научная статья по теме ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ КМОП СБИС К ФАКТОРУ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ КМОП СБИС К ФАКТОРУ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

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 \

' < ?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

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.

Показать целиком