eng
Выпуск #4/2002
В.Попов.
Пострадиационный эффект в ИС. Неразрушающий контроль качества ИС
Пострадиационный эффект в ИС. Неразрушающий контроль качества ИС
Просмотры: 3674
Совершенно очевидно, что микросхемы бортовых устройств космических аппаратов должны быть высоконадежны. Однако под воздействием ионизирующего излучения происходит накопление заряда на макродефектах оксидной пленки планарных микроэлектронных структур, что приводит к изменению основных параметров ИС и их отказу. В целях решения этой актуальной проблемы проведены исследования связанного с макродефектами пострадиационного эффекта и на основании полученных результатов даны рекомендации по отбраковке ИС и прогнозированию их надежности.
Надежность ИС в значительной мере определяется качеством оксидной пленки, одной из основных характеристик которого является плотность дефектов. При этом различают дефекты точечные и крупные – макродефекты, соизмеримые с толщиной оксидной пленки (микропоры, разупорядоченные области и т.п.). Представляя собой в подавляющем большинстве центры захвата дырок, макродефекты наиболее сильно проявляются при накоплении в них заряда. Поскольку ИС находят широкое применение в бортовых устройствах космических аппаратов, где они работают при комплексном воздействии электрического поля, температуры и низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства, исследование дефектности оксидных пленок (как пассивирующих, так и подзатворных) весьма актуально.
ПОСТРАДИАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ В ИС
Для низкоинтенсивного ионизирующего излучения характерно протекание под его воздействием в объеме оксидных пленок двух процессов с соизмеримыми скоростями. Это – захват на уровни дефектов дырок, образовавшихся в результате ионизации диэлектрика, и процесс термического выброса дырок с этих уровней. Освобожденные дырки, перемещаясь в пленке диоксида кремния, могут быть захвачены на уровни напряженных валентных связей между атомами на границе раздела с кремнием или на уровни макродефектов. В первом случае происходит образование поверхностных состояний [1], а во втором – образование области диоксида кремния с высокой плотностью положительного заряда [2]. Это наблюдается после ионизации диэлектрика через некоторое время, необходимое для освобождения захваченных дырок и их перемещения. Поэтому данный процесс получил название “пострадиационный эффект” (ПРЭ).
При исследовании ПРЭ для ускорения его проявления обычно используют выдержку облученных ионизирующим излучением планарных структур при повышенной температуре, а в ряде случаев – еще и в электрическом режиме. Такой метод испытания ИС при температурах 100–120°С вошел в декабре 1997 г. в военный стандарт США MIL-STD-883 как метод 1019.5. В нашей стране метод облучения и последующей термообработки получил название “радиационно-термическая обработка” (РТО). Применение подобных методов повышает скорость термического выброса дырок с уровней точечных дефектов и скорость их перемещения либо к макродефекту, либо к границе раздела диоксид кремния–кремний.
Интересны разные варианты проявления ПРЭ в МОП-транзисторах с n-каналом. Как видно из рис.1, в период облучения происходит дрейф порогового напряжения затвора от значения перед облучением UЗ0(0) до значения после облучения UЗ0(D). В случае накопления заряда в макродефектах при термообработке дрейф продолжается в том же направлении, что и при облучении (кривая 1) [3]. При образовании поверхностных состояний, которые в n-канальном транзисторе заряжены отрицательно, дрейф напряжения в период термообработки следует в направлении, противоположном радиационному дрейфу, до уровня, превышающего пороговое напряжение до облучения (кривая 2). Этот эффект в литературе получил название “rebound” [4]. Он наблюдается также при больших дозах облучения, когда отрицательный заряд в поверхностных состояниях превышает положительный заряд в объеме диоксида кремния. В случае же отсутствия ПРЭ происходит восстановление (полное или частичное) значения порогового напряжения (кривая 3). Таким образом, макродефекты в МОП-транзисторе проявляются в продолжающемся после облучения (некоторой дозой D) процессе накопления в них положительного заряда, освобождающегося из точечных дефектов оксидной пленки.
В биполярных ИС процесс зарядки макродефектов, расположенных в пассивирующей оксидной пленке над pn-переходом, приводит к увеличению обратного тока и, как следствие, к изменению параметров микросхемы. В экспериментальном исследовании [5] использовалась выборка в 70 шт. биполярных ИС малой степени интеграции, содержащих по 3 ТТЛ-элемента типа 3И-НЕ. Принципиальная схема логического элемента приведена на рис.2а. Облучение гамма-лучами от источника Cs137 в пассивном режиме (напряжение не подается, все выводы ИС закорочены) привело к отказу 62 изделий. При выдержке в том же режиме в течение 97 ч при температуре 17°С восстановили работоспособность три микросхемы. Далее проводилась выдержка всех (отказавших и работоспособных) ИС в течение 182 ч в номинальном электрическом режиме при температуре 40°С. Здесь проявился ПРЭ – произошел отказ шести ИС, которые не отказали во время облучения и выдержки в пассивном режиме. Такой результат обусловлен снижением выходного напряжения логической единицы U0H и объясняется процессом зарядки макродефекта над pn-переходом коллектора биполярного транзистора (рис.2б). Это вызвало обогащение свободными электронами приповерхностной области кремния n-типа и, как следствие, сужение обедненной области у поверхности полупроводника до туннельно проницаемой ширины, что и привело к росту обратного тока Iобр.
ИССЛЕДОВАНИЕ МАКРОДЕФЕКТОВ В ОКСИДНЫХ ПЛЕНКАХ
При исследовани макродефектов в пленках диоксида кремния использовался метод неразрушающего измерения напряжения пробоя диэлектрика [6]. В отличие от широко применяемых методов измерения термостимулированных токов и вольт-фарадных характеристик, которые определяют плотность заряда в диэлектрике, усредненную по площади тестовой МОП-структуры, в данном методе определяющую роль играет максимальная локальная плотность заряда. Если часть площади тестовой МОП-структуры занята заряженным макродефектом, то именно его заряд будет определять напряжение пробоя. Типичное распределение тестовых МОП-структур по напряженности электрического поля в диэлектрике E = Uпр/dох (Uпр – напряжение пробоя, dox – толщина пленки диоксида кремния), при которой возникает пробой, показано на рис.3. Наименьшее напряжение пробоя диэлектрика – у структур с макродефектами, а наибольшее – у бездефектных структур. Промежуточное положение занимают МОП-структуры с точечными дефектами. Плотность макродефектов оксидной пленки может быть определена с использованием соотношения Больцмана [7]:
р = exp(-NMS), (1)
где р – вероятность отсутствия пробоя, NM – плотность заряженных макродефектов, S – площадь МОП-структуры.
В процессе изготовления ИС большинство дефектов (как точечных, так и макродефектов) не заряжаются и себя не проявляют. Поэтому для их обнаружения необходима радиационно-термическая обработка, после которой наблюдается увеличение числа МОП-структур с низким значением напряжения пробоя. В соответствии с выражением (1) рост плотности заряженных макродефектов NM приводит к снижению p. Данные таблицы показывают, что облучение ионизирующим излучением вызывает зарядку только части макродефектов [2]. Дальнейший рост NM наблюдается при низкотемпературной обработке после облучения. Как можно видеть, плотность макродефектов в данном случае составляет NM » 30 см-2.
Используя выражение для расчета напряжения пробоя МОП-структуры [6] Unp = dox (Ei – Qox/eoeox),где Ei – напряженность электрического поля при пробое идеальной структуры, Qox – плотность заряда, eoeox – диэлектрическая проницаемость диоксида кремния, можно оценить плотность точечных дефектов в макродефекте как NT = Qox/q (где q – заряд электрона). По данным [6], NT » 1013 см-2, т.е. имеем фактически разупорядоченную область.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИС ПРИ РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Облучение и последующая термообработка ИС используется для моделирования низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения. В условиях эксплуатации при низкой мощности дозы облучение оксидной пленки и накопление заряда в макродефектах происходят одновременно. Кроме того, возможен, например, выход космического аппарата за пределы радиационных поясов Земли и, следовательно, значительное снижение мощности дозы ионизирующего излучения. В обоих случаях ПРЭ приводит к появлению “ранних” отказов ИС, т.е. возникает “период приработки”. Как показано в работе [8], увеличение плотности заряженных макродефектов при низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения можно описать выражением
NМ(t,P,Т) = NМ(0) + KQPtexp[(EaQ/k)(1/T0 – 1/TЭ)], (2)
где NМ(0) – начальная плотность заряженных макродефектов, KQ – параметр модели, Р – мощность дозы ионизирующего излучения, t – время облучения, EaQ – энергия активации процесса накопления заряда в макродефектах, T0 и TЭ – нормальная температура и температура при эксплуатации ИС, соответственно. Были определены следующие значения параметров модели (2) [8]:
...
Используя (1), (2) и известное в теории надежности соотношение
... (3)
в котором l – интенсивность отказов ИС, можно получить выражение для интенсивности отказов, обусловленных накоплением заряда в макродефектах при низкоинтенсивном облучении:
...
В этом выражении первое слагаемое описывает так называемый период приработки, когда ИС отказывают из-за макродефектов, зарядившихся в процессе изготовления. Будем рассматривать только второе слагаемое, которое характеризует период нормальной работы ИС, в течение которого интенсивность отказов практически постоянна. Из представленных выше значений параметров модели (2) можно оценить интенсивность отказов, вызванных накоплением заряда в макродефектах в период нормальной работы, lQ. Тогда вероятность безотказной работы ИС с учетом процесса зарядки макродефектов будет определяться выражением (3), где l = l0 + lQ, а l0 – справочная интенсивность отказов.
Если в случае эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите внутри приборного отсека мощность дозы ионизирующего излучения составляет Р = 0,118 рад/ч, то при TЭ = 40°С и l0 = 10-8 ч-1 вероятность безотказной работы в течение пяти лет непрерывного функционирования получается равной
при учете только l0 : p1 = 0,99956,
при учете l0 и lQ : p2 = 0,66513.
Приведенный пример показывает недопустимость применения ИС с макродефектами в космической технике. Для повышения надежности бортовой микроэлектронной аппаратуры необходима отбраковка потенциально ненадежных микросхем.
ОТБРАКОВКА ИС С МАКРОДЕФЕКТАМИ
Как показали исследования, широко применяемая для отбраковки ненадежных ИС электротермотренировка не приводит к зарядке макродефектов, не зарядившихся в процессе изготовления, и, следовательно, к их обнаружению. Они выявляются только при использовании РТО.
Применение РТО в процессе производства КМОП ИС дает возможность не только отбраковывать микросхемы с макродефектами в оксидных пленках, но и повышать процент выхода годных изделий на пластине [9]. Поскольку на заводе-изготовителе РТО проводится на пластинах, термообработку можно проводить в течение 30–60 мин при температурах 400–470°С. Ускоренные испытания микросхем, помещенных в корпус после РТО, показали их высокую надежность [9].
Разработчики аппаратуры получают микросхемы в корпусах, что снижает температуру термообработки после облучения до 100–125°С. Исследования показали [10], что в этом случае требуется длительный (~500 ч) отжиг в пассивном режиме. Эффект от РТО заключается в разделении партии ИС на группы, характеризующиеся определенным уровнем дефектности оксидных пленок. На рис.4а [11] представлены результаты измерения параметра-критерия U0L (выходное напряжение логического нуля) в партии КМОП ИС после облучения, термообработки и ускоренных испытаний (наработки при максимальной температуре эксплуатации в электрическом режиме). Как можно видеть, после РТО микросхемы разделяются по группам с малой, средней и высокой плотностью дефектов. Выделяется один образец с макродефектом. Увеличение U0L в нем объясняется зарядкой макродефекта над pn-переходом стока закрытого p-канального МОП-транзистора (см. рис.4б) [5].
Таким образом, отбраковка микросхем с макродефектами, а также других ИС с высокой плотностью дефектов оксидных пленок позволит значительно повысить надежность бортовых устройств космических аппаратов.
В заключение следует отметить, что до настоящего времени проблеме макродефектов в оксидных пленках планарных структур должного внимания не уделялось. Исследования в этой области были стимулированы обнаружением пострадиационного эффекта. Макродефекты в оксидных пленках могут образовываться не только в процессе изготовления ИС, но и при воздействии тяжелых частиц высоких энергий, что наблюдалось при облучении тестовых МОП-структур в реакторе быстрыми нейтронами [12]. Зарядка макродефектов может происходить в современных СБИС и вследствие образования “горячих” носителей заряда в субмикронных каналах МОП-транзисторов. Поэтому отбраковку СБИС целесообразно проводить и при использовании их в устройствах, не подвергающихся радиационному воздействию, но с жесткими требованиями по надежности.
Автор благодарит аспирантов В.В.Гришакова и А.П.Поливанова за помощь в подготовке статьи, а также профессора О.Р.Мочалкину и доцента Г.И.Зебрева за просмотр рукописи и сделанные замечания.
Литература
1. Попов В.Д., Ройзин Н.М. Роль ионизации в образовании поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик–полупроводник. – Микроэлектроника, 1973, т. 2, вып.6.
2. Попов В.Д., Поливанов А.П. Исследование явления перезарядки дефектов в пленке оксида кремния при послерадиационной термообработке. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы науч.-техн. семинара. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1998.
3. Гришаков В.В., Попов В.Д. Модель макродефекта в подзатворном оксиде кремния МОП-транзисторов. Научная сессия МИФИ-99: Сб. науч. тр. Т.6. – М.: МИФИ, 1999.
4. Schwank J.R., Winokur P.S., McWhorter P.J. et al. Physical mechanisms contributing to device “rebound”. – IEEE Trans. Nucl. Sci., 1984., vol. NS-31, N 6.
5. Ванин В.И., Гришаков В.В., Малышев М.М., Попов В.Д. Определение параметров крупных дефектов оксида кремния в планарных ИС. – Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру: Науч.-техн. сб., 2001, вып. 1-2. – М.:ЦНИИАтоминформ.
6. Попов В.Д. Исследование дефектов в пленках SiO2 методом измерения напряжения пробоя. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы науч.-техн. семинара. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1996.
7. Chou N.J., Eldridge J.M. On the statistics governing the defect density determination in SiO2 films.- J. Electrochem. Soc., 1973, vol.120, N 8.
8. Гришаков В.В., Поливанов А.П., Попов В.Д. Прогнозирование вероятности безотказной работы планарных ИС с учетом технологических крупных дефектов. Моделирование и исследование сложных систем: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. “Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры” (Севастополь, 12-20 сентября 1998 г.). – М.: МГАПИ, 1999.
9. Попов В.Д, Катеринич И.И, Курин Ф.М. Радиационная технология: уникальные возможности в производстве МОП-интегральных схем. – Chip News, 1997, №3 (12).
10. Поливанов А.П., Попов В.Д. Модель восстановления работоспособности элементов СБИС ОЗУ после g-облучения. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы докладов ХХХ междунар. науч.-техн. семинара (Москва, 29 ноября – 3 декабря 1999 г.). – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2000.
11. Кононов В.К., Малинин В.Г., Оспищев Д.А., Попов В.Д. Отбраковка потенциально ненадежных интегральных микросхем с использованием радиационно-стимулирующего метода. Радиационно-надежностные характеристики изделий электронной техники в экстремальных условиях эксплуатации/ Под ред. Ю.Н.Торгашова. – С.-Пб.: Электронстандарт, 1994.
12. Воронкова Г.М., Кузьминова А.В., Попов В.Д. Исследование крупных дефектов в МОП-структурах после облучения и низкотемпературного отжига. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы науч.-техн. семинара. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1997.
Представляем автора статьи
ПОПОВ Виктор Дмитриевич. Доктор технических наук. Профессор кафедры “Микроэлектроника” МИФИ. Автор свыше 200 научных работ. Сфера профессиональных интересов – надежность ИС при радиационном воздействии. Контактный тел.: 323-9068.
e-mail: wdpopov@mail.ru
ПОСТРАДИАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ В ИС
Для низкоинтенсивного ионизирующего излучения характерно протекание под его воздействием в объеме оксидных пленок двух процессов с соизмеримыми скоростями. Это – захват на уровни дефектов дырок, образовавшихся в результате ионизации диэлектрика, и процесс термического выброса дырок с этих уровней. Освобожденные дырки, перемещаясь в пленке диоксида кремния, могут быть захвачены на уровни напряженных валентных связей между атомами на границе раздела с кремнием или на уровни макродефектов. В первом случае происходит образование поверхностных состояний [1], а во втором – образование области диоксида кремния с высокой плотностью положительного заряда [2]. Это наблюдается после ионизации диэлектрика через некоторое время, необходимое для освобождения захваченных дырок и их перемещения. Поэтому данный процесс получил название “пострадиационный эффект” (ПРЭ).
При исследовании ПРЭ для ускорения его проявления обычно используют выдержку облученных ионизирующим излучением планарных структур при повышенной температуре, а в ряде случаев – еще и в электрическом режиме. Такой метод испытания ИС при температурах 100–120°С вошел в декабре 1997 г. в военный стандарт США MIL-STD-883 как метод 1019.5. В нашей стране метод облучения и последующей термообработки получил название “радиационно-термическая обработка” (РТО). Применение подобных методов повышает скорость термического выброса дырок с уровней точечных дефектов и скорость их перемещения либо к макродефекту, либо к границе раздела диоксид кремния–кремний.
Интересны разные варианты проявления ПРЭ в МОП-транзисторах с n-каналом. Как видно из рис.1, в период облучения происходит дрейф порогового напряжения затвора от значения перед облучением UЗ0(0) до значения после облучения UЗ0(D). В случае накопления заряда в макродефектах при термообработке дрейф продолжается в том же направлении, что и при облучении (кривая 1) [3]. При образовании поверхностных состояний, которые в n-канальном транзисторе заряжены отрицательно, дрейф напряжения в период термообработки следует в направлении, противоположном радиационному дрейфу, до уровня, превышающего пороговое напряжение до облучения (кривая 2). Этот эффект в литературе получил название “rebound” [4]. Он наблюдается также при больших дозах облучения, когда отрицательный заряд в поверхностных состояниях превышает положительный заряд в объеме диоксида кремния. В случае же отсутствия ПРЭ происходит восстановление (полное или частичное) значения порогового напряжения (кривая 3). Таким образом, макродефекты в МОП-транзисторе проявляются в продолжающемся после облучения (некоторой дозой D) процессе накопления в них положительного заряда, освобождающегося из точечных дефектов оксидной пленки.
В биполярных ИС процесс зарядки макродефектов, расположенных в пассивирующей оксидной пленке над pn-переходом, приводит к увеличению обратного тока и, как следствие, к изменению параметров микросхемы. В экспериментальном исследовании [5] использовалась выборка в 70 шт. биполярных ИС малой степени интеграции, содержащих по 3 ТТЛ-элемента типа 3И-НЕ. Принципиальная схема логического элемента приведена на рис.2а. Облучение гамма-лучами от источника Cs137 в пассивном режиме (напряжение не подается, все выводы ИС закорочены) привело к отказу 62 изделий. При выдержке в том же режиме в течение 97 ч при температуре 17°С восстановили работоспособность три микросхемы. Далее проводилась выдержка всех (отказавших и работоспособных) ИС в течение 182 ч в номинальном электрическом режиме при температуре 40°С. Здесь проявился ПРЭ – произошел отказ шести ИС, которые не отказали во время облучения и выдержки в пассивном режиме. Такой результат обусловлен снижением выходного напряжения логической единицы U0H и объясняется процессом зарядки макродефекта над pn-переходом коллектора биполярного транзистора (рис.2б). Это вызвало обогащение свободными электронами приповерхностной области кремния n-типа и, как следствие, сужение обедненной области у поверхности полупроводника до туннельно проницаемой ширины, что и привело к росту обратного тока Iобр.
ИССЛЕДОВАНИЕ МАКРОДЕФЕКТОВ В ОКСИДНЫХ ПЛЕНКАХ
При исследовани макродефектов в пленках диоксида кремния использовался метод неразрушающего измерения напряжения пробоя диэлектрика [6]. В отличие от широко применяемых методов измерения термостимулированных токов и вольт-фарадных характеристик, которые определяют плотность заряда в диэлектрике, усредненную по площади тестовой МОП-структуры, в данном методе определяющую роль играет максимальная локальная плотность заряда. Если часть площади тестовой МОП-структуры занята заряженным макродефектом, то именно его заряд будет определять напряжение пробоя. Типичное распределение тестовых МОП-структур по напряженности электрического поля в диэлектрике E = Uпр/dох (Uпр – напряжение пробоя, dox – толщина пленки диоксида кремния), при которой возникает пробой, показано на рис.3. Наименьшее напряжение пробоя диэлектрика – у структур с макродефектами, а наибольшее – у бездефектных структур. Промежуточное положение занимают МОП-структуры с точечными дефектами. Плотность макродефектов оксидной пленки может быть определена с использованием соотношения Больцмана [7]:
р = exp(-NMS), (1)
где р – вероятность отсутствия пробоя, NM – плотность заряженных макродефектов, S – площадь МОП-структуры.
В процессе изготовления ИС большинство дефектов (как точечных, так и макродефектов) не заряжаются и себя не проявляют. Поэтому для их обнаружения необходима радиационно-термическая обработка, после которой наблюдается увеличение числа МОП-структур с низким значением напряжения пробоя. В соответствии с выражением (1) рост плотности заряженных макродефектов NM приводит к снижению p. Данные таблицы показывают, что облучение ионизирующим излучением вызывает зарядку только части макродефектов [2]. Дальнейший рост NM наблюдается при низкотемпературной обработке после облучения. Как можно видеть, плотность макродефектов в данном случае составляет NM » 30 см-2.
Используя выражение для расчета напряжения пробоя МОП-структуры [6] Unp = dox (Ei – Qox/eoeox),где Ei – напряженность электрического поля при пробое идеальной структуры, Qox – плотность заряда, eoeox – диэлектрическая проницаемость диоксида кремния, можно оценить плотность точечных дефектов в макродефекте как NT = Qox/q (где q – заряд электрона). По данным [6], NT » 1013 см-2, т.е. имеем фактически разупорядоченную область.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИС ПРИ РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Облучение и последующая термообработка ИС используется для моделирования низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения. В условиях эксплуатации при низкой мощности дозы облучение оксидной пленки и накопление заряда в макродефектах происходят одновременно. Кроме того, возможен, например, выход космического аппарата за пределы радиационных поясов Земли и, следовательно, значительное снижение мощности дозы ионизирующего излучения. В обоих случаях ПРЭ приводит к появлению “ранних” отказов ИС, т.е. возникает “период приработки”. Как показано в работе [8], увеличение плотности заряженных макродефектов при низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения можно описать выражением
NМ(t,P,Т) = NМ(0) + KQPtexp[(EaQ/k)(1/T0 – 1/TЭ)], (2)
где NМ(0) – начальная плотность заряженных макродефектов, KQ – параметр модели, Р – мощность дозы ионизирующего излучения, t – время облучения, EaQ – энергия активации процесса накопления заряда в макродефектах, T0 и TЭ – нормальная температура и температура при эксплуатации ИС, соответственно. Были определены следующие значения параметров модели (2) [8]:
...
Используя (1), (2) и известное в теории надежности соотношение
... (3)
в котором l – интенсивность отказов ИС, можно получить выражение для интенсивности отказов, обусловленных накоплением заряда в макродефектах при низкоинтенсивном облучении:
...
В этом выражении первое слагаемое описывает так называемый период приработки, когда ИС отказывают из-за макродефектов, зарядившихся в процессе изготовления. Будем рассматривать только второе слагаемое, которое характеризует период нормальной работы ИС, в течение которого интенсивность отказов практически постоянна. Из представленных выше значений параметров модели (2) можно оценить интенсивность отказов, вызванных накоплением заряда в макродефектах в период нормальной работы, lQ. Тогда вероятность безотказной работы ИС с учетом процесса зарядки макродефектов будет определяться выражением (3), где l = l0 + lQ, а l0 – справочная интенсивность отказов.
Если в случае эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите внутри приборного отсека мощность дозы ионизирующего излучения составляет Р = 0,118 рад/ч, то при TЭ = 40°С и l0 = 10-8 ч-1 вероятность безотказной работы в течение пяти лет непрерывного функционирования получается равной
при учете только l0 : p1 = 0,99956,
при учете l0 и lQ : p2 = 0,66513.
Приведенный пример показывает недопустимость применения ИС с макродефектами в космической технике. Для повышения надежности бортовой микроэлектронной аппаратуры необходима отбраковка потенциально ненадежных микросхем.
ОТБРАКОВКА ИС С МАКРОДЕФЕКТАМИ
Как показали исследования, широко применяемая для отбраковки ненадежных ИС электротермотренировка не приводит к зарядке макродефектов, не зарядившихся в процессе изготовления, и, следовательно, к их обнаружению. Они выявляются только при использовании РТО.
Применение РТО в процессе производства КМОП ИС дает возможность не только отбраковывать микросхемы с макродефектами в оксидных пленках, но и повышать процент выхода годных изделий на пластине [9]. Поскольку на заводе-изготовителе РТО проводится на пластинах, термообработку можно проводить в течение 30–60 мин при температурах 400–470°С. Ускоренные испытания микросхем, помещенных в корпус после РТО, показали их высокую надежность [9].
Разработчики аппаратуры получают микросхемы в корпусах, что снижает температуру термообработки после облучения до 100–125°С. Исследования показали [10], что в этом случае требуется длительный (~500 ч) отжиг в пассивном режиме. Эффект от РТО заключается в разделении партии ИС на группы, характеризующиеся определенным уровнем дефектности оксидных пленок. На рис.4а [11] представлены результаты измерения параметра-критерия U0L (выходное напряжение логического нуля) в партии КМОП ИС после облучения, термообработки и ускоренных испытаний (наработки при максимальной температуре эксплуатации в электрическом режиме). Как можно видеть, после РТО микросхемы разделяются по группам с малой, средней и высокой плотностью дефектов. Выделяется один образец с макродефектом. Увеличение U0L в нем объясняется зарядкой макродефекта над pn-переходом стока закрытого p-канального МОП-транзистора (см. рис.4б) [5].
Таким образом, отбраковка микросхем с макродефектами, а также других ИС с высокой плотностью дефектов оксидных пленок позволит значительно повысить надежность бортовых устройств космических аппаратов.
В заключение следует отметить, что до настоящего времени проблеме макродефектов в оксидных пленках планарных структур должного внимания не уделялось. Исследования в этой области были стимулированы обнаружением пострадиационного эффекта. Макродефекты в оксидных пленках могут образовываться не только в процессе изготовления ИС, но и при воздействии тяжелых частиц высоких энергий, что наблюдалось при облучении тестовых МОП-структур в реакторе быстрыми нейтронами [12]. Зарядка макродефектов может происходить в современных СБИС и вследствие образования “горячих” носителей заряда в субмикронных каналах МОП-транзисторов. Поэтому отбраковку СБИС целесообразно проводить и при использовании их в устройствах, не подвергающихся радиационному воздействию, но с жесткими требованиями по надежности.
Автор благодарит аспирантов В.В.Гришакова и А.П.Поливанова за помощь в подготовке статьи, а также профессора О.Р.Мочалкину и доцента Г.И.Зебрева за просмотр рукописи и сделанные замечания.
Литература
1. Попов В.Д., Ройзин Н.М. Роль ионизации в образовании поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик–полупроводник. – Микроэлектроника, 1973, т. 2, вып.6.
2. Попов В.Д., Поливанов А.П. Исследование явления перезарядки дефектов в пленке оксида кремния при послерадиационной термообработке. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы науч.-техн. семинара. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1998.
3. Гришаков В.В., Попов В.Д. Модель макродефекта в подзатворном оксиде кремния МОП-транзисторов. Научная сессия МИФИ-99: Сб. науч. тр. Т.6. – М.: МИФИ, 1999.
4. Schwank J.R., Winokur P.S., McWhorter P.J. et al. Physical mechanisms contributing to device “rebound”. – IEEE Trans. Nucl. Sci., 1984., vol. NS-31, N 6.
5. Ванин В.И., Гришаков В.В., Малышев М.М., Попов В.Д. Определение параметров крупных дефектов оксида кремния в планарных ИС. – Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру: Науч.-техн. сб., 2001, вып. 1-2. – М.:ЦНИИАтоминформ.
6. Попов В.Д. Исследование дефектов в пленках SiO2 методом измерения напряжения пробоя. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы науч.-техн. семинара. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1996.
7. Chou N.J., Eldridge J.M. On the statistics governing the defect density determination in SiO2 films.- J. Electrochem. Soc., 1973, vol.120, N 8.
8. Гришаков В.В., Поливанов А.П., Попов В.Д. Прогнозирование вероятности безотказной работы планарных ИС с учетом технологических крупных дефектов. Моделирование и исследование сложных систем: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. “Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры” (Севастополь, 12-20 сентября 1998 г.). – М.: МГАПИ, 1999.
9. Попов В.Д, Катеринич И.И, Курин Ф.М. Радиационная технология: уникальные возможности в производстве МОП-интегральных схем. – Chip News, 1997, №3 (12).
10. Поливанов А.П., Попов В.Д. Модель восстановления работоспособности элементов СБИС ОЗУ после g-облучения. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы докладов ХХХ междунар. науч.-техн. семинара (Москва, 29 ноября – 3 декабря 1999 г.). – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2000.
11. Кононов В.К., Малинин В.Г., Оспищев Д.А., Попов В.Д. Отбраковка потенциально ненадежных интегральных микросхем с использованием радиационно-стимулирующего метода. Радиационно-надежностные характеристики изделий электронной техники в экстремальных условиях эксплуатации/ Под ред. Ю.Н.Торгашова. – С.-Пб.: Электронстандарт, 1994.
12. Воронкова Г.М., Кузьминова А.В., Попов В.Д. Исследование крупных дефектов в МОП-структурах после облучения и низкотемпературного отжига. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). – В кн.: Мат-лы науч.-техн. семинара. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1997.
Представляем автора статьи
ПОПОВ Виктор Дмитриевич. Доктор технических наук. Профессор кафедры “Микроэлектроника” МИФИ. Автор свыше 200 научных работ. Сфера профессиональных интересов – надежность ИС при радиационном воздействии. Контактный тел.: 323-9068.
e-mail: wdpopov@mail.ru
Отзывы читателей
