МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 1, с. 67-77
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ^^^^ СТОЙКОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
УДК 621.3.049.77
МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДОЗОВОЙ СТОЙКОСТИ КМОП БИС НА КНС-СТРУКТУРАХ
© 2008 г. Г. Г. Давыдов, А. В. Согоян, А. Ю. Никифоров, А. В. Киргизова, А. Г. Петров, А. Ю. Седаков, И. Б. Яшанин
ОАО "Экспериментальное научно-производственное объединение СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ", Москва
ggdav@spels.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.
Проанализированы особенности дозовой деградации цифровых КМОП БИС на структурах "кремний на сапфире". Показана целесообразность и предложена методика разбраковки образцов КМОП КНС БИС по уровням стойкости к дозовым воздействиям. Произведена оценка границ применимости методики.
1. ВВЕДЕНИЕ
Заданные требования по радиационной стойкости БИС при предельных уровнях импульсного ионизирующего воздействия в диапазоне 1012...1013 ед/с и сбоеустойчивости выше 1010 ед/с, а в ряде случаев до 1012 ед/с, являются практически недостижимыми для КМОП БИС на объемных монокремниевых и эпитаксиальных структурах. Это обуславливает необходимость построения БИС на структурах с диэлектрической изоляцией элементов, например, кремний-на-изоляторе (КНИ), которые обеспечивают существенное снижение ионизационных токов и подавление паразитных связей между элементами БИС при ИИВ. Наиболее широко применяющейся и промышленно освоенной отечественной КНИ технологией является кремний-на-сапфире (КНС).
В отличие от объемной КНС технология обладает следующими особенностями (рис. 1):
1. Исключается возникновение и активизация паразитных 4-слойных структур (тиристорный эффект).
2. Отдельные узлы и элементы КНС изготавливаются в тонком приборном слое кремния и имеют сквозную (до границ с сапфиром) вертикальную геометрию переходов [1].
Небольшое различие в значениях постоянной решетки кремния и сапфира (5.43 А для 81 и 5.16 А для А1203 [001]) определяет возникновение на границе раздела 81/А1203 дефектов решетки, выступающих в роли центров захвата дырок [2]. Данное обстоятельство определяет потенциально более высокую чувствительность КМОП КНС БИС к дозовым эффектам, связанным с накоплением радиационно-индуцированного заряда (РИЗ). Следствием накопления РИЗ становится рост токов утечки, а, следовательно, тока потребления КНС БИС в статическом режиме.
Случайный характер распределения дефектов в приграничной области 81/А1203 [2] может обу-
Контактная площадка
P-транзистор
N-транзистор
Диэлектрик
Рис. 1. Технологический разрез КНС структуры.
67 5*
1СС, мА 10,-
(а)
¿г-
' / ' У У /
V .
м-
-ж:*
104
105 Э, тыс. ед.
106
/, отн.ед. 0.9-
0.8 ^ (б) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5
^('макс^
0 0.5
Рис. 2. Дозовые зависимости (а) и плотность / распределения (б) максимальных значений статического тока потребления 1СС КНС БИС.
4
славливать существенный разброс параметров радиационной чувствительности, в первую очередь, статического тока потребления [1]. Результаты исследований отечественных КНС БИС показывают значительный (более, чем на порядок) разброс величины статического тока потребления в процессе облучения даже в пределах одной технологической партии (рис. 2а). Распределение достигнутого в процессе облучения тока потребления в ряде случаев (рис. 26) не является унимодальным. Это обстоятельство не позволяет непосредственно использовать выборочный метод при оценке параметров радиационной чувствительности таких схем и делает актуальной задачу применения 100%-го контроля характеристик стойкости КНС БИС.
Обеспечение заданного уровня стойкости микросхем, изготовленных по объемной КМОП технологии, может проводиться методом радиацион-но-термической обработки (РТО), который предусматривает облучение в пассивном режиме до дозы 106 ед и термического отжига в течение 168 ч для восстановления параметров микросхем [3, 4]. Между тем, специфика радиационного поведения КНС БИС [5] предполагает облучение образцов при РТО в активном электрическом режиме. При этом проведение обработки оказывается возможным только для корпусированных микросхем, что, в свою очередь, значительно ограничивает температуру отжига. На рис. 3 показаны кинетики тока потребления 1СС (рис. 3 а) и распределения максимальных значений 1СС (рис. 36) до и после проведения низкотемпературной РТО. Приведенные данные показывают, что низкотемпературный (до 150°С) отжиг в ряде случаев не
обеспечивает воспроизводимости радиационного поведения КНС БИС.
Таким образом, существующие на сегодняшний день методы заданного уровня радиационной стойкости БИС оказываются неэффективными для КНС технологии. Актуальной становится задача создания методики неразрушающего контроля, позволяющего провести разбраковку КМОП КНС БИС по уровню стойкости к дозовым воздействиям.
2. ОСОБЕННОСТИ ДОЗОВОЙ ДЕГРАДАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КМОП КНС БИС
Результаты отечественных и зарубежных исследований [2, 5-7] указывают на доминирующую роль накопления положительного заряда на границе 81/А1203 в формировании радиационного поведения КНС БИС при дозовых воздействиях. По данным [2] в системе 81/А1203 представляется возможным существование переходного слоя не-стехиометрического окисла 81-8Юх-А1203 и как следствие - обычных для оксида кремния дефектов типа Е и Рь - центр [6]. Может также наблюдаться инжекция электронов из кремниевой подложки и их захват в А1203 с формированием ^-центра [2], приводящая к компенсации и перекомпенсации положительного заряда.
В работе [8] показано, что темпы деградации паразитной структуры (накопление РИЗ и формирование паразитного проводящего канала на донной стороне приборного слоя) существенно превосходят темпы деградации активных приборов. На рис. 4 приведены сток-затворные ВАХ я-МОПТ
МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ /сс, мА 1.2
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
(а)
г, мА 0.018
0.016
0.014
0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
/
/
/
/
я
/
20
40
60
80 100 О, тыс.ед.
-1
(б)
1 |
1 I
1 ! г
...............1.1
II1
1 ! _
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
/сс, мА
Рис. 3. Дозовые зависимости (а) и плотности/распределений (б) 1СС КНС БИС до (светлые фигуры) и после (темные фигуры) РТО.
входного каскада КНС БИС, измеренные при различных уровнях поглощенной дозы. Видно, что возрастание статического тока потребления на несколько порядков (рис. 4а) сопровождается незначительным изменением порогового напряжения активного я-МОПТ (рис. 46). По данным [8], эффект накопления РИЗ остается доминирующим при уровнях поглощенной дозы до 5 х 105 ед. При этом параметры, обусловленные деградацией активного МОПТ (выходные уровни и т.п.), не претерпевают существенного изменения. При более высоких уровнях дозы существенными могут оказаться эффекты, связанные с образованием
поверхностных состояний в активных и паразитных МОПТ [5].
Темпы накопления РИЗ могут быть обусловлены краевым полем в пристоковой области сапфировой подложки (рис. 5); следовательно, величина статического тока потребления, обусловленная токами утечки, должна определяться потенциалом стока в процессе облучения [7]. На рис. 6 представлены результаты исследования зависимости достигнутого в процессе облучения значения тока потребления 1СС КНС БИС от напряжения питания. В процессе исследования группа КНС БИС последовательно облучались при различных на-
I, мА 1.0
V, в
Рис. 4. ВАХ я-МОПТ входного каскада БИС ВА1: (а) - исходные; (б) - скорректированные на величину тока утечки.
Рис. 5. Разрез КНС МОП транзистора и качественное распределение линий электрического поля.
Эффект нейтрализации ранее введенного положительного заряда на границе кремний-сапфир при облучении КНС МОПт в режиме с заземленными выводами получил название "радиационного отжига". По данным спектроскопии глубоких уровней [7] наблюдается коррелированное с величиной тока потребления снижение плотности состояний границы раздела.
Явление радиационного отжига иллюстрируется результатами следующего эксперимента. Образец подвергался последовательному облучению при предельном напряжении питания (режим 1) и с заземленными выводами (режим 0). На рис. 7 показано изменение статического тока потребления при циклическом облучении КНС БИС. Видно, что облучение БИС в режиме 0 приводит к восстановлению величины тока потребления. Результаты были получены для различных типов КНС БИС отечественного производства [8].
пряжениях питания в диапазоне от 10 до 3 В; в ходе эксперимента проводилось измерение величины тока потребления БИС при фиксированном напряжении питания (7 В). Видно, что ток потребления не только возрастает на начальном этапе облучения, но и уменьшается при снижении напряжения питания. Это позволяет сделать вывод о том, что наибольшая деградация параметра тока потребления происходит при облучении с максимальным напряжении питания БИС. С другой стороны, облучение БИС с заземленными выводами должны обеспечить минимальное значение тока потребления.
3. МЕТОДИКА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СТОЙКОСТИ КМОП КНС БИС
Эффект радиационного отжига КНС БИС является основой предлагаемой методики неразру-шающего контроля стойкости КНС БИС (радиационной отбраковки - РО)[8.9]. Предполагается облучение всех изделий в активном электрическом режиме с последующим контролем характеристик. Изделия с приемлемой радиационной чувствительностью могут быть подвергнуты ра-диационно-стимулированному отжигу для восстановления параметров.
/CC(Vcc = 7 B), мА
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Время облучения, с
Рис. 6. Кинетики изменения тока потребления БИС ВА1 при различном напряжении питания.
Б, тыс. ед.
Рис. 7. Зависимость 1СС при циклическом облучении; режим 1 - активный электрический режим, режим 0 - режим с заземленными выводами.
Условием применимости предложенной схемы РО можно считать:
1. Отсутствие влияния РО на эксплуатационные характеристики БИС, в том числе - эффективное восстановление критериальных параметров БИС после контрольного облучения и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.