Ф₂ нейтронного облучения, соответствующего заданному предельно допустимому флюенсу нейтронного облучения, т.е такому флюенсу, при котором приборная структура данного типа должна выдержать испытание без отклонения критериальных параметров на величины, превышающие допустимые отклонения. Если флюенс Ф₂ окажется меньше флюенса Ф₁, то проводят натурные испытания при флюенсе Ф₂ для данного типа приборных структур. Если приборная структура выдерживает это испытание, то далее тестирование проводят путем облучения ионами с флюенсом, эквивалентным предельно допустимому флюенсу нейтронов.

Компьютерный расчет концентраций и пространственного распределения точечных дефектов, создаваемых ионными пучками и быстрыми реакторными нейтронами в твердотельных гомофазных и гетерофазных структурах произвольной геометрии и состава, в том числе наноструктурах, позволяет производить выбор режимов ионного облучения, производимого с целью имитации действия реакторных нейтронов.

Использование метода Монте-Карло в компьютерном моделировании позволяет определить виды ионов, их флюенс и энергии, при которых в наиболее чувствительном к облучению объеме материала (области структуры, фазе) создается та же степень радиационного повреждения, то есть такая же концентрация пар Френкеля (для определенности будем говорить о вакансиях), что и при облучении заданным флюенсом реакторных нейтронов.

В общем случае при комнатной температуре облучения следует учитывать вторичные процессы, в которых участвуют компоненты пар Френкеля: их диффузия, рекомбинация, объединение в комплексы типа дивакансий или междоузлий, захват ловушечными центрами и др. [N.P. Morozov, D.I. Tetelbaum, E.I. Zorin, A.F. Khokhlov, The calculation of secondary defect formation at ion implantation of silicon, Phys. Stat. Sol. A, 37 (1976) 57-69]. Однако в реальных случаях при нейтронном или эквивалентном ионном облучении (когда отсутствует заметное перекрытие каскадов смещения) можно полагать, что учет вторичных процессов лишь несущественно нарушит соотношение между степенями повреждения для двух видов облучения.

Основные различия в характере радиационного повреждения при нейтронном облучении и облучении ионами a priori могут быть обусловлены следующими факторами.

При облучении нейтронами первично выбитые атомы стартуют в точках, однородно распределенных внутри материала, тогда как при облучении ионами последние стартуют от поверхности структуры. При этом дефектообразование под действием ионов затрагивает лишь приповерхностный слой с толщиной порядка среднего проецированного пробега R_p, тогда как нейтроны создают квазиоднородное распределение дефектов. Несколько различаются и энергетические спектры движущихся атомов, пересекающих определенный элемент объема и способных выбивать неподвижные атомы из узлов. Тем не менее, достижение практически достаточной эквивалентности степени радиационного повреждения наноструктур при облучении реакторными нейтронами и пучком ионов на не слишком больших глубинах возможно.

При моделировании облучения реакторными нейтронами использовали данные о спектре нейтронов для ядерного реактора ГИР-2 [Мырова Л.О., Чепиженко А.В. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. - М.: Радио и связь, 1988. - 296 с.] и данные о сечении рассеяния нейтронов [Adair, R. Neutron cross-sections of the elements // Rev. Mod. Phys. - 1980, v. 22, N2. - P. 249-259; Физика быстрых нейтронов / Под ред. Мариона Дж., Фаулера Дж. - М.: Атомиздат, 1966, с. 517; Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины (справочник). - М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.]. При этом распределение атомов отдачи по углам считалось изотропным, а по энергиям (от E_max до E_d, где Е_max=4М E_n/(1+М)², Е_n - энергия нейтрона, М - массовое число атома вещества) - однородным. Возможное отклонение от изотропности снизит число образованных вакансий на 30-50% [Effects of radiation on semiconductors / V.S. Vavilov. - Consultants Bureau, 1965. - 225 p.].

Разработанный способ имитационного тестирования универсален по отношению к виду приборных структура учетом указанного выше ограничения по толщине и глубине залегания наиболее чувствительной области структуры. Выбор сорта (сортов) ионов для моделирования определяется химическим составом компонентов, входящих в состав структуры, а также тем, в какой (каких) областях требуется моделировать радиационное повреждение. Если структура или ее область, подлежащая процедуре моделирования, гомогенна и одноатомна, то сорт ионов совпадает (или близок) с основным сортом атомов, из которых состоит структура или ее часть. В случае гомогенных, но многоатомных систем с близкими атомными номерами атомов, например GaAs, можно ограничиться выбором ионов одного сорта, а при большом отличии атомных масс необходимо использовать ионы каждого из химических элементов материала в соответствующей пропорции. Некоторые трудности возникают в случае гетерогенных систем, например структур с контактами типа барьера Шоттки, когда атомная масса атомов контакта сильно отличается от массы атома полупроводника. В этом случае выбор сортов ионов, их энергий и флюенсов, наилучшим образом имитирующих случай нейтронного облучения, может производиться методом проб и ошибок с учетом данных по распределению дефектов (вакансий) в данной гетерогенной системе, и последующей коррекцией, рассчитанному по SRIM [SRIM - The stopping and range of ions in matter (2010) / J.F. Ziegler, M.D. Ziegler, J.P. Biersack // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. - 2010. - Vol. 268. - P. 1818-1823], и проведения дополнительного облучения ионами с массой, равной или близкой к массе атомов слоя (слоев), граничащего с чувствительной областью приборной структуры. Чтобы снизить степень неоднородности распределения дефектов по глубине при ионном облучении, можно использовать полиэнергетическое облучение, т.е. проводить последовательно облучение ионами с двумя или более энергиями, рассчитывая при этом флюенсы по программе SRIM так, чтобы результирующее распределение было квазиоднородным.

Ниже приведены примеры реализации данного способа по первому варианту.

В первом примере было исследовано влияние облучения ионами аргона и нейтронами на величину сопротивления планарных полупроводниковых образцов (резисторов) типа n⁺-n-n⁺ (см. табл. 1). Конструкция образцов представляла собой планарную GaAs структуру, выращенную на полуизолирующей GaAs подложке и содержащую полуизолирующий буферный GaAs слой, слой GaAs с уровнем легирования 3⋅10¹⁷ см^-3 и контактный слой с уровнем легирования более 3⋅10¹⁸ см^-3. На контактном слое располагались AuGe-Au омические контакты. Вокруг планарных резисторов вытравливалась мезаструктура, предотвращающая протекание тока по периферии приборов. Между контактами сильно легированный (контактный) слой полупроводника был стравлен, так что ток протекал по GaAs слою с уровнем легирования 3⋅10¹⁷ см^-3.

Такая конструкция исследуемых образцов позволяла проводить облучение ионами аргона с лицевой стороны структуры так, что ионы проникали в проводящий полупроводниковый слой и модифицировали его. В ходе эксперимента сравнивалось сопротивление образцов до и после облучения ионами и быстрыми нейтронами со средней энергией 1 МэВ. В качестве источников излучения использовался импульсный ядерный реактор и технологический имплантер. Энергия ионов составляла 30, 60 и 90 кэВ. Облучение ионами с указанными энергиями проводилось последовательно с равными флюенсами. Значения энергии ионов рассчитаны по программе SRIM так, что ионы проникали на всю глубину проводящего слоя структуры, а также захватывали прилегающий к нему полуизолирующий слой GaAs.

Результаты эксперимента показывают, что с помощью заявленного способа возможен подбор оптимального флюенса облучения таким образом, что сопротивление образцов изменяется аналогично изменению при нейтронном облучении.

В следующем примере для проведения экспериментов по ионному облучению ионами As⁺ были выращены гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками на подложке GaAs и исследованы излучающие свойства облученных и исходных структур.

Для осуществления эксперимента по проведению эквивалентного нейтронному воздействию ионного облучения был рассчитан соответствующий флюенс ионов As⁺ (см. табл. 2).

Видно, что при флюенсе ионов 10⁹ см^-2 происходит снижение интенсивности излучения квантовых ям более чем на два порядка величины, как и в случае нейтронного воздействия с флюенсом 10¹⁵ н/см². Дальнейшее увеличение флюенса ионов приводило к полному гашению интенсивности излучения в области квантовых ям (фиг. 1, 2).

Влияние ионного облучения на излучающие свойства квантовых точек в целом также выглядит подобным эквивалентному нейтронному воздействию (фиг. 3 и 4). В обоих случаях квантовые точки демонстрируют более высокую радиационную стойкость по сравнению с квантовыми ямами. В целом, сопоставление влияния исходного нейтронного воздействия и эквивалентного имитирующего ионного облучения на излучающие свойства структур выявило одинаковые особенности поведения спектров фотолюминесценции квантовых ям и квантовых точек.

Ниже приведены примеры реализации данного способа по второму варианту для структур, сформированных на базе кремния, подвергнутых облучению реакторными нейтронами реактора типа ГИР-2 со средней энергией быстрых нейтронов 1 МэВ. В качестве имитирующих ионов взяты ионы Si⁺. На фиг. 5 приведены распределения концентрации вакансий в образце кремния при облучении нейтронами с флюенсом 1⋅10¹⁵ см^-2 и при последовательном облучении ионами Si⁺ двух энергий (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2 + 56 кэВ, 2.2⋅10⁹ см^-2). Видно хорошее соответствие для двух видов облучения в области глубин до 230 нм. Такое соответствие достигается несмотря на значительное расхождение энергетических спектров движущихся частиц в случае нейтронов и ионов в области высоких энергий быстрых атомов (фиг. 6). Однако доля высокоэнергетических частиц мала; соответственно, мал и ее вклад в общую концентрацию вакансий. В области же низких энергий, как видно из фиг. 6, спектры близки.

Близкими для двух видов облучения оказываются не только интегральные распределения вакансий. Картина пространственного распределения смещений, созданных ионами в поверхностном слое с толщиной ~(R_p+ΔR_p), в проекции на плоскость X-Y, параллельную поверхности (фиг. 7а), практически не отличается от картины распределения вакансий, созданных нейтронами, для которых в силу изотропности рассеяния вид распределения не зависит от ориентации плоскости проекции (проекция на плоскость X-Z, перпендикулярную поверхности, в случае нейтронов приведена на фиг. 7б).

Рассмотрим далее случай облучения гетероструктуры Si/Ge_xSi_1-x/Si (х=0,5), в которых слой Ge_xSi_1-x толщиной 10 нм расположен на глубине 100 нм. Распределение по глубине вакансий, образованных нейтронами с флюенсом 1⋅10¹⁵ см^-2 и Si⁺ с энергией 140 кэВ, приведено на фиг. 8. Имеет место удовлетворительное согласие профилей концентраций как внутри, так и вне слоя Si_0,5Ge_0,5 при флюенсе Si⁺, равном 6.3⋅10⁹ см^-2.

На фиг. 9 схематически показаны сечения структуры, в которой цилиндрические островки Si_0,5Ge_0,5 с толщиной 10 нм и диаметром 80 нм расположены случайным образом внутри кремния на глубине 100 нм. Такие структуры формируются методом молекулярно-лучевой эпитаксии и могут применяться, например, в качестве фотоприемников или светоизлучателей в оптоэлектронных устройствах, демонстрируя высокую радиационную стойкость. Там же показаны смоделированные методом Монте-Карло положения вакансий, созданных при облучении ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2) и нейтронами (1⋅10¹⁵ см^-2) в проекции на плоскость образца. Учтены только те вакансии, которые находятся на глубинах 100-110 нм, где локализованы островки. Видно, что для обоих видов излучения картины распределения вакансий подобны, и что при данных условиях только малая доля (20-30%) островков содержит вакансии радиационного происхождения.

На фиг. 10 показаны спектры фоточувствительности эпитаксиальной гетероструктуры p⁺ (подложка КДБ-0,01 (100)) - Si/Ge - n⁺⁺ (Si : As), измеренные до и после облучения ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2) или быстрыми нейтронами со средней энергией 1 МэВ и флюенсом в интервале 1⋅10¹⁴-5⋅10¹⁴ см^-2. В данной структуре слой островков SiGe расположен на глубине 100 нм от поверхности, что соответствует геометрическим параметрам, использованным в расчете концентраций дефектов при нейтронном и ионном облучении. Видно, что вплоть до самых больших набранных значений флюенса не наблюдается изменения критериального параметра - интенсивности фоточувствительности во всем исследованном спектральном диапазоне, соответствующем поглощению света в кремнии и островках SiGe.

Как отмечалось выше, для гетерофазных структур ионно-лучевая имитация может потребовать применения последовательного облучения ионами двух и более сортов. Так, для структур с барьерами Шоттки Au/Si, атомы отдачи золота производят более плотные каскады и при равных условиях создают в Si больше вакансий по сравнению с атомами отдачи кремния. Поэтому для имитации нейтронного воздействия в такой системе следует применять двойное облучение - Si⁺ и Au⁺ (с целью экспериментального упрощения процедуры, с достаточной степенью приближения к реальности, вместо ионов Au⁺ можно использовать «газовые» ионы - Хе⁺). Имитация в данном случае возможна только при условии, что пробеги ионов Au⁺ или Хе⁺ превышают толщину пленки золота.

В следующем примере предложенный способ апробирован на конденсаторных структурах типа Au/Zr/SiO₂/TiN/Ti, проявляющих воспроизводимый эффект биполярного резистивного переключения, связанный с формированием и локальным окислением проводящих каналов (филаментов) в оксидном материале [Bipolar resistive switching and charge transport in silicon oxide memristor / A.N. Mikhaylov, A.I. Belov, D.V. Guseinov, D.S. Korolev, I.N. Antonov, D.V. Efimovykh, S.V. Tikhov, A.P. Kasatkin, O.N. Gorshkov, D.I. Tetelbaum, A.I. Bobrov, N.V. Malekhonova, D.A. Pavlov, E.G. Gryaznov, A.P. Yatmanov // Mat. Sci. Eng. B. - 2015. - V. 194. - P. 48-54].

Влияние облучения на мемристивную конденсаторную структуру типа «металл-диэлектрик-металл» преимущественно обусловлено радиационным повреждением активного диэлектрика, в данном случае SiO₂. При этом в слое SiO₂ образуются атомы отдачи двух видов - Si и О. Таким образом, имитация облучения быстрыми нейтронами может быть осуществлена путем последовательного облучения ионами Si⁺ и O⁺ (Si⁺+O⁺). Для структуры типа Au/Zr/SiO₂/TiN/Ti ионы, прежде чем проникнуть в активный слой SiO₂, проходят слой электрода Au и при этом теряют часть энергии, при этом часть ионов останавливаются в этом слое. Был выполнен расчет флюенсов облучения ионами Si⁺и O⁺ с энергией 150 кэВ, при которых концентрация смещенных атомов в центральной области слоя SiO₂ равнялась концентрации смещенных атомов, образованных нейтронами с заданным флюенсом в той же области.

Расчет концентрации смещенных атомов, образованных быстрыми нейтронами для наноструктуры Au (40 нм) / Zt (3 нм) / SiO₂ (40 нм) / TiN (25 нм) / Ti (25 нм) на окисленной подложке кремния, геометрические параметры которой соответствуют экспериментальным структурам, а также расчет распределения полного количества смещенных атомов, созданных при ионном облучении, производят методом Монте-Карло. Флюенсы ионов при энергии 150 кэВ в диапазоне 8.8⋅10⁹-8.8⋅10¹¹ см^-2 для Si⁺ и 1.1⋅10⁹-1.1⋅10¹¹ см^-2 для О⁺ обеспечивают такие же значения концентраций смещенных атомов в слое SiO₂, как и для случаев облучения нейтронами при энергии 1 МэВ с флюенсом 10¹⁵-10¹⁷ см^-2.

На фиг. 11 приведены распределения смещенных атомов при различных флюенсах совместной имплантации ионов Si⁺ и O⁺, а также соответствующие концентрации смещенных атомов, образованных быстрыми нейтронами в центральной области слоя SiO₂. Сравнение результатов расчета дает эквивалентные значения флюенсов для ионов Si⁺+O⁺ с энергией 150 кэВ, обеспечивающие такие же значения концентраций смещенных атомов в слое SiO₂, как для нейтронов с энергией 1 МэВ.

Для экспериментальной реализации имитационного тестирования стойкости конденсаторные структуры Au/Zr/SiO₂/TiN/Ti с теми же геометрическими параметрами, что и в расчете, были изготовлены методом магнетронного распыления.

Для получения мемристивного эффекта конденсаторную структуру после изготовления подвергают электроформовке путем подачи отрицательного напряжения. На фиг. 12 приведены типичные вольтамперные характеристики структуры до и после электроформовки. Как видно, структура может находиться в одном из двух состояний - состоянии с высоким сопротивлением (HRS) и состоянии с низким сопротивлением (LRS), которые отличаются по сопротивлению более чем на порядок величины, что отвечает типичным требованиям к функционированию мемристивных структур для их применения в качестве элементов памяти.

Было определено влияние облучения на значения токов при напряжении +0,5 В (напряжение считывания) в состояниях с высоким и низким сопротивлениями. Эксперименты проводят следующим образом. Каждую структуру после электроформовки подвергают пятикратному переключению из LRS в HRS и обратно (пять циклов переключения), после чего проводят облучение ионами. При этом перед облучением одни структуры переводятся в LRS, другие - в HRS, так как результат облучения может зависеть от исходного состояния. После облучения в обоих случаях измеряют токи при считывающем напряжении. Прежде чем переходить к следующему сеансу облучения, со структурой проводят те же манипуляции с подачей отрицательного и положительного напряжений, что и для исходной структуры, и, если переключение из одного состояния в другое сохранилось, структуру переводят в нужное состояние, после чего следует очередное облучение до заданного флюенса.

Из данных фиг. 13 следует, что вплоть до облучения максимальным использованным флюенсом (Si⁺+O⁺), эквивалентным, согласно расчету, флюенсу реакторных нейтронов с энергией ~1 МэВ, равному 10¹⁷ см^-2, резистивное переключение сохраняется, а значения токов в большинстве случаев испытывают изменения, не превышающие разброс значений для исходных (необлученных) структур. В некоторых случаях непосредственно после облучения в HRS значение тока возрастает, но после первого же цикла перезаписи резистивные состояния воспроизводятся (с учетом разброса). В случае облучения в LRS существенных изменений токов вообще не наблюдалось. Полученные результаты имитационного тестирования позволяют прогнозировать высокую радиационную стойкость указанных мемристивных структур.

Таким образом, предлагаемый способ, представляя собой новый эффективный метод имитационного тестирования стойкости приборных структур к облучению быстрыми нейтронами, обеспечивает выполнение указанной актуальной задачи на основе применения простого и доступного по стоимости стандартного оборудования для получения экспрессной оценки чувствительности параметров приборных структур к воздействию нейтронных потоков.

Группа изобретений относится к способам имитационного тестирования изделий микро- и наноэлектроники. На приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 10⁹ см^-2 до 10¹⁵ см^-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами, причем для установления правильности расчета эквивалентного флюенса выбирают флюенс ионного облучения, при котором изменение критериальных параметров превышает порог чувствительности средства контроля критериальных параметров, определяют соответствующий эквивалентный флюенс облучения быстрыми нейтронами, проводят разовое натурное испытание облучением приборной структуры быстрыми нейтронами при эквивалентном флюенсе, сравнивают полученное отклонение критериальных параметров с отклонением при выбранном флюенсе ионного облучения и судят по результату сравнения о правильности расчета эквивалентного флюенса. Технический результат - повышение достоверности результатов испытаний, сокращение времени испытания, использование доступного для исследователей оборудования. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 13 ил., 2 табл.

1. Способ имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами путем воздействия на указанную структуру эквивалентным облучением другого типа и оценки степени радиационной стойкости по величине отклонения критериальных параметров структуры в результате такого воздействия, отличающийся тем, что на приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 10⁹ см^-2 до 10¹⁵ см^-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами, причем для установления правильности расчета эквивалентного флюенса выбирают флюенс ионного облучения, при котором изменение критериальных параметров превышает порог чувствительности средства контроля критериальных параметров, определяют соответствующий эквивалентный флюенс облучения быстрыми нейтронами, проводят разовое натурное испытание облучением приборной структуры быстрыми нейтронами при эквивалентном флюенсе, сравнивают полученное отклонение критериальных параметров с отклонением при выбранном флюенсе ионного облучения и судят по результату сравнения о правильности расчета эквивалентного флюенса.

2. Способ имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами путем воздействия на указанную структуру эквивалентным облучением другого типа и оценки степени радиационной стойкости по величине отклонения критериальных параметров структуры в результате такого воздействия, отличающийся тем, что на приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 10⁹ см^-2 до 10¹⁵ см^-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами производят сравнение критического флюенса ионов с флюенсом, эквивалентным заданному предельно допустимому флюенсу быстрых нейтронов, и в случае, если этот флюенс ионов меньше критического, то проводят разовое натурное испытание при флюенсе быстрых нейтронов, равном предельно допустимому, если при этом отклонение критериальных параметров не превышает допустимую величину, то в дальнейшем испытание стойкости приборных структур к облучению быстрыми нейтронами проводят путем облучения ионами с флюенсом, эквивалентным предельно допустимому флюенсу быстрых нейтронов.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что компьютерное моделирование проводят методом Монте-Карло.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что приборная структура выполнена на основе кремния или германия.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что приборная структура выполнена на основе полупроводникового соединения типа А₃В₅.

6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для имитационного тестирования используют ионы химических элементов, входящих в состав чувствительной области приборной структуры, либо подбирают ионы, близкие по массе к ним, например ионы инертных газов.

7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве приборной структуры выбирают мемристорную тонкопленочную структуру с многократным резистивным переключением.

8. Способ по п. 2 или 6, отличающийся тем, что в качестве критериальных параметров выбирают напряжение переключения из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением, напряжение перехода из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением и величины токов в этих состояниях.