Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний на надежность МОП интегральных микросхем

В настоящее время остро стоит проблема обеспечения нормального функционирования бортовой аппаратуры космических объектов в течение 10 — 15 лет, а в перспективе 20 лет при воздействии ионизирующего излучения космического пространства. При этом значительную долю электронной компонентной базы (ЭКБ) составляют МОП приборы и МОП интегральные микросхемы (ИМС). Надо отметить, что наибольшее распространение получили комплементарные МОП ИМС (КМОП ИМС), которые построены на МОП транзисторах с п-каналом и р-каналом и которые обладают рядом существенных достоинств (низкая потребляемая мощность при достаточно высоком быстродействии, помехоустойчивость, масштабируемость). Поэтому сроки хранения и нормального функционирования КМОП ИМС представляют огромный интерес.

Различают следующие этапы «жизненного цикла» ЭКБ, которые показаны на рис. 1, взятом из.

Рис. 1. Этапы «жизненного цикла» ЭКБ.

На первом этапе наблюдается повышенная интенсивность отказов из-за технологических дефектов. Для снижения интенсивности отказов на этом этапе используются методы отбраковки ненадежных изделий [1, 2]. При применении высококачественных изделий (класса «Space») интенсивность отказов ЭКБ значительно снижается, что позволяет обеспечивать длительное функционирование на втором этапе «жизненного цикла». На третьем этапе имеет место процесс старения, в котором наблюдается ухудшение параметров изделий, что приводит к отказу аппаратуры.

Необходимо отметить, что в настоящее время вопросы старения МОП приборов и ИМС на их основе недостаточно изучены. Поэтому изучение процессов их старения является актуальной проблемой. Особенно это касается применения КМОП ИМС в условиях длительного низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения (ИИ). До настоящего времени проверка качества микросхем осуществляется с помощью проведения ускоренных испытаний при повышенной температуре, в то время как радиационные испытания проводятся при нормальной температуре в условиях низкоинтенсивного воздействия ИИ. Поэтому остается не ясным соответствие результатов, полученных в случае ускоренных испытаний при повышенных температурах, результатам радиационных испытаний при нормальных условиях и низкоинтенсивном облучении.

Объектом исследования выбраны серийные КМОП ИМС, а также тестовые микросхемы, изготовленные в условиях серийного производства.

Целью настоящей работы является прогнозирование отказов МОП ИМС в период старения в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения на основе использования ускоренных испытаний при повышенной температуре.

Для достижения поставленной диссертационной работе цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ результатов исследований образования поверхностных дефектов в широком диапазоне мощностей доз и длительностей воздействия ионизирующего излучения.

2. Провести длительные исследования процесса образования поверхностных дефектов в условиях низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения.

3. Уточнить модель образования поверхностных дефектов при длительном воздействии ионизирующего излучения.

4. Провести длительные испытания в условиях низкоинтенсивного воздействия ионизирующего излучения

5. Провести ускоренные испытания при повышенной температуре и сопоставить их результаты с результатами радиационных испытаний при низкоинтенсивном облучении ионизирующим излучением.

Научная новизна работы заключается:

· Предложен новый «надежностный» подход к анализу результатов радиационных испытаний при низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, позволяющий выявить два этапа радиационно-стимулированного процесса старения;

· Предложена физическая модель процесса старения при длительном (более ~1000 часов) низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения, включающая два этапа накопления дефектов на границе раздела Si-SiO₂.

· Применены впервые кольцевые генераторы для длительных испытаний в условиях низкоинтенсивного облучения и при повышенной температуре;

· Предложена методика сопоставления результатов испытаний при повышенной температуре и при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения.

Достоверность результатов Все сделанные в работе выводы основываются на хорошо воспроизодимых экспериментальных результатах, полученных на выборках, включающих не менее 10 МОП транзисторов в различных образцах серийных и тестовых микросхемах, при использовании современного измерительного оборудования и методики, которая широко используется в нашей стране и за рубежом.

На защиту выносятся:

1. Физическая модель процесса старения при длительном низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения;

2. Метод использования кольцевых генераторов для прогнозирования отказов при испытании на надежность;

3. Метод установления соответствия между ускоренными испытаниями при повышенной температуре и при низкоинтенсивном воздействии ионизирующего излучения.

Практическая значимость результатов работы состоит:

· Установлена связь между ускоренными испытаниями при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении. Получено, что низкоинтенсивное облучение не дает выигрыша во времени, но дает большой экономический эффект.

· Выбран режим переключения при низкоинтенсивном облучении и предложена методика прогнозирования отказов КМОП ИМС с использованием экспоненциальной функции, описывающей изменение минимального напряжения функционирования кольцевых генераторов.

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

· Применение физической модели образования поверхностных дефектов позволит прогнозировать отказы МОП ИМС на этапе старения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры Микрои наноэлектроники в 2013 году, на конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» в 2011 году, на 43-ем международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» в 2012 году, на научной сессии НИЯУ МИФИ в 2011, 2012 и 2013 годах, а также на всероссийских научно-технических конференциях «Стойкость-2011», «Стойкость-2012» и «Стойкость-2013».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

интегральный микросхема испытание

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Ускоренные испытания КМОП ИМС

Прогнозирование надежности ИМС осуществляется на основе результатов ускоренных (форсированных) испытаний микросхем. При этом в качестве ускоряющего фактора для МОП приборов используется повышенное напряжение, повышенное напряжение или повышенное значение тока. Как показали ускоренные испытания ИМС, в процессе старения значительная доля приходится на образование дефектов вблизи границы раздела оксид кремния — кремний. Этот эффект проявляется как в МОП ИМС, так и в биполярных ИМС. Основной причиной образования поверхностных состояний (ПС) в структуре оксид кремния — кремний является взаимодействие электронов с уровнями напряженных валентных связей в приповерхностной области кремния и на границе раздела Si-SiO₂. Этот процесс наблюдается как при нормальной и повышенной температурах [4], так и при воздействии ионизирующего излучения.

В настоящее время для определения сроков функционирования ИМС используются ускоренные испытания в форсированных электрических режимах, а для получения сроков хранения ИМС — длительные испытания при нормальных условиях. В приводятся данные, согласно которым 50 интегральных микросхем (ИМС) испытывались в течение 15 лет в складских условиях и отказов не наблюдалось. Для ускорения процесса старения используется повышенная температура. При этом для сокращения времени ускоренных испытаний применяется температура, физически допустимая конструкцией ИМС, которая достигает 200…300^оС. Однако при высоких температурах, близких к предельным, наблюдаются механизмы отказов, которые относительно редко проявляются при рабочих температурах. Поэтому представляет интерес поиска других ускоряющих факторов процессов старения. Одним из представляющих интерес факторов ускорения деградации параметров КМОП ИМС является низкоинтенсивное воздействие ионизирующего излучения

1.2 Радиационные эффекты при низкоинтенсивном облучении

Пороговое напряжение МОП транзистора с учетом плотностей зарядов в объеме оксида и на границе его с полупроводником равно [7]

U₀ = U_0i + _мп + U_ot +U_it, (1)

где U_0i — собственное пороговое напряжение, _мп — разность работ выхода электронов из полупроводника и металла (поликремния), U_ot и U_it — сдвиги порогового напряжения из-за заряда в оксидных и поверхностных ловушках соответственно. Поверхностные ловушки — в русскоязычной литературе называются «поверхностными состояниями) (ПС), а англоязычной литературе — interface traps (it).

Развитие микроэлектроники идет по пути уменьшения размеров толщин слоев и площадей элементов. Это видно в таблице 1, взятой из.

Таблица 1. Изменение некоторых параметров в КМОП ИМС при развитии технологии их изготовления

Как показывают представленные в таблице 1 данные, толщина подзатворного оксида в современных микросхемах находится в пределах от 8,2 до 3,0 нм. При таких толщинах оксида заряд в объемных ловушках практически не образуется и основную роль в деградации параметров МОП транзисторов в КМОП ИМС играют поверхностные состояния (ПС).

Необходимо отметить особенности условий применения КМОП ИМС, которые рассматриваются в данной работе — длительное функционирование при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения. В настоящее время продолжается применение КМОП ИМС, в которых толщина подзатворного оксида составляет 60 нм. В связи с этим даже в таких КМОП ИМС роль заряда в оксидных ловушках снижается с уменьшением мощности дозы ионизирующего излучения и на первый план выходит процесс образования ПС. Это показывают результаты сравнительного эксперимента по облучению КМОП ИМС, которые показаны на рис. 2.

Рис. 2. Изменение пороговых напряжений МОП транзисторов с п-каналом (1), сдвигов, вызванных плотностью заряда ПС (2) и плотностью заряда оксидных ловушек (3) при облучении гамма-излучением с Р=0,1 рад/с Исследования радиационного дрейфа порогового напряжения МОП транзисторов с п-каналом проводились в работах [10,11] в широких пределах мощностей дозы. Исследовались изменение порогового напряжения МОП транзисторов типа IRH 254 с толщиной подзатворного оксида d_ox = 100 нм типа GO 250A с толщиной подзатворного оксида d_ox =50нм. Результаты этих кспериментов представлены на рис. 3, где представлены дозовые зависимости ПС в широком диапазоне мощностей дозы гамма-излучения. Плотность ПС определялась с помощью метода подпороговых токов. Как можно видеть, наблюдается существенный рост плотности ПС при снижении мощности дозы гамма-излучения.

(а)

(б) Рис. 3. Результаты определения сдвига порогового напряжения МОП транзисторов при разных мощностях дозы гамма-излучения: (а) GO 250A (d_ox =50нм), (б) IRH 254(d_ox = 100 нм)

В отечественных работах также наблюдался рост плотности ПС при низкоинтенсивном облучении гамма-лучами. Например в получены зависимости сдвига порогового напряжения МОП транзистора ДU_it, вызванного зарядом ПС, от дозы D, которые показывают, что при низких значениях мощности дозы гамма-излучения наблюдается аномально сильный рост ДU_it. На рис. 4 из показано видно сильное увеличение плотности ПС при низкоинтенсивном облучении гамма-лучами. В данной работе этот процесс объясняется влиянием «горячих» электронов.

Рис.4. Рост плотности ПС при разных мощностях дозы гамма-излучения: 200 рад/с (1), 20 рад/с, 2 рад/с и 0,23 рад/с

В условиях низкоинтенсивного воздействия ИИ плотность поверхностных состояний в значительной степени определяет работоспособность КМОП ИМС, в частности их быстродействие. Это иллюстрируется зависимостью на рис. 5, взятой из.

Рис. 5. Зависимость быстродействия КМОП ИМС от плотности ПС при разных дозах облучения гамма-лучами Поэтому в данной работе рассматривается процесс образования ПС при низкоинтенсивном облучении гамма-лучами, которые является основным средством исследования и испытания КМОП ИМС.

1.3 Модели образования поверхностных состояний при облучении ИИ

1.3.1.Модель разрыва напряженных связей

Как показал анализ литературных данных в книге [5], структура оксид кремния-кремний напряжена из-за разности коэффициентов теплового расширения оксида кремния и кремния. Это приводит к возникновению напряженных валентных связей между атомами кремния в приповерхностной области вблизи границы раздела с пленкой оксида кремния, так как выращивание пленки оксида кремния производится при температурах около 800…1000°С, а эксплуатация — максимум при 80…125°С. Как показано в работе [4], уровни напряженных связей располагаются на границе раздела в области 1,14…1,18 эВ ниже границы валентной зоны кремния. Захват дырки на уровень напряженной связи означает уход электрона. При нормальных условиях дырки находятся выше уровней напряженных связей. Для разрыва напряженных связей требуется энергия. Поэтому их разрыв наблюдается как при ускоренных испытаниях при повышенной температуре, так и при воздействии ИИ.

Образование ПС в МОП структуре при воздействии ИИ согласно модели может проходить двумя путями (см. рис.6):

— перемещением дырок, образованных в объеме подзатворного оксида при ионизации, к границе раздела с кремнием с последующим попаданием в приповерхностную область кремния и захватом на уровни напряженных связей,

— ионизацией К-оболочек кремния в приповерхностной области.

Рис. 6. Образование ПС при ионизации пленки оксида и при ионизации К-оболочки кремния: образование дырки (1), движение дырки к границе раздела Si-SiO₂ (2), переход дырки в валентную область кремния (3), захват дырки на уровень напряженной связи (4) и образование ПС (5)

Оба эти процесса описываются экспоненциальной зависимостью вида [5]

(2)

где (ДN_it)_H — плотность ПС при насыщении, б — параметр, характеризующий скорость поверхностного дефектообразования.

Надо отметить работу [16], в которой предложена аналогичная модель, описывающая образование ПС при разрыве напряженных валентных связей. Процесс проходит условиях наличия градиента напряженных связей и захвата дырок для начала процесса образования ПС.

1.3.2 Конверсионная модель образования ПС

В рассматривается процесс образования ПС при перезарядке Е'-центра. Согласно этой модели происходит конверсия заряда на границе раздела SiO₂-Si. Этот процесс заключается в накоплении положительного заряда на ловушках пленки оксида вблизи границы раздела на уровне ширины запрещенной зоны кремния. Затем заряд перемещается к границе раздела SiO₂-Si. Процесс показан на рис. 7.

Рис. 7. Ионизация оксида кремния и захват дырок на уровни ловушек. Стрелками показано место конверсии заряда дырок.

Заряд захваченных дырок в переходной области (Q_ot)_M /см.рис.7/ взаимодействует с электронами кремния значительно быстрее, чем заряд в глубине оксида (Q_ot)_Г. Поэтому наблюдается быстрая составляющая «мелких» ловушек ф_М и медленная составляющая «глубоких» ловушек ф_Г. Качественная модель показана на рис. 8, а.

(а)

(б) (в) Рис. 8. Конверсионная модель образования ПС: качественная модель (а) и два этапа изменения тока базы биполярного транзистора в зависимости от мощности дозы (б) и от времени (в) Причина процесса образования ПС заключается в термическом возбуждении атомарной решетки у границы раздела SiO₂-Si, что приводит к спонтанному изменению энергии ловушек. В результате этого возникает возможность взаимодействия положительного заряда на ловушках с электронами, туннелирующими из кремниевой подложки. Это способствует «нейтрализации» положительного заряда и конверсии его в центр на границе раздела на уровне запрещенной зоны кремния.

Образование ПС приводит к возрастанию тока базы биполярных транзисторов. В этом случае изменение тока базы биполярного транзистора получается равным (см. рис.8, б, в) ДI_б = (К_г + К_м)?D + K_г?P?ф_г? [ехр (D/P?ф_г) — 1],

где К_г и К_м — коэффициенты пропорциональности приращения базового тока, ?D — доза ИИ, P — мощность дозы,?ф_г?- постоянная конверсии глубоких ловушек.

Экспериментальные и расчетные зависимости изменения тока базы биполярного транзистора приведены на рис. 9, взятом из. Как можно видеть, процесс образования ПС насыщается в районе мощностей дозы 0,01 …0,001 рад/с.

Рис. 9.Экспериментальные и расчетные зависимости изменения тока базы биполярного транзистора при дозе 300 крад

1.3.3 «Водородная» модель образования ПС

Как отмечается в [19], при термическом окислении кремния в пленке оксида, выращенной в сухом кислороде концентрация атомов водорода около N_Н~10¹⁸ см^-3, а в случае влажного кислорода — N_Н~10¹⁹ см^-3. Поэтому в последнее время в зарубежной литературе отдается предпочтение так называемой «водородной» модели. Согласно этой модели в пленке оксида кремния нейтральный атом водорода Н⁰ при воздействии ионизирующего излучения захватывает образовавшуюся дырку h и становится протоном Н⁺

Н⁰ + h > Н⁺. (3)

Поскольку не все атомы водорода ионизируются, то, наблюдаются два процесса. После облучения при воздействии температуры имеет место диффузия нейтральных атомов водорода, которые на границе раздела SiO₂-Si участвуют в реакции (LT-процесс)

? Si — H + H⁰ >? Si^· + H₂ (4 а) и образуют р_b-центр.

р_b

Этот процесс протекает очень медленно. Второй процесс проходит с участием реакции (3), в которой образуется протон, и реакции (HT-процесс)

? Si — H + H⁺ + е^- >? Si^· + H₂ (4 б) и также образует р_b-центр.

Таким образом, имеются два процесса образования ПС — медленный (LT) и быстрый (НТ). В обоих случаях образуется так называемый р_b — центр (рис.10).

Рис. 10. Образование объемного заряда в оксиде кремния и ПС при воздействии ИИ В работе исследовалось образование ПС в п-канальных МОП транзисторах с толщинами подзатворного оксида от 55 до 75 нм после облучения рентгеновскими лучами дозой 10 Мрад при мощности дозы 1,8 крад/с. После такого импульсного облучения наблюдалось образование ПС. Модель заключается в том, что образование ПС происходит в результате диффузии не только нейтрального атома водорода Н⁰ и его иона Н⁺, полученного в результате реакции (3), но при разложении молекулы воды Н₂О. В этом случае имеют место реакции

Si₃? Si^.· + H₂O > Si₃? Si-OH + H⁰ (5 а)

Si₃? Si — H + H⁰ > Si₃? Si^. + H₂ (5 б)

? Si₃ — - Si? + H⁰ >? Si Si? (5 в) В этих реакциях обозначение «Si₃? Si^.· » означает поверхностный дефект, состоящий из атома кремния с оборванной связью и восстановленной связью в трехвалентном кремнии.

Они получаются в результате диффузии водородных «разновидностей»: Н⁰ — нейтральный атом водорода, Н⁺ — ион водорода, Н₂ — молекула водорода, ОН^- — гидроксильная группа и Н₂О — молекула воды. Время диффузии через пленку оксида кремния определялось с использованием выражения [21]

t = d²/4D, (6)

d — расстояние, D=D₀exp (-E_a/kT) — скорость диффузии, D₀ — коэффициент диффузии, k — постоянная Больцмана, T — температура по Кельвину.

Результаты исследования представлены в таблице 2, где приведены значения времени диффузии «водородных разновидностей» на расстояние 50 нм, а также коэффициентов диффузии и энергий активации процесса диффузии.

Таблица 2. Диффузионные константы в аморфном оксиде кремния водородных разновидностей

Данные таблице 2 показывают, что наибольшее время диффузии через расстояние 50 нм у молекул воды, затем идет время диффузии гидроксильных групп ОН^- и молекул водорода Н₂. Именно времена диффузии этих водородных разновидностей представляют интерес при длительном воздействии ИИ при низкоинтенсивном облучении.

В работе наблюдались два уровня ПС — р_b0 — центр и р_b1 — центр. Как можно видеть на рис. 11, взятом из [22], р_b0-центр имеется в исходной структуре кремний-оксид кремния Рис. 11. Схематическая иллюстрация р_b0-центра Следует отметить, что помимо р_b0 и р_b1 центров в запрещенной зоне на границе Si-SiO₂ имеется уровень дефекта «кислородная вакансия» [23], который присутствует не только в объеме оксидной пленки, но и наблюдается на границе раздела оксида с кремнием. В работе проводились исследования методом электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) поверхностных дефектов на границе раздела Si-SiO₂. Эти результаты, представленные на рис. 12, показывают только наличие трех видов ПС. Измерения проводились в диодном включении МОП транзисторов, когда выводы стока и истока соединены с подложкой, до и после облучения гамма-лучами. Как можно видеть, наибольшее увеличение сигнала наблюдалось для р_b1 и Е' центров, для р₀ центра больших изменений сигнала не наблюдалось.

Рис. 12. Результаты обнаружения ЭПР-центров на границе Si-SiO₂

В дальнейших работах по вкладу водорода в процесс образования ПС введено понятие «неспецифический водородно-комплексный дефект» (unspecified hydrogen-complexed defect — DH). Он охватывает все виды водородных разновидностей, которые представлены в таблице 3.

Таблица 3. Виды водородных комплексов DН, D и D⁺

Как указывается в [26], водород в оксиде кремния пассивирует дефекты при изготовлении микроэлектронных структур как в объеме пленки, так и на границе раздела с кремнием. В этом случае имеет место реакция

D + H > SiH. (7)

Используя обозначения структур водородно-комплексных дефектов, представленных в таблице 3, как DН, можно в общем виде описать процессы, происходящие при воздействии ИИ и при термообработке после облучения.

При таком подходе процесс образования дефектного комплекса при захвате дырки, образованной при ионизации оксида, можно представить следующим выражением [25]

h⁺ + DH > D + H⁺. (8)

Необходимо отметить, что положительно заряженный атом водорода (протон) характеризируется стабильным зарядовым состоянием и не взаимодействует с электронами из кремния из-за барьера. Протон перемещается легко в приграничной области оксида и пассивирует дефект. Если второй протон подойдет к DH-дефекту, то произойдет реакция, в которой образованные протоны взаимодействуют со структурой DH. Например, со структурой SiH, образуя молекулу водорода

SiH + Н⁺ > D⁺ + Н₂. (9)

Таким образом, причина образования ПС заключается в уходе протона из DH-комплекса и образовании молекулы водорода. Этот процесс показан на рис. 13, взятом из. На этом рисунке показан процесс образования молекулы водорода и заряженного дефекта.

Рис. 13.Реакция между Н+ и поверхностной структурой SiH: (а) — подход протона, (б) — установление валентной связи с DH, (в) — образование молекулы водорода В работе Fleetwood разделил поверхностные дефекты у границы Si-SiO₂ на два вида — interface traps (it), которые находятся непосредственно на границе раздела, и дефекты в прилегающей области оксида на глубине от 3,0 до 6,0 нм от границы раздела border traps (bt). Последние представляют собою дефекты переходного слоя от кремния к оксиду.

Основываясь на представленных выше литературных данных, процесс образования ПС можно представить в виде схематической диаграммы, показанной на рис. 14.

Согласно этой диаграмме, при воздействии ИИ в объеме оксида образуются электронно-дырочные пары. Электроны покидают оксид, а дырки перемещаются по уровням мелких ловушек к границе раздела Si-SiO₂ (см. рис.10). В объеме оксида происходит захват дырки атомом водорода, который перемещается в сторону кремния. При этом протон вступает в реакции, образуя положительно заряженные дефекты D⁺ в оксиде (trapped holes), в переходном слое (border traps) и на границе раздела (interface traps).

Рис. 14. Схематическое изображение процесса перемещения дырки и протона в пленке оксида кремния и образование ПС (Х⁺ — «заряженный водородный комплекс) Процесс образования ПС типа p_b-центр, основанный на реакции (4), описывается уравнением [28]

dN_Pb/dt = (N_SiH — N_Pb) у_it F_H — N_pb/ф_Pb (10а)

в котором N_SiH и N_pb — плотности водородных комплексов SiH и p_b-центров соответственно, у_it — сечение захвата протонов, F_H(L, t) — поток протонов, ф_Pb — время жизни p_b-центров на границе раздела Si-SiO₂.

В этом подходе считается, что протон не нейтрализуется на границе раздела Si-SiO₂ электронами из кремния. Аналитическое моделирование на основе уравнения (10а) показало, что при высокой мощности дозы захваченные дырки создают барьер для прохода протона к границе раздела Si-SiO₂ и это препятствует образованию ПС. При низкоинтенсивном облучении заряд захваченных дырок в объеме оксида меньше и это способствует образованию ПС. Поэтому при низкоинтенсивном облучении наблюдается большее количество ПС. Качественно этот эффект показан на рис. 15.

Решение уравнения (10а) позволило получить зависимость плотности ПС от мощности дозы аналитически. Затем проведена экспериментальная проверка с использованием микросхем RF25 фирмы Analog Devicеs. Экспериментальные и аналитические зависимости представлены на рис. 16.

При расчетах использовались следующие значения подвижностей:

для дырок м_р = 1Ч10^-5 см²/В?с и для протонов м_Н+ = 1Ч10^-11см²/В?с.

Как можно видеть, результаты расчета и эксперимента хорошо совпадают. Полученная зависимость показывает, что в случае дозы ИИ 200 крад и при мощности дозы Р ~ 1 рад/с наступает насыщение процесса образования ПС.

Рис. 15. Сравнение процессов образования ПС и накопления положительного заряда при низкой (а) и высокой (б) мощности дозы.

Рис. 16. Расчетная и экспериментальные зависимости плотности ПС от мощности дозы ИИ (- эксперимент, — анализ, _ - расчет) При воздействии низкоинтенсивного ИИ представляют интерес длительные процессы. К таким процессам относится диффузия молекулы водорода Н₂ и воды, которые характеризуются наиболее низким коэффициентом диффузии (см. таблицу 2).

Процесс образования ПС с участием молекулы водорода рассматривался в. Реакция имеет вид Н₂ + 2D — 2DH.

Эта реакция производит водородосодержащий комплекс DH, который при участии дырки, образованной при воздействии ИИ, создает протон /см. (8)/. Далее происходит образование ПС. Этот процесс, который показан на рис. 17, взятом из [29], описывается уравнением, аналогичным (10а).

Рис. 17. Образование DH при наличии молекул водорода Используя это уравнение

dN_it/dt = (N_Si-H — N_it(t)) у_it F_H⁺ — N_it(t)/ф_it, (10б) где N_Si-H — поверхностная концентрация пассивированных разорванных связей (см^-2), у_it — сечение захвата протона, F_H⁺ — поток протонов, ф_it — время жизни поверхностной ловушки, используется для учета отжига.

Используя решение уравнения (10б), была рассчитана зависимость плотности ПС от концентрации молекул водорода Н₂, которая представлена на рис. 18. Как можно видеть, плотность ПС резко возрастает при превышении концентрации молекул водорода 10¹³ см^-3.

Рис. 18. Зависимость плотности ПС от концентрации молекул водорода Процессы старения МОП приборов с участием молекул воды изучались в работах и.

В работе проводились исследования процессов старения пи р-канальных МОП транзисторов с толщинами подзатворного диэлектрика 32 нм и 60 нм в герметичных и негерметичных условиях эксперимента. Длительность эксперимента составляла 17 лет. Облучение осуществлялось рентгеновскими лучами с энергией 10 кэВ. До и после облучения проводились измерения стоко-затворных характеристик. Для обработки результатов измерений использовался метод подпороговых токов. Получено, что в случае негерметичных условий молекула проникающей воды в пленке оксида разлагается на атомарный водород и гидроксиальную группу, которые реагируют с атомами кремния, создавая водородные комплексы SiH и SiOH. В дальнейшем происходят реакции (5 а, 5 б и 5 в).

Используя экспериментальные данные [31], в работе проведен расчет изменения распределения протонов в подзатворном оксиде МОП структуры. При положительном напряжении 6 В и повышенной температуре 135 °C получено, что образование ПС не ограничено протонным транспортом к границе Si-SiO₂. Перемещение протона Н⁺ при температуре 135 °C показано на рис. 19, где показано (а) начальное распределение протонов, (б) через 400 с, (в) через 800 с, (г) через 1200 с. Как можно видеть, за 1200 с практически все протоны собрались вблизи границы раздела Si-SiO₂ .

В проводилось исследование герметизированных п-канальных МОП транзисторов с толщиной подзатворного оксида 60 нм. В эксперименте проводилось исследование процесса старения трех групп образцов после облучения рентгеновскими лучами с энергией 10 кэВ и дозой 100 крад. Облучение и последующий длительный отжиг в течение ~18 лет проводились при напряжении 6 В на затворе. Первая группа транзисторов облучалась без какой-либо термообработки, вторая — после выдержки при 200 °C в течение 16 часов, а третья группа — после испытаний в течение 70 часов при влажности 85% и температуре 130 °C. Результаты испытаний показаны на рис. 20. Как можно видеть, вода дает значительный вклад в образование ПС.

Попадание молекулы воды структуру оксида показано на рис. 21 а, взятом из. Затем происходит разрыв больших колец оксида кремнияSi — O — Si — O — Si — O -, как показано на рис. 21 б. На этом рисунке черные кружки обозначают атомы кислорода, серые — атомы кремния и белые — атомы водорода.

Рис. 19. Изменение распределения протонов при 135єС: начальное (а), после 400 с (б), после 800 с (в) и после 1200 с (г).

Рис. 20. Изменение плотности ПС после облучения рентгеновскими лучами дозой 100 крад в 1988 году и выдержки при комнатной температуре 17 лет (а — после отжига 16 часов при 200єС перед облучением, б — без какой-либо термообработки перед облучением, в — со вскрытием и выдержкой 70 часов при 130 єС и 85% влажности перед облучением, сплошная кривая — обучение в 1988 году) Рис. 21. Структура пленки оксида в момент попадания молекулы воды (а) и после реакции с водой (б).

Таким образом, после кратковременного воздействия ИИ и при попадании влаги в процессе старения значительную роль играют молекулы водорода и воды.

В заключение отметим, что и процессы образования ПС с участием водорода также описываются экспоненциальной функцией вида [32]

где обозначения те же, что и в (2).

Выводы

1. Ускоренные испытания МОП приборов на старение проводятся в диапазоне температур от 80 °C до 250 °C, но при превышении температуры 200 °C наблюдаются процессы, не встречающиеся при эксплуатации до температуры 125 °C.

2. При низкоинтенсивном облучении МОП транзисторов наблюдается существенное увеличение плотности ПС со снижением мощности дозы ИИ.

3. В литературе существуют два подхода в объяснении процессов образования ПС при радиационном и долговременном процессах воздействия: с участием дырок и с участием атомов водорода.

4. Все процессы образования ПС при радиационном воздействии описываются выражением (2)

в котором Р — мощность дозы, t — время облучения, (ДN_it)_H — плотность ПС при насыщении, б — параметр.

5. При длительном облучении и уменьшении мощности дозы ИИ наблюдается насыщение плотности ПС.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Анализ литературных данных

В данной работе предлагается «надежностный» подход, который позволяет рассматривать радиационные эффекты в МОП транзисторах как процесс, протекающий во времени t при воздействии ионизирующего излучения с мощностью дозы Р. В этом случае поглощенная доза D=P· t характеризует интегральную поглощенную энергию.

При таком подходе дозовые зависимости плотности ПС, представленные на рис. 3, примут вид, показанный на рис. 22. Как можно видеть, эффект возрастания плотности ПС является функцией времени при заданной мощности дозы. Представленные зависимости показывают, что при больших длительностях облучения происходит добавочное образование дефектов на границе раздела кремний-оксид кремния. В отличие от ПС будем в данной работе их называть «поверхностными дефектами» (ПД).

Таким образом, процесс образования ПС и ПД в общем виде может быть представлен как

(11)

в котором (ДN_it)_H — плотность поверхностных состояний при насыщении «дозового» процесса, б — параметр, характеризующий скорость поверхностного дефектообразования, ДN_it^*(t) — составляющая «временньго» процесса (дополнительные поверхностные дефекты — ПД).

(а)

(б) Рис.22. Изменение плотности ПС при разных мощностях дозы для МОП транзисторов: (а) — с d_ox=50 нм (1- Р=200 рад/с, 2- Р=20 рад/с, 3- Р=2 рад/с, 4- Р=0,1 рад/с). (б) — с d_ox=100 нм (1- Р=3,3 рад/с, 2- Р=0,83 рад/с, 3- Р=0,012 рад/с)

В (11) первое слагаемое отражает «дозовый» процесс, а второе — «временньй» процесс. «временньй» процесс заканчивается при прекращении облучения. Используя экспериментальные данные, получаем зависимости ДN_it^*(t), представленные на рис. 23 (пунктирные кривые — ряд 5). Эти зависимости показывают наличие двух процессов образования поверхностных дефектов. Первый наблюдается при коротких интенсивных облучениях, а второй — при длительностях облучения более 100 часов.

(а)

(б) Рис.23. Изменение плотности ПС при разных мощностях дозы для образцов МОПТ с толщинами подзатворного диэлектрика 50 нм (а) и 100 нм (б)

Для исследования «временной» составляющей образования поверхностных дефектов был проведен анализ экспериментов по облучению серийных КМОП ИМС типа 564ЛА9 при разных мощностях дозы гамма-излучения.

В проводились облучения на стронций-иттриевом источнике электронов, который моделирует спектр электронов в радиационных поясах Земли. Результаты этих исследований представлены на рис. 24, показаны дозовые зависимости порогового напряжения МОП транзисторов с п-каналом.

Рис. 24. Дозовые зависимости порогового напряжения ИМС типа 564ЛА9 при разных мощностях дозы

Как можно видеть, с уменьшением мощности дозы возрастает роль поверхностных состояний, что проявляется в сдвиге порогового напряжения МОП транзисторов в сторону положительных напряжений.

Используя метод подпороговых токов [12], были определены сдвиги порогового напряжения МОП транзисторов с п-каналом, обусловленные зарядом в объеме подзатворного оксида U_ot и на границе раздела оксид кремния-кремний U_it.

Поскольку процессы старения происходят во времени при воздействии дестабилизирующего фактора — мощности дозы ионизирующего излучения, то в данной работе будем рассматривать изменение параметров во времени. В этом случае получаем зависимость U_ot (t, P), которая представлена на рис. 25. Полученная зависимость показывает монотонное снижение плотности накопленного заряда в объеме подзатворного оксида в зависимости от мощности дозы гамма-излучения, как это наблюдалось и в других работах. Таким образом, в случае снижения мощности дозы при низкоинтенсивном воздействии роль заряда в объеме оксида уменьшается и не играет существенной роли с увеличением времени облучения.

Рис. 25. Изменение заряда в подзатворном оксиде при разных мощностях дозы гамма-излучения При определении сдвига пороговых напряжений U_it, вызванного зарядом поверхностных состояний (ПС), наблюдается рост плотности поверхностных состояний. В данной работе с использованием метода подпороговых токов определены зависимости плотности поверхностных состояний N_it от времени при различных мощностях дозы гамма-излучения. Полученные зависимости представлены на рис. 26. Как можно видеть на этом рисунке, с увеличением времени наблюдается рост плотности поверхностных состояний. При этом выявляются три этапа. На первом этапе имеет место рост плотности ПС, который на втором этапе со временем насыщается. На третьем вновь наблюдается увеличение плотности ПС.

Рис. 26. Изменение плотности поверхностных состояний N_it во времени при разных мощностях дозы

Как можно видеть на рис. 26, при облучении МОП транзисторов наблюдается два этапа образования ПС. На первом этапе образуются N_it из-за разрыва напряженных связей на границе раздела Si-SiO₂. На втором этапе имеет место процесс образования дополнительных поверхностных дефектов (ПД).

Таким образом, можно разделить дефекты на границе раздела оксид кремния — кремний на два вида: поверхностные состояния (ПС) и на «дополнительные» поверхностные дефекты (ПД).

2.2 Методика проведения исследования воздействия гамма-излучения на МОП транзисторы в КМОП ИМС

В настоящее время исследования долговременных радиационных эффектов в КМОП ИМС проводятся с использованием изотопных источников гамма-излучения. В данной работе облучение образцов КМОП ИМС осуществлялось в сухом вертикальном канале, установленном в шахте-хранилище реактора ИРТ НИЯУ МИФИ. Диаметр канала составлял 25 см, что дало возможность располагать плату с КМОП ИМС горизонтально. Это позволило обеспечить наименьшую погрешность определения мощности дозы при проведении облучения. Источником гамма-лучей являлся изотоп Cz-137. Мощность дозы гамма-излучения устанавливалась путем фиксации положения платы с образцами на выбранной высоте от дна канала, а измерение мощности дозы производилось при помощи прибора типа ДК 101. При дальнейших облучениях использовалась жесткая фиксация положения плат с образцами.

В данной главе диссертации описаны экспериментальные исследования, в которых облучение КМОП ИМС проводилось как в пассивном режиме (без подачи электрического режима), так и в активном режиме (в режиме переключения) при комнатной температуре 25єС. До и после каждого этапа облучения проводились измерения вольт-амперных (ВАХ) стоко-затворных характеристик (СЗХ) МОП транзисторов. СЗХ измерялись с использованием анализатора полупроводниковых приборов Agilent Technologies B1500A в широком диапазоне токов (до 10^-11А). Результаты измерений ВАХ обрабатывались с применением метода подпороговых токов.

2.3 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526ЛЕ5 в режиме хранения

2.3.1 Описание экспериментов

В данной работе для экспериментального исследования выбрана мощность дозы Р = 0,1 рад/с, при которой с одной стороны проявляются эффект низкой интенсивности, а с другой стороны не требуется длительное время для проведения экспериментальных исследований.

В проводились исследования КМОП ИМС серии 1526 в пассивном режиме и при постоянном напряжении на затворе 5 В. Облучение проводилось при мощности дозы Р=0,1 рад/с до доз 50 крад. Получены дозовые зависимости порогового напряжения МОП транзисторов U_0n, а также сдвиги порогового напряжения, вызванные зарядом в объеме оксида ДU_ot и зарядом поверхностных дефектов ДU_it. Для изучения закономерностей процесса старения в данной работе необходимо длительное облучение.

В данном экспериментальном исследовании проводились облучения в пределах 1 Мрад [37], что соответствует 2777 часам. Использовались два типа КМОП ИМС типа 1526ЛЕ5, представляющие собой логические элементы 2ИЛИ-НЕ. Толщина подзатворного оксида в этих микросхемах составляла 60 нм. Для исследования КМОП ИМС партия микросхем была разбита на две группы. Первая группа микросхем в количестве 3 шт. (типа 2ИЛИ-НЕ - 12 МОП транзисторов) облучалась в пассивном режиме (все выводы соединены между собой), а вторая, состоящая из элементов 2ИЛИ-НЕ — в режиме переключения, когда все логические элементы соединены в кольцевой генератор. Облучение проводилось в вертикальном канале шахты-хранилище реактора ИРТ НИЯУ МИФИ в при мощности дозы Р = 0,1 рад/с.

До и после каждого этапа облучения производились измерения стоко-затворных вольт-амперных (ВАХ) МОП транзисторов (МОПТ). Измерения проводились с использованием анализатора полупроводниковых приборов Agilent Technologies B1500A в широком диапазоне токов. Основным параметром МОП транзисторов является пороговое напряжение U_0n, которое определяет такие параметры КМОП ИМС как быстродействие и помехоустойчивость.

Рис. 27. Схема включения логического элемента 1526ЛЕ5 при измерениях стоко-затворных характеристик и включения в кольцевой генератор.

В данной работе пороговое напряжение определялось с помощью измерения токов стока при поверхностном потенциале _s0 = 2_FE, где _FE — разность потенциалов между положением уровня Ферми и серединой запрещенной зоны в объеме полупроводника.

2.3.2 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526 в режиме хранения

Результаты измерений ВАХ подвергались статистической обработке, в результате которой были получены средние значения и средние квадратичные отклонения, которые представлены в Приложении 1 и приведены на рис. 28. Надо отметить незначительный разброс стоко-затворных характеристик.

Рис.28. Стоко-затворные характеристики МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526 при разных дозах ИИ

Плотность ПС определялась по средним значениям напряженияй на затворе с применением метода подпороговых токов. По результатам расчетов получена средняя плотность поверхностных дефектов. Зависимость средней плотности от времени облучения N_it(t) показана на рис. 29 (кривая 1). Как можно видеть, наблюдаются два этапа дефектообразования — поверхностных состояний (ПС) и поверхностных дефектов (ПД).

Поскольку изменение плотности ПС происходит по экспоненциальному закону (2), то аппроксимируя начальный участок экспонентой (см. на рис. 29 кривую 2), можно получить параметры этой зависимости с использованием программы Origin Pro 8/1:

N_it.н = (1,221 ± 0,197) ?10¹¹ см^-2 и б = (1,32 ± 0,495) ?10^-3 ч^-1.

Вычитая из общей зависимости средних значений (1) вклад изменения плотности ПС (2) получаем вклад поверхностных дефектов (3). Как можно видеть на рис. 29 процесс образования ПД становится заметным в случае облучения с мощностью дозы Р = 0,1 рад/с при t > 1500 часов.

Рис.29. Изменение средней плотности поверхностных дефектов во времени при Р=0,1 рад/с в пассивном режиме: (1) — общая зависимость, (2) - изменение плотности ПС, (3) — изменение плотности ПД

2.3.3 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526 в режиме переключения

Во второй группе КМОП ИМС типа 1526 логические элементы типа 2ИЛИ-НЕ объединялись в кольцевые генераторы, состоящие из 11 элементов, и облучались в электрическом режиме переключения при напряжении питания 5 В. Средние стоко-затворные вольт-амперные характеристики, измеренные до и после каждого этапа облучения, представлены на рис. 30 и в Приложении 2.

Рис30. Средние стоко-затворные характеристики при облучении гамма-лучами с Р=0,1 рад/с в режиме переключения.

Использование метода подпороговых токов позволило получить зависимость плотности поверхностных дефектов от времени облучения при мощности дозы Р = 0,1 рад/с. Указанная зависимость представлена на рис. 31 (кривая 1). Как можно видеть, что как и в случае облучения в пассивном режиме, так и в режиме переключения наблюдаются 2 этапа поверхностного дефектообразования.

Первый этап образования ПС описывается экспонентой (2) (см. рис. 31, кривая (2). Параметры зависимости определялись с помощью программы Origin Pro 8.1: N_it.н = (1,114 ± 0,875)?10¹¹ см^-2 и б = (3,41 ± 1,03) ?10^-3 ч^-1.

Вычитая из общей зависимости средних значений (1) на рис 31 вклад изменения плотности ПС (2) получаем вклад поверхностных дефектов (3). Как можно видеть на рис. 31 процесс образования ПД становится заметным в случае облучения с мощностью дозы Р = 0,1 рад/с при t > 1000 часов.

Рис. 31. Изменение средней плотности поверхностных дефектов во времени при Р=0,1 рад/с в активном режиме переключения: (1) — общая зависимость, (2) — изменение плотности ПС, (3) — изменение плотности ПД

Таким образом, при длительном облучении низкоинтенсивным ИИ как в пассивном режиме, так и в режиме переключения имеет место два этапа поверхностного дефектообразования.