Прогнозирование отказов металл-оксид полупроводников интегральных микросхем в период старения в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения на основе использования ускоренных испытаний при повышенной температуре. Результаты испытаний.
Аннотация к работе
Национальный исследовательский ядерный университет ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ МОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборов на квантовых эффектахЭКБ-электронная компонентная база МОП-металл-оксид полупроводник КМОП-комплементарная микросхема со структурой металл-оксид полупроводник Центр ЭПР-центр электронного парамагнитного резонанса DH-unspecified hydrogen-complexed defect it-interface traps bt-border traps.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. Провести анализ результатов исследований образования поверхностных дефектов в широком диапазоне мощностей доз и длительностей воздействия ионизирующего излучения. 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;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 [3]. Как показали ускоренные испытания ИМС, в процессе старения значительная доля приходится на образование дефектов вблизи границы раздела оксид кремния - кремний. 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.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). 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 dox = 100 нм типа GO 250A с толщиной подзатворного оксида dox =50нм. Например в [13] получены зависимости сдвига порогового напряжения МОП транзистора ?UIT, вызванного зарядом ПС, от дозы D, которые показывают, что при низких значениях мощности дозы гамма-излучения наблюдается аномально сильный рост ?UIT .Как показал анализ литературных данных в книге [5], структура оксид кремния-кремний напряжена изза 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. Образование ПС в МОП структуре при воздействии ИИ согласно модели [5] 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.Этот процесс заключается в накоплении положительного заряда на ловушках пленки оксида вблизи границы раздела на уровне ширины запрещенной зоны кремния. Это способствует «нейтрализации» положительного заряда и конверсии его в центр на границе раздела на уровне запрещенной зоны кремния. После облучения при воздействии температуры имеет место диффузия нейтральных атомов водорода, которые на границе раздела SIO2-Si участвуют в реакции (LT-процесс) и образуют pb-центр. Второй процесс проходит с участием реакции (3), в которой образуется протон, и реакции (HT-процесс) и также образует pb-центр. Следует отметить, что помимо pb0 и pb1 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.
План
СОДЕРЖАНИЕ ионизирующий излучение старение микросхема
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Ускоренные испытания КМОП ИМС
1.2 Радиационные эффекты при низкоинтенсивном облучении
1.3 Модели образования поверхностных состояний при облучении ИИ
1.3.1 Модель разрыва напряженных связей
1.3.2 Конверсионная модель образования ПС
1.3.3 «Водородная» модель образования ПС
Выводы
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1 Анализ литературных данных
2.2 Методика проведения исследования воздействия гамма-излучения на МОП транзисторы в КМОП ИМС
2.3 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526ЛЕ5 в режиме хранения
2.3.1 Описание экспериментов
2.3.2 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526 в режиме хранения
2.3.3 Исследование МОП транзисторов в КМОП ИМС серии 1526 в режиме переключения
2.3.4 Исследование МОП транзисторов с КНИ структурой в тестовых КМОП ИМС в пассивном режиме
2.4 Модель поверхностного дефектообразования
2.4.1 Анализ литературных и экспериментальных данных
2.4.2 Физическая модель образования «дополнительных» поверхностных дефектов
Выводы
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ КМОП ИМС В ПЕРИОД СТАРЕНИЯ В РЕЖИМЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
3.1 Описание методики испытаний
3.2 Исследование кольцевых генераторов на КМОП ИМС типа 564ЛН2
3.2.1 Описание эксперимента
3.2.2 Особенности проведения контроля отказов КМОП ИМС
3.2.3 Результаты испытаний
3.3 Разработка методики прогнозирования отказов тестовых кольцевых генераторов
3.3.1 Описание тестовых структур
3.3.2 Результаты эксперимента
3.3.3 Выбор аппроксимации
3.3.4 Результаты прогнозирования
3.4 Исследование отказов кольцевых генераторов на КМОП ИМС типа 1526ЛЕ5
Выводы
Глава 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИИ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ С РАДИАЦИОННЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1 Методика сопоставления результатов ускоренных испытаний и радиационных испытаний при низкой мощности дозы
4.2 Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем типа 564ЛА9 при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении 74
4.3 Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем типа 564ЛЕ5 в пассивном режиме при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении
4.4 Сопоставления результатов испытаний интегральных микросхем типа 1526ЛЕ5 в пассивном режиме при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении
4.5 Сопоставление результатов испытаний в электрическом режиме тестовых структур кольцевых генераторов при повышенной температуре и низкоинтенсивном облучении