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 d_ox=6,8 нм на островке кремниевой пленки толщиной d_Si = 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 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.

Рис.33.Средние стоко-затворные характеристики МОП транзисторов при мощности дозы Р=0,1 рад/с и разных поглощенных дозах гамма-излучения

Используя метод подпороговых токов [12], были определены зависимости плотности поверхностных дефектов от времени облучения. Начальная плотность ПС составляла N_it(0) = 7,4?10¹¹ см^-2. На рис.34 (кривая 1) представлена средняя зависимость ДN_it(t), полученная при Р=0,1 рад/с. Наличие изгиба на этой зависимости свидетельствует о двух этапах образования поверхностных дефектов.



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 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 б = (1,71 ± 0,0786)?10-3 ч-1.

На втором этапе наблюдается образование «дополнительных» поверхностных дефектов. Вычитая из общей экспериментальной 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 ДN_it/ДN_it.н, где ДN_it.н - изменение плотности ПС при насыщении первого этапа - образование ПС.

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), 2N907-расчет(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 диффузии через толщину оксида. Результаты расчета для комнатной температуры 25єС 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	2,739Ч10-4 с	9,861Ч10-5 с	1,267Ч10-6 с
H+	170,69 с = 0,047 ч	61,447	0,789
H2	1,743 с	0.627c	8,06Ч10-3
OH-1	8.008Ч103 с = 2,22 ч	2,883 Ч103с = 0,8 ч	37,027 с = 0,01 ч
H2O	5,48Ч108 с = 1,52?105 ч	1,973Ч108 = 5,48Ч104 ч	2,534Ч106 = 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.

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 Е_г = 0,662 МэВ, наблюдается образование комптоновских электронов и рассеянных гамма-квантов [38]. Энергия комптоновских электронов определяется выражением

(15)



где E_г и E?_г - энергии квантов исходного и рассеянного гамма-излучений, и - угол рассеяния гамма-квантов, m_э - масса электрона, с - скорость света. Максимальная энергия комптоновских электронов равна Е_в = 465 кэВ [38], а средняя энергия, рассчитанная в данной работе с использованием (15), получается равной

Е_э.ср. = 280 кэВ.

Таким образом, при гамма-облучении от цезиевого источника, при котором максимальная энергия комптоновских электронов равна Е_в = 465 кэВ и пороговая энергия эффекта смещения атомов Е_э.пор = 145…170 кэВ[38], может образоваться не более 3 дефектов. В случае средней энергии электронов Е_э.ср = 280 кэВ получаем 1…2 дефекта.

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)Е_К, где Е_К?6 кэВ - энергия ионизации К-оболочки кремния [40].

При дозе гамма-излучения D поток комптоновских электронов равен

,

где с_Si - плотность кремния, dE/dx - потери энергии электронов на ионизацию,

Удельные потери для комптоновских электронов взяты из [41] для средней энергии Е_э/cр = 280 кэВ. Так как пороговая энергия образования «подпорогового» дефекта равна Е_п/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 ДN_it^*(Р,t). Механизм перемещения «подпорогового» дефекта («эффект кузнечика») показан на рис.37 [42]. Он вызван возбуждением электронной 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

где D -коэффициент диффузии «подпороговых» дефектов,

- градиент распределения дефектов около границы SiO₂,

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

Дx - 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 ?.

Используя средние значения плотности поверхностных дефектов N_it* 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 d_Si = 200 нм для оценки коэффициента диффузии использовалось выражение (6). Тогда в случае t = 1400 ч получаем D=1,984?10^-17 см²/с.

Сравнение 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 границе раздела кремний-оксид кремния при временах низкоинтенсивного облучения более ~1000 часов.

Таблица 5. Сравнение коэффициентов диффузии водородных разновидностей и дефектов в кремнии

Дефекты	D(to), cм2/с	Источник
H0	9.127Ч10-8	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.
H+	1.465Ч10-13
H2	1.434Ч10-11
OH-1	3.122Ч10-15
H2O	4.56Ч10-20
Надпороговые дефекты	~10-9	Вавилов В.С., Кив Л.Е., Ниязова О.Р. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках.-М.: «НАУКА», 1981
1526 ЛЕ5 в пассивном режиме	2.217Ч10-17	Эксперимент
1526 ЛЕ5 в активном режиме	3.87Ч10-17
КНИ	1,984?10-17

При времени диффузии t = 2483 ч. получаем с использованием (6) длину диффузии в пассивном режиме L_D ? 17,16 мкм, а в при t = 2000 ч в режиме переключения L_D ? 19,06 мкм. Эти оценки показывают, что образование 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

Исследовавшиеся 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
dNд/dx	5,637?1020	5,637?1020	5,637?1020	Градиент концентрации дефектов
ДNit*, см-2	6,3 ?1010	1,1 ?1011	1,6 ?1012	Плотность ПД
ДNit*/Дt, см-2ч-1	4,5?107	7,857?107	1,143?109	Скорость образования ПД
D, см2/ч	2.217Ч10-17	3.87Ч10-17	1,984?10-17	Коэффициент диффузии «подпороговых» дефектов
LD,мкм	21,14	27.94	-	Длина диффузии

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.



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 при воздействии повышенной температуры при ускоренных испытаниях использование 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 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 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]

,

где К_у - коэффициент ускорения ,t_уск.н и t_уск.р - время отказов без облучения и при облучении. л_р и л₀ - интенсивности отказов при воздействии дестабилизирующих факторов и при нормальных условиях, б - константа модели, U_yск и U_н - напряжение питания (смещения) в форсированном и нормальном режимах. При воздействии ионизирующего излучения и ускоряющего напряжения получаем константу в виде

б = б_Р·б_U ,



где б_Р - параметр, учитывающий мощность дозы, б_U - параметр, учитывающий ускорение повышенным напряжением.

В эксперименте проводились ускоренные испытания всех кольцевых генераторов в форсированном электрическом режиме при повышенном напряжении U_уск = 12 В и комнатной температуре 24єС. (Номинальное напряжение питания составляет U_н = 10 В).

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

q_р = (N_F) / N_o, (12)

где (N_F) - верхняя оценка числа отказавших ИМС при заданной доверительной вероятности р*, а N_F - количество отказавших ИМС из N_o образцов в выборке.

В данном случае N_F = 1, а (N_F) = 2 при доверительной вероятности р*=0,6. В этом случае верхняя оценка вероятности отказа с использованием (12) получилась равной q_р = 2/53 = 0,0377. Тогда интенсивность отказов при ускоренных испытаниях при повышенном напряжении с воздействием гамма-излучения получается равной

л_у = - [ln(1-q)]/t₁ = 7,196·10^-5 ч^-1,

а в случае отсутствия радиационного воздействия

л_U = - [ln(1-q)]/t₂ = 1,7179·10^-5 ч^-1,



По справочным данным [45] интенсивность отказов 564ЛН2 в лабораторных условиях составляет величину л₀ = 0,21·10^-6 1/ч.

При влиянии только повышенного напряжения получаем коэффициент ускорения, равный б_U при [3]

К_у(U) = ехр[б_U (U_уск - U_н)] = 1,7179·10^-5 / 2,1·10^-7 = 81,8.

Тогда коэффициент ускорения при радиационном воздействии с мощностью дозы Р имеет следующее значение

К_у(Р) = ехр(б_Р) = 7,196·10^-3 /1,718·10^-4 = 4,19.

При этом параметр б_Р получен равным б_Р=1.43.

Общий коэффициент ускорения при совместном воздействии повышенного напряжения и ионизирующего излучения получается равным

К_у.общ = К_у(U) · К_у(Р) = 81,8 ·4,19 = 342,6.

Интенсивность отказов только при воздействии ионизирующего излучения получилась равной

л_Р = К_у(Р) ·л₀ = 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

t_н = 1/л₀ = 4761904,7 ч,

а при воздействии ионизирующего излучения с мощностью дозы Р=0,1 рад/с получается равным

t_н = 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 требуются длительные испытания до появления отказов. Поскольку длительность испытаний ограничена, то требуется разработка методики прогнозирования 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 U_пит=+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 U_мин(t), при котором сохраняется работа кольцевого генератора. Это метод был использован для прогнозирования дозы отказа микросхем флеш-памяти в [46] и микроконтроллеров в [47]. Значение U_мин(t) использовалось для прогнозирования времени отказа.

3.3.2 Результаты эксперимента

Зависимости минимального напряжения питания U_мин(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.

(а) (б)

Рис.40. Дозовые зависимости U_мин(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

U_мин(t) = U_мин(0) + А t ^m , (13)

где U_мин(t) и U_мин(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



U_мин(t) = U_мин(0) + Аехр(а t), (14)

в которой U_мин(t) и U_мин(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 U_мин(t) = U_пит. Дозовые зависимости U_мин(t) отказавших образцов приведены на рис.40. Эти зависимости позволили выбрать функцию, описывающую дозовую зависимость U_мин(t).

Как можно видеть на рис.40,а функция (13) может дать бтльшую 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 U_мин(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 q_отк.

Расчет вероятности отказов проводился по методике, описанной в [44]. Согласно этой методики, вероятность отказа равна

где б(p*,N_отк) - верхняя доверительная граница при доверительной вероятности р* = 0,6 и числе отказавших элементов в кольцевом генераторе N_отк= 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

Тестовая схема	Кольцевой генератор	t , ч	N	qотк
K1R001	CG5	337	13	0,154
K1R004	CG1	556	23	0,083

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 образом, использование различных тестовых структур позволило отработать методику прогнозирования отказов 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 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.

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 U_мин показана на рис.42. Эта зависимость использована для прогнозирования времени отказа кольцевого генератора. Результаты прогнозирования представлены в таблице 8 для двух случаев - для аппроксимаций U_мин(t) показательной и экспоненциальной функциями соответственно.



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



откуда интенсивность отказов получается равной (см.таблицу 7 для случая экспоненциальной зависимости t = 4028 ч)

В этом случае средняя наработка на отказ при мощности дозы ИИ Р=0,1 рад/с получилась равной t_ср = 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.



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(-бPt)), (15)

?Nit = (?Nit)нас (1-exp(-щt)), (16)

где Р - мощность дозы, t - время воздействия дестабилизирующего фактора, б - эффективность радиационного воздействия, щ - эффективность воздействия температуры.

Эффективность воздействия температуры, согласно [4], зависит от температуры следующим образом

щ = щ0 VT ехр[(ESB - EF)/kT],

где щ0 - 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 при повышенной температуре эквивалентные условия могут быть определены из выражения

?Nit(Р, t) = ?Nit (Т, t).

Используя (15) и (16), получаем соотношение [49]

б Р = щ0 VT ехр[(ESB - EF)/kT].

в котором E_SB=-1,18 эВ - энергетический уровень напряженных валентных связей.

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

Р = щ0 VT ехр[(ESB - EF)/kT]/ б. (17)

В экспериментальном исследовании использовалась термокамера с регулятором (Варта ТП403), который обеспечивал поддержание температуры 150 єС с точностью 1єС. 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 ДUot , вызванного накоплением заряда в объемных оксидных ловушках, и в вычитании его из измеренного значения порогового напряжения ДUo

ДUit = ДUo - ДUot .

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 ДNit(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 ДUot , 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 ДUot, вызванного зарядом в оксидных ловушках, показаны на рис.44. Как можно видеть, с ростом времени уменьшение сдвига ДUot 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 ДUot, чем при ускоренных испытаниях при температуре Т = 150оС. Но для случая дефектообразования, вызывающего старение микросхем, изменение ДUot не имеет принципиального значения.

(а)

(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

(а)

(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=150оС (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 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).

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].

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 образом, проведенное экспериментальное исследование показало соответствие результатов ускоренных (при 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 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.

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 150єС в электрическом режиме при Uпит=5 В тестовых кольцевых генераторов, изготовленных на 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.

(а)

(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. 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.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Основные научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

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

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

3. Впервые предложена модель старения МОП приборов при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, в которой на первом этапе происходит образование поверхностных состояний на границе раздела 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-г-30 Е=0,05 кВт?ч дает экономический эффект в 60 тысяч раз.

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

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

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].

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 КМОП-микросхем. 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.