научная статья по теме РАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ДОЗОВОЙ СТОЙКОСТИ КМОП-МИКРОСХЕМ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «РАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ДОЗОВОЙ СТОЙКОСТИ КМОП-МИКРОСХЕМ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 1, с. 4-11

МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ

УДК 621.382.002

РАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ДОЗОВОЙ СТОЙКОСТИ КМОП-МИКРОСХЕМ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ © 2015 г. Д. В. Бойченко, О. А. Калашников, А. Б. Каракозов, А. Ю. Никифоров

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ ОАО "Экспериментальное научно-производственное объединение специализированные электронные системы"

E-mail: oakal@spels.ru Поступила в редакцию 25.05.2014 г.

Представлен рациональный методический подход к оценке дозовой стойкости КМОП-микросхем с учетом эффектов низкой интенсивности, подкрепленный результатами модельного анализа и экспериментальных исследований широкой номенклатуры изделий. Данный подход позволяет выбрать необходимый и достаточный объем радиационных исследований, обеспечивающий достоверную и информативную инженерную оценку радиационной стойкости КМОП-микросхем для применения в космической аппаратуре.

DOI: 10.7868/S0544126915010032

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных радиационных факторов, воздействующих на бортовую электронную аппаратуру космических аппаратов (КА), являются электроны и протоны космического пространства. Их воздействие приводит, в частности, к накоплению дозы в интегральных схемах (ИС) и других электронных компонентах, что может привести к деградации параметров и функциональным отказам [1, 2]. Важной особенностью излучений космического пространства является их низкая интенсивность (НИ), соответствующая диапазону поглощенной мощности дозы — 10-3...10-4 рад(81)/с, при этом известно, что интенсивность облучения может оказывать влияние на уровень дозовой стойкости ИС [3—5]. Следует отметить, что в абсолютном большинстве случаев радиационные испытания микросхем проводятся при средней интенсивности (СИ) излучения, которая соответствует мощности поглощенной дозы в диапазоне 10.1000 рад(81)/с.

Учет влияния интенсивности космического излучения на стойкость ИС особенно важен для биполярных микросхем, в которых часто обнаруживается эффект увеличения степени деградации и снижения уровня дозовой стойкости при низкой интенсивности воздействия — так называемый эффект ЕЬБЯ8 [6—9]. Поэтому оценка дозо-вой стойкости биполярных микросхем для определения возможности их применения в КА должна проводиться с учетом эффектов НИ.

В то же время для КМОП ИС интенсивность излучения влияет на уровень стойкости противоположным образом — дозовая стойкость при НИ как правило выше, чем при СИ излучения [11—16]. Поскольку радиационные испытания проводятся, как правило, при СИ, реальная стойкость КМОП ИС в составе КА может оказаться выше, чем было определено в ходе лабораторных испытаний. Данное расхождение не критическое, поскольку оценка стойкости КМОП ИС по результатам испытаний при СИ является "консервативной" (на наихудший случай) и позволяет отбраковать все нестойкие компоненты. При таком подходе получается, что по результатам испытаний также может быть отбракованы и некоторые КМОП ИС, которые являются годными, но имеют малый запас по уровню стойкости и таким образом, могли бы работать без отказов в течение всего срока активного существования КА.

Значимость учета эффектов НИ не только в биполярных, но и в КМОП ИС привела к созданию ряда методов испытаний [18—21], однако, все они не лишены недостатков — большая трудоемкость и продолжительность непосредственных испытаний всей номенклатуры ИС на НИ, существенные погрешности методов ускоренных испытаний, что обуславливает их практическую неприменимость в повседневной отечественной практике радиационных испытаний ИС. В связи с этим, весьма актуальна задача создания рациональной (по соотношению достоверности и за-

трат), практически реализуемой, "инженерной" методики оценки дозовой стойкости КМОП ИС с учетом эффектов НИ. Для создания такой методики необходимы детальный анализ эффектов НИ и сравнительные экспериментальные исследования эффектов в КМОП ИС на разных интен-сивностях. Некоторые результаты этих исследований, а также основные положения предлагаемого методического подхода рассматриваются в данной статье.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В КМОП-МИКРОСХЕМАХ

Принято считать, что при воздействие ионизирующего излучения (ИИ) на КМОП ИС вызывает дозовые эффекты, которые обусловлены следующими основными процессами в оксиде и на границе оксид-полупроводник: генерация электрон-дырочных пар (ЭДП) и первичная рекомбинация, перенос дырок в оксиде, накопление и отжиг радиационно-индуцированного заряда на ловушках в оксиде, формирование поверхностных состояний [1, 10, 11]. Эти процессы существенно различаются по своим характерным временам и сильно зависят от толщины и химического состава оксида, температуры и напряженности электрического поля в оксиде. Неоднозначный совместный характер влияния данных процессов по мере накопления дозы приводит к зависимости радиационного поведения микросхем от мощности дозы.

Часть поглощенной энергии частиц при воздействии ИИ тратится на генерацию ЭДП. За времена порядка 10-12 с происходит первичная рекомбинация ЭДП, выход которой зависит от напряженности поля в оксиде. Радиационно-индуци-рованные электроны ввиду высокой подвижности выносятся электрическим полем из оксида также за времена порядка 10-12 с. Концентрация дырок, избежавших первичной рекомбинации, пропорциональна накопленной дозе, выходу рекомбинации и толщине оксида. Полученные дырки переносятся к границе оксид/полупроводник по механизму прыжкового переноса [12]. Характерное время переноса дырок в оксиде составляет порядка 10-2...10-1 с и сильно зависит от температуры. По мере переноса в оксиде часть дырок захватывается на глубоких ловушках (кислородных вакансиях) с формированием ^'-центров. Наибольшей концентрации данные ловушки достигают на расстояниях менее 1 нм от границы 81/8Ю2.

Помимо захвата на ловушки в оксиде, дырки могут захватываться на ловушки, находящиеся непосредственно на границе 81/8Ю2, называемые поверхностными состояниями (ПС). Экспери-

ментально и теоретически показано, что при формировании поверхностных состояний важную роль играют ионы водорода (так называемая водородная модель) [13]. Альтернативная модель предполагает, что формирование ПС может происходить из-за отжига заряда на ловушках вблизи границы 81/8Ю2 и его преобразования в ПС [14]. Следует отметить, что значимое накопление ПС в современных КМОП ИС существенно лишь при больших поглощенных дозах (более 300 рад(81)) и носит длительный, латентный, задержанный характер. Характерное время процесса при нормальной температуре составляет порядка 107 с, что требуется учитывать при разработке методик дозовых испытаний. Повышение температуры приводит к ускорению накопления ПС, что используется в ряде методов ускоренных испытаний, закрепленных отечественными и зарубежными стандартами (подробнее об этом — ниже).

Вторым долговременным процессом, имеющим принципиальное значение при низкой интенсивности облучения, является отжиг заряда на ловушках в оксиде. Кинетика отжига положительного заряда сильно зависит от температуры и напряженности поля и определяется процессами туннелирования и термоэмиссии электронов из кремния. Модель отжига с учетом данных процессов [15] предсказывает логарифмический характер движения фронтов туннелирования и термоэмиссии. Модель термоактивационного тун-нелирования, развитая в [14, 16], позволила дать объяснение сильной зависимости туннельного отжига заряда от температуры.

В современных субмикронных КМОП ИС определяющим механизмом дозовой деградации является возникновение радиационно-индуци-рованных паразитных утечек в угловых участках щелевой (8Т1) изоляции [1, 11, 12]. При этом в экспериментах показано, что отжиг при повышенной температуре сопровождается монотонным уменьшением токов утечки, тогда как эффекты, связанные с преобладающим накоплением ПС (эффект супервосстановления, тгЬоипй-эффект) в современных технологиях не наблюдаются [17].

Таким образом, на сегодняшний день развиты методы и модели для описания процессов в оксиде и на границе 81/8Ю2 при воздействии ИИ на КМОП ИС. Их радиационное поведение при НИ определяется совместным протеканием процессов отжига положительного заряда в оксиде и накопления числа ПС, причем для современных технологий определяющим является отжиг заряда с ловушек в оксиде. Этот эффект приводит к тому, что скорость деградации характеристик КМОП ИС

при НИ несколько ниже, а стойкость — соответственно выше, чем при воздействии ИИ СИ.

МЕТОДЫ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ МИКРОСХЕМС УЧЕТОМ ЭФФЕКТОВ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ

Описанное свойство КМОП ИС — потенциально повышенная дозовая стойкость при НИ по сравнению с СИ — может быть использовано для получения более точной оценки показателей стойкости в реальных условиях КА. Часть КМОП-микросхем, забракованных при стандартных дозовых испытаниях (при СИ), может быть допущена к применению в условиях НИ. Поэтому необходима оценка уровней стойкости КМОП ИС, применяемых в КА, учитывающая возможное влияние эффектов НИ. Отметим, что проведение "прямых" радиационных испытаний при НИ ведет к резкому росту затрат. Действительно, если уровень требований по дозовой стойкости составляет всего 10 крад (это минимальный уровень, реальные требования зависят от планируемого срока активного существования КА, параметров орбиты и конструкционной защиты аппаратуры и на практике достигают 100 крад) то для непосредственной экспериментальной оценки соответствия микросхем требованиям при проведении испытаний с интенсивностью 10-3 рад/с потребуется примерно четыре месяца!

Поэтому широко распространены методы ускоренных испытаний, основанные на моделировании эффектов НИ путем облучения на СИ и последующего отжига с поддержанием определенной (как правило, повышенной) температуры [18—21]. Типичная последовательность испытаний для КМОП ИС включает: (1) облучение при СИ до заданного уровня поглощенной дозы, (2) контроль критериальных параметров ИС, (3) в случае соответствия параметров нормативным значениям — дополнитель

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

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»