1.1.Ускоренные испытания КМОП ИМС

Национальный исследовательский ядерный университет
«Московский инженерно-физический институт»
На правах рукописи
Чжо Ко Вин
ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ
МОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
05.27.01. Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микрои наноэлектроника, приборов на квантовых эффектах
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Попов Виктор Дмитриевич
Москва – 2013
1
Содержание
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................... 10
1.1Ускоренные испытания КМОП ИМС ......................................................... 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 ГАММАИЗЛУЧЕНИЯ ......................................................................................................... 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
2
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
3
Выводы: .................................................................................................................. 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 82
ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................... 84
Приложение 1 ........................................................................................................ 89
Приложение 2 ........................................................................................................ 91
Приложение 3. ....................................................................................................... 92
Приложение 4 ........................................................................................................ 97
Приложение 5 ........................................................................................................ 99
4
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
КНИ- кремний на изоляторе.
БИС-биполярная интегральная микросхема
БМК –базовый матричный кристалл
5
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 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.
Различают следующие этапы
показаны на рис.1, взятом из [1].
«жизненного цикла» ЭКБ, которые
Рис.1. Этапы «жизненного 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.
6
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
необходимо решить следующие основные задачи:
работе
цели
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.
7
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 Si-SiO2.
 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;
8
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 1582.
 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
НИЯУ МИФИ в 2011, 2012 и 2013 годах, а также на всероссийских научнотехнических
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.
9
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1.Ускоренные испытания КМОП ИМС
Прогнозирование
надежности
ИМС
осуществляется
на
основе
результатов ускоренных (форсированных) испытаний микросхем. При этом в
качестве
ускоряющего
повышенное
фактора
напряжение,
для
повышенное
МОП
приборов
напряжение
или
используется
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 Si-SiO2.
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…300оС [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
10
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]
U0 = U0i + МП + Uot +Uit ,
(1)
где U0i – собственное пороговое напряжение, МП – разность работ выхода
электронов из полупроводника и металла (поликремния), Uot и Uit – 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].
∆Uo , B
0
-0.005
-0.01
-0.015
1
-0.02
2
-0.025
3
-0.03
-0.035
-0.04
-0.045
0
10
20
30
40
D , крад
Рис.2. Изменение пороговых напряжений 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 п-каналом проводились в работах [10,11] в широких пределах
мощностей дозы. Исследовались изменение порогового напряжения МОП
транзисторов типа IRH 254 с толщиной подзатворного оксида dox = 100 нм
12
типа GO 250A с толщиной подзатворного оксида dox =50нм. Результаты этих
кспериментов представлены на рис.3, где представлены дозовые зависимости
ПС в широком диапазоне мощностей дозы гамма-излучения. Плотность ПС
определялась с помощью метода подпороговых токов [12].
Как можно
видеть, наблюдается существенный рост плотности ПС при снижении
мощности дозы гамма-излучения.
ΔUit , B
10
8
6
0,012 рад/с
4
0,83рад/с
3,3рад/с
2
0
1
10
100
1000
D , крад
(а)
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
∆Uit , В
0,1рад/с
2рад/с
20рад/с
200рад/с
D ,крад
10
100
1000
(б)
Рис.3. Результаты определения сдвига порогового напряжения МОП
транзисторов при разных мощностях дозы гамма-излучения :
(а) GO 250A (dox =50нм), (б) IRH 254(dox = 100 нм)
В отечественных работах также наблюдался рост плотности ПС при
низкоинтенсивном облучении гамма-лучами. Например в [13] получены
13
зависимости сдвига порогового напряжения МОП транзистора
ΔUit,
вызванного зарядом ПС, от дозы D, которые показывают, что при низких
значениях мощности дозы гамма-излучения наблюдается аномально сильный
рост ΔUit . На рис.4 из [13] показано видно сильное увеличение плотности ПС
при низкоинтенсивном облучении гамма-лучами. В данной работе этот
процесс объясняется влиянием «горячих» электронов.
Рис.4. Рост плотности ПС при разных мощностях дозы гаммаизлучения: 200 рад/с(1), 20 рад/с, 2 рад/с и 0,23 рад/с
В
условиях
поверхностных
низкоинтенсивного
состояний
в
воздействия
значительной
ИИ
степени
плотность
определяет
работоспособность КМОП ИМС, в частности их быстродействие. Это
иллюстрируется зависимостью на рис.5, взятой из [14].
14
D, крад
Рис.5. Зависимость быстродействия КМОП ИМС от плотности ПС при
разных дозах облучения гамма-лучами
Поэтому в данной работе рассматривается процесс образования ПС при
низкоинтенсивном облучении гамма-лучами, которые является основным
средством исследования и испытания КМОП ИМС [15].
1.3.Модели образования поверхностных состояний при облучении ИИ
1.3.1.Модель разрыва напряженных связей
Как показал анализ литературных данных в книге [5], структура оксид
кремния-кремний напряжена из-за разности коэффициентов теплового
расширения оксида кремния и кремния. Это приводит к возникновению
напряженных валентных связей между атомами кремния в приповерхностной
области вблизи границы раздела с пленкой оксида кремния, так как
выращивание пленки оксида кремния производится при температурах около
800…1000°С, а эксплуатация – максимум при 80…125°С. Как показано в
работе [4], уровни напряженных связей располагаются на границе раздела в
15
области 1,14…1,18 эВ ниже границы валентной зоны кремния. Захват дырки
на уровень напряженной связи означает уход электрона. При нормальных
условиях дырки находятся выше уровней напряженных связей. Для разрыва
напряженных связей требуется энергия. Поэтому их разрыв наблюдается как
при ускоренных испытаниях при повышенной температуре, так и при
воздействии ИИ.
Образование ПС в МОП структуре при воздействии ИИ согласно
модели [5] может проходить двумя путями (см. рис.6):
– перемещением дырок, образованных в объеме подзатворного оксида при
ионизации, к границе раздела с кремнием с последующим попаданием в
приповерхностную область кремния и захватом на уровни напряженных
связей,
- ионизацией К-оболочек кремния в приповерхностной области.
Рис.6. Образование ПС при ионизации пленки оксида и при ионизации Коболочки кремния: образование дырки (1), движение дырки к границе раздела
Si-SiO2 (2), переход дырки в валентную область кремния (3), захват дырки на
уровень напряженной связи (4) и образование ПС (5)
16
Оба эти процесса описываются экспоненциальной зависимостью вида [5]
N it (t )  (N it ) H [1  e  Pt ],
(2)
где (ΔNit)H – плотность ПС при насыщении, α – параметр, характеризующий
скорость поверхностного дефектообразования.
Надо отметить работу [16], в которой предложена аналогичная модель,
описывающая образование ПС при разрыве напряженных валентных связей.
Процесс проходит условиях наличия градиента напряженных связей и
захвата дырок для начала процесса образования ПС.
1.3.2.Конверсионная модель образования ПС
В [17] рассматривается процесс образования ПС при перезарядке Е'центра. Согласно этой модели происходит конверсия заряда на границе
раздела SiO2-Si. Этот процесс заключается в накоплении положительного
заряда на ловушках пленки оксида вблизи границы раздела на уровне
ширины запрещенной зоны кремния. Затем заряд перемещается к границе
раздела SiO2-Si. Процесс показан на рис. 7.
Рис.7. Ионизация оксида кремния и захват дырок на уровни ловушек.
Стрелками показано место конверсии заряда дырок.
17
Заряд
захваченных
дырок
в
переходной
области
(Qot)M
/см.рис.7/
взаимодействует с электронами кремния значительно быстрее, чем заряд в
глубине оксида (Qot)Г. Поэтому наблюдается быстрая составляющая
«мелких» ловушек τМ и медленная составляющая «глубоких» ловушек τГ.
Качественная модель показана на рис. 8,а.
(а)
(б)
(в)
Рис.8. Конверсионная модель образования ПС: качественная модель(а)
и два этапа изменения тока базы биполярного транзистора в зависимости
от мощности дозы (б) и от времени (в)
18
Причина процесса образования ПС заключается в термическом
возбуждении атомарной решетки у границы раздела SiO2-Si, что приводит к
спонтанному изменению энергии ловушек. В результате этого возникает
возможность взаимодействия положительного заряда на ловушках с
электронами, туннелирующими из кремниевой подложки. Это способствует
«нейтрализации» положительного заряда и конверсии его в центр на границе
раздела на уровне запрещенной зоны кремния.
Образование ПС приводит к возрастанию тока базы биполярных
транзисторов. В этом случае изменение тока базы биполярного транзистора
получается равным (см.рис.8, б,в)
ΔIб = (Кг + Км)·D + Kг·P·τг· [ехр(D/P·τг) – 1],
где Кг и Км – коэффициенты пропорциональности приращения базового тока,
·D – доза ИИ, P – мощность дозы,·τг·- постоянная конверсии глубоких
ловушек.
Экспериментальные и расчетные зависимости изменения тока базы
биполярного транзистора приведены на рис. 9, взятом из [18]. Как можно
видеть, процесс образования ПС насыщается в районе мощностей дозы 0,01
…0,001 рад/с.
1.2
∆Iв/∆ Iв.max
1
0.8
расчет
0.6
эксперимент
0.4
0.2
t,ч
0
1
10
100
1000
10000
Рис.9.Экспериментальные и расчетные зависимости изменения тока базы
биполярного транзистора при дозе 300 крад
19
1.3.3. «Водородная» модель образования ПС
Как отмечается в [19], при термическом окислении кремния в пленке
оксида, выращенной в сухом кислороде концентрация атомов водорода около
NН~1018 см-3, а в случае влажного кислорода - NН~1019 см-3. Поэтому в
последнее время в зарубежной литературе отдается предпочтение
так
называемой «водородной» модели [20]. Согласно этой модели в пленке
оксида
кремния
ионизирующего
нейтральный
излучения
атом
водорода
захватывает
Н0
при
образовавшуюся
воздействии
дырку
h
и
становится протоном Н+
Н0 + h → Н+.
(3)
Поскольку не все атомы водорода ионизируются, то, наблюдаются два
процесса. После облучения при воздействии температуры имеет место
диффузия нейтральных атомов водорода, которые на границе раздела SiO2-Si
участвуют в реакции ( LT-процесс)
≡ Si – H + H0 → ≡ Si· + H2
(4 а)
и образуют рb-центр.
рb
Этот процесс протекает очень медленно. Второй процесс проходит с
участием реакции (3), в которой образуется протон, и реакции (HT-процесс)
≡ Si – H + H+ + е- → ≡ Si· + H2
и также образует рb-центр.
рb
20
(4 б)
Таким образом, имеются два процесса образования ПС – медленный (LT) и
быстрый (НТ). В обоих случаях образуется так называемый
рb – центр
(рис.10).
Рис.10. Образование объемного заряда в оксиде кремния и ПС при
воздействии ИИ
В работе [21] исследовалось образование ПС в п-канальных МОП
транзисторах с толщинами подзатворного оксида от 55 до 75 нм после
облучения рентгеновскими лучами дозой 10 Мрад при мощности дозы
1,8 крад/с. После такого импульсного облучения наблюдалось образование
ПС. Модель заключается в том, что образование ПС происходит в результате
диффузии не только нейтрального атома водорода Н0 и его иона Н+,
полученного в результате реакции (3), но при разложении молекулы воды
Н2О. В этом случае имеют место реакции
Si3 ≡ Si.· + H2O → Si3 ≡ Si-OH + H0
( 5 а)
Si3 ≡ Si - H + H0 → Si3 ≡ Si. + H2
( 5 б)
≡ Si3 - - Si≡ + H0 → ≡ Si Si≡
(5 в)
 H
21
В этих реакциях обозначение « Si3 ≡ Si.·» означает поверхностный дефект,
состоящий из атома кремния с оборванной связью и восстановленной связью
в трехвалентном кремнии.
Они
получаются
в
результате
диффузии
водородных
«разновидностей»: Н0 – нейтральный атом водорода, Н+ - ион водорода, Н2 –
молекула водорода, ОН- - гидроксильная группа и Н2О - молекула воды.
Время
диффузии
через
пленку
оксида
кремния
определялось
с
использованием выражения [21]
t = d2/4D,
(6)
d – расстояние, D=D0exp(-Ea/kT) – скорость диффузии, D0 – коэффициент
диффузии, k – постоянная Больцмана, T – температура по Кельвину.
Результаты исследования представлены в таблице 2, где приведены значения
времени диффузии «водородных разновидностей» на расстояние 50 нм, а
также коэффициентов диффузии и энергий активации процесса диффузии.
Таблица 2. Диффузионные константы в аморфном оксиде кремния
водородных разновидностей
Время для диффузии через 50 нм, с
Водородные
разновидности
D0, см2/с
Ea, эВ
75°С
125°С
175°С
Н0
1·10-4
0,18
2·10-5
1·10-5
6·10-6
Н+
1,0
0,76
0,6
0,02
0,002
Н2
5,7·10-4
0,45
0,03
0,005
0,001
ОН-
9,5·10-4
0,68
40
2
0,3
Н2О
1·10-6
0,79
1,5·106
6·104
4000
22
Данные таблице 2 показывают, что наибольшее время диффузии через
расстояние 50 нм у молекул воды, затем идет
время диффузии
гидроксильных групп ОН- и молекул водорода Н2. Именно времена
диффузии этих водородных разновидностей представляют интерес при
длительном воздействии ИИ при низкоинтенсивном облучении.
В работе [21] наблюдались два уровня ПС -
рb0 – центр и рb1 – центр.
Как можно видеть на рис.11, взятом из [22], рb0-центр имеется в исходной
структуре кремний-оксид кремния
Рис.11. Схематическая иллюстрация рb0-центра
Следует отметить, что помимо рb0 и рb1 центров в запрещенной зоне
на границе Si-SiO2 имеется уровень дефекта «кислородная вакансия» [23],
который присутствует не только в объеме оксидной пленки, но и
наблюдается на границе раздела оксида с кремнием. В работе [24]
проводились исследования методом электронно-парамагнитного резонанса
(ЭПР) поверхностных дефектов на границе раздела Si-SiO2 . Эти результаты,
представленные на рис. 12, показывают только наличие трех видов ПС.
Измерения проводились в диодном включении МОП транзисторов, когда
выводы стока и истока соединены с подложкой, до и после облучения гаммалучами. Как можно видеть, наибольшее увеличение сигнала наблюдалось для
рb1 и Е' центров, для р0 центра больших изменений сигнала не наблюдалось.
23
Рис. 12. Результаты обнаружения ЭПР-центров на границе Si-SiO2
В дальнейших работах по вкладу водорода в процесс образования ПС
введено
понятие
«неспецифический
водородно-комплексный
дефект»
(unspecified hydrogen-complexed defect - DH) [25]. Он охватывает все виды
водородных разновидностей, которые представлены в таблице 3.
Таблица 3. Виды водородных комплексов DН, D и D+
DН
Si - H - Si
Si – H H - Si
Si - H
Si – O - H
D
Si - Si
Si – H - Si
Si.
Si – O.
D+
Si+ .Si
Si – H+- Si
Si+
Si – O.
24
Как указывается в [26], водород в оксиде кремния пассивирует дефекты
при изготовлении микроэлектронных структур как в объеме пленки, так и на
границе раздела с кремнием. В этом случае имеет место реакция
D + H → SiH.
(7)
Используя обозначения структур водородно-комплексных дефектов,
представленных в таблице 3, как DН, можно в общем виде описать процессы,
происходящие при воздействии ИИ и при термообработке после облучения.
При таком подходе процесс образования дефектного комплекса при
захвате дырки, образованной при ионизации оксида, можно представить
следующим выражением [25]
h+ + DH → D + H+.
(8)
Необходимо отметить, что положительно заряженный атом водорода
(протон) характеризируется стабильным зарядовым состоянием и не
взаимодействует с электронами из кремния из-за барьера [26]. Протон
перемещается легко в приграничной области оксида и пассивирует дефект.
Если второй протон подойдет к DH-дефекту, то произойдет реакция, в
которой образованные протоны
взаимодействуют со структурой DH.
Например, со структурой SiH, образуя молекулу водорода
SiH + Н+ → D+ + Н2.
(9)
Таким образом, причина образования ПС заключается в уходе протона из
DH-комплекса и образовании молекулы водорода. Этот процесс показан на
рис.13, взятом из [26]. На этом рисунке показан процесс образования
молекулы водорода и заряженного дефекта.
25
Рис.13.Реакция между Н+ и поверхностной структурой SiH: (а) - подход
протона, (б) – установление валентной связи с DH, (в) – образование
молекулы водорода
В работе [27] Fleetwood разделил поверхностные дефекты у
границы
Si-SiO2 на два вида – interface traps (it), которые находятся
непосредственно на границе раздела, и дефекты в прилегающей области
оксида на глубине от 3,0 до 6,0 нм от границы раздела border traps (bt).
Последние представляют собою дефекты переходного слоя от кремния к
оксиду.
Основываясь на представленных выше литературных данных, процесс
образования ПС можно представить в виде схематической диаграммы,
показанной на рис.14 [26].
Согласно этой диаграмме, при воздействии ИИ в объеме оксида
образуются электронно-дырочные пары. Электроны покидают оксид, а
дырки перемещаются по уровням мелких ловушек к границе раздела Si-SiO2
(см. рис.10). В объеме оксида происходит захват дырки атомом водорода,
который перемещается в сторону кремния. При этом протон вступает в
реакции, образуя положительно заряженные дефекты D+ в оксиде (trapped
holes), в переходном слое (border traps) и на границе раздела (interface traps).
26
Рис. 14. Схематическое изображение процесса перемещения дырки и
протона в пленке оксида кремния и образование ПС (Х+ - «заряженный
водородный комплекс)
Процесс образования ПС типа pb-центр, основанный на реакции ( 4 ),
описывается уравнением [28]
dNPb/dt = (NSiH – NPb) σit FH - NPb/τPb
(10а )
в котором NSiH и Npb – плотности водородных комплексов SiH и pb-центров
соответственно, σit – сечение захвата протонов, FH(L,t) – поток протонов, τPb –
время жизни pb-центров на границе раздела Si-SiO2.
В этом подходе считается, что протон не нейтрализуется на границе
раздела Si-SiO2 электронами из кремния. Аналитическое моделирование на
основе уравнения (10а) показало, что при высокой мощности дозы
захваченные дырки создают барьер для прохода протона к границе раздела
Si-SiO2 и это препятствует образованию ПС. При низкоинтенсивном
облучении заряд захваченных дырок в объеме оксида меньше и это
способствует образованию ПС. Поэтому при низкоинтенсивном облучении
наблюдается большее количество ПС. Качественно этот эффект показан на
рис. 15.
Решение уравнения ( 10а ) позволило получить зависимость плотности
ПС от мощности дозы аналитически. Затем проведена экспериментальная
27
проверка с использованием микросхем RF25 фирмы Analog Devicеs.
Экспериментальные и аналитические зависимости представлены на рис.16.
При расчетах использовались следующие значения подвижностей:
для дырок μр = 1×10-5 см2/В·с и для протонов μН+ = 1×10-11см2/В·с.
Как можно видеть, результаты расчета и эксперимента хорошо совпадают.
Полученная зависимость показывает, что в случае дозы ИИ 200 крад и при
мощности дозы Р ~ 1 рад/с наступает насыщение процесса образования ПС.
Рис.15. Сравнение процессов образования ПС и накопления положительного
заряда при низкой (а) и высокой (б) мощности дозы.
Рис.16. Расчетная и экспериментальные зависимости плотности ПС от
мощности дозы ИИ ( - эксперимент,
- анализ, ○ – расчет)
28
При воздействии низкоинтенсивного ИИ представляют интерес
длительные процессы. К таким процессам относится диффузия молекулы
водорода
Н2
и
воды,
которые
характеризуются
наиболее
низким
коэффициентом диффузии (см. таблицу 2).
Процесс
образования
ПС
с
участием
молекулы
водорода
рассматривался в [29]. Реакция имеет вид
Н2 + 2D ↔ 2DH.
Эта реакция производит водородосодержащий комплекс DH, который при
участии дырки, образованной при воздействии ИИ, создает протон /см. (8)/.
Далее происходит образование ПС. Этот процесс, который показан на
рис.17, взятом из [29], описывается уравнением, аналогичным (10а).
Рис.17. Образование DH при наличии молекул водорода
Используя это уравнение
dNit/dt = (NSi-H – Nit(t)) σit FH+ – Nit(t)/τit ,
29
(10б)
где NSi-H – поверхностная концентрация пассивированных разорванных
связей (см-2), σit – сечение захвата протона, FH+ - поток протонов, τit – время
жизни поверхностной ловушки, используется для учета отжига.
Используя решение уравнения (10б), была рассчитана зависимость
плотности ПС от концентрации молекул водорода Н2, которая представлена
на рис.18. Как можно видеть, плотность ПС резко возрастает при
превышении концентрации молекул водорода 1013 см-3.
Рис.18. Зависимость плотности ПС от концентрации молекул водорода
Процессы старения МОП приборов с участием молекул воды изучались
в работах [30] и [31].
В работе [30] проводились исследования процессов старения п- и рканальных МОП транзисторов с толщинами подзатворного диэлектрика 32
нм и 60 нм в герметичных и негерметичных условиях эксперимента.
Длительность эксперимента составляла 17 лет. Облучение осуществлялось
30
рентгеновскими лучами с энергией 10 кэВ. До и после облучения
проводились измерения стоко-затворных характеристик. Для обработки
результатов измерений использовался метод подпороговых токов [12].
Получено, что в случае негерметичных условий молекула проникающей
воды в пленке оксида разлагается на атомарный водород и гидроксиальную
группу, которые реагируют с атомами кремния, создавая водородные
комплексы SiH и SiOH. В дальнейшем происходят реакции ( 5 а, 5 б и 5 в).
Используя экспериментальные данные [31], в работе [31] проведен
расчет изменения распределения протонов в подзатворном оксиде МОП
структуры. При положительном напряжении 6 В и повышенной температуре
135°С получено, что образование ПС не ограничено протонным транспортом
к границе Si-SiO2. Перемещение протона Н+ при температуре 135°С показано
на рис.19, где показано (а) начальное распределение протонов, (б) через 400
с, (в) через 800 с, (г) через 1200 с. Как можно видеть, за 1200 с практически
все протоны собрались вблизи границы раздела Si-SiO2 .
В [31] проводилось исследование герметизированных п-канальных
МОП транзисторов с толщиной подзатворного оксида 60 нм. В эксперименте
проводилось исследование процесса старения трех групп образцов после
облучения рентгеновскими лучами с энергией 10 кэВ и дозой 100 крад.
Облучение и последующий длительный отжиг в течение ~18 лет проводились
при напряжении 6 В на затворе. Первая группа транзисторов облучалась без
какой-либо термообработки, вторая – после выдержки при 200°С в течение
16 часов, а третья группа – после испытаний в течение 70 часов при
влажности 85% и температуре 130°С. Результаты испытаний показаны на
рис.20. Как можно видеть, вода дает значительный вклад в образование ПС.
Попадание молекулы воды структуру оксида показано на рис.21 а,
взятом из [31]. Затем происходит разрыв больших колец оксида кремния
-Si – O - Si – O - Si – O -,
как показано на рис.21 б. На этом рисунке
черные кружки обозначают атомы кислорода, серые – атомы кремния и
белые – атомы водорода.
31
Рис.19. Изменение распределения протонов при 135ºС: начальное (а),
после 400 с (б), после 800 с (в) и после 1200 с (г).
Рис.20. Изменение плотности ПС после облучения рентгеновскими лучами
дозой 100 крад в 1988 году и выдержки при комнатной температуре 17 лет
(а – после отжига 16 часов при 200ºС перед облучением, б – без какой-либо
термообработки перед облучением, в – со вскрытием и выдержкой 70 часов
при 130 ºС и 85% влажности перед облучением, сплошная кривая – обучение
в 1988 году)
32
Рис.21. Структура пленки оксида в момент попадания молекулы воды (а) и
после реакции с водой (б).
Таким образом, после кратковременного воздействия ИИ и при
попадании влаги в процессе старения значительную роль играют молекулы
водорода и воды.
В заключение отметим, что и процессы образования ПС с участием
водорода также описываются экспоненциальной функцией вида [32]
N it (t )  (N it ) H [1  e  Pt ],
где обозначения те же, что и в (2).
Выводы.
1. Ускоренные испытания МОП приборов на старение проводятся в
диапазоне температур от 80°С до 250°С, но при превышении
температуры 200°С наблюдаются процессы, не встречающиеся при
эксплуатации до температуры 125°С.
2. При низкоинтенсивном облучении МОП транзисторов наблюдается
существенное увеличение плотности ПС со снижением мощности дозы
ИИ.
33
3. В литературе существуют два подхода в объяснении процессов
образования ПС при радиационном и долговременном процессах
воздействия: с участием дырок и с участием атомов водорода.
4. Все процессы образования ПС при радиационном воздействии
описываются выражением (2)
N it (t )  (N it ) H [1  e  Pt ],
в котором Р – мощность дозы, t – время облучения, (ΔNit)H – плотность
ПС при насыщении, α – параметр.
5. При длительном облучении и уменьшении мощности дозы
наблюдается насыщение плотности ПС.
34
ИИ
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ
ДЕФЕКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ГАММАИЗЛУЧЕНИЯ
2.1.Анализ литературных данных
В данной работе предлагается «надежностный» подход, который
позволяет рассматривать радиационные эффекты в МОП транзисторах как
процесс, протекающий во времени t при воздействии ионизирующего
излучения с мощностью дозы Р. В этом случае поглощенная доза D=P·t
характеризует интегральную поглощенную энергию.
При
таком
подходе
дозовые
зависимости
плотности
ПС,
представленные на рис.3, примут вид, показанный на рис.22 [33]. Как можно
видеть, эффект возрастания плотности ПС является функцией времени при
заданной мощности дозы. Представленные зависимости показывают, что при
больших длительностях облучения происходит добавочное образование
дефектов на границе раздела кремний-оксид кремния. В отличие от ПС
будем в данной работе их называть «поверхностными дефектами» (ПД).
Таким образом, процесс образования ПС и ПД в общем виде может
быть представлен как
N it (t )  (N it ) H [1  e  Pt ]  N it* (t ),
(11)
в котором (ΔNit)H – плотность поверхностных состояний при насыщении
«дозового»
процесса,
α
–
параметр,
характеризующий
скорость
поверхностного дефектообразования, ΔNit*(t) - составляющая «временнόго»
процесса (дополнительные поверхностные дефекты - ПД).
35
ΔNit , см-2
2.5E+12
2E+12
4
30крад
1.5E+12
100крад
3
2
1
300крад
1E+12
500крад
5E+11
1000крад
t, ч
0
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
(а)
ΔNit , см-2
1.8E+12
3
1.6E+12
100крад
1.4E+12
1.2E+12
60крад
2
1E+12
30крад
1
8E+11
6E+11
20крад
4E+11
10крад
2E+11
0
1
10
100
1000
10000
t,ч
(б)
Рис.22. Изменение плотности ПС при разных мощностях дозы
для МОП транзисторов:
(а) - с dox=50 нм (1- Р=200 рад/с, 2- Р=20 рад/с, 3- Р=2 рад/с,
4- Р=0,1 рад/с).
(б)- с dox=100 нм (1- Р=3,3 рад/с, 2- Р=0,83 рад/с, 3- Р=0,012 рад/с)
36
В (11) первое слагаемое отражает «дозовый» процесс, а второе –
«временнόй» процесс. «Временнόй» процесс заканчивается при прекращении
облучения. Используя экспериментальные данные, получаем зависимости
ΔNit*(t), представленные на рис.23 (пунктирные кривые - ряд 5). Эти
зависимости показывают наличие двух процессов образования
поверхностных
дефектов. Первый наблюдается при коротких интенсивных облучениях, а
второй – при длительностях облучения более 100 часов.
0,1рад/с
2рад/с
20рад/с
200рад/с
ΔNit , см-2
2.50E+12
2.00E+12
1.50E+12
1.00E+12
5.00E+11
0.00E+00
0.01
t,ч
0.1
1
10
100
1000
10000
(а)
ΔNit , см-2
1.8E+12
1.6E+12
1.4E+12
0,012рад/с
1.2E+12
0,83рад/с
1E+12
8E+11
3,3рад/с
6E+11
4E+11
2E+11
0
0.1
1
10
100
1000
t,ч
10000
(б)
Рис.23. Изменение плотности ПС при разных мощностях дозы для образцов
МОПТ с толщинами подзатворного диэлектрика 50 нм (а) и 100 нм(б)
37
Для
исследования
«временной»
составляющей
образования
поверхностных дефектов был проведен анализ экспериментов по облучению
серийных КМОП ИМС типа 564ЛА9 при разных мощностях дозы гаммаизлучения.
В [34] проводились облучения на стронций-иттриевом источнике
электронов, который моделирует спектр электронов в радиационных поясах
Земли. Результаты этих исследований представлены на рис.24, показаны
дозовые
зависимости
порогового
напряжения
МОП
транзисторов с
п-каналом.
∆U0n ,B
2
1.5
1
0,08рад/с
0.5
0,74рад/с
18.4рад/с
0
-0.5
-1
0
0.5
1
1.5
2
D·10-5, рад
Рис.24. Дозовые зависимости порогового напряжения ИМС типа 564ЛА9
при разных мощностях дозы
Как можно видеть, с уменьшением мощности дозы возрастает роль
поверхностных состояний, что проявляется в сдвиге порогового напряжения
МОП транзисторов в сторону положительных напряжений.
38
Используя метод подпороговых токов [12], были определены сдвиги
порогового напряжения МОП транзисторов с п-каналом, обусловленные
зарядом в объеме подзатворного оксида Uot и на границе раздела оксид
кремния-кремний Uit.
Поскольку процессы старения происходят во времени при воздействии
дестабилизирующего фактора – мощности дозы ионизирующего излучения,
то в данной работе будем рассматривать изменение параметров во времени.
В этом случае получаем зависимость Uot (t, P), которая представлена на
рис.25. [35] Полученная зависимость показывает монотонное снижение
плотности
накопленного
заряда
в
объеме
подзатворного
оксида
в
зависимости от мощности дозы гамма-излучения, как это наблюдалось и в
других работах. Таким образом, в случае снижения мощности дозы при
низкоинтенсивном воздействии роль заряда в объеме оксида уменьшается и
не играет существенной роли с увеличением времени облучения.
|ΔUot|, В
2.5
200 рад/c
2
1.5
3 рад/с
1
0.74 рад/с
0.5
0.08 рад/с
t,ч
0
0
100
200
300
400
Рис.25. Изменение заряда в подзатворном оксиде при разных мощностях
дозы гамма-излучения
При определении сдвига пороговых напряжений Uit, вызванного
зарядом поверхностных состояний (ПС), наблюдается рост плотности
39
поверхностных состояний. В данной работе с использованием метода
подпороговых токов [12] определены зависимости плотности поверхностных
состояний Nit от времени при различных мощностях дозы гамма-излучения.
Полученные зависимости представлены на рис.26 [36]. Как можно видеть на
этом рисунке, с увеличением времени наблюдается рост плотности
поверхностных состояний. При этом выявляются три этапа. На первом этапе
имеет место рост плотности ПС, который на втором этапе со временем
насыщается. На третьем вновь наблюдается увеличение плотности ПС.
Nit , cм-2
3.01E+11
2.51E+11
0.08рад/с
2.01E+11
0,74рад/с
18,4рад/с
200рад/с
1.51E+11
80крад
100крад
1.01E+11
120крад
5.10E+10
1.00E+09
t,ч
0.1
1
10
100
1000
Рис.26. Изменение плотности поверхностных состояний Nit во времени
при разных мощностях дозы
Как можно видеть на рис.26, при облучении МОП транзисторов
наблюдается два этапа образования ПС. На первом этапе образуются Nit из-за
разрыва напряженных связей на границе раздела Si-SiO2 [5]. На втором этапе
имеет место процесс образования дополнительных поверхностных дефектов
(ПД).
40
Таким образом, можно разделить дефекты на границе раздела оксид
кремния - кремний на два вида: поверхностные состояния (ПС)
и на
«дополнительные» поверхностные дефекты (ПД).
2.2.Методика проведения исследования воздействия гамма-излучения на
МОП транзисторы в КМОП ИМС
В настоящее время исследования долговременных радиационных
эффектов в КМОП ИМС проводятся с использованием изотопных
источников гамма-излучения. В данной работе облучение образцов КМОП
ИМС осуществлялось в сухом вертикальном канале, установленном в шахтехранилище реактора ИРТ НИЯУ МИФИ. Диаметр канала составлял 25 см,
что дало возможность располагать плату с КМОП ИМС горизонтально. Это
позволило обеспечить наименьшую погрешность определения мощности
дозы при проведении облучения. Источником гамма-лучей являлся изотоп
Cz-137. Мощность дозы гамма-излучения устанавливалась путем фиксации
положения платы с образцами на выбранной высоте от дна канала, а
измерение
мощности
дозы
производилось
при
помощи
прибора
типа ДК 101. При дальнейших облучениях использовалась жесткая фиксация
положения плат с образцами.
В
данной
главе
диссертации
описаны
экспериментальные
исследования, в которых облучение КМОП ИМС проводилось как в
пассивном режиме (без подачи электрического режима), так и в активном
режиме (в режиме переключения) при комнатной температуре 25ºС.
До
и
после каждого этапа облучения проводились измерения вольт-амперных
(ВАХ) стоко-затворных характеристик (СЗХ) МОП транзисторов.
СЗХ
измерялись с использованием анализатора полупроводниковых приборов
Agilent Technologies B1500A в широком диапазоне токов (до 10-11А).
Результаты измерений ВАХ обрабатывались с применением метода
подпороговых токов [12].
41
2.3. Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526ЛЕ5
в режиме хранения
2.3.1.Описание экспериментов
В данной
работе для экспериментального исследования выбрана
мощность дозы Р = 0,1 рад/с, при которой с одной стороны проявляются
эффект низкой интенсивности, а с другой стороны не требуется длительное
время для проведения экспериментальных исследований.
В [9] проводились исследования КМОП ИМС серии 1526 в пассивном
режиме и при постоянном напряжении на затворе 5 В. Облучение
проводилось при мощности дозы Р=0,1 рад/с до доз 50 крад. Получены
дозовые зависимости порогового напряжения МОП транзисторов U0n , а
также сдвиги порогового напряжения, вызванные зарядом в объеме оксида
ΔUot и зарядом поверхностных дефектов ΔUit. Для изучения закономерностей
процесса старения в данной работе необходимо длительное облучение.
В данном экспериментальном исследовании проводились облучения в
пределах 1 Мрад [37], что соответствует 2777 часам. Использовались два
типа КМОП ИМС типа 1526ЛЕ5, представляющие собой логические
элементы 2ИЛИ-НЕ. Толщина подзатворного оксида в этих микросхемах
составляла 60 нм. Для исследования КМОП ИМС партия микросхем была
разбита на две группы. Первая группа микросхем в количестве 3 шт. (типа
2ИЛИ-НЕ – 12 МОП транзисторов) облучалась в пассивном режиме (все
выводы соединены между собой), а вторая, состоящая из элементов 2ИЛИНЕ – в режиме переключения, когда все логические элементы соединены в
кольцевой генератор. Облучение проводилось в вертикальном канале шахтыхранилище реактора ИРТ НИЯУ МИФИ в при мощности дозы Р = 0,1 рад/с.
До и после каждого этапа облучения производились измерения стокозатворных вольт-амперных (ВАХ) МОП транзисторов (МОПТ). Измерения
проводились с использованием анализатора полупроводниковых приборов
Agilent Technologies B1500A в широком диапазоне токов. Основным
42
параметром МОП транзисторов является пороговое напряжение U0n, которое
определяет
такие
параметры
КМОП
ИМС
как
быстродействие
и
помехоустойчивость [7].
Рис.27. Схема включения логического элемента 1526ЛЕ5 при измерениях
стоко-затворных характеристик и включения в кольцевой генератор.
В данной работе пороговое напряжение определялось с помощью
измерения токов стока при поверхностном потенциале s0 = 2FE, где FE –
разность
потенциалов между положением уровня Ферми и серединой
запрещенной зоны в объеме полупроводника.
2.3.2. Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526
в режиме хранения
Результаты измерений ВАХ подвергались статистической обработке, в
результате
которой
были
получены
средние
значения
и
средние
квадратичные отклонения, которые представлены в Приложении 1 и
43
приведены на рис.28. Надо отметить незначительный разброс стокозатворных характеристик.
Ln(Iс) , A
1.00E+00
1.00E-01
0крад
1.00E-02
70крад
1.00E-03
190крад
1.00E-04
294крад
1.00E-05
594крад
1.00E-06
894крад
1.00E-07
1144крад
1.00E-08
1444крад
1.00E-09
1734крад
1.00E-10
1.00E-11
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Uз , В
Рис.28. Стоко-затворные характеристики МОП транзисторов в КМОП
ИМС серии 1526 при разных дозах ИИ
Плотность ПС определялась по средним значениям напряженияй на
затворе с применением метода подпороговых токов [12]. По результатам
расчетов получена средняя плотность поверхностных дефектов. Зависимость
средней плотности от времени облучения Nit(t) показана на рис.29 (кривая 1).
Как
можно
видеть,
наблюдаются
два
этапа
дефектообразования
–
поверхностных состояний (ПС) и поверхностных дефектов (ПД).
Поскольку
изменение
плотности
ПС
происходит
по
экспоненциальному закону (2), то аппроксимируя начальный участок
экспонентой (см. на рис.29 кривую 2), можно получить параметры этой
зависимости с использованием программы Origin Pro 8/1:
Nit.н = (1,221 ± 0,197) ·1011 см-2 и α = (1,32 ± 0,495) ·10-3 ч-1.
Вычитая из общей зависимости средних значений (1) вклад изменения
плотности ПС (2) получаем вклад поверхностных дефектов (3). Как можно
44
видеть на рис.29 процесс образования ПД становится заметным в случае
облучения с мощностью дозы Р = 0,1 рад/с при t > 1500 часов.
∆Nit , cм-2
2.5E+11
2E+11
1.5E+11
1
2
1E+11
3
5E+10
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
t,ч
Рис.29. Изменение средней плотности поверхностных дефектов во времени
при Р=0,1 рад/с в пассивном режиме: (1) – общая зависимость, (2) –
изменение плотности ПС, (3) – изменение плотности ПД
2.3.3 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526
в режиме переключения
Во второй группе КМОП ИМС типа 1526 логические элементы типа
2ИЛИ-НЕ объединялись в кольцевые генераторы, состоящие из 11
элементов, и облучались в электрическом режиме переключения при
напряжении питания 5 В. Средние стоко-затворные
вольт-амперные
характеристики, измеренные до и после каждого этапа облучения,
представлены на рис.30 и в Приложении 2.
45
Ln(Iс) , A
1.00E+00
1.00E-01
1.00E-02
0крад
1.00E-03
20крад
1.00E-04
120крад
420крад
1.00E-05
720крад
1.00E-06
970крад
1270крад
1.00E-07
1560крад
1.00E-08
1.00E-09
1.00E-10
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
U
3.5 з
,В
Рис30. Средние стоко-затворные характеристики при облучении
гамма-лучами с Р=0,1 рад/с в режиме переключения.
Использование метода подпороговых токов позволило получить
зависимость плотности поверхностных дефектов от времени облучения при
мощности дозы Р = 0,1 рад/с. Указанная зависимость представлена на рис.31
(кривая 1). Как можно видеть, что как и в случае облучения в пассивном
режиме, так и в режиме переключения наблюдаются 2 этапа поверхностного
дефектообразования.
Первый этап образования ПС описывается экспонентой (2) (см. рис.31,
кривая (2). Параметры зависимости определялись с помощью программы
Origin Pro 8.1:
Nit.н = (1,114 ± 0,875)·1011 см-2 и α = (3,41 ± 1,03) ·10-3 ч-1.
Вычитая из общей зависимости средних значений (1) на рис 31 вклад
изменения плотности ПС (2) получаем вклад поверхностных дефектов (3).
46
Как можно видеть на рис.31 процесс образования ПД становится заметным в
случае облучения с мощностью дозы Р = 0,1 рад/с при t > 1000 часов.
2.5E+11
∆Nit , cм-2
2E+11
1.5E+11
1
2
1E+11
3
5E+10
t,ч
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Рис.31. Изменение средней плотности поверхностных дефектов во времени
при Р=0,1 рад/с в активном режиме переключения: (1) – общая зависимость,
(2) – изменение плотности ПС, (3) – изменение плотности ПД
Таким образом, при длительном облучении низкоинтенсивным ИИ как
в пассивном режиме, так и в режиме переключения имеет место два этапа
поверхностного дефектообразования [37].
2.3.4 Исследование МОП транзисторов с КНИ структурой в тестовых
КМОП ИМС в пассивном режиме
Для выяснения роли объема оксидной пленки в данной работе был
проведен эксперимент, в котором исследовались тестовые КНИ п-канальные
МОП транзисторы с толщиной пленки оксида dox=6,8 нм на островке
кремниевой пленки толщиной dSi = 200 нм. Использовались тестовые
транзисторы n-типа, изготовленные по технологии 0,35 мкм с длиной канала
0,35 мкм и шириной канала 18,7 мкм. Разрез и топология транзисторов
показана на рис. 32. Облучение образцов проводилось в шахте-хранилище
47
реактора ИРТ НИЯУ МИФИ при мощности дозы Р=0,1 рад/с в пассивном
режиме.
Рис.32.Общий вид конструкции КНИ КМОП инвертора.
До и после каждого этапа облучения измерялись стоко-затворные
характеристик с использованием анализатора полупроводниковых приборов
Agilent Technologies B1500A в широком диапазоне токов. Результаты
измерений СЗХ МОП транзисторов, облучавшихся в пассивном режиме
(хранения), представлены на рис.33 и в Приложении 3.
Ln(Iс) , A
1.00E+00
1.00E-01
1.00E-02
1.00E-03
0крад
1.00E-04
103крад
1.00E-05
206крад
1.00E-06
309крад
1.00E-07
423крад
1.00E-08
526крад
1.00E-09
1.00E-10
1.00E-11
1.00E-12
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Uз , В
Рис.33.Средние стоко-затворные характеристики МОП транзисторов при
мощности дозы Р=0,1 рад/с и разных поглощенных дозах гамма-излучения
48
Используя метод подпороговых токов [12], были определены зависимости
плотности поверхностных дефектов от времени облучения. Начальная
плотность ПС составляла Nit(0) = 7,4·1011 см-2. На рис.34 (кривая 1)
представлена средняя зависимость ΔNit(t), полученная при Р=0,1 рад/с.
Наличие изгиба на этой зависимости свидетельствует о двух этапах
образования поверхностных дефектов.
∆Nit , cм-2
1.00E+12
9.00E+11
8.00E+11
7.00E+11
6.00E+11
5.00E+11
1
4.00E+11
2
3.00E+11
3
2.00E+11
1.00E+11
0.00E+00
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
t,ч
Рис.34. Изменение плотности поверхностных дефектов во времени при
облучении гамма-лучами с мощностью дозы Р=0,1 рад/с. Исходная
зависимость (1), экспоненциальная зависимость (2) и изменение плотности
ПД (3)
Полученная зависимость на рис.34. показывает, что и для тонкого
оксида толщиной 6,8 нм тоже наблюдаются два этапа образования
поверхностных дефектов. На первом этапе имеет место образование ПС по
49
экспоненциальному закону (2), который показан на рис.34 (кривая 2). С
помощью программы Origin Pro 8.1 определены параметры экспоненты:
Nit.н = (4,23±0,0637)·1011 см-2 и α = (1,71 ± 0,0786)·10-3 ч-1.
На
втором
поверхностных
этапе
дефектов.
наблюдается
Вычитая
образование
«дополнительных»
из
экспериментальной
общей
зависимости экспоненциальную составляющую, получаем зависимость
плотности дополнительных ПД, которая показана на рис.34 (кривая 3).
Таким образом, и в случае малых размеров КНИ МОП транзисторов
наблюдаются два этапа дефектообразования: образование ПС и ПД.
2.4.Модель поверхностного дефектообразования
2.4.1. Анализ литературных и экспериментальных данных
Основной вопрос, который до настоящего времени остается не
выясненным - какова природа «дополнительных» дефектов на границе
раздела кремний-оксид кремния. По одной версии – образование дырок при
воздействии ИИ, их перемещение в пленке оксида к границе раздела Si-SiO2 и
образование ПС (модель разрыва напряженных связей [4, 16], конверсионная
модель [17, 18]). По другой версии имеет место образование дырок при
ионизации пленки оксида и образование протонов, которые создают ПС на
границе раздела Si-SiO2 [19 - 27], в том числе и при участии молекул
водорода [28] или воды [29-30]).
Результаты
экспериментальных
исследований
процесса
дефектообразования, взятые из работ [18] и [28], а также результаты
экспериментов, описанные в подразделах 2.1 и 2.3.3 , представлены на рис.35
в относительных единицах ΔNit/ΔNit.н, где ΔNit.н – изменение плотности ПС
при насыщении первого этапа – образование ПС.
50
∆Nit , см-2
2.50E+00
1
2
1526ЛЕ5
2.00E+00
3
564ЛА9
6
1.50E+00
1.00E+00
7
КНИ
LM328
LM111
5.00E-01
0.00E+00
0.01
RF25
0.1
8
4
2N907
расчет
2N2907
1
10
5
100
1000
10000
t,ч
Рис.35. Изменение плотности ПС и ПД во времени при воздействии
низкоинтенсивного ИИ на микросхемы RF25 (1), LM111 (2), 1526 в режиме
переключения (3) и 564 в режиме переключения (4), LM328(5), 2N907расчет(6) , эксперимент(7) и КНИ
Представленные на рис.35 зависимости показывают, что второй этап
дефектообразования начинается
при низкоинтенсивном облучении после
времени облучения около t ~1000 ч. для радиационностойких КМОП ИМС и
около t~100 ч. для коммерческих изделий. Это говорит о том, что в
литературе исследовался только первый процесс - процесс образования ПС.
Процесс старения КМОП ИМС при длительных облучениях наблюдается
только при временах, превышающих 1000 часов. Причем в случае пленки
оксида толщиной 6,8 нм второй этап дефектообразования (образования ПД)
происходит раньше, чем в случае толщины подзатворного оксида 60 нм. Это
свидетельствует о более быстрой миграции дефектов через пленку кремния.
Поскольку в экспериментах использовались КМОП ИМС с толщинами
подзатворного оксида 100 нм, 60 нм и 6,8 нм, то для этих случаев с
использованием данных таблицы 2 и выражения (6) проведен расчет времени
51
диффузии через толщину оксида. Результаты расчета для комнатной
температуры 25ºС представлены в таблице 4.
Таблица 4. Времена диффузии водородных разновидностей и дырок через
пленки оксида
Водородные
разновидности
Время диффузии
для dox=100 нм
для dox=60нм
для dox=6,8 нм
H0
2,739×10-4 с
9,861×10-5 с
1,267×10-6 с
H+
170,69 с = 0,047 ч
61,447
0,789
H2
1,743 с
0.627c
8,06×10-3
OH-1
8.008×103 с = 2,22 ч 2,883 ×103с = 0,8 ч
5,48×108 с =
1,52·105 ч
H2O
1,973×108 =
5,48×104 ч
37,027 с = 0,01 ч
2,534×106 = 703,9 ч
Как можно видеть, наиболее длительным процессом является диффузия
молекул воды. Но она оказывает влияние только в случае разгерметизации
корпуса микросхемы [31]. Время диффузии молекул воды через пленку
оксида кремния толщиной 60 нм при комнатной температуре составляет
~54,8 тысячи часов. В данной работе все исследовавшиеся образцы
(серийные
микросхемы
и
тестовые
микросхемы)
на
предприятии-
изготовителе помещались в герметичный корпус. Таким образом, не может
наблюдаться влияние молекул воды на образование
поверхностных
дефектов, а другие водородные разновидности приводят к насыщению ПС до
времен t ~ 1000 ч.
Таким образом, известные механизмы образования ПС достигают
насыщения за времена, менее 1000 часов. Поэтому необходимо разработать
новую модель второго этапа дефектообразования – процесса образования
ПД.
52
2.4.2.Физическая модель образования «дополнительных» поверхностных
дефектов
Учитывая вышесказанное, получаем, что на первом этапе происходит
образование ПС непосредственно на границе раздела кремний-оксид
кремния. На втором этапе дефектообразования в данной работе предлагается
механизм образования ПД, обусловленный диффузией точечных дефектов,
образовавшихся в пластине кремния при гамма-облучении, к границе раздела
Si-SiO2.
Радиационные испытания на дозовые эффекты
проводятся на
моделирующих установках с источниками гамма-излучения. В данной работе
использовался источник Cs137. При воздействии гамма-лучей, у которых
энергия квантов составляет Еγ = 0,662 МэВ, наблюдается образование
комптоновских электронов и рассеянных гамма-квантов [38]. Энергия
комптоновских электронов определяется выражением
Eэ  E  E/  E 
E
,
(1  cos  ) E
1
mэ с 2
(15)
где Eγ и E′γ - энергии квантов исходного и рассеянного гамма-излучений, θ –
угол рассеяния гамма-квантов, mэ – масса электрона, с – скорость света.
Максимальная энергия комптоновских электронов равна Еβ = 465 кэВ [38], а
средняя энергия, рассчитанная в данной работе с использованием (15),
получается равной
Еэ.ср. = 280 кэВ.
Таким образом, при гамма-облучении от цезиевого источника, при
котором
максимальная
энергия
комптоновских
электронов
равна
Еβ = 465 кэВ и пороговая энергия эффекта смещения атомов Еэ.пор = 145…170
кэВ[38], может образоваться не более 3 дефектов. В случае средней энергии
электронов Еэ.ср = 280 кэВ получаем 1…2 дефекта.
53
Так как точечные дефекты, образовавшиеся при эффекте смещения
атомов, имеют тенденцию образовывать неподвижные ассоциации дефектов
с примесными атомами и другими дефектами в объеме кремния, то в данной
работе отдается предпочтение «подпороговым» механизмам (таким, как
«кулоновский взрыв»[5, 40]). Энергия образования такого «подпорогового»
дефекта составляет (2,7…3)ЕК, где ЕК≈6 кэВ – энергия ионизации К-оболочки
кремния [40].
При дозе гамма-излучения D поток комптоновских электронов равен
э 
 Si  D
dE
dx

D

1 dE
 Si dx
 1,6 108

D
,
1,9  1,6  108 ,
где ρSi – плотность кремния, dE/dx – потери энергии электронов на
1 dE
 1,9  удельные  потери  энергии.
ионизацию,  Si dx
Удельные потери для комптоновских электронов взяты из [41] для
средней энергии Еэ/cр = 280 кэВ. Так как пороговая энергия образования
«подпорогового» дефекта равна
Еп/пор = 16,5 кэВ [40], то один
комптоновский электрон образует в среднем 17 дефектов.
Качественная модель этого процесса, описанная в [36], представлена на
рис.36. Из области «подпорогового» дефектообразования в объеме кремния
образовавшиеся дефекты мигруют в приповерхностную область кремния и
вызывают рост плотности дополнительных поверхностных состояний
ΔNit*(Р,t). Механизм перемещения «подпорогового» дефекта («эффект
кузнечика») показан на рис.37 [42]. Он вызван возбуждением электронной
54
системы
кремния
соседних
с
дефектом
атомов
при
воздействии
ионизирующего излучения.
Рис.36. Качественная модель образования ПД с учетом миграции дефектов
Рис.37. Перемещение подпорогового дефекта, образованного при
«кулоновском взрыве», при ионизации соседних атомов
Поток дефектов описывается выражением
dN д
N д
dN it*
D
D
,
dt
dx
х
55
где D –коэффициент диффузии «подпороговых» дефектов,
N д
х - градиент распределения дефектов около границы SiO2,
dN it* N it*

dt
х
- градиент распределения дефектов в переходном слое от
кремния к оксиду кремния,
Δx – толщина переходного слоя от кремния к оксиду кремния.
В данной работе на основе данных [27] выбрано, что ширина
переходного слоя «border traps» от Si к SiO2 составляет Х≈50 Ǻ.
Используя средние значения плотности поверхностных дефектов Nit*
по всем 12 МОП транзисторам в 3 микросхема серии 1526 на втором участке
зависимостей плотности ПД, представленных на рис.29 (кривая 3) и 31
(кривая 3), был получен коэффициент диффузии дефектов. При длительности
эксперимента t = 1400 ч в пассивном режиме коэффициент диффузии равен
D = 2,22·10-17 см2/с,
а в электрическом режиме (в режиме переключения) при длительности
облучения t = 1400 ч получаем
D=3,87·10-17 см2/с.
Для КНИ структуры с толщиной пленки кремния dSi = 200 нм для оценки
коэффициента диффузии использовалось выражение (6). Тогда в случае
t = 1400 ч получаем
Сравнение
D=1,984·10-17 см2/с.
полученных
значений
коэффициентов
диффузии
водородных разновидностей и полученных в эксперименте данных,
представленных в таблице 5, показывает, что играет основную роль играет
миграция подпороговых дефектов в увеличении плотности дефектов на
56
границе раздела кремний-оксид кремния при временах низкоинтенсивного
облучения более ~1000 часов.
Таблица 5. Сравнение коэффициентов диффузии водородных разновидностей
и дефектов в кремнии
Дефекты
0
H
9.127×10
+
H
1.465×10
H2
1.434×10
-1
OH
3.122×10
H2O
4.56×10
Надпороговые
дефекты
~10
1526 ЛЕ5 в
пассивном
режиме
2
Источник
-8
Annealing of total dose damage:
redistribution of interface states density
on <100>, <110> and <111>
orientation silicon.
D(To), cм /с
-13
-11
-15
/ R.E.Stahlbush, R.K.Lawrence,
H.L.Hughes, N.S.Saks.
//IEEE Trans.on Nucl.Sci. 1988. Vol.NS35. No 6. P.1192-1196.
-20
Вавилов В.С., Кив Л.Е., Ниязова О.Р.
Механизмы образования и миграции
дефектов в полупроводниках.-М.:
«НАУКА», 1981
-9
2.217×10
-17
Эксперимент
-17
1526 ЛЕ5 в
3.87×10
активном режиме
КНИ
1,984·10-17
При времени диффузии t = 2483 ч. получаем с использованием (6) длину
диффузии в пассивном режиме LD ≈ 17,16 мкм, а в при t = 2000 ч в режиме
переключения
LD ≈ 19,06 мкм. Эти оценки показывают, что образование
57
подпороговых дефектов и их миграция происходит в приповерхностной
области полупроводника на расстоянии около ~20 мкм.
Таким образом, для описанных выше экспериментов получены данные,
представленные в таблице 6.
Таблица 6. Результаты расчетов
образцы
1526 в
пассивном
режиме
1526 в
активном
режиме
Тестовые
КНИ ИМС
в пассивном
режиме
Примечание
D, крад
504
504
504
Доза ИИ
t, ч
1400
1400
1400
Время
облучения
Фэ, см-2
1,658 ·1013
1,658 ·1013
1,658 ·1013
Поток
электронов
Nд, см-3
2,818 ·1014
2,818 ·1014
2,818 ·1014
Концентрация
дефектов
5,637·1020
5,637·1020
5,637·1020
Градиент
концентрации
дефектов
ΔNit*, см-2
6,3 ·1010
1,1 ·1011
1,6 ·1012
Плотность ПД
ΔNit*/Δt, см-2ч-1
4,5·107
7,857·107
1,143·109
Скорость
образования ПД
1,984·10-17
Коэффициент
диффузии
«подпороговых»
дефектов
-
Длина
диффузии
Исследовавшиеся
dNд/dx
D, см2/ч
LD,мкм
2.217×10
21,14
-17
3.87×10
27.94
58
-17
Полученные данные свидетельствуют, что влияние переменного
электрического
поля
на
диффузию
«подпороговых»
дефектов
в
приповерхностной области кремния слабое.
Таким образом, получено, что «подпороговые» дефекты кремния
взаимодействуют с границей раздела на расстоянии в пределах 20 нм. Низкое
значение коэффициент диффузии подпороговых дефектов объясняется
длительным временем ожидания ионизации соседних с дефектом атомов
кремния при низкоинтенсивном облучении (см. рис.37).
В случае КНИ структуры коэффициент диффузии «подпороговых»
дефектов меньше, чем в кристаллическом кремнии. Это можно объяснить
неупорядоченностью пленки кремния на поверхности оксида.
Выводы
1.Процессы радиационно-стимулированного старения МОП приборов
вызваны образованием поверхностных дефектов, которые протекают в
условиях воздействия ионизирующего излучения с мощностью дозы Р
во времени t.
2.При длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего
излучения
на
МОП
транзисторы
наблюдаются
две
стадии
поверхностного дефектообразования.
3.«Дополнительные»
поверхностные
дефекты
образуются
при
диффузии подпороговых дефектов к границе раздела кремний-оксид
кремния.
4.Длина диффузии подпороговых дефектов получилась равной в
пассивном режиме L≈21,14 нм, а в режиме переключения - L≈27,94 нм
при времени миграции t = 1400 ч.
59
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ КМОП ИМС В ПЕРИОД
СТАРЕНИЯ В РЕЖИМЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
3.1.Описание методики испытаний
Для длительных испытаний используются как режимы с постоянными
напряжениями на элементах ИМС, так и режим переключения. Испытания в
пассивном режиме являются частным случаем режимов с постоянными
напряжениями, которые описаны в предыдущей главе. Поэтому в данной
работе был выбран режим переключения. При таком режиме чередуются
включения МОП транзисторов с п-каналами и с р-каналами в КМОП ИМС.
Для проведения длительных испытаний большого количества КМОП
ИМС требуется источник импульсного напряжения, который должен быть
нагружен на большое количество входов микросхем. Кроме того, требуется
большое количество соединительных проводов, что усложняет проведение
испытаний. Поэтому в данной работе предложено соединить логические
элементы КМОП ИМС в кольцевые генераторы. Достоинством такого
решения является:
- обеспечение режима переключения без генератора импульсов,
- использование трех выводов (к шине питания, к общей шине и к
сигнальной шине) от всей партии ИМС,
- определение времени наступления первого отказа.
Надо отметить, что объединение элементов КМОП ИМС в кольцевые
генераторы используется для контроля быстродействия микросхем [43]. Для
проведения длительных испытаний КМОП ИМС как в условиях воздействия
низкоинтенсивного
облучения,
так и
температуры
ускоренных
испытаниях
при
при
воздействии
использование
повышенной
кольцевых
генераторов предложено впервые [44].
Все экспериментальные исследования воздействия ионизирующего
излучения проводились в вертикальном сухом канале шахты-хранилище
реактора ИРТ МИФИ при мощности дозы гамма-излучения Р = 0,1 рад/с. В
60
одних экспериментах облучение производилось в пассивном режиме, а в
других – в активном при напряжении питания 5 В. Измерения проводились в
лаборатории вне вертикального канала. Контролировалось минимальное
функционирования кольцевого напряжения, которое измерялось с помощью
универсального вольтметра типа В7-78/1. Для контроля функционирования
кольцевых генераторов использовался осциллограф типа DSO3102A фирмы
Agilent Technologies.
3.2. Исследование кольцевых генераторов на КМОП ИМС типа 564ЛН2
3.2.1. Описание эксперимента
В эксперименте испытаниям подвергалась партия из 27 КМОП ИМС
типа 564ЛН2. В каждой микросхеме находилось по 6 КМОП инверторов.
Партия была разбита на 3 выборки по 9 ИМС, которые были помещены на 3
платы (см.рис.38). На каждой плате располагался кольцевый генератор, в
котором было 53 КМОП инвертора.
Рис.38. Платы для проведения эксперимента с кольцевыми
генераторами
Первая плата не подвергалась облучению, а две другие облучались при
дозе D1 = 10 крад и D2 = 20 крад соответственно. Облучение проводилось при
мощности дозы
Р = 0,1 рад/с без подачи электрического режима. При
61
облучении все выводы микросхем заземлялись. До и после облучения
инверторы коммутировались в кольцевые генераторы и производился
контроль функционирования.
3.2.2. Особенности проведения контроля отказов КМОП ИМС
Целью данного эксперимента являлось определение
влияния
низкоинтенсивного ионизирующего излучения в режиме хранения на
надежность КМОП ИМС при переключении логических элементов.
Для
сокращения времени проведения эксперимента применено ускоренное
испытание КМОП ИМС при повышенном напряжении. Это позволило
избежать отжига одних дефектов и образования новых дефектов, которые
возникают при повышении температуры. Коэффициент ускорения в этом
случае можно определить с помощью выражения [3]
Ку =
𝑡отк.н
𝑡отк.р
=
𝜆𝑃
𝜆0
= 𝑒 𝛼(𝑈уск −𝑈н ) ,
где Ку - коэффициент ускорения ,tуск.н и tуск.р – время отказов без облучения и
при облучении. λр и λ0 – интенсивности отказов при воздействии
дестабилизирующих факторов и при нормальных условиях, α – константа
модели, Uyск и Uн – напряжение питания (смещения) в форсированном и
нормальном режимах. При воздействии ионизирующего излучения и
ускоряющего напряжения получаем константу в виде
α = αР·αU ,
где αР – параметр, учитывающий мощность дозы, αU – параметр,
учитывающий ускорение повышенным напряжением.
В эксперименте проводились ускоренные испытания всех кольцевых
генераторов в форсированном электрическом режиме при повышенном
напряжении Uуск = 12 В и комнатной температуре 24ºС. (Номинальное
напряжение питания составляет Uн = 10 В).
62
3.2.3.Результаты испытаний
Отказы кольцевых генераторов после облучения 10 крад и 20 крад
наблюдались через t1=534 часа, а без облучения - через t2=2237 часов.
Вероятность отказов при испытании кольцевых генераторов, содержащих по
53 логических элемента (в данном случае инверторов), согласно [44] равна
qр = (NF) / No,
(12)
где (NF) – верхняя оценка числа отказавших ИМС при заданной
доверительной вероятности р*, а NF – количество отказавших ИМС из No
образцов в выборке.
В данном случае NF = 1, а (NF) = 2 при доверительной вероятности
р*=0,6. В этом случае верхняя оценка вероятности отказа с использованием
(12) получилась равной qр = 2/53 = 0,0377. Тогда интенсивность отказов при
ускоренных испытаниях
при повышенном напряжении с воздействием
гамма-излучения получается равной
λу = - [ln(1-q)]/t1 = 7,196·10-5 ч-1,
а в случае отсутствия радиационного воздействия
λU = - [ln(1-q)]/t2 = 1,7179·10-5 ч-1,
По справочным данным [45] интенсивность отказов 564ЛН2 в
лабораторных условиях составляет величину λ0 = 0,21·10-6 1/ч.
При влиянии только повышенного напряжения получаем коэффициент
ускорения, равный αU при [3]
Ку(U) = ехр[αU (Uуск - Uн)] = 1,7179·10-5 / 2,1·10-7 = 81,8.
Тогда коэффициент ускорения при радиационном воздействии с
мощностью дозы Р имеет следующее значение
Ку(Р) = ехр(αР) = 7,196·10-3 /1,718·10-4 = 4,19.
63
При этом параметр αР получен равным αР=1.43.
Общий
коэффициент
ускорения
при
совместном
воздействии
повышенного напряжения и ионизирующего излучения получается равным
Ку.общ = Ку(U) · Ку(Р) = 81,8 ·4,19 = 342,6.
Интенсивность отказов только при воздействии ионизирующего излучения
получилась равной
λР = Ку(Р) ·λ0 = 4,19·2,1·10-7 = 8,799·10-7 ч-1
Среднее время наработки на отказ при нормальном напряжении и без
радиационного воздействия равно
tн = 1/λ0 = 4761904,7 ч,
а при воздействии ионизирующего излучения с мощностью дозы Р=0,1 рад/с
получается равным
tн = 1/8,799·10-7 = 1136492 ч
Таким
образом,
определен
вклад
воздействия
ионизирующего
излучения в процесс старения данного типа КМОП ИМС. Среднее время
наработки на отказ под воздействием низкоинтенсивного ИИ уменьшилось в
~4 раза.
3.3.Разработка методики прогнозирования отказов тестовых кольцевых
генераторов
3.3.1. Описание тестовых структур
При использовании высоконадежных
КМОП
ИМС
длительные испытания до появления отказов. Поскольку
требуются
длительность
испытаний ограничена, то требуется разработка методики прогнозирования
64
времени наработки на отказ. В данной работе методика прогнозирования
отказов кольцевых генераторов отрабатывалась на тестовых структурах.
Тестовая КМОП БИС была разработана в НПО «Физика» и
предназначена для измерения реальных задержек переключения цепочек
типовых элементов и выделения на их основе временных параметров
элементов библиотеки логического моделирования для кристалла БМК. Она
включает в себя 2 кольцевых генераторов, построенных на типовых
элементах библиотеки. Схемы испытываемых логических элементов в
кольцевых генераторах представлены на рис.39.
(а)
(б)
Рис.39. Схемы логических элементов в
тестовых микросхемах 1CG5 (а) и 4CG1 (б)
Тестовая БИС позволяет автономно запускать и останавливать все
кольцевые генераторы. Запуск осуществляется подачей на соответствующий
вход разрешения низкого уровня потенциала.
Тестовые БИС облучались в рабочем режиме при напряжении питания
Uпит=+5В и мощности дозы Р=0,1 рад/с. Измерение частоты кольцевых
генераторов производилось до и после каждого этапа облучения. Отказ
фиксировался при прекращении функционирования кольцевого генератора.
На каждом этапе эксперимента измерялось минимальное напряжение
питания Uмин(t), при котором сохраняется работа кольцевого генератора. Это
65
метод был использован для прогнозирования дозы отказа микросхем флешпамяти в [46] и микроконтроллеров в [47]. Значение Uмин(t) использовалось
для прогнозирования времени отказа.
3.3.2.Результаты эксперимента
Зависимости минимального
напряжения
питания
Uмин(t)
для
исследовавшихся тестовых кольцевых генераторов представлены на рис.40.
Как можно видеть, отказ наблюдался только у одного кольцевого генератора
в каждой тестовой микросхеме. Поэтому для работающих устройств было
необходимо сделать прогноз времени отказа.
6
Uмин , В
Uмин , В
4CG1
1CG5
6
5
5
4
измерение
3
4
измерение
Exp
3
Exp
прогноз.
прогноз.
2
2
1
1
0
1
10
100
1000
t,ч 0
10000
t ,ч
1
(а)
10
100
1000
(б)
Рис.40. Дозовые зависимости Uмин(t) отказавших кольцевых генераторов:
4СG1(a) и 1CG5(б) их аппроксимации
- измерение,
- экспоненциальная зависимость,
- показательная
функция
3.3.3.Выбор аппроксимации
В [46, 47] для прогнозирования времени отказа использовалась
показательная функция вида
Uмин(t) = Uмин(0) + А t m ,
66
(13)
где Uмин(t) и Uмин(0) – значения минимального напряжения питания после и
до облучения, t – время, А и m – параметры аппроксимирующей функции.
В данной работе проведено сравнение точности прогнозирования с
использованием показательной функции (13) с экспоненциальной функцией
вида
Uмин(t) = Uмин(0) + Аехр(а t),
(14)
в которой Uмин(t) и Uмин(0) – значения минимального напряжения питания
после и до облучения, t – время, А и а – параметры аппроксимирующей
функции.
При облучении наблюдался отказ двух кольцевых генераторов при
Uмин(t) = Uпит. Дозовые зависимости Uмин(t) отказавших образцов приведены
на рис.40. Эти зависимости позволили выбрать функцию, описывающую
дозовую зависимость Uмин(t).
Как можно видеть на рис.40,а функция (13) может дать бòльшую
погрешность в сторону больших доз, чем экспоненциальная функция (14).
Поэтому в данной работе применена экспоненциальная функция [48] для
определения времени отказа.
3.3.4.Результаты прогнозирования
Используя результаты экспериментального исследования зависимостей
Uмин(t) различных вариантов логических элементов в кольцевых генераторах,
в случае экспоненциальной функции (14) получены значения времени
отказов, которые представлены в таблице 7. Эти результаты позволили
оценить вероятность первого отказа тестовых структур qотк.
Расчет вероятности отказов проводился по методике, описанной в [44].
Согласно этой методики, вероятность отказа равна
qотк 
 ( p*, N отк )
N
67
,
где
α(p*,Nотк) – верхняя доверительная граница при доверительной
вероятности р* = 0,6 и числе отказавших элементов в кольцевом генераторе
Nотк= 1 , N – количество логических элементов в кольцевом генераторе.
Таблица 7. Времена отказов тестовых кольцевых генераторов при
воздействии ИИ с мощностью дозы Р=0,1 рад/с
qотк
Тестовая
Кольцевой
t,ч
N
схема
генератор
K1R001
CG5
13
337
0,154
K1R004
CG1
23
0,083
556
Использование тестовых кольцевых генераторов в составе тестовых
структур позволяет не только определять быстродействие логических
элементов, но и оценивать их срок функционирования в условиях
длительного низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения.
Преимуществом такого подхода является выявление первого отказа среди
однотипных логических элементов, соединенных в кольцевой генератор.
Таким
позволило
образом,
отработать
использование
методику
различных
прогнозирования
тестовых
отказов
структур
кольцевых
генераторов для случая длительных испытаний.
3.4.Исследование отказов кольцевых генераторов на КМОП ИМС
типа 1526ЛЕ5
В экспериментальном исследовании использовались КМОП ИМС с
повышенной надежностью типа 1526ЛЕ5( в одном корпусе располагается 4
логических элемента 2ИЛИ-НЕ). В эксперименте перед облучением
логические
элементы
соединялись
в
кольцевой
генератор,
который
функционировал при напряжении 5 В. Количество логических элементов в
кольцевом генераторе 11 логических элементов 2ИЛИ-НЕ с соединенными
68
входами. Облучение проводилось в шахте-хранилище реактора ИРТ НИЯУ
МИФИ в активном режиме при мощности дозы 0,1 рад/с.
Дозовая зависимость частоты генерации представлена на рис. 41. Как
можно видеть, наблюдается два этапа - этап сильного изменения частоты
переключения до ~1500 ч. и этап слабого её изменения в меньшую сторону
при накоплении поверхностных дефектов. Рост частоты генерации на первом
этапе
объясняется
конкуренцией
сдвигов
пороговых
напряжений
п-канальных и р-канальных МОП транзисторов в КМОП инверторах. На
втором этапе наблюдался процесс старения структур после ~1000 ч.
f , Гц
1.06E+07
1.04E+07
1.02E+07
1.00E+07
9.80E+06
9.60E+06
9.40E+06
t,ч
9.20E+06
0
1000
2000
3000
4000
5000
Рис.41. Изменение частоты кольцевого генератора при облучении
гамма-лучами с мощностью дозы Р = 0,1 рад/с.
В эксперименте контролировалось минимальное напряжение питания
кольцевого генератора, при котором он функционирует. Дозовая зависимость
минимального напряжения функционирования Uмин показана на рис.42. Эта
зависимость использована для прогнозирования времени отказа кольцевого
генератора. Результаты прогнозирования представлены в таблице 8 для двух
69
случаев
– для аппроксимаций Uмин(t) показательной и экспоненциальной
функциями соответственно.
1.7
1.6
Uмин , В
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
t,ч
1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Рис.42. Изменение минимального напряжения функционирования кольцевого
генератора на микросхемах типа 1526ЛЕ5
Таблица 8. 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. 40, значительно меньше и
может быть принято для прогноза с запасом.
По результатам испытаний вероятность отказа получилась равной
qотк 
 ( p*, N отк )
N
70

2
 0,182,
11
откуда интенсивность отказов получается равной (см.таблицу 7 для случая
экспоненциальной зависимости t = 4028 ч)

ln( 1  q) 0,201

 4,98  10 5 ч -1
t отк
4028
В этом случае средняя наработка на отказ
при мощности дозы ИИ
Р=0,1 рад/с получилась равной tср = 20072 ч.
Выводы
1. Впервые предложено использование кольцевых генераторов для
длительных испытаний, для которых требуется минимальное
количество соединительных линий.
2. Показано, что для прогнозирования времени отказа кольцевых
генераторов необходимо применять контроль минимального
напряжения питания.
3. Показано, что применение экспоненциальной функции дает меньшую
погрешность прогнозирования отказов, чем известная из литературы
показательная функция.
4. Определены средние времена наработки на отказ КМОП ИМС серий
564 и 1526 в режиме переключения в условиях воздействия
низкоинтенсивного ИИ.
71
Глава 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИИ ПРИ
ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ С РАДИАЦИОННЫМИ
ИСПЫТАНИЯМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1. Методика сопоставления результатов ускоренных испытаний и
радиационных испытаний при низкой мощности дозы
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. Этот процесс называют процессом «старения». Экспериментальные
данные, полученные при низкоинтенсивном облучении и при ускоренных
испытаниях,
достаточно
хорошо
описываются
экспериментальными
зависимостями вида [4, 5]
∆Nit = (∆Nit)нас (1-exp(-αPt)),
(15)
∆Nit = (∆Nit)нас (1-exp(-ωt)),
(16)
где Р – мощность дозы, t – время воздействия дестабилизирующего фактора,
α – эффективность радиационного воздействия, ω – эффективность
воздействия температуры.
Эффективность воздействия температуры, согласно [4], зависит от
температуры следующим образом
ω = ω0 VT ехр[(ESB – EF)/kT],
где ω0 – некоторый коэффициент, VT
- тепловая скорость дырок, ESB –
энергетический уровень напряженной связи,
EF – уровень Ферми,
отчитанный от границы валентной зоны, k – постоянная Больцмана, T –
абсолютная температура.
В случае одинакового времени воздействия дестабилизирующего
фактора t и равенстве плотностей ПС при низкоинтенсивном облучении и
72
при повышенной температуре
эквивалентные условия могут быть
определены из выражения
∆Nit(Р, t) = ∆Nit (Т, t).
Используя (15) и (16), получаем соотношение [49]
α Р = ω0 VT ехр[(ESB – EF)/kT].
в котором ESB=-1,18 эВ – энергетический уровень напряженных валентных
связей.
Таким образом, получаем значение мощности дозы Р, эквивалентное
условиям испытаний при заданной температуре Т,
Р = ω0 VT ехр[(ESB – EF)/kT]/ α.
(17)
В экспериментальном исследовании использовалась термокамера с
регулятором (Варта ТП403), который обеспечивал поддержание температуры
150 ºС с точностью 1ºС. Длительность каждого этапа испытаний около 100
часов. После испытаний образцы микросхем охлаждались до комнатной
температуры и проводились измерения стоко-затворных характеристик с
использованием
анализатора
полупроводниковых
приборов
Agilent
Technologies B1500A в широком диапазоне токов (до 10-11А).
Для определения плотности ПС и заряда в оксидных ловушках в
облученных МОП транзисторах использовалась методика, описанная в [12].
Она
заключается
в
расчете
сдвига
порогового
напряжения
МОП
транзисторов ΔUot , вызванного накоплением заряда в объемных оксидных
ловушках, и в вычитании его из измеренного значения порогового
напряжения ΔUo
ΔUit = ΔUo - ΔUot .
73
Поскольку образование ПС происходит во времени, то в данной работе
использовалось соотношение t =D/ P, в котором D – доза ИИ, P – мощность
дозы и t – время.
4.2.Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем
типа 564ЛА9 при повышенной температуре и низкоинтенсивном
облучении
При воздействии ионизирующего излучения
процесс старения
значительно ускоряется. В данной работе на основании опубликованных
экспериментальных данных, полученных для КМОП ИМС типа 564ЛА9 [34],
проводился поиск соответствия результатов ускоренных испытаний при
повышенной температуре и при воздействии ионизирующего излучения
(ИИ). В случае ускоренных испытаний при повышенной температуре и при
облучении в данном эксперименте использовался одинаковый импульсный
электрический режим.
Ускоренные испытания при повышенной температуре Т = 150оС
проводились в течение 392 часов в том же электрическом режиме, что в
эксперименте, описанном в [34]. Результат испытаний представлен на рис.43
(кривая 1). Как можно видеть, зависимости ΔNit(t) , полученные
при
низкоинтенсивном облучении быстрыми электронами при мощности дозы
Р = 0,75 рад/с и при ускоренных испытаниях практически совпадают как для
МОП транзисторов с п-каналом (рис.43,а), так и с р-каналом (рис.43,б). На
рис.43 (кривая 2) также показано изменение плотности ПС при хранении в
пассивном режиме в течение 13 лет [50].
Что касается изменения ΔUot , то как при ускоренных испытаниях при
повышенной температуре, так и при низкоинтенсивном воздействии
ионизирующего излучения наряду с ростом плотности ПС, происходит отжиг
заряда в оксидных ловушках. Зависимости изменения сдвига порогового
напряжения ΔUot, вызванного зарядом в оксидных ловушках, показаны на
74
рис.44. Как можно видеть, с ростом времени уменьшение сдвига ΔUot при
повышенной температуре (кривая 1) соответствует облучению при мощности
дозы Р = 0,08 рад/с, то есть при более низкоинтенсивном облучении. При
мощности дозы Р = 0,74 рад/с происходит меньшее уменьшение ΔUot, чем
при ускоренных испытаниях при температуре Т = 150оС. Но для случая
дефектообразования, вызывающего старение микросхем, изменение ΔUot не
имеет принципиального значения.
1.00E+13
∆Nit , см-2
1.00E+12
0,08рад/с
0,74рад/с
1
1.00E+11
2
t,ч
1.00E+10
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
(а)
∆Nit , см-2
3.00E+13
0,08рад/с
0,74рад/с
1
2
3.00E+12
3.00E+11
t,ч
3.00E+10
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
(б)
Рис.43. Зависимости плотности ПС для МОП транзисторов с п-каналом (а)
и с р-каналом (б) в случае испытаний при температуре Т=150оС(1,) при
нормальной температуре (2), при облучении электронами с мощностью
дозы Р=0,08 рад/с и 0,74 рад/с
75
ΔUot , B
0.8
0.7
0.6
0.5
0,08рад/с
0.4
0,74рад/с
1
0.3
2
0.2
0.1
0
1
100
10000
1000000
t ,ч
(а)
∆Uot , B
1.8
1.6
1.4
1.2
0,08рад/с
1
0,74рад/с
0.8
1
0.6
2
0.4
0.2
t,ч
0
1
10
100
1000
10000
100000 1000000
(б)
Рис.44. Изменение заряда в оксиде для МОП транзисторов с п-каналом
(а) и с р-каналом (б) в случае испытаний при температуре Т=150 оС (1), при
нормальной температуре (2), при облучении электронами с мощностями
дозы Р=0,08 рад/с и 0,74 рад/с.
Сравнение результатов, представленных на рис.43 и 44, показывает
возможность применения ионизирующего излучения для проведения
76
ускоренных испытаний на старение ИМС, поскольку основным эффектом
является образование ПС [35].
4.3. Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем
типа 564ЛЕ5 в пассивном режиме при повышенной температуре и
низкоинтенсивном облучении
Для проверки соответствия ускоренных испытаний при повышенной
температуре
и
при
низкоинтенсивном
гамма-облучении
проведен
эксперимент на микросхемах типа 564ЛЕ5.
Ускоренные испытания проводились в пассивном режиме при
температуре 150°С. До и после проведения каждого этапа испытаний
проводились измерения СЗХ МОП транзисторов в микросхеме при
напряжении на стоке Uс = 5 В. Количество образцов в этом эксперименте
равно 5, что означает исследование 10 п-канальных МОП транзисторов. СЗХ
измерялись с использованием анализатора полупроводниковых приборов
Agilent Technologies B1500A в широком диапазоне токов (до 10-11А). Для
определения плотности поверхностных состояний использовался метод
подпороговых токов [12]. Результаты расчета плотности ПС приведены на
рис. 45 (кривая 1).
Радиационные испытания микросхем проводились при мощности дозы
Р= 0,1 рад/с в пассивном режиме. Как и в случае ускоренных испытаний,
проводились измерения СЗХ МОП транзисторов в микросхеме. В этом
эксперименте
использовалось
5
микросхем,
в
которых
измерялись
характеристики 30 МОП транзисторов с п-каналом при напряжении на стоке
Uс = 5 В. Как и при ускоренных испытаниях, измерения проводились с
использованием
анализатора
полупроводниковых
приборов
Agilent
Technologies B1500A в широком диапазоне токов. Результаты измерений
ВАХ обрабатывались с применением метода подпороговых токов [12].
Результаты представлены на рис. 45 (кривая 2).
77
Сопоставление кривых (1) и (2) на рис. 45 позволило определить с
использованием (17) эквивалентную мощность дозы гамма-излучения. Она
получилась равной
Р = 0,01 рад/с [49].
∆Nit , cм-2
1.40E+12
1.30E+12
1.20E+12
1.10E+12
1
1.00E+12
2
9.00E+11
3
8.00E+11
7.00E+11
6.00E+11
5.00E+11
10
100
1000
10000
t,ч
Рис.45.Изменение плотности ПД при ускоренных испытаниях (1),
радиационных испытаниях при мощностях дозы 0,1 рад/с (2) и 0,01 рад/с (3)
Таким
показало
образом,
соответствие
проведенное
результатов
экспериментальное
ускоренных
(при
исследование
повышенной
температуре) и радиационных (при низкой мощности дозы) испытаний в
пассивном режиме. Однако следует отметить расхождение зависимостей 2 и
3 при временах, превышающих 1000 ч.
4.4.Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем
типа 1526ЛЕ5 в пассивном режиме при повышенной температуре и
низкоинтенсивном облучении
В данной работе наряду с радиационными испытаниями при
низкоинтенсивном воздействии ИИ, результаты которого представлены на
рис.46 (кривая 1), проведены ускоренные испытания при температуре 150оС,
результат которого показан рис.46 (кривая 2). Разработанный выше подход
определения мощности дозы, эквивалентной ускоренным испытаниям при
78
повышенной температуре, был применен для микросхем типа 1526ЛЕ5. Как
ранее отмечалось, при длительных испытаниях наблюдаются два этапа
поверхностного дефектообразования. Первый этап образования ПС показан
на рис.46 (пунктирная кривая) и при мощности дозы 0,02 рад/с хорошо
совпадает с результатами измерений при температуре 150оС (кривая 1), как
это можно видеть на рис.46. В дальнейшем температурная и радиационная
зависимости расходятся.
∆Nit , cм-2
1.60E+11
1.40E+11
1.20E+11
1.00E+11
1
8.00E+10
2
6.00E+10
4.00E+10
2.00E+10
t,ч
0.00E+00
100
1000
10000
Рис.46. Сравнение результатов испытаний при температуре 150оС (1) и при
облучении с Р=0,1 рад/с (2). Пунктиром показан результат прогноза при
Р=0,02 рад/с
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 диффузия дефектов из кремния, что увеличивает плотность ПД.
4.5. Сопоставление результатов испытаний в электрическом режиме
тестовых структур кольцевых генераторов при повышенной
температуре и низкоинтенсивном облучении
Проводились испытания при температуре 150ºС в электрическом
режиме при Uпит=5 В тестовых кольцевых генераторов, изготовленных на
79
пластине кремния и посаженных в корпус. Результаты испытаний
сравнивались с данными, полученными при радиационных испытаниях при
мощности
дозы
Р=0,1
рад/с
в
режиме
переключения.
Результаты
представлены на рис. 47.
6
U мин , B
5
4
1
3
2
2
3
1
0
0
100
200
300
400
500
t,ч
(а)
6
Uмин , B
5
4
1
3
2
2
3
1
0
0
100
200
300
400
500
t,ч
(б)
Рис.47. Изменение минимального напряжения функционирования тестовых
кольцевых генераторов 4CG1 (a) и 1CG5(б): 1 – прогноз, 2-облучение при
Р=0,1 рад/с, 3 – испытания при Т = 150оС.
Определялась мощность дозы ИИ, эквивалентная испытанию при
температуре
150оС
в
режиме
переключения.
80
Хорошее
совпадение
зависимостей Uмин(t) при температурном и радиационном воздействии
получено при Р = 0,2 рад/с.
Выводы:
1.
Ускоренные
испытания
при
повышенной
температуре
эквивалентны определенному значению мощности дозы низкоинтенсивного
ИИ при длительности испытаний до 1000 часов, что соответствует первому
этапу дефектообразования (образованию ПС).
2.
Повышение мощности дозы ИИ приводит к увеличению вклада
заряда в объеме подзатворного оксида в МОП транзисторах и к
несоответствию результатам ускоренных испытаний при повышенной
температуре.
3.
Повышение
длительности
низкоинтенсивного
облучения
приводит появлению второго этапа дефектообразования, который не
наблюдается при испытаниях при повышенной температуре.
81
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
заключаются в следующем:
результаты
диссертационной
работы
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 Si-SiO2, а на втором этапе старения происходит
миграция радиационных дефектов, образовавшихся в полупроводнике
при облучении, к границе раздела Si-SiO2.
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 8MS-811 Е=3000 кВт·ч и гамма-установки МРХ-γ-30
Е=0,05 кВт·ч дает экономический эффект в 60 тысяч раз.
82
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.
В работах, выполненных в соавторстве, диссертантом внесен
следующий вклад: определен вклад поверхностных состояний в изменение
характеристик МОП транзисторов в КМОП ИМС и предложен анализ
радиационных эффектов во времени при заданной мощности дозы [33],
предложена качественная модель процесса старения МОП приборов и учет
подпорогового дефектообразования в образовании поверхностных дефектов
[36],
проведен
анализ
экспериментальных
данных
по
длительному
облучению [37], проведен эксперимент и определена средняя наработка на
отказ элементов КМОП ИМС[43], проведено сравнение температурных и
радиационных испытаний [50].
83
ЛИТЕРАТУРА
1. Данилин Н.С., Белослудцев С.А. Отбраковка современной космической
электронной компонентной базы.- М.: МАКС Пресс, 2006.
2. Федосов В.В., Патраев В.Е. Обеспечение надежности радиоэлектронной
аппаратуры
космических
аппаратов
при
применении
электрорадиоизделий, прошедших дополнительные отбраковочные
испытания в специализированных испытательных технических
центрах.// Авиакосмическое приборостроение. 2006. №10. С.50-55.
3. РД 11 0755-90. Микросхемы интегральные. Методы ускоренных
испытаний на безотказность и долговечность. // Санкт-Петербург.:
ВНИИ «Электронстандарт», 1990.
4. 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.
5. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные
радиационные эффекты в элементах ИМС. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Горлов М., Строгонов А. Геронтология кремниевых интегральных схем.
Часть 1. // Chip News. 2000. № 3. С.22 – 25.
7. Попов В.Д., Белова Г.Ф. Физические основы проектирования
кремниевых цифровых интегральных микросхем в монолотном и
гибридном исполнении.- Санкт Петербург: Издательство «Лань», 2013.
8. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОПмикросхем. Справочник.- М.: Горячая линия – телеком, 2005.
9. Мьо Вин, Попов В.Д., Скородумова А.В. Прогнозирование
радиационной стойкости КМОП ИМС при низких мощностях дозы
ионизирующего излучения.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.
Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.
2010. Вып.1. С.74-77.
10.Dose rate effects on total-dose threshold-voltage shift of power MOSFETs./
Schrimpf R/D/ at al.// IEEE Trans. on Nuclear Science. 1988. Vol.NS-35. No
6. P.1536-1540.
11.Total- dose radiation annealing studies: implications for hardness assurance
testing./ Winokur P.S. at al.// IEEE Trans. on Nuclear Sci. 1986. Vol.NS-33.
No 6. P.1343-1351.
12.McWhorter P.J., Winokur P.S. Simple technique for separating the effects of
interface traps and charge metal-oxide-semiconductor transistors. //
J.Appl.Phys.Lett. 1986. Vol.48. No1. P.133-135.
13.Лебедев А.А., Орлова А.Ю., Попов В.Д. Роль эмиссии электронов в
образовании поверхностных состояний в МОП-структуре при
облучении гамма-лучами.-Вопросы атомной науки и техники. Сер.:
Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.
Вып.1 - Лыткарино: ФГУП "НИИП", 2011. С.19-22.
14.Implementing OML for radiation hardness assurance./ P.S.Winokur,
F.W.Sexton, D.M/Fleetwood, M.D.Terry, M.R.Shaneyfelt,
84
P.V.Dressendorfer, J.R.Schwank.//IEEE Trans.on Nucl.Sci 1990. V.NS-37.
No 3. P.1794-1798.
15.Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие
на бортовую аппаратуру космических аппаратов./ Под научн. ред.д.т.н.,
проф. Г.Г.Райкунова.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013.
16.Grunthaner F.J., Grunthaner F.J. Mat.Sci.Rep. 1986. Vol.1. P.65.
17.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.
18.Расчетный метод оценки стойкости биполярных приборов к
воздействию ионизирующих излучений низкой интенсивности и
использование конверсионной модели./В.С.Першенков,
А.С.Бакеренков, С.А.Варламов, В.В.Беляков, В.АюЛапшинский.//
Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного
воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2011.Вып.4. С.5-12.
19.McLean F.B. A framework for understanding radiation-induced interface
states in SiO2 MOS structures.//IEEE Trans. on Nuclear Sci. 1980.
Vol.NS-27. No 6. P.1651-1657.
20.Saks N.S., Klein R.B., Griscom D.L. Formation of interface traps in MOS
FETs during annealing following low temperature irradiation.// IEEE
Trans.on Nucl.Sci.1988. Vol.NS-35. No6. P.1234-1240.
21.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.//IEEE Trans.on Nucl.Sci. 1988. Vol.NS-35. No 6.
P.1192-1196.
22.Nature of interface defect buildup in gated bipolar devices under low dose
rate irradiation./X.J.Chen, H.J.Barnaby, R.D.Schrimpf, D.M.Fleetwood,
R.L.Pease, D.J.Platteter, G.W.Dunham.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2006.
Vol.NS-53. No 6. P.3649-54.
23. Electronic structure theory and mechanisms of the oxide trapped hole
annealing process./ Sh.P.Karna, A.C.Pineda, R.D.Pugh, W.M.Shedd,
T.R.Oldham.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2000. Vol.NS-47. No 6. P.23162321.
24.Mishima T.D., Lenahan P.M. A spin-dependent recombination study of
radiation-induced pb centres at the (001) Si/SiO2 interface.// IEEE Trans.on
Nucl.Sci. 2000. Vol.NS-47. No 6. P.2249-2255.
25.Hydrogen-related defects in irradiated SiO2./P.E.Bunson, M.Di.Ventura,
S.T.Pantelides, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf. // IEEE Trans.on Nucl.Sci.
2000. Vol.NS-47. No 6. P.2289-2296.
26.Proton-induced defect generation at the Si-SiO2 interface./ S.N.Rashkeev, ,
D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, S.T.Pantelides.// // IEEE Trans.on Nucl.Sci.
2001. Vol.NS-48. No 6. P.2086-2092.
85
27.Fleetwood D.M. Border traps in MOS devices.// IEEE Trans.on Nucl.Sci.
1992. Vol.NS-39. No 6. P.269.
28.Physical model for enchanced interface-trap formation at low dose rates./
S.N.Rashkeev, C.R.Cirba, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, S.C.Witzak,
A.Mishez, S.T.Pantelides.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2002. Vol.NS-49. No 6.
P.2650-2655.
29.Mechanisms of enhanced radiation-induced degradation due to excess
molecular hydrogen in bipolar oxides./X.J.Chen, H.J.Barnaby, B.Vermeiere,
K.Holbert, D.Wright, R.L.Pease, G.dunham, D.G.Platteter, J.Seiler,
S.McClure, P.Adell.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2007. Vol.NS-54. No 6.
P.1913-1919.
30.The effects of aging on MOS irradiation and annealing response./
M.P.Rodgers, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, I.G.Batyrev, S Wang,
S.T.Pantelides.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2005. Vol.NS-52. No 6. P.26422648.
31.Effects of water on the aging and radiation response of MOS devices./
I.G.Batyrev, M.P.Rodgers, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, S.T.Pantelides.//
IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2006. Vol.NS-53. No 6. P.3629-3635.
32.Baze M.P., Plaag R.E., Johnston A.H. Dose dependence of interface traps in
gate oxides at high levels of total dose.//IEEE Trans/on Nucl.Sci. 1989.
Vol.NS-36. No 6. P.1858-1864.
33.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.//Вопросы атомной
науки и
техники.
Сер.Физика
радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.
2012. Вып.1. С.43-45.
34.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.
35.Чжо Ко Вин. Применение ионизирующего излучения для
ускоренных испытаний МОП интегральных схем.// Электронная
техника. Сер.Полупроводниковые приборы. 2012. Вып.1(228). С.5456.
36.Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Радиационно-стимулированное старение
интегральных микросхем.//Вопросы атомной науки и техники.
Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную
аппаратуру. 2012. Вып.3. С.17-19.
37.Исследование процесса старения КМОП ИМС при длительном
низкоинтенсивном воздействии гамма-излучения./А.В.Власов,
Р.В.Власов, В.Д.Попов, Чжо Ко Вин.//Тезисы докладов 16
86
Всероссийской научно-технической конфекенции по радиационной
стойкости электронных систем «Стойкость-2013» Научнотехнический сборник.- Лыткарино: НИИП, 2013. С.116.
38.Дирнли Дж., Нортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных
излучений.- М.: Издательство «Мир», 1996.
39.Вавилов В.С., Ухин Н.А. Радиационные эффекты в полупроводниках и
полупроводниковых приборов.- Атомиздат, 1969.
40.Вавилов В.С., Кив Л.Е., Ниязова О.Р. Механизмы образования и
миграции дефектов в полупроводниках.- М.: «Наука». Главная редакция
физико-математической литературы. 1981.
41.Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Исследование процесса старения КМОП
микросхем при длительном низкоинтенсивном воздействии гаммаизлучения.//Вопросы атомной науки и техники. Сер.:Физика
радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.
2013. Вып.. С.. В печати.
42.Андреев А.И., Катеринич И.И., Попов В.Д. Надежность и контроль
качества интегральных микросхем (конспект лекций). Часть 2.
Контроль качества.- М.: МИФИ, 2004.
43.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.
44.РД 11 1003-2000. Изделия полупроводниковой электроники. Метод
прогнозирования надежности в условиях низкоинтенсивного
ионизирующего
облучения.
Санкт-Петербург:
РНИИ
«Электронстандарт», 2000.
45.Надежность изделий электронной техники для устройств
народнохозайственного назначения. Справочник. Издание ?-е.- СанктПетербург: ВНИИ «Электронстандарт», 1991.
46.Анашин В.С., Попов В.Д. Неразрушающий экспериментальноаналитический
метод
определения
индивидуальной
дозовой
радиационной стойкости КМОП БИС. // Системные проблемы
надежности, качества, информационных и электронных технологий. Млы Х международной конф. и Российской научной школы. Часть 1. –
М.: Радио и связь, 2005. С.41 – 42.
47.Определение индивидуальных характеристик дозовой стойкости
микроконтроллера
ATmega-128
экстраполяцией
изменения
критериальных параметров при низкоинтенсивном облучении в
пределах малых доз. /В.С.Анашин, А.В.Лебедев, В.Д.Попов,
А.В.Скородумова, П.А.Чубунов, И.И.Шагурин.//Вопросы атомной
науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на
радиоэлектронную аппаратуру. Научно-техн.сб. 2009.Вып.1. С. 59-61.
48.Чжо Ко Вин. Использование тестовых кольцевых генераторов для
прогнозирования дозы отказа КМОП ИМС при воздействии
87
низкоинтенсивного излучения.// Вопросы атомной науки и техники.
Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную
аппаратуру. Научно-техн.сб. 2013.Вып.1. С. 67-69.
49.Белова Г.Ф., Попов В.Д., Селуянова Т.А. Анализ изменения параметров
МОП транзисторов при длительном хранении КМОП ИМС. Научная
сессия МИФИ – 2004. Том 1. – М.: МИФИ, 2004. С.91-92.
50.Белова Г.Ф., Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Сравнение радиационного и
термического старения МОП интегральных схем.// Вопросы
атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия
на радиоэлектронную аппаратуру. Научно-техн.сб. 2012.Вып.2. С.
29-32.
51.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.
88
Приложение 1
Результаты определения средних значений и СКО при испытании микросхем
1526 ЛЕ5 в пассивном режиме при мощности дозы P= 0,1 рад /с.
Результаты измерения Ic , A
0крад
70крад
Uз , B
90крад
Ср.зн
СКО
190крад
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
0
2.74E-10
3.33E-10
3.08378E-11 2.25E-10
2.31289E-11 2.92E-10
2.92133E-11
0.5
2.11E-10
2.89E-10
3.78511E-11 1.95E-10
2.15867E-11 2.75E-10
2.78467E-11
1
5.78E-10
2.31E-09
2.36191E-10 1.68E-09
2.1254E-10 2.76E-09
1.93273E-10
1.5
2.85E-07
9.72E-07
7.15762E-08 8.11E-07
7.57438E-08 1.11E-06
6.51756E-08 Ith=2.47E-07
2
3.25E-05
4.69E-05
1.43798E-06 4.46E-05
1.61293E-06 4.85E-05
1.27478E-06
2.5
2.06E-04
2.36E-04
4.17778E-06 2.33E-04
4.38933E-06 2.38E-04
3.92489E-06
3
4.08E-04
3.78E-04
5.93302E-05 3.74E-04
6.01351E-05 3.48E-04
5.95402E-05 Img= 1.41E-13
Результаты измерения Ic , A
294крад
Uз , B
594крад
894крад
СКО
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
0 3.73E-10
2.19956E-11
5.54E-10
3.53933E-11
7.21E-10
4.58422E-11
0.5 3.77E-10
1.84244E-11
5.60E-10
4.42089E-11
8.52E-10
6.38733E-11
1 5.28E-09
2.15689E-10
1.22E-08
9.79889E-10
2.96E-08
3.30691E-09
1.5 1.63E-06
8.10489E-08
2.35E-06
1.54331E-07
3.52E-06
4.0434E-07
2 5.35E-05
1.78753E-06
5.54E-05
2.71956E-06
5.91E-05
3.66193E-06
2.5 2.44E-04
5.68644E-06
2.37E-04
8.40422E-06
2.35E-04
9.68178E-06
3 3.21E-04
5.75227E-05
2.51E-04
5.59182E-05
1.78E-04
4.37902E-05
Ср.зн
89
Ith=2.47E-07
Img= 1.41E-13
Результаты измерения Ic , A
1114крад
Uз , B
Ср.зн
1444крад
СКО
Ср.зн
1734крад
СКО
Ср.зн
СКО
0 9.73E-10 5.92533E-11 1.15E-09 6.68467E-11 1.80E-09 9.21911E-11
0.5 1.14E-09 1.07918E-10 1.39E-09 9.66444E-11 2.31E-09 1.30962E-10
1 4.18E-08 1.90936E-09 4.74E-08 7.23382E-09 7.12E-08 8.52956E-09
1.5 3.83E-06 2.11276E-07 3.86E-06 5.95656E-07 4.41E-06 6.53136E-07 Ith=2.47E-07
2 5.82E-05 2.64789E-06 5.56E-05 4.87689E-06 5.50E-05 5.45613E-06
2.5 2.28E-04 8.01244E-06 2.17E-04 1.23591E-05 2.09E-04 1.41129E-05
3 1.50E-04 3.89998E-05 1.34E-04 3.75851E-05 1.12E-04 3.46151E-05 Img= 1.41E-13
90
Приложение 2
Результаты определения средних значений токов стака МОП транзисторв и
СКО при испытаниях 1526 ЛЕ5 в режиме переключения
Результаты измерения Ic , A
0крад
20крад
Ср.зн
Uз ,
B
120крад
СКО
Ср.зн
420крад
СКО
Ср.зн
СКО
0 2.74E-10 2.91E-10 4.08622E-11 3.12E-10 3.55022E-11 5.23E-10 6.36E-11
0.5 2.11E-10 2.64E-10 5.00089E-11 3.01E-10 5.45489E-11 4.99E-10 6.96E-11
1 5.78E-10 1.41E-09 3.88829E-10 1.52E-09 3.87402E-10 2.28E-09 8.06E-10
1.5 2.85E-07 5.79E-07 1.45502E-07 5.33E-07 1.35392E-07 4.10E-07 1.67E-07 Ith=2.47E-07
2 3.25E-05 3.76E-05 3.87284E-06 3.44E-05 3.75169E-06 2.53E-05 4.68E-06
2.5 2.06E-04 2.13E-04 1.02793E-05 2.00E-04 9.68956E-06 1.62E-04 1.38E-05
3 4.08E-04 4.04E-04 7.08556E-06 3.86E-04
6.42E-06 3.27E-04 2.94E-05 Img= 1.41E-13
Результаты измерения Ic , A
720крад
970крад
1270крад
1560крад
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
0
5.14E-10
1.35316E-10
7.82E-10
1.20018E-10
8.96E-10
1.17E-10
1.47E-09
2.37184E-10
0.5
5.05E-10
1.40709E-10
7.66E-10
1.36456E-10
8.82E-10
1.43E-10
1.49E-09
2.67576E-10
1
1.66E-09
8.18818E-10
2.35E-09
8.1822E-10
2.63E-09
8.6E-10
3.98E-09
1.31662E-09
1.5
1.36E-07
6.39402E-08
1.47E-07
5.63667E-08
1.33E-07
3.91E-08
1.43E-07
3.94724E-08
2
1.05E-05
2.4424E-06
1.00E-05
2.09447E-06
8.33E-06
1.6E-06
7.57E-06
1.43742E-06
2.5
9.95E-05
1.27014E-05
9.34E-05
1.09855E-05
8.25E-05
8.92E-06
7.48E-05
8.13438E-06
3
2.11E-04
4.60262E-05
2.25E-04
3.43364E-05
2.23E-04
3.12E-05
2.21E-04
2.67409E-05
Uз , B
91
Приложение 3.
Результаты определения средних значений и СКО при испытаниях тестовых
МОП транзисторов с КНИ структурой при облучении с мощностью дозы
Р=0,1 рад/с.
Результаты измерения Ic , A
0 крад
Uз , B Ср.зн
103 крад
СКО
Ср.зн
206 крад
СКО
Ср.зн
СКО
-2 5.35E-12
1.12E-11 1.15E-10
1.97E-10 9.18E-10
1.43E-09
-1.9 6.24E-12
2.70E-11 6.11E-09
9.94E-09 9.86E-09
1.44E-08
-1.8 1.11E-10
2.08E-10 1.85E-08
2.85E-08 3.35E-08
5.06E-08
-1.7 5.63E-10
1.05E-09 4.77E-08
7.01E-08 6.89E-08
1.04E-07
-1.6 2.39E-09
4.48E-09 8.01E-08
1.17E-07 9.52E-08
1.42E-07
-1.5 6.46E-09
1.21E-08 1.09E-07
1.60E-07 1.10E-07
1.63E-07
-1.4 1.49E-08
2.80E-08 1.26E-07
1.85E-07 1.19E-07
1.74E-07
-1.3 2.93E-08
5.49E-08 1.35E-07
1.97E-07 1.24E-07
1.80E-07
-1.2 4.89E-08
9.17E-08 1.40E-07
2.05E-07 1.28E-07
1.89E-07
-1.1 7.12E-08
1.34E-07 1.41E-07
2.07E-07 1.39E-07
2.03E-07
-1 1.01E-07
1.89E-07 1.47E-07
2.15E-07 1.41E-07
2.07E-07
-0.9 1.29E-07
2.43E-07 1.56E-07
2.28E-07 1.47E-07
2.16E-07
-0.8 1.56E-07
2.93E-07 1.67E-07
2.45E-07 1.53E-07
2.26E-07
-0.7 1.69E-07
3.17E-07 1.73E-07
2.53E-07 1.58E-07
2.31E-07
-0.6 1.78E-07
3.34E-07 1.76E-07
2.57E-07 1.64E-07
2.38E-07
-0.5 1.81E-07
3.39E-07 1.85E-07
2.71E-07 1.72E-07
2.49E-07
-0.4 1.84E-07
3.44E-07 1.97E-07
2.88E-07 1.82E-07
2.62E-07
-0.3 1.82E-07
3.41E-07 2.06E-07
3.02E-07 1.92E-07
2.75E-07
-0.2 1.83E-07
3.44E-07 2.16E-07
3.15E-07 2.03E-07
2.92E-07
-0.1 1.82E-07
3.42E-07 2.27E-07
3.31E-07 2.10E-07
2.99E-07
92
0 1.87E-07
3.51E-07 2.40E-07
3.46E-07 2.24E-07
3.16E-07
0.1 1.92E-07
3.59E-07 2.87E-07
3.86E-07 2.64E-07
3.61E-07
0.2 1.97E-07
3.67E-07 5.40E-07
5.51E-07 4.85E-07
5.62E-07 Ith=7.03E-07
0.3 2.17E-07
3.76E-07 1.64E-06
1.53E-06 1.49E-06
1.45E-06
0.4 4.93E-07
4.97E-07 4.73E-06
4.40E-06 4.42E-06
3.94E-06
0.5 3.15E-06
3.04E-06 1.16E-05
1.07E-05 1.11E-05
9.44E-06
0.6 1.67E-05
1.61E-05 2.85E-05
2.61E-05 2.81E-05
2.37E-05
0.7 5.07E-05
4.89E-05 6.37E-05
5.80E-05 6.51E-05
5.45E-05
0.8 9.90E-05
9.51E-05 1.14E-04 0.000103 1.18E-04
9.84E-05
0.9 1.49E-04 0.000143 1.67E-04
0.00015 1.74E-04 0.000144
1 1.96E-04 0.000187 2.16E-04 0.000194 2.26E-04 0.000186
1.1 2.39E-04 0.000227 2.61E-04 0.000233 2.73E-04 0.000225
1.2 2.77E-04 0.000262 3.02E-04 0.000268 3.16E-04 0.000259
1.3 3.11E-04 0.000293 3.38E-04 0.000299 3.54E-04 0.000288
1.4 3.41E-04
0.00032 3.71E-04 0.000327 3.88E-04 0.000315
1.5 3.69E-04 0.000345 4.00E-04 0.000352 4.19E-04 0.000339
1.6 3.94E-04 0.000367 4.28E-04 0.000375 4.47E-04 0.000361
1.7 4.17E-04 0.000387 4.52E-04 0.000395 4.73E-04
0.00038
1.8 4.38E-04 0.000406 4.74E-04 0.000413 4.96E-04 0.000398
1.9 4.57E-04 0.000422 4.95E-04
0.00043 5.18E-04 0.000414
2 4.75E-04 0.000437 5.13E-04 0.000445 5.37E-04 0.000429
2.1 4.91E-04 0.000451 5.31E-04 0.000459 5.55E-04 0.000442
2.2 5.06E-04 0.000464 5.47E-04 0.000472 5.72E-04 0.000455
2.3 5.19E-04 0.000475 5.61E-04 0.000484 5.87E-04 0.000466
2.4 5.32E-04 0.000486 5.75E-04 0.000495 6.01E-04 0.000477
2.5 5.44E-04 0.000496 5.88E-04 0.000505 6.14E-04 0.000486
2.6 5.55E-04 0.000505 5.99E-04 0.000514 6.27E-04 0.000495
2.7 5.65E-04 0.000514 6.10E-04 0.000523 6.38E-04 0.000504
93
2.8 5.75E-04 0.000522 6.20E-04 0.000531 6.49E-04 0.000511
2.9 5.83E-04 0.000529 6.30E-04 0.000538 6.59E-04 0.000519
3 5.92E-04 0.000536 6.39E-04 0.000545 6.68E-04 0.000525
3.1 5.99E-04 0.000543 6.47E-04 0.000552 6.76E-04 0.000531
3.2 6.06E-04 0.000549 6.54E-04 0.000558 6.84E-04 0.000537
3.3 6.13E-04 0.000554 6.61E-04 0.000563 6.91E-04 0.000543
3.4 6.19E-04
0.00056 6.68E-04 0.000569 6.98E-04 0.000548
3.5 6.25E-04 0.000565 6.74E-04 0.000573 7.04E-04 0.000553
3.6 6.30E-04 0.000569 6.80E-04 0.000578 7.10E-04 0.000557 Img=9.79E-15
Результаты измерения Ic , A
309крад
Uз , B Ср.зн
423 крад
СКО
Ср.зн
526 крад
СКО
Ср.зн
СКО
-2 1.99E-09
3.09E-09 9.33E-09
1.22E-08 3.69E-08
5.74E-08
-1.9 2.97E-08
4.01E-08 9.44E-08
1.34E-07 1.64E-07
2.40E-07
-1.8 7.66E-08
1.05E-07 1.66E-07
2.36E-07 2.13E-07
3.02E-07
-1.7 1.16E-07
1.59E-07 1.98E-07
2.82E-07 2.45E-07
3.47E-07
-1.6 1.36E-07
1.86E-07 2.17E-07
3.09E-07 2.57E-07
3.64E-07
-1.5 1.45E-07
2.00E-07 2.19E-07
3.11E-07 2.69E-07
3.80E-07
-1.4 1.51E-07
2.08E-07 2.29E-07
3.26E-07 2.75E-07
3.88E-07
-1.3 1.58E-07
2.17E-07 2.42E-07
3.45E-07 2.86E-07
4.05E-07
-1.2 1.64E-07
2.26E-07 2.48E-07
3.53E-07 2.92E-07
4.13E-07
-1.1 1.73E-07
2.39E-07 2.57E-07
3.66E-07 3.03E-07
4.29E-07
-1 1.78E-07
2.46E-07 2.68E-07
3.81E-07 3.16E-07
4.46E-07
-0.9 1.85E-07
2.55E-07 2.76E-07
3.92E-07 3.23E-07
4.57E-07
-0.8 1.93E-07
2.66E-07 2.87E-07
4.08E-07 3.34E-07
4.71E-07
-0.7 2.01E-07
2.77E-07 2.95E-07
4.19E-07 3.42E-07
4.82E-07
-0.6 2.08E-07
2.87E-07 3.02E-07
4.30E-07 3.50E-07
4.92E-07
94
-0.5 2.10E-07
2.90E-07 3.14E-07
4.46E-07 3.62E-07
5.09E-07
-0.4 2.25E-07
3.10E-07 3.25E-07
4.61E-07 3.71E-07
5.22E-07
-0.3 2.36E-07
3.25E-07 3.38E-07
4.79E-07 3.84E-07
5.39E-07
-0.2 2.48E-07
3.42E-07 3.52E-07
4.99E-07 3.96E-07
5.56E-07
-0.1 2.58E-07
3.55E-07 3.64E-07
5.16E-07 4.13E-07
5.79E-07
0 2.70E-07
3.71E-07 3.86E-07
5.45E-07 4.32E-07
6.04E-07
0.1 3.08E-07
4.14E-07 4.25E-07
5.89E-07 4.73E-07
6.54E-07
0.2 4.52E-07
5.51E-07 5.44E-07
6.98E-07 5.68E-07
7.55E-07 Ith=7.03E-07
0.3 1.09E-06
1.09E-06 1.06E-06
1.10E-06 9.27E-07
1.12E-06
0.4 3.28E-06
3.07E-06 2.75E-06
2.36E-06 1.99E-06
2.12E-06
0.5 8.66E-06
7.94E-06 7.14E-06
6.08E-06 4.66E-06
4.61E-06
0.6 2.30E-05
2.09E-05 1.92E-05
1.62E-05 1.17E-05
1.10E-05
0.7 5.52E-05
4.96E-05 4.80E-05
4.01E-05 2.92E-05
2.57E-05
0.8 1.02E-04
9.13E-05 9.26E-05
7.69E-05 6.09E-05
5.07E-05
0.9 1.54E-04 0.000137 1.44E-04 0.000119 1.03E-04
8.49E-05
1 2.03E-04 0.000179 1.94E-04
0.00016 1.48E-04 0.000122
1.1 2.48E-04 0.000218 2.40E-04 0.000197 1.94E-04 0.000159
1.2 2.88E-04 0.000253 2.83E-04 0.000231 2.36E-04 0.000193
1.3 3.24E-04 0.000284 3.23E-04 0.000262 2.76E-04 0.000225
1.4 3.57E-04 0.000311 3.58E-04
0.00029 3.13E-04 0.000254
1.5 3.87E-04 0.000336 3.90E-04 0.000315 3.47E-04
0.00028
1.6 4.14E-04 0.000358 4.19E-04 0.000338 3.78E-04 0.000305
1.7 4.39E-04 0.000379 4.46E-04 0.000359 4.06E-04 0.000327
1.8 4.61E-04 0.000397 4.70E-04 0.000377 4.32E-04 0.000347
1.9 4.82E-04 0.000414 4.93E-04 0.000394 4.57E-04 0.000366
2 5.01E-04 0.000429 5.13E-04
0.00041 4.79E-04 0.000383
2.1 5.19E-04 0.000443 5.32E-04 0.000424 5.00E-04 0.000398
2.2 5.34E-04 0.000455 5.50E-04 0.000437 5.18E-04 0.000412
95
2.3 5.49E-04 0.000467 5.66E-04 0.000449 5.36E-04 0.000426
2.4 5.62E-04 0.000477 5.81E-04 0.000461 5.52E-04 0.000438
2.5 5.73E-04 0.000486 5.94E-04
0.00047 5.66E-04 0.000448
2.6 5.84E-04 0.000494 6.06E-04 0.000479 5.79E-04 0.000458
2.7 5.93E-04 0.000501 6.16E-04 0.000486 5.90E-04 0.000466
2.8 6.02E-04 0.000508 6.26E-04 0.000493 6.01E-04 0.000474
2.9 6.10E-04 0.000514 6.35E-04
3 6.18E-04
0.0005 6.11E-04 0.000481
0.00052 6.43E-04 0.000506 6.21E-04 0.000488
3.1 6.25E-04 0.000526 6.52E-04 0.000512 6.30E-04 0.000495
3.2 6.32E-04 0.000531 6.59E-04 0.000517 6.38E-04 0.000501
3.3 6.38E-04 0.000536 6.66E-04 0.000523 6.46E-04 0.000507
3.4 6.44E-04
0.00054 6.73E-04 0.000527 6.53E-04 0.000512
3.5 6.49E-04 0.000544 6.78E-04 0.000531 6.59E-04 0.000517
3.6 6.54E-04 0.000548 6.84E-04 0.000536 6.66E-04 0.000521 Img=9.79E-15
96
Приложение 4
Результаты определения средних значений токов стака МОП транзисторв и
СКО при испытаниях 1526 ЛЕ5 при температуре 150о С.
Результаты измерения Ic , A
0ч
Uз , B
1160ч
1260ч
1360ч
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
0
2.74E-10
1.73E-10
2.38E-11
1.48E-10
2.4575E-11
1.39E-10
2.46E-11
0.5
2.11E-10
1.47E-10
2.23E-11
1.49E-10
2.693E-11
1.41E-10
2.82E-11
1
5.78E-10
4.09E-10
1.13E-11
3.40E-10
1.298E-11
3.17E-10
1.55E-11
1.5
2.85E-07
2.34E-07
2.15E-08
2.05E-07
1.8513E-08
1.95E-07
1.73E-08 Ith=2.47E-07
2
3.25E-05
3.02E-05
1.55E-06
2.91E-05
1.4788E-06
2.86E-05
1.45E-06
2.5
2.06E-04
2.02E-04
6.2E-06
2.00E-04
0.00000615
1.99E-04
6.14E-06
3
4.08E-04
4.42E-04
1.34E-05
4.43E-04
0.0000134
4.43E-04
1.36E-05 Img= 1.41E-13
Результаты измерения Ic , A
1460ч
Uз , B
Ср.зн
1560ч
СКО
1660ч
Ср.зн
СКО
Ср.зн
СКО
0
1.58E-10
2.745E-11
1.57E-10
2.89E-11
1.63E-10
3.3225E-11
0.5
1.46E-10
2.595E-11
1.52E-10
2.93E-11
1.40E-10
2.525E-11
1
3.95E-10
2.076E-11
3.62E-10
1.43E-11
3.80E-10
1.1433E-11
1.5
2.23E-07
1.9063E-08
2.11E-07
1.75E-08
2.18E-07
2
2.98E-05
1.4775E-06
2.92E-05
1.43E-06
2.95E-05
1.4269E-06
2.5
2.01E-04
6.2E-06
2.01E-04
6.12E-06
2.01E-04
5.9993E-06
3
4.42E-04
1.3525E-05
4.43E-04
1.35E-05
4.43E-04
97
1.802E-08 Ith=2.47E-07
0.0000135 Img= 1.41E-13
Результаты измерения Ic , A
1750ч
Uз , B
Ср.зн
1850ч
СКО
Ср.зн
1970ч
СКО
Ср.зн
СКО
0
2.01E-10
3.57E-11
1.54E-10
2.5998E-11
2.31E-10
3.92E-11
0.5
1.82E-10
3.13E-11
1.41E-10
3.035E-11
2.20E-10
3.87E-11
1
4.94E-10
2.01E-11
3.73E-10
1.2942E-11
5.83E-10
2.06E-11
1.5
2.62E-07
2.34E-08
2.18E-07
1.9776E-08
2.98E-07
2.73E-08 Ith=2.47E-07
2
3.12E-05
1.57E-06
2.95E-05
1.5174E-06
3.24E-05
1.64E-06
2.5
2.04E-04
6.14E-06
2.01E-04
6.11E-06
2.06E-04
6.32E-06
3
4.41E-04
1.33E-05
4.42E-04
1.3444E-05
4.40E-04
1.31E-05 Img= 1.41E-13
Результаты измерения Ic , A
2210ч
Uз , B Ср.зн
2410ч
СКО
Ср.зн
2610ч
СКО
Ср.зн
СКО
0 2.30E-10 3.8772E-11 2.94E-10
5.55E-11 9.56E-09
1.1488E-09
0.5 2.06E-10 3.8574E-11 2.67E-10
5.09E-11 8.98E-09
1.1133E-09
1.435E-11 7.48E-10
2.34E-11 8.88E-09
1.0672E-09
1.5 2.79E-07 2.5189E-08 3.52E-07
2.79E-08 2.12E-07
1.6626E-08 Ith=2.47E-07
2 3.18E-05 1.6057E-06 3.40E-05
1.57E-06 2.89E-05
1.4446E-06
2.5 2.05E-04 6.2843E-06 2.08E-04
6.19E-06 2.00E-04
6.0578E-06
1 5.38E-10
3 4.41E-04 1.3162E-05 1.34E-04 3.75851E-05 1.12E-04 3.46151E-05 Img= 1.41E-13
98
Приложение 5
Результаты измерения минимального напряжения тестовых кольцевых
генераторов при воздействии ИИ с мощностью дозы и при температуре 150о
С.
минимальное напряжние U , В
время t , ч
Тестовая схема
Кольцевой генератор
0ч
31,76ч
60ч
K1R001
CG5
1,1
2
2,2
K1R004
CG1
0,8
0,9
1,4
минимальное напряжние U , В
Доза, крад
Тестовая схема
Кольцевой
генератор
10
50
100
150
4,8
0
K1R001
CG5
0,7
0,9
1,1
1,7
K1R004
CG1
0,7
0,9
1,1
1,8
99