МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 3, с. 200-208
ВЛИЯНИЕ ДОЗОВЫХ ФАКТОРОВ НА СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ КМОП СБИС К ФАКТОРУ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2011 г. А. В. Согоян
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" ЭНПО "Специализированные электронные системы" E-mail: avsog@spels.ru Поступила в редакцию 03.08.2010 г.
Предложен и обоснован метод испытаний КМОП СБИС на стойкость к фактору поглощенной дозы при воздействии импульсного ионизирующего излучения высокой интенсивности по результатам анализа реакции БИС в поле излучения последовательности импульсов относительно невысокой интенсивности. Подход позволяет оценить уровни радиационной стойкости КМОП БИС на малых моделирующих установках при наборе дозы в режиме серии импульсов. Консервативность обеспечивается по отношению к процессам переноса и релаксации заряда в окисле МОП-структур и не зависит от полевого режима и топологии образца.
ВВЕДЕНИЕ
Применение современных КМОП СБИС в аппаратуре специального назначения предполагает предъявление к ним требований по стойкости к воздействию импульсного ионизирующего излучения (ИИ) высокой интенсивности. Одним из важнейших факторов, определяющих радиационную стойкость СБИС при таких воздействиях, является потеря работоспособности вследствие дозовой деградации характеристик. Функциональный и параметрический отказ современных КМОП СБИС при накоплении дозы ИИ обусловлен преимущественно формированием радиационно-индуцированно-го заряда (РИЗ) в паразитных изолирующих диэлектрических структурах [1]. При этом за счет процессов релаксации РИЗ спустя некоторое время после воздействия импульса ИИ может наблюдаться восстановление функционирования СБИС [2]. Таким образом, работоспособность СБИС при воздействии импульсного ИИ, в общем случае, будет определяться как эффектами релаксации неравновесного заряда в полупроводниковой структуре (кратковременные параметрические и функциональные отказы, защелкивание), так и эффектами накопления и релаксации РИЗ в диэлектрических структурах [3].
Существующая практика испытаний компонентов РЭА на стойкость к воздействию импульсного ИИ предполагает раздельный учет эффектов "мощности дозы" и "накопленной дозы". При этом экспериментальная оценка стойкости СБИС проводится на моделирующих установках при интенсив-ностях ИИ 10-1000 рад/с, что может привести к существенной недооценке времени потери работоспособности (ВПР) СБИС [2].В большинстве случаев возможности электронных ускорителей не
позволяют сформировать требуемую поглощенную дозу (более 200 крад) за один импульс в процессе испытаний. Для практического проведения испытаний с использованием импульсных ускорителей желательно определить режимы исследований, при которых обеспечивается возможность оценки работоспособности устройства через заданное время ?0 после гипотетического воздействия одиночного импульса с уровнем Д0. При этом фактический набор дозы должен осуществляться серией импульсов ускорителя, в каждом из которых формируется доза Д1 < Д0, общее время набора дозы превышает величину ?0, а контроль работоспособности устройства выполняется через некоторое время 1Х после окончания серии импульсов (рис. 1). Таким образом, задача заключается в определении требуемого числа импульсов п и времени X, при которых будет обеспечена консервативная оценка уровня стойкости СБИС. В данной работе излагается теоретический подход к решению указанной задачи.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
В современных СБИС геометрия изолирующего окисла паразитной МОП-структуры существенно отличается от плоскопараллельной, а распределение поля в ней — от однородного [2]. В этой ситуации паразитную МОП-структуру можно приближенно представить в виде параллельного соединения элементарных МОПТ, к каждому из которых применимо предположение об однородности поля в окисле [4]. Каждый элементарный МОПТ таким образом, будет характеризоваться индивидуальным набором параметров, в частности — пороговым напряжением. Консервативная оценка степени деградации паразитного МОПТ и СБИС в целом может
г, с
Рис. 1. Иллюстрация соответствия кинетик релаксации сдвига порогового напряжения после воздействия одиночного импульса (1) и серии из 5 импульсов (2). ^ — заданное значение времени потери работоспособности, X — время контроля параметров после серии импульсов.
быть достигнута, если сдвиг порогового напряжения элементарного паразитного МОПТ, вызванный суммарным (подвижным и захваченным) зарядом в окисле, в момент контроля после серии из п импульсов АКТп(гх) оказывается не меньше сдвига, оставшегося к моменту времени г0 после предполагаемого воздействия одиночного импульса А¥Т0(г0):
ЬУМ > ДКт,0Ъ). (1)
Корректный выбор величин п и гх, обеспечивающих выполнение условия (1), должен учитывать особенности кинетик переноса подвижных носителей в
изолирующих окислах и релаксации захваченного заряда дырок.
Из проведенного выше рассмотрения следует, что основными процессами, определяющими импульсную реакцию МОП-структуры по отношению к дозовым эффектам, являются перенос дырок через окисел паразитных структур и релаксация заряда дырок, захваченных на ловушки. Из анализа, проведенного в работе [2], следует, что процесс релаксации порогового напряжения МОПТ за счет переноса дырок после воздействия п импульсов ускорителя может быть в линейном приближении описан выражением:
А УТп(г) = ЛВ^ К (г - а - 1)Т),
(2)
I=1
где К(г) — реакция на одиночный импульс, Т — период следования импульсов, А — параметр, зависящий от геометрии структуры, технологии производства и полевого режима. На рис. 2 представлены
экспериментальные результаты [1] для функции (2) (при п = 1). Анализ показывает, что они могут быть с хорошей точностью аппроксимированы соотношением
к а) =
1 -1
\
21
г \
-в
' < ?1/2
21 '1/2. В = 3/4а,
г > г
1/2
п
+ о
1.0
0.8
0.6
^ 0-4
0.2
0
_Аппроксимация
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
_|_I_1_
10-9 10-810-7 10-610-510-410-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106
?Л/2
Рис. 2. Экспериментальные кинетики релаксации порогового напряжения [1] и их аппроксимация.
либо
Щ) = 1 1 +
V *1/2 У
(4)
где а — коэффициент дисперсионного переноса.
Заметим, что выражения (3) и (4) существенно отличается от теоретических асимптотик, описан-
ных в [1], однако хорошо описывают экспериментальные результаты, что позволяет применять их на практике. Величина ?1/2 представляет собой масштабный параметр задачи — время переноса 50% заряда.
С учетом выражений (2) и (4) условие (1) примет вид:
и-1
Е-
I=0
' t + т
> А
1 +
А
1 +
^ 4/2 )
( А ]
I ^/2 )
(5)
Неравенство (5) определяет зависимость необходимого числа импульсов п от времени X величин а и /1/2 при заданных значениях Д0, Дь ?0, Т.
На практике измерение параметров устройства после воздействия импульса ИИ может производиться спустя некоторый минимальный интервал времени т, обусловленный, в первую очередь, на-
личием помех различной природы, то есть X > т С учетом того, что зависимость п(Х) при постоянном значении прочих параметров является возрастающей, минимальное значение пт может быть получено из условия (5) при X = т
пт-1
Е
1=0
> »0.
1 +
Г С + т ^ 4, Г и
\а
1 +
V 12
V % )
ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ КМОП СБИС Соотношение (6) при минимальном пт определяет
зависимость пт(11/2, а).
Рассмотрим асимптотическое поведение решения пт(11/2). При больших 11/2 (11//2 > птТ) воспользуемся аппроксимацией (3):
пт-1 /
1 _
1X
„\Р
'т + Т
1=0 У (12 )
> Д
д
1 -1
/ \Р^
п > До - 1 До Пт > Д 2 Д
(, \
У
Пт-1 /
У 42 )
\Ч!2)
+1X
2 х I '
'т + Т
(7)
1/2 )
Оценим снизу сумму в выражении (7), заменив ее интегралом:
'т + Т
X
У г1/2 у
\Р П„-1
г \Р Пт
У1Ф У =
X'" -В I
X =
V '1/2,
V '1/2 У
1 1+в
1 + в
(8)
Учитывая, что на практике < пТи Д0 < пД1, получаем
До
IД1.
(9)
вает релаксировать за время серии из пт импульсов и минимальное число импульсов приблизительно определяется условием набора требуемой дозы.
При временах 11/2 < 1т значение пт также перестает зависеть от величины 11/2. Действительно, с уче-
где [х] — минимальное целое число, большее х. Другими словами, если времена переноса существенно том аппроксимации (3) для ^ < 1т неравенство (6) больше характерных времен задачи, заряд не успе- будет выполнено при соблюдении условия:
п
т
т -1
X (т + Т) =
1=0
в _ До
д'
(10)
Уравнение (10) не содержит параметра 11/2, определяя асимптотическое поведение величины пт.
Рассмотрим теперь процесс накопления и релаксации заряда на ловушках при воздействии серии импульсов ускорителя, предполагая, что процессы переноса завершаются (в основном) за времена, много меньшие периода следования импульсов ускорителя Т и времени 10. Как и ранее, будем также рассматривать линейную модель отклика, пренебрегая нелинейными эффектами при накоплении заряда. Данный подход является консервативным по отношению к нелинейной модели. В этом случае накопление заряда дырок на ловушках р ,, находящихся на расстоянии г от границы раз-
дела кремний-оксид может быть описано уравнением [1]:
д-Р = кМ (г)Р (') -V (г) р„
от
V(г) = Vо ехр(-
(-!) ■
(11)
(12)
где к — коэффициент, зависящий от параметров технологии и полевого режима, Р( 1) — мощность дозы ИИ, зависящая от времени, X — параметр ^КВ-приближения, имеющий размерность длины, V,) — "частотный фактор" процесса туннелирования, М(г) — концентрация ловушек. При импульсном облучении можно принять
п
п
Р(') = Д1 XI®( - ((- 1)Т) - ©( - ((- 1)Т - т)],
(13)
1=1
где т — длительность импульса ускорителя, Б1 — доза, формируемая в объекте испытаний за один импульс, ©(?) — функция Хевисайда. Интегрируя уравнение (11) получаем:
Р, ((, г) = кН(г) |ехр [-V (г) (, - £)] Р (О !£
(14)
Следуя [1], будем предполагать, что ловушки дырок распределены по экспоненциальному закону в слое толщиной й:
N (г) = Н
Ь (1- е ^7Ь)
е -г/Ь& (с! - г),
(15)
где N — поверхностная плотность ловушек, Ь — параметр распределения. Интегрируя соотношение (14) с учетом (12) и (15) по координате г методом стационарной фазы, получим выражение
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.