автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний на надежность МОП интегральных микросхем

На правах рукописи

Чжо Ко Вин

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ МОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

05.27.01. - «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

005544620

ЗП янв 2014

МОСКВА-2013 г.

005544620

Диссертация выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель:

доктор технических наук

Попов Виктор Дмитриевич

профессор кафедры «Микро- и наноэлектроники»

НИЯУ «МИФИ», г.Москва

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор кафедры «Полупроводниковая электроника» Национального исследовательского университета «МЭИ» Гуляев Александр Михайлович

кандидат технических наук, ведущий специалист,

ОАО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники и завод «Микрон» Вавилов Владимир Алексеевич

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследователький институт космического приборостроения»

Защита состоится 2^.00.101^ г. в час ДО мин на

заседании диссертационного совета Д 212.130.02 в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» по адресу: 115409, Каширское шоссе, 31. Телефоны: 8 499 84 98, 8 499 323 91 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор

Скоробогатов П.К.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В настоящее время остро стоит проблема обеспечения нормального функционирования бортовой аппаратуры космических объектов в течение 10 -15 лет, а в перспективе 20 лет при воздействии ионизирующего излучения космического пространства. При этом значительную долю электронной компонентной базы (ЭКБ) составляют МОП приборы и МОП интегральные микросхемы (ИМС). Надо отметить, что наибольшее распространение получили комплементарные МОП ИМС (КМОП ИМС), которые построены на МОП транзисторах с п-каналом и р-каналом и которые обладают рядом существенных достоинств (низкая потребляемая мощность при достаточно высоком быстродействии, помехоустойчивость, масштабируемость). Поэтому сроки хранения и нормального функционирования КМОП ИМС представляют огромный интерес.

На первом этапе эксплуатации КМОП ИМС наблюдается повышенная интенсивность отказов из-за технологических дефектов. Для снижения интенсивности отказов на этом этапе используются методы отбраковки ненадежных изделий. При применении высококачественных изделий (класса «Space») интенсивность отказов ЭКБ значительно снижается, что позволяет обеспечивать длительное функционирование на втором этапе «жизненного цикла». На третьем этапе имеет место процесс старения, в котором наблюдается ухудшение параметров изделий, что приводит к отказу аппаратуры.

Исследования воздействия низкоинтенсивного облучения, в результате которых наблюдался рост плотности поверхностных состояний на границе раздела Si-SiOj, проводились как в нашей стране (см., например, работы [1] и [2]), так и за рубежом (см., например, [3] и [4]). Но с позиций надежности этот эффект не рассматривался.

Поэтому изучение радиационно-стимулированных процессов старения МОП ИМС является актуальной проблемой. Особенно это касается применения МОП ИМС в условиях длительного низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения (ИИ).

До настоящего времени проверка качества микросхем осуществляется с помощью проведения ускоренных испытаний при повышенной температуре, в то время как радиационные испытания проводятся при нормальной температуре в условиях низкоинтенсивного воздействия ИИ. Поэтому остается неясным соответствие результатов, полученных в случае ускоренных испытаний при повышенных температурах, результатам радиационных испытаний при нормальных условиях и низкоинтенсивном облучении.

Целью настоящей работы является прогнозирование отказов МОП ИМС в период старения в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения на основе использования ускоренных испытаний при повышенной температуре.

Для достижения поставленной диссертационной работе цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ результатов исследований образования поверхностных дефектов в широком диапазоне мощностей доз и длительностей воздействия ионизирующего излучения.

2. Провести длительные исследования процесса образования поверхностных дефектов в условиях низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения.

3. Уточнить модель образования поверхностных дефектов при длительном воздействии ионизирующего излучения.

4. Провести длительные испытания в условиях низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения

5. Провести ускоренные испытания при повышенной температуре и сопоставить их результаты с результатами радиационных испытаний при низкоинтенсивном облучении ионизирующим излучением.

Осповные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Физическая модель процесса старения при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения;

2. Метод использования кольцевых генераторов для прогнозирования отказов при испытании на надежность;

3. Метод установления соответствия между ускоренными испытаниями при повышешюй температуре и при низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения.

Научная новизна:

1. Предложен новый «надежностный» подход к анализу результатов радиационных испытаний при низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, позволяющий выявить два этапа радиационно-стимулированного процесса старения;

2. Предложена физическая модель процесса старения при длительном (более -1000 часов) низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, включающая два этапа накопления дефектов на границе раздела

3. Применены впервые кольцевые генераторы для длительных испытаний в условиях низкоинтенсивного облучения и при повышенной температуре;

4. Предложена методика сопоставления результатов испытаний при повышенной температуре и при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения.

Практическая значимость.

1. Установлена связь между ускоренными испытаниями при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении. Получено, что низкоинтенсивное облучение не дает выигрыша во времени, но дает большой экономический эффект.

2. Выбран режим переключения при низкоинтенсивном облучении и предложена методика прогнозирования отказов КМОП ИМС с использованием экспоненциальной функции, описывающей изменение минимального напряжения функционирования кольцевых генераторов.

3. Применение методики измерения минимального напряжения питания кольцевого генератора использовано при испытаниях КМОП ИМС серии 1582.

4. Применение физической модели образования поверхностных дефектов позволит прогнозировать отказы МОП ИМС на этапе старения.

Апробация диссертации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры Микро- и наноэлектроники в 2013 году, на конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» в 2011году, на 43-ем международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» в 2012 году, на научной сессии НИЯУ МИФИ в 2013 году, а также на всероссийских научно-технических конференциях «Стойкость-2011», «Стойкость-2012» и «Стойкость-2013».

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения и пяти приложений с общим объемом 99 страниц, включая 47 рисунков, 8 таблиц и список используемой литературы из 51 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования и основные задачи, решаемые в диссертационной работе. Отмечается актуальность прогнозирования процесса старения.

В первой главе отмечается необходимость использования ускоренных испытаний КМОП ИМС. Наиболее широко применяются ускоренные испытания при повышенной температуре. Однако представляет интерес использование радиационного воздействия для ускорения процесса старения. Этот процесс проявляется прежде всего в КМОП ИМС в образовании поверхностных состояний на границе раздела кремний-оксид кремния в МОП транзисторах. Поэтому в данной главе приводится обзор моделей процессов образования поверхностных состояний при низкоинтенсивном воздействия ионизирующего излучения.

Образование поверхностных состояний в МОП структуре при воздействии ионизирующего излучения согласно моделям отечественных ученых может проходить двумя путями. Общим моментом всех моделей является ионизация диэлектрика и перемещение дырок, образованных в объеме подзатворного оксида, к границе раздела с кремнием с последующим попаданием в приповерхностную область оксида кремния.

Далее по модели, описанной в [1], происходит туннелирование дырки в приповерхностную область кремния, «всплывание» и захват ее на уровень напряженной связи. В результате образуется дефект, называемый «поверхностным состоянием» Параллельно может происходить процесс, обусловленный ионизацией К-оболочек кремния в приповерхностной области. Эта модель показана на рис. 1.

л

* 1 Л /

• Уровни ПС е Ч 1 /

\ « / ! НС /

V,-®— ** м з . .V 1. ~ оболочка

м, / К-оболочка

Рис.1. Образование поверхностных состояний при ионизации пленки оксида и при ионизации К-оболочки кремния: образование дырки (1), движение дырки к границе раздела Б^-БЮг (2), переход дырки в валентную область кремния (3), захват на уровень напряженной связи (4) и образование дефекта (5) [1]

По модели, описанной в [2] и названной «конверсионной моделью», образовавшиеся дырки в оксиде при воздействии ионизирующего излучения двигаются к границе с кремнием и захватываются на уровни дефектов, уровни которых располагаются в пределах запрещенной зоны кремния. Причем дырки, захваченные вблизи границы раздела с кремнием конвертируются поверхностное состояние за короткое время, а для дырок, захваченных в глубине пленки оксида, требуется длительный период времени. Модель иллюстрируется на рис.2, эо,

-г

<0.>м В—— □ <М„>м соЛ)г I (н„)г

-Т\

Рис.2. Конверсионная модель образования поверхностных состояний [2]

В зарубежной литературе отдается предпочтение «водородной» модели [3]. Согласно этой модели в пленке оксида кремния нейтральный атом водорода Н° при воздействии ионизирующего излучения захватывает образовавшуюся дырку А и становится протоном Н* Н0 + И-*Н+.

Поскольку не все атомы водорода ионизируются, то, наблюдаются два процесса. При ¿Г-процессе имеет место диффузия нейтральных атомов водорода, которые на границе раздела участвуют в реакции

= &-Н+Н°-* = БГ + Н2

и образуют /?4-центр.

Рь

Этот процесс протекает очень медленно. Второй ///'-процесс проходит с участием реакции (3) и реакции

= Л' - Я + + е" —► = 57' + П2 и также образует /»¿-центр. Д^

Рь

Таким образом, имеются два процесса образования поверхностных состояний - медленный (ЦТ) и быстрый (НТ). В обоих случаях образуется так называемый рь — центр (рис.3).

Генерация электронно-дырочных пар под действием ИИ

Образование ПС

Затвор

■захват дырок в оксиде _[_ — вблизи границы (£') + ~

Высвобождение ц-К*-»-протонов

Прыжковый перенос дырок через локализованные состояния в объеме вЮа

Рис.3.Процесс образования поверхностных состояний с участием водорода[ 3]

В обзоре также уделяется внимание «водородным разновидностям» (Н2, ОН", Н20, которые также принимают участие в образовании поверхностных состояний на границе раздела кремний-оксид кремния.

Все описанные выше процессы описываются экспоненциальной зависимостью вида

ДЛГй(0 = (ДЛГЛ)„[1 -

где (ЛЛ^н - плотность ПС при насыщении, а -скорость поверхностного дефектообразования.

(1)

параметр, характеризующий

Во второй главе проведено исследование образования поверхностных дефектов при воздействии низкоинтенсивного гамма-излучения. Гамма-излучение является основным средством исследования долговременных радиационных эффектов в МОП приборах и интегральных микросхем на их основе.

В данной работе предлагается «надежностный» подход, который позволяет рассматривать радиационные эффекты в МОП транзисторах (МОПТ) как процесс, протекающий во времени / при воздействии ионизирующего излучения с мощностью дозы Р. В этом случае поглощенная доза В=Р-1 характеризует интегральную поглощенную энергию.

Анализ зарубежных работ по длительному облучению МОП транзисторов показал [4], что наблюдается возрастание плотности поверхностных состояний во времени при разных мощностях дозы. На рис.4 показано, что при снижении мощности дозы резко увеличивается уход

порогового напряжения МОПТ как при дозовом (рис.4,а), так и при «надежностном» подходе (рис.4,б). В этом случае увеличение плотности поверхностных состояний можно описать выражением вида

щ, (о=(Аддя [1 - ]+ш; (о, (2)

в котором (АЫц)ц- плотность поверхностных состояний (ПС) при насыщении «дозового» процесса, а — параметр, характеризующий скорость образования поверхностных состояний, ¿Щ, (¡) - составляющая «временнбго» процесса (дополнительные поверхностные дефекты -ПД).

Рис.4. Изменение сдвига порогового напряжения МОП транзистора (а), вызванного поверхностными дефектами, плотности поверхностных состояний и дополнительных дефектов (б) при разных мощностях дозы для образцов подзатворного оксида с толщиной 100 нм

Изменение плотности поверхностных дефектов при снижении мощности дозы сначала медленно возрастает, а затем при больших временах облучения резко увеличивается. Для изучения этого эффекта были проведены длительные облучения при разных мощностях дозы гамма-излучения. Облучение проводилось в вертикальном канале шахты-хранилища реактора ИРТ МИФИ. Источником гамма-излучения являлся изотоп Cs13 . Измерения стоко-затворных характеристик производилось в широком диапазоне токов с использованием анализатора полупроводниковых приборов Agilent Technologies В1500А. Для определения плотностей поверхностных дефектов использовался метод подпороговых токов [5].

На первом этапе экспериментального исследования использовались К МОП ИМС типа 564ЛА9. Экспериментальные результаты показали (рис.5), что с уменьшением мощности дозы снижается сдвиг порогового напряжения AUo,, вызванный зарядом в оксидных ловушках и возрастает плотность

поверхностных ловушек Кроме того, наблюдается дополнительный рост Л',, за счет Л Л"«*.

(а) (б)

Рис. 5. Изменение &им0, Р) (а) и N¡/1. Р) (б) при разных мощностях дозы

На втором этапа экспериментальных исследований проводили облучение МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526 в режиме хранения и в режиме переключения. Использование метода подлороговых токов позволило получить зависимость плотности поверхностных дефектов от времени облучения при мощности дозы Л =0,1 рад/с. Указанные зависимости представлены на рис.6. Как можно видеть, и в случае облучения в пассивном режиме (а) и в режиме переключения (б) наблюдаются 2 этапа поверхностного дефсктообразования.

Рис. б. Изменение средней плотности поверхностных дефектов во времени при Р=0,1 рад/с в пассивном режи.ие: (!) - общая зависимость, (2) -юменение плотности ПС. (3) - изменение пяотности ПД

Таким образом, при длительном низкоинтенсивном облучении гамма-лучами как в пассивном режиме, гак и в режиме переключения имеет место два этапа поверхностного дефехтообраэоаа н и я.

Дня выяснения роли объема оксидной пленки в данной работе был проведен эксперимент, в котором исследовались тестовые КНИ и-канальные МОП транзисторы с толщиной пленки оксида е^бЯ им на островке кремниевой пленки толщиной е1ц, = 200 им. Использовались тестовые транзисторы л-тнпа, изготовленные по технологии 0,35 мкм с длиной канала 0,35 мкм и шириной канала 18,7 мкм. Облучение образцов проводилось при мощности дозы /*=0,1 рал/с в пассивном режиме.

Используя метод нодпороговмх токов, были определены зависимости плотности поверхностных дефектов от времени облучения. На рис.7 представлена средняя зависимость ДЛ^/у, полученная при />=0,1 рад/с (кривая 1). Наличие изгиба на этой зависимости свидетельствует о двух этапах образования поверхностных дефектов. На рис.7 гак же показаны рост плотности понерхностных состояний (кривая 2) и дополнительных поверхностных дефектов (кривая 3).

Рис. 7.Изменение плотности поверхностных дефектав во времени при облучении гаима-лучами с мощностью дозы Р-0.1 рад/с.

Результаты экспериментов показали, что поскольку толщина пленки оксида снижает роль дефектов оксида то дополнительные дефекты появляются со стороны кремния.

В работе предложена физическая модель образования «дополнительных)» поверхностных дефектов, которые возникают в кремнии и мигрируют к транице раздела кремний-оксид кремния. В образовании дефектов кремния участвуют комнтоновские электроны. Основное внимание уделяется «подпороговому» дефсктообразованию в кремнии [6].

Из области «подпорогового» дефектообразовання в объеме кремния образовавшиеся дефекты мигрируют в приповерхностную область кремния и

вызывают рост плотности дополнительных поверхностных состояний

Поток дефектов описывается выражением

dt dx Ax

где D -коэффициент диффузии «подпороговых» дефектов, dNu - изменение плотности дополнительных поверхностных дефектов, сШд - изменение концентрации дефектов кремния в переходном слое от кремния к оксиду,

АЛ^

Дх - градиент распределения дефектов около границы Si02,

dK ,, AN*,

dt Ax - градиент распределения дефектов в переходном слое от кремния к оксиду кремния,

Лх — толщина переходного слоя от кремния к оксиду кремния.

В данной работе на основе данных [7] выбрано, что ширина переходного слоя «border traps» от Si к Si02 составляет Х~50 А.

Определены коэффициенты диффузии дефектов. Результаты приведены в таблице 1. Длина диффузии за время 1400 часов составляет величину около 20 мкм. Т.е. все процессы происходят в приповерхностной области кремния. Низкое значение коэффициента диффузии объясняется тем, что для перемещения «подпорогового» дефекта требуется ионизация соседних с дефектом атомов кремния. В таблице 1 также приводятся для сравнения коэффициенты диффузии «водородных разновидностей» и «надпороговых» дефектов кремния, которые рассчитаны по данным [3] и [6].

Таблица 1. Сравнение коэффициентов диффузии водородных разновидностей

и дефектов в кремнии при температуре 25°С

Дефекты D(TJ, см /с

0 Н 9.127x10

н 1.465x10

1.434x10

ОН 3.122x10

Н20 -20 4.56x10

Надпороговые дефекты -9 -10

1526 ЛЕ5 в пассивном режиме 2.217x10

1526 ЛЕ5 в активном режиме 3.87x10

КНИ тестовые МОПТ 1,984-Ю17

В третьей главе предлагается использование кольцевых генераторов для исследования надежности КМОП ИМС в период старения в режиме переключения при воздействии низкоинтенсивного гамма-излучения. Облучение проводилось в шахте-хранилище реактора ИРТ МИФИ при мощности дозы Р=0,1 рад/с.

Испытания кольцевых генераторов на КМОП ИМС типа 564ЛН2 проводились в пассивном режиме. После каждого этапа облучения включалось питание кольцевого генератора, состоящего из 53 инверторов. Результаты эксперимента позволили определить коэффициент ускорения отказов при воздействии низкоинтенсивного гамма-излучения. Он получился равным Ку = 4,19. Наработка на отказ составила 534 ч.

Проводились испытания кольцевых генераторов в тестовых КМОП ИМС в интегральном исполнении. Для прогнозирования отказа использовалось минимальное напряжения питания ¡Уми). При облучении и^и возрастает и отказ происходит при (/„„„= IIпт. Для прогнозирования времени отказа в литературе использовалась показательная функция вида

£/„„„(')= имт(0)+Л'т,

где £/„„„(/) и {/„„„(0) — значения минимального напряжения питания после и до облучения, I - время, А и т - параметры аппроксимирующей функции. В данной работе предложено использование экспоненциальной функции вида

иы„М = ^мкн(О) + ЛехрО I), в которой ииии(1) и {/„„„(0) — значения минимального напряжения питания после и до облучения, / - время, А и а — параметры аппроксимирующей функции.

Результаты испытаний при мощности дозы Р=0,1 рад/с в электрическом режиме переключения представлены в таблице 2. Они позволили определить минимальную оценку времени отказа.

Таблица 2. Времена отказов тестовых кольцевых генераторов при _воздействии ИИ с мощностью дозы Р~0,1 рад/с_

Тестовая схема Кольцевой генератор N ^ОГК

К1Я001 СС5 337 13 0,154

К1К004 Св! 556 23 0,083

Использование двух оценок времени отказа кольцевых генераторов позволило сделать прогноз для КМОП ИМС типа 1526ЛЕ5, т.к. отказ при испытаниях не был достигнут. Изменение минимального напряжения кольцевого генератора на элементах 2ИЛИ-НЕ показано на рис.8, а оценки времени отказа приведены в таблице 3.

Рис.8. Изменение минимального напряжения функционирования кольцевого генератора на микросхемах типа 1526ЛЕ5

Таблица 3. Результаты прогнозирования времени отказа 1526ЛЕ5 _при Р~0,1 рад/с_

Аппроксимация Время отказов

Показательная функция 22500 ч

Экпоненциальная функция 4028 ч

Как можно видеть, прогноз времени отказа при использованием экспоненциальной функции, как и в случае рис. 6, значительно меньше и может быть принято для прогноза с запасом.

По результатам испытаний вероятность отказа получилась равной

Ч™ N 11

откуда интенсивность отказов получается равной (см.таблицу 2 для случая экспоненциальной зависимости / = 4028 ч)

А=_1пм = а201= и 4028

В этом случае средняя наработка на отказ при мощности дозы ИИ 0,1 рад/с получилась равной (ср = 20 072 ч.

В четвертой главе поведено сопоставление ускоренных испытании при повышенной температуре с радиационными испытаниями при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения. При длительном хранении КМОП ИМС в пассивном режиме и при эксплуатации происходит релаксация напряженных валентных связей между атомами в приповерхностной области кремния, покрытого пленкой оксида кремния. Экспериментальные данные, полученные при низкоинтенсивном облучении и при ускоренных испытаниях, достаточно хорошо описываются экспериментальными зависимостями вида [1] и [8] соответственно

т, = (Алунас (1-ехр(-аР0),

ЛЛГ/Г = (АМц)шс (1-ехр(-а>ф,

где Р — мощность дозы, / - время воздействия дестабилизирующего фактора, а - эффективность радиационного воздействия, а - эффективность воздействия температуры.

В случае одинакового времени воздействия дестабилизирующего фактора I и равенстве плотностей поверхностных состояний при низкоинтенсивном облучении и при повышенной температуре эквивалентные условия могут быть определены из выражения

Таким образом, получаем значение мощности дозы Р, эквивалентное условиям испытаний при заданной температуре Т,

Р = ю0Ут ехр[(Езв - Ер)/кТ]/ а

где о)о - некоторый коэффициент, Ут - тепловая скорость дырок, Е5В -энергетический уровень напряженной связи (£^=-1,18 эВ), ЕР — уровень Ферми, отчитанный от границы валентной зоны, к — постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура..

При воздействии ионизирующего излучения процесс старения значительно ускоряется. В данной работе на основании опубликованных экспериментальных данных, полученных для КМОП ИМС типа 564ЛА9, проводился поиск соответствия результатов ускоренных испытаний при повышенной температуре и при воздействии ионизирующего излучения (ИИ)

Ускоренные испытания при повышенной температуре Г=150°С проводились в течение 392 часов в том же электрическом режиме, что в эксперименте, описанном в [9]. Результат испытаний представлен на рис.9.

Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем типа 564ЛБ5 в пассивном режиме при ТМбСС и низкоинтенсивном облучении и при Р=0,1 рад/с показано на рис.10 (кривые 1 и 2 соответственно). Определение эквивалентной мощности дано значение .Р=0,01 рад/с. Полученная при Р=0,01 рад/с представлена на рис.10 (кривая 3).

Рис.9. Изменение плотности АЛ'« для МОП транзисторов с п-каналом (а)и с р-каналом (б) в случае испытаний при Т=15в'С(!,) при нормальной температуре (2), при облучении электронами с Р=0,08 рад/с и 0,74 рад/с

1.*ся»и 1

1-ЗОС*12

У я

X

/ *

\

1

6.00€«11

1 О 1 Ю 1000 104 мм

Рис.Ю.Изменение плотности ПД при ускоренных испытаниях (1), радиационных испытаниях при мощностях дозы 0,1 рад/с (2) и 0,01 рад/с (3)

Сопоставление результатов испытаний интегральных микросхем типа 1526ЛЕ5 в пассивном режиме при 150°С и при облучении с Р=0,1 рад/с показано на рис.11 (кривые 1 и 2 соответственно). Определение эквивалентной мощности дозы дало значение Р=0,02 рад/с. Первый этап образования поверхностных состояний показан на рис.11 (пунктирная кривая) при мощности дозы Р=0,02 рад/с хорошо совпадает с результатами измерений при температуре 150°С (кривая 1). В дальнейшем температурная и радиационная зависимости расходятся.

Таким образом, использование низкоинтенсивного облучения может моделировать ускоренные испытания в пределах 2000 часов. Далее возникает второй этап поверхностного дефектообразования, который продолжается после 2000 часов облучения. На этом этапе согласно предложенной модели имеет место миграция дефектов из кремния, что увеличивает плотность поверхностных дефектов.

Рис.11. Сравнение результатов испытаний при температуре 150°С (1) и при облучении с Р^О, 1 рад/с (2). Пунктиром показан результат прогноза при

Р=0,02 рад/с

Сопоставление результатов испытаний в электрическом режиме тестовых структур кольцевых генераторов в интегральном исполнении производилось при напряжении питания 5 В в режиме переключения. Облучение тестовой КМОП ИМС проводилось при мощности дозы Р=0,1 рад/с, а испытания при температуре 7М50°С осуществлялись в термокамере. Результаты представлены на рис. 12. Определялась мощность дозы гамма-излучения, эквивалентная испытанию при температуре 150°С в режиме переключения. Хорошее совпадение зависимостей {/„„„(г) при температурном и радиационном воздействии получено при Р = 0,2 рад/с.

НИ'"

/ *

/

и

г"

-м +2 -н

ЗЮ

аз

5М'.Ч

'и.®

\ г

/

У

-4-1 -*-3

100

ю

зоо

(а) (б)~

Рис. 12. Изменение минимального напряжения функционирования тестовых кольцевых генераторов 4СС! (а) и 1С05(б): 1 — прогноз, 2-облучение при Р=0,1 рад/с, 3 - испытания при Т = 15СРС.

Таким образом, может быть найдена эквивалентная температурным испытаниям мощность дозы гамма-излучения при длительности испытаний до 1000 ч. для коммерческих КМОП ИМС и до 2000 ч. для других классов изделий. При больших временах начинается миграция дефектов из кремния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе доказано, что процесс старения МОП интегральных микросхем при долговременных радиационных испытаниях эквивалентен общепринятым ускоренным испытаниям при повышенной температуре, что показывает достижение поставленной цели.

Основные научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ экспериментальных данных отечественных и зарубежных авторов по радиационно-стимулированному старению МОП приборов и показано наличия двух этапов старения в случае длительных испытаний при воздействии низкоинтенсивного ИИ.

2. Показано, что радиационные испытания при низкоинтенсивном облучении и при испытании в случае повышенной температуры на первом этапе образования поверхностных состояний эквивалентны. На втором этапе сказывается диффузия дефектов из кремния, что не наблюдается при испытаниях в случае повышенной температуре.

3. Впервые предложена модель старения МОП приборов при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, в которой на первом этапе происходит образование поверхностных состояний на границе раздела а на втором этапе старения происходит миграция радиационных дефектов, образовавшихся в полупроводнике при облучении, к границе раздела &'-£/'02.

4. Предложен метод прогнозирования отказов кольцевых генераторов с использованием экспоненциальной функции, что значительно повысило точность определения времени отказа как при радиационных испытаниях, так и при испытаниях при повышенной температуре. Основные практические результаты диссертационной работы

заключаются в следующем:

1. Впервые предложено использование кольцевых генераторов для длительных испытаний логических элементов при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения и при повышенной температуре. Определена средняя наработка на отказ элементов серийных КМОП ИМС и тестовых элементов.

2. В случае испытания при низкоинтенсивном облучении может быть получен значительный экономический эффект по отношению к ускоренным испытаниям при повышенной температуре. Например: испытания в течение 1000 часов дает потребляемую энергию термокамеры 8М8-811 Е=3000 кВт ч и гамма-установки МРХ-у-30 Е=0,05 кВт-ч дает экономический эффект в 60 тысяч раз.

3. Применение методики измерения минимального напряжения питания кольцевого генератора использовано при испытаниях КМОП ИМС серии 1582.

В целом, научная и практическая значимость результатов работы заключается в том, что впервые в области старения МОП приборов осуществлен синтез теоретических и экспериментальных результатов и на этой основе может быть решена задача обеспечения длительного функционирования КМОП ИМС в условиях воздействия низкоинтенсивного излучения.

Список цитированных работ:

1. Першенков B.C., Попов В.Д., Шалыгов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах ИМС. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Конверсионная модель эффекта низкой интенсивности в биполярных микроэлектронных структурах при воздействии ионизирующего излучения./ В.С.Першенков, Д. В.Савченков, А. С.Бакеренков, В.Н.Улимов.//Микроэлектроника. 2006. Том 35. № 2. С.102-112.

3. Annealing of total dose damage: redistribution of interface states density on <100>, <110> and <111> orientation silicon./ R.E.Stahlbush, R.K.Lawrence, H.L.Hughes, N.S.Saks/ЛЕЕЕ Trans.on Nucl.Sci. 1988. Vol.NS-35. No 6. P.l 192-1196.

4. Dose rate effects on total-dose threshold-voltage shift of power MOSFETs./ SchrimpfR/D/ at al.// IEEE Trans, on Nuclear Science. 1988. Vol.NS-35. No 6. P.1536-1540.

5. McWhorter P.J., Winokur P.S. Simple technique for separating the effects of interface traps and charge metal-oxide-scmiconductor transistors. // J.Appl.Phys.Lett. 1986. Vol.48.Nol. P.133-135.

6. Вавилов B.C., Кив JI.E., Ниязова O.P. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках.- М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. 1981.

7. Fleetwood D.M. Border traps in MOS devices J! IEEE Trans.on Nucl.Sci. 1992. Vol.NS-39. No 6. P.269.

8. Физическая модель процесса старения МОП-структуры. /М.А.Булушева, В.Д.Попов, Г.А.Протопопов, А.В.Скородумова. // Физика и техника полупроводников. 2010. Том 44. Вып.4. С.527-532.

9. Моделирование радиационных эффектов в КМОП ИС при воздействии электронного облучения различной интенсивности. / В.В. Емельянов, О.В.Мещуров, В.Ш.Насибуллин, Р.Г.Усеинов.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Вып. 1 — 2. - М.: ЦНИИатоминформ, 1995. С.51 - 58.

Список работ по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Катеринич И.И., Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Анализ изменения плотности поверхностных состояний состояний в МОП-приборах при воздействии гамма-излучения в широком диапазоне мощностей дозы .//Bon росы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.1. С.43-45.

2. Чжо Ко Вин. Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний МОП интегральных схем Л Электронная техника. Сер.Полупроводниковые приборы. 2012. Вып.1(228). С.54-56.

3. Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Радиационно-стимулированное старение интегральных микросхемУ/Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.З. С.17-19.

4. Попов В .Д., Чжо Ко Вин, Чубунов П.А. Определение параметров надежности КМОП ИМС после низкоинтенсивного облучения.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.:Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.4. С.46-47.

5. Г.Ф.Белова, В.Д.Попов, Чжо Ко Вин. Сравнение радиационного и термического старения МОП интегральных микросхемУ/Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.2. С.29-32.

6. Чжо Ко Вин. Использование тестовых кольцевых генераторов для прогнозирования дозы отказа КМОП ИМС при воздействии низкоинтенсивного излучения.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научно-техн.сб. 2013.Вып.1. С. 67-69.

Статьи и материалы конференций

1. Катеринич И.И., Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Анализ изменения плотности поверхностных состояний состояний в МОП-приборах при воздействии гамма-излучения в широком диапазоне мощностей дозы.// Радиационная стойкость электронных систем - «Стойкость-2011». Научно-технический сборник. - М.: НИЯУ МИФИ, 2011. С.119-120.

2. Г.Ф.Белова, В.Д.Попов, Чжо Ко Вин. Сравнение радиационного и термического старения МОП интегральных микросхем.//Радиационная стойкость электронных систем - «Стойкость-2011». Научно-технический сборник.-М.: НИЯУ МИФИ, 2011. С.97-98.

3. Чжо Ко Вин. Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний МОП интегральных схем.//Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. Материалы X научно-технической конференции молодых специалистов. г.Дубна, 12-14 октября 2011 г. - М.: МНТОРЭС им.А.С.Попова, 2011. С.146-149.

4. В.Д.Попов, Чжо Ко Вин, П.А.Чубунов. Определение параметров надежности КМОП ИМС после низкоинтенсивного облученияУ/Тезисы докладов 15 Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем-«Стойкость-2012». Научно-технический сборник.- Лыткарино: НИИП, 2012. С.49-50.

5. Исследование процесса старения КМОП ИМС при длительном низкоинтенсивном воздействии гамма-излучения./А.В.Власов, Р.В.Власов, В.Д.Попов, Чжо Ко ВинУ/Тезисы докладов 16 Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем -«Стойкость-2013». Научно-технический сборник.-Лыткарино: НИИП, 2013. С.116.

6. Чжо Ко Вин. Использование тестовых кольцевых генераторов для прогнозирования дозы отказа КМОП ИМС при воздействии низкоинтенсивного излучения. //Тезисы докладов 16 Всероссийской научно-технической конфекепции по радиационной стойкости электронных систем «Стойкость-2013». Научно-технический сборник.-Лыткарино: НИИП, 2013. С.117-118.

7. А.В.Власов, Р.В.Власов, Е.С.Воронцов, В.Д.Попов, Чжо Ко Вин. Прогнозирование радиационных отказов КМОП микросхем при использовании кольцевых генераторов. //Научная сессия НИЯУ МИФИ-2013. Аннотации докладов. Том 1.- М.: НИЯУ МИФИ, 2013. С.129.

8. Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Сравнение роста плотности поверхностных состояний в МОП структуре при воздействии температуры и низкоинтенсивного ионизирующего излучения,- Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М-лы докладов Международного научно-методического семинара. - М.:НИУ «МЭИ», 2013. С.88-91.

Подписано в печать:

12.12.2013

Заказ № 9254 Тиране - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт»

На правах рукописи

04201456247

Чжо Ко Вин

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ МОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

05.27.01. Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборов на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Попов Виктор Дмитриевич

Москва-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................10

1.1 Ускоренные испытания КМОП ИМ С.........................................................10

1.2Радиационные эффекты при низкоинтенсивном облучении...................11

1.3.Модели образования поверхностных состояний при облучении ИИ.... 15 1.3.1 .Модель разрыва напряженных связей.................................................15

1.3.2.Конверсионная модель образования ПС.............................................17

1.3.3. «Водородная» модель образования ПС..............................................20

Выводы...................................................................................................................33

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ.........................................................................................................35

2.1 .Анализ литературных данных....................................................................35

2.2.Методика проведения исследования воздействия гамма-излучения на МОП транзисторы в КМОП ИМС...................................................................41

2.3. Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526ЛЕ5 в режиме хранения................................................................................................42

2.3.1 .Описание экспериментов......................................................................42

2.3.2. Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526 в режиме хранения..........................................................................................43

2.3.3 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526

в режиме переключения.................................................................................45

2.3.4 Исследование МОП транзисторов с КНИ структурой в тестовых КМОП ИМС в пассивном режиме................................................................47

2.4.Модель поверхностного дефектообразования..........................................50

2.4.1. Анализ литературных и экспериментальных данных......................50

2.4.2.Физическая модель образования «дополнительных» поверхностных дефектов...........................................................................................................53

Выводы...................................................................................................................59

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ КМОП ИМС В ПЕРИОД СТАРЕНИЯ В РЕЖИМЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ.........................................60

3.1.Описание методики испытаний..................................................................60

3.2. Исследование кольцевых генераторов на КМОП ИМС типа 564ЛН2.. 61

3.2.1. Описание эксперимента.......................................................................61

3.2.2. Особенности проведения контроля отказов КМОП ИМС...............62

3.2.3.Результаты испытаний..........................................................................63

3.3.Разработка методики прогнозирования отказов тестовых кольцевых генераторов.........................................................................................................64

3.3.1. Описание тестовых структур...............................................................64

3.3.2.Результаты эксперимента.....................................................................66

3.3.3.Выбор аппроксимации..........................................................................66

3.3.4.Результаты прогнозирования...............................................................67

3.4.Исследование отказов кольцевых генераторов на КМОП ИМС типа 1526ЛЕ5...............................................................................................................68

Выводы...................................................................................................................71

Глава 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИИ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ С РАДИАЦИОННЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ.................................................................72

4.1. Методика сопоставления результатов ускоренных испытаний и радиационных испытаний при низкой мощности дозы.................................72

4.2.Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем типа 564ЛА9 при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении ... 74

4.3. Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем типа

564ЛЕ5 в пассивном режиме при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении..........................................................................77

4.4.Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем типа 1526ЛЕ5 в пассивном режиме при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении..........................................................................78

4.5. Сопоставление результатов испытаний в электрическом режиме тестовых структур кольцевых генераторов при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении..........................................................................79

з

Выводы:..................................................................................................................81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................82

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................84

Приложение 1........................................................................................................89

Приложение 2........................................................................................................91

Приложение 3........................................................................................................92

Приложение 4........................................................................................................97

Приложение 5........................................................................................................99

Обозначения и сокращения

ЭКБ -электронная компонентная база МОП-металл-оксид полупроводник ИМС -интегральная микросхема

КМОП-комплементарная микросхема со структурой металл-оксид полупроводник

ИИ- ионизирующее излучение

ПС- поверхностное состояние

Центр ЭПР-центр электронного парамагнитного резонанса

DH- unspecified hydrogen-complexed defect

it- interface traps

bt- border traps.

ПД- поверхностный дефект

ВАХ- вольт-амперная характеристика

СЗХ- стоко-затворная характеристика

КИИ- кремний на изоляторе' БИС-биполярная интегральная микросхема

БМК -базовый матричный кристалл

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время остро стоит проблема обеспечения нормального функционирования бортовой аппаратуры космических объектов в течение 10 - 15 лет, а в перспективе 20 лет при воздействии ионизирующего излучения космического пространства. При этом значительную долю электронной компонентной базы (ЭКБ) составляют МОП приборы и МОП интегральные микросхемы (ИМС). Надо отметить, что наибольшее распространение получили комплементарные МОП ИМС (КМОП ИМС), которые построены на МОП транзисторах с «-каналом и р-каналом и которые обладают рядом существенных достоинств (низкая потребляемая мощность при достаточно высоком быстродействии, помехоустойчивость, масштабируемость). Поэтому сроки хранения и нормального функционирования КМОП ИМС представляют огромный интерес.

Различают следующие этапы «жизненного цикла» ЭКБ, которые показаны на рис.1, взятом из [1].

Рис. 1. Этапы «эюизненпого цикла» ЭКБ.

На первом этапе наблюдается повышенная интенсивность отказов из-за технологических дефектов. Для снижения интенсивности отказов на этом этапе используются методы отбраковки ненадежных изделий [1, 2]. При применении высококачественных изделий (класса «Space») интенсивность отказов ЭКБ значительно снижается, что позволяет обеспечивать длительное функционирование на втором этапе «жизненного цикла». На третьем этапе имеет место процесс старения, в котором наблюдается ухудшение параметров изделий, что приводит к отказу аппаратуры.

Необходимо отметить, что в настоящее время вопросы старения МОП приборов и ИМС на их основе недостаточно изучены. Поэтому изучение процессов их старения является актуальной проблемой. Особенно это касается применения КМОП ИМС в условиях длительного низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения (ИИ). До настоящего времени проверка качества микросхем осуществляется с помощью проведения ускоренных испытаний при повышенной температуре, в то время как радиационные испытания проводятся при нормальной температуре в условиях низкоинтенсивного воздействия ИИ. Поэтому остается не ясным соответствие результатов, полученных в случае ускоренных испытаний при повышенных температурах, результатам радиационных испытаний при нормальных условиях и низкоинтенсивном облучении.

Объектом исследования выбраны серийные КМОП ИМС, а также тестовые микросхемы, изготовленные в условиях серийного производства.

Целью настоящей работы является прогнозирование отказов МОП ИМС в период старения в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения на основе использования ускоренных испытаний при повышенной температуре.

Для достижения поставленной диссертационной работе цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ результатов исследований образования поверхностных дефектов в широком диапазоне мощностей доз и длительностей воздействия ионизирующего излучения.

2. Провести длительные исследования процесса образования поверхностных дефектов в условиях низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения.

3. Уточнить модель образования поверхностных дефектов при длительном воздействии ионизирующего излучения.

4. Провести длительные испытания в условиях низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения

5. Провести ускоренные испытания при повышенной температуре и сопоставить их результаты с результатами радиационных испытаний при низкоинтенсивном облучении ионизирующим излучением.

Научная новизна работы заключается:

• Предложен новый «надежностный» подход к анализу результатов радиационных испытаний при низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, позволяющий выявить два этапа радиационно-стимулированного процесса старения;

• Предложена физическая модель процесса старения при длительном (более -1000 часов) низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, включающая два этапа накопления дефектов на границе раздела Л'-Л'О?.

• Применены впервые кольцевые генераторы для длительных испытаний в условиях низкоинтенсивного облучения и при повышенной температуре;

• Предложена методика сопоставления результатов испытаний при повышенной температуре и при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения.

Достоверность результатов

Все сделанные в работе выводы основываются на хорошо воспроизодимых экспериментальных результатах, полученных на выборках, включающих не менее 10 МОП транзисторов в различных образцах серийных и тестовых микросхемах, при использовании современного измерительного оборудования и методики, которая широко используется в нашей стране и за рубежом.

На защиту выносятся:

1. Физическая модель процесса старения при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения;

2. Метод использования кольцевых генераторов для прогнозирования отказов при испытании на надежность;

3. Метод установления соответствия между ускоренными испытаниями

при повышенной температуре и при низкоинтенсивном воздействии

ионизирующего излучения.

Практическая значимость результатов работы состоит:

• Установлена связь между ускоренными испытаниями при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении. Получено, что низкоинтенсивное облучение не дает выигрыша во времени, но дает большой экономический эффект.

• Выбран режим переключения при низкоинтенсивном облучении и предложена методика прогнозирования отказов КМОП ИМС с использованием экспоненциальной функции, описывающей изменение минимального напряжения функционирования кольцевых генераторов.

• Применение методики измерения минимального напряжения питания кольцевого генератора использовано при испытаниях КМОП ИМС серии 1526.

• Применение физической модели образования поверхностных дефектов позволит прогнозировать отказы МОП ИМС на этапе старения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры Микро- и наноэлектроники в 2013 году, на конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» в 2011году, на 43-ем международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» в 2012 году, на научной сессии ИИЯУ МИФИ в 2011, 2012 и 2013 годах, а также на всероссийских научно-технических конференциях «Стойкость-2011», «Стойкость-2012» и «Стойкость-2013».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в

том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1 Л.Ускоренные испытания КМОП ИМС

Прогнозирование надежности ИМС осуществляется на основе результатов ускоренных (форсированных) испытаний микросхем. При этом в качестве ускоряющего фактора для МОП приборов используется повышенное напряжение, повышенное напряжение или повышенное значение тока [3]. Как показали ускоренные испытания ИМС, в процессе старения значительная доля приходится на образование дефектов вблизи границы раздела оксид кремния - кремний. Этот эффект проявляется как в МОП ИМС, так и в биполярных ИМС [4]. Основной причиной образования поверхностных состояний (ПС) в структуре оксид кремния - кремний является взаимодействие электронов с уровнями напряженных валентных связей в приповерхностной области кремния и на границе раздела бУ-З/О?. Этот процесс наблюдается как при нормальной и повышенной температурах [4], так и при воздействии ионизирующего излучения [5].

В настоящее время для определения сроков функционирования ИМС используются ускоренные испытания в форсированных электрических режимах, а для получения сроков хранения ИМС - длительные испытания при нормальных условиях. В [6] приводятся данные, согласно которым 50 интегральных микросхем (ИМС) испытывались в течение 15 лет в складских условиях и отказов не наблюдалось. Для ускорения процесса старения используется повышенная температура. При этом для сокращения времени ускоренных испытаний применяется температура, физически допустимая конструкцией ИМС, которая достигает 200...300°С [6]. Однако при высоких температурах, близких к предельным, наблюдаются механизмы отказов, которые относительно редко проявляются при рабочих температурах. Поэтому представляет интерес поиска других ускоряющих факторов процессов старения. Одним из представляющих интерес факторов ускорения

деградации параметров КМОП ИМС является низкоинтенсивное воздействие ионизирующего излучения

1.2.Радиационные эффекты при низкоинтенсивном облучении

Пороговое напряжение МОП транзистора с учетом плотностей зарядов в объеме оксида и на границе его с полупроводником равно [7]

Uo = U0i + (pun + ЛUot +AUit, (1)

где Uoi - собственное пороговое напряжение, (рмп - разность работ выхода электронов из полупроводника и металла (поликремния), AUot и AJJit - сдвиги порогового напряжения из-за заряда в оксидных и поверхностных ловушках соответственно. Поверхностные ловушки - в русскоязычной литературе называются «поверхностными состояниями) (ПС), а англоязычной литературе - interface traps (it).

Развитие микроэлектроники идет по пути уменьшения размеров толщин слоев и площадей элементов. Это видно в таблице 1, взятой из [8].

Таблица 1. Изменение некоторых параметров в КМОП ИМС при развитии

технологии их изготовления

Длина канала, мкм 0,35 0,25 0,18 0,13 0,1 0,08

Толщина подзатворного оксида, нм 8,2 6 4,7 4,3 3,4 3,0

Напряжение питания, В 3,3 2,5 1,8 1,5 1,2 0,9

Как показывают представленные в таблице 1 данные, толщина подзатворного

оксида в современных микросхемах находится в пределах от 8,2 до 3,0 нм.

11

При таких толщинах оксида заряд в объемных ловушках практически не образуется и основную роль в деградации параметров МОП транзисторов в КМОП ИМС играют поверхностные состояния (ПС).

Необходимо отметить особенности условий применения КМОП ИМС, которые рассматриваются в данной работе - длительное функционирование при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения. В настоящее время продолжается применение КМОП ИМС, в которых толщина подзатворного оксида составляет 60 нм. В связи с этим даже в таких КМОП ИМС роль заряда в оксидных ловушках снижается с уменьшением мощности дозы ионизирующего излучения и на первый план выходит процесс образования ПС. Это показывают результаты сравнительного эксперимента по облучению КМОП ИМС, которые показаны на рис.2 [9].

Д£/„, в

Рис.2. Изменение пороговых напряэ/сений МОП транзисторов с п-каналом (1), сдвигов, вызванных плотностью заряда ПС (2) и плотностью заряда оксидных ловушек (3) при облучении гамма-излучением с Р-0,1 рад/с

Исследования радиационного дрейфа порогового напряжения МОП

транзисторов с «-каналом проводились в работах [10,11] в широких пределах

мощностей дозы. Исследовались изменение порогового напряжения МОП

транзисторов типа ШН 254 с толщиной подзатворного оксида с10Х = 100 нм

12

типа СО 250А с толщиной подзатворного оксида с10Х =50нм. Результаты этих кспери