Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний на надежность МОП интегральных микросхем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Чжо Ко Вин

• Чжо Ко Вин
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Чжо Ко Вин

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Ускоренные испытания КМОП ИМ С

1.2Радиационные эффекты при низкоинтенсивном облучении

1.3.Модели образования поверхностных состояний при облучении ИИ

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

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

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

з

Выводы:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Обозначения и сокращения

ЭКБ -электронная компонентная база МОП-металл-оксид полупроводник ИМС -интегральная микросхема

КМОП-комплементарная микросхема со структурой металл-оксид полупроводник

ИИ- ионизирующее излучение

ПС- поверхностное состояние

Центр ЭПР-центр электронного парамагнитного резонанса

DH- unspecified hydrogen-complexed defect

it- interface traps

bt- border traps.

ПД- поверхностный дефект

ВАХ- вольт-амперная характеристика

СЗХ- стоко-затворная характеристика

КИИ- кремний на изоляторе' БИС-биполярная интегральная микросхема

БМК -базовый матричный кристалл

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний на надежность МОП интегральных микросхем»

ВВЕДЕНИЕ

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 «-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 [1].

Рис. 1. Этапы «эюизненпого 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 Л'-Л'О?.

• 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 1526.

• 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 Микро- и наноэлектроники в 2013 году, на конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА» в 2011году, на 43-ем международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» в 2012 году, на научной сессии ИИЯУ 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.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1 Л.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 [3]. 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 [4]. 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 бУ-З/О?. Этот процесс наблюдается как при нормальной и повышенной температурах [4], так и при воздействии ионизирующего излучения [5].

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 [6] 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°С [6]. 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]

Uo = U0i + (pun + ЛUot +AUit, (1)

где Uoi - собственное пороговое напряжение, (рмп - разность работ выхода электронов из полупроводника и металла (поликремния), AUot и AJJit - 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 [8].

Таблица 1. Изменение некоторых параметров в КМОП ИМС при развитии

технологии их изготовления

Длина канала, мкм 0,35 0,25 0,18 0,13 0,1 0,08

Толщина подзатворного оксида, нм 8,2 6 4,7 4,3 3,4 3,0

Напряжение питания, В 3,3 2,5 1,8 1,5 1,2 0,9

Как показывают представленные в таблице 1 данные, толщина подзатворного

оксида в современных микросхемах находится в пределах от 8,2 до 3,0 нм.

11

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 [9].

Д£/„, в

Рис.2. Изменение пороговых напряэ/сений 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 «-каналом проводились в работах [10,11] в широких пределах

мощностей дозы. Исследовались изменение порогового напряжения МОП

транзисторов типа ШН 254 с толщиной подзатворного оксида с10Х = 100 нм

12

типа СО 250А с толщиной подзатворного оксида с10Х =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 [12]. Как можно видеть, наблюдается существенный рост плотности ПС при снижении мощности дозы гамма-излучения.

AUit, В

'0,012 рад/с 0,83рад/с ~*3,3рад/с

D, крад

1000

(а)

Щп в

-♦—0,1 рад/с

2рад/с л* »20рад/с -*~200рад/с

D ,крад

10

100

1000

(б)

Рис.3. Результаты определения сдвига порогового напряжения МОП транзисторов при разных мощностях дозы гамма-излучения :

(a) GO 250А (dox =50нм), (б) IRH 254(dox = 100 нм)

В отечественных работах также наблюдался рост плотности ПС при низкоинтенсивном облучении гамма-лучами. Например в [13] получены

зависимости сдвига порогового напряжения МОП транзистора дии, вызванного зарядом ПС, от дозы Д которые показывают, что при низких значениях мощности дозы гамма-излучения наблюдается аномально сильный рост дии . На рис.4 из [13] показано видно сильное увеличение плотности ПС при низкоинтенсивном облучении гамма-лучами. В данной работе этот процесс объясняется влиянием «горячих» электронов.

дш,

0.5 -0.4 0.3 0.2 0.1 0

0 2x105 4хЮ5 бхЮ5 8x105 1х106

□ , рад

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 [14].

не 15

10

20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

1.0 1.2 1.4

А крад

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 [15].

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 [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.

Рис. 6. Образование ПС при ионизации пленки оксида и при ионизации К-оболочки кремния: образование дырки (1), движение дырки к границе раздела 81-8Ю2 (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]

где - плотность ПС при насыщении, а - 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.Конвсрсионная модель образования ПС

В [17] рассматривается процесс образования ПС при перезарядке Е'-

центра. Согласно этой модели происходит конверсия заряда на границе раздела 8Ю2-81. 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 8Ю2-В1. Процесс показан на рис. 7.

Генерация •»лектронно-дырочных пар под действием

■О.

ИИ

За гпор

ЭЮг

Образование Г1С

(РЬ)

51

Захиат дырок в оксиде иблизн границы (Е') + ¡+

Высвобождение протонов

Т£>

Прыжковый перенос дырок

через локализованные состоянии и объеме ЯЮу

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

Заряд захваченных дырок в переходной области (£?о0м /см.рис.7/ взаимодействует с электронами кремния значительно быстрее, чем заряд в глубине оксида ((2одг- Поэтому наблюдается быстрая составляющая «мелких» ловушек тм и медленная составляющая «глубоких» ловушек тг. Качественная модель показана на рис. 8,а.

ао.

ЕЕР (а«) г И-

т

3!

3

А1

относительные единицы

относительные единицы

7

(б)

Рис.8. Конверсионная модель образования ПС: качественная моделъ(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 БЮт^и 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)

А1б = (Кг + + Кг-Р-тг- [ехр(£)/Р*тг) - 1],

где Кг и Км - коэффициенты пропорциональности приращения базового тока, - доза ИИ, Р - мощность дозы,тг-- постоянная конверсии глубоких ловушек.

Экспериментальные и расчетные зависимости изменения тока базы биполярного транзистора приведены на рис. 9, взятом из [18]. 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

18 3 19 3

Л^/у—10 см" , а в случае влажного кислорода - N¡^10 см" . Поэтому в последнее время в зарубежной литературе отдается предпочтение так называемой «водородной» модели [20]. Согласно этой модели в пленке оксида кремния нейтральный атом водорода Н° при воздействии ионизирующего излучения захватывает образовавшуюся дырку к и становится протоном Я+

Н° + к—> Н1. (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 5702-57 участвуют в реакции ( /Т-процесс)

= -Я + Н° = 57" + Н2 (4 а)

и образуют рь-центр.

V

Рь

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

= 5/ - Я + Я"" + е —► = 57" + Н2

(4 б)

и также образует/^-центр.

Рь

Таким образом, имеются два процесса образования ПС - медленный (ЬТ) и быстрый (ИТ). В обоих случаях образуется так называемый рь - центр (рис.10).

Генерация электронно-дырочных пар под действием ИИ

Образование ПС (РЬ)

Затвор

БЮа

Захват дырок в оксиде + — вблизи границы (Е')

Высвобождение протонов

Б!

Прыжковый перенос дырок через локализованные состояния в объеме БЮ?

Рис.10. Образование объемного заряда в оксиде кремния и ПС при

воздействии ИИ

В работе [21] исследовалось образование ПС в ^-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 и его иона /Г, полученного в результате реакции (3), но при разложении молекулы воды Н20. В этом случае имеют место реакции

н= 5/' + Н20 = 81-ОН + И0 Л7.? = 5/ - Н + Н° -> 813 = 81 + Н2 - йз - - № + Н° = 57 57=

I 1

• Н

(5 а) (5 6) (5 в)

В этих реакциях обозначение « 813 = 67'» означает поверхностный дефект, состоящий из атома кремния с оборванной связью и восстановленной связью в трехвалентном кремнии.

Они получаются в результате диффузии водородных «разновидностей»: Н°- нейтральный атом водорода, Н^ - ион водорода, Н2 -молекула водорода, ОН - гидроксильная группа и Н20 - молекула воды. Время диффузии через пленку оксида кремния определялось с использованием выражения [21]

г = с?/41), (6)

¿/ - расстояние, В^-Воехр^Е^кТ) - скорость диффузии, В0 - коэффициент диффузии, к - постоянная Больцмана, Г - 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

Водородные разновидности 2 Д /, см /с Еа, эВ Время для диффузии через 50 нм, с

75°С 125°С 175°С

Н° МО"4 0,18 2-10"5 МО"' 6-10"6

Н' 1,0 0,76 0,6 0,02 0,002

#2 5,7-10"4 0,45 0,03 0,005 0,001

он 9,5-10"4 0,68 40 2 0,3

н2о МО'6 0,79 1,5-106 6104 4000

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 [21] наблюдались два уровня ПС - рьо~ центр и ры - центр. Как можно видеть на рис.11, взятом из [22], /?/,0-центр имеется в исходной структуре кремний-оксид кремния

БЮ,

Рис.11. Схематическая иллюстрация р^о-центра

Следует отметить, что помимо рьо и ры центров в запрещенной зоне на границе Si-Si02 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 [24] проводились исследования методом электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) поверхностных дефектов на границе раздела Si-Si02 . 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 рь, и Е центров, для рп центра больших изменений сигнала не наблюдалось.

3328 3338 3348 3358

Magnetic Field (G) КС i^Wii)

Magnetic Field (G)

Рис. 12. Результаты обнаружения ЭПР-центров на границе Si-Si02

В дальнейших работах по вкладу водорода в процесс образования ПС введено понятие «неспецифический водородно-комплексный дефект» (unspecified hydrogen-complexed defect - DH) [25]. Он охватывает все виды водородных разновидностей, которые представлены в таблице 3.

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

DH Si-H-Si Si-H H-Si Si-H Si-O-H

D Si - Si Si-H-Si Si Si-О

D+ Si+ 'Si Si - If- Si St Si-О

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

О + II -» 57Я.

(7)

Используя обозначения структур водородно-комплексных дефектов, представленных в таблице 3, как DЯ, 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]

Необходимо отметить, что положительно заряженный атом водорода (протон) характеризируется стабильным зарядовым состоянием и не взаимодействует с электронами из кремния из-за барьера [26]. Протон перемещается легко в приграничной области оксида и пассивирует дефект. Если второй протон подойдет к £)Я-дефекту, то произойдет реакция, в которой образованные протоны взаимодействуют со структурой Например, со структурой 5Щ образуя молекулу водорода

Таким образом, причина образования ПС заключается в уходе протона из ОЯ-комплекса и образовании молекулы водорода. Этот процесс показан на рис. 13, взятом из [26]. На этом рисунке показан процесс образования молекулы водорода и заряженного дефекта.

к+ + +Я1.

(В)

£7Я + Я+ £>+ + Я2.

(9)

(С)

(b)

(а)

W

H,

Рис. 13. Реакция между Н+ и поверхностной структурой 577/: (а) - подход протона, (б) -установление валентной связи с ПН, (в) — образование

молекулы водорода

границы Si-Si02 на два вида - interface traps (il% 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 (ht). 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 [26].

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-SiOj (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).

В работе [27] Fleetwood разделил поверхностные дефекты у

Radiation

Si02

* / * * Si H >H2 SiH > H2

Рис. 14. Схематическое изображение процесса перемещения дырки и протона в пленке оксида кремния и образование ПС (X* - «заряженный

водородный комплекс)

Процесс образования ПС типа ^¿,-центр, основанный на реакции ( 4 ), описывается уравнением [28]

в котором Ы^н и Ыръ - плотности водородных комплексов 5/Я и р6-центров соответственно, ан - сечение захвата протонов, РИ(Ь,$ - поток протонов, тРЬ -время жизни /^-центров на границе раздела 57-5702.

В этом подходе считается, что протон не нейтрализуется на границе раздела электронами из кремния. Аналитическое моделирование на

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чжо Ко Вин, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилин Н.С., Белослудцев С.А. О iбраковка современной космической электронной компонентной базы,- М.: МАКС Пресс, 2006.

2. Федосов В.В., Патраев В.Е. Обеспечение надежности радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при применении электрорадиоизделий, прошедших дополнительные отбраковочные испытания в специализированных испытательных технических центрах.// Авиакосмическое приборостроение. 2006. №10. С.50-55.

3. РД И 0755-90. Микросхемы интегральные. Методы ускоренных испытаний на безотказность и долговечность. // Санкт-Петербург.: ВНИИ «Электронстандарт», 1990.

4. Физическая модель процесса старения МОП-структуры. / М.А.Булушева, В.Д.Попов, Г.А.Протопопов, А.В.Скородумова. // Физика и техника полупроводников. 2010. Том 44. Вып.4. С.527-532.

5. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах ИМС. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Горлов М., Строганов А. Геронтология кремниевых интегральных схем. Часть 1. // Chip News. 2000. № 3. С.22 - 25.

7. Попов В.Д., Белова Г.Ф. Физические основы проектирования кремниевых цифровых интегральных микросхем в монолотном и гибридном исполнении.- Санкт Петербург: Издательство «Лань», 2013.

8. Эннс В.И., Кобзев IO.M. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Справочник.- М.: Горячая линия - телеком, 2005.

9. Мьо Вин, Попов В.Д., Скородумова А.В. Прогнозирование радиационной стойкости КМОП ИМС при низких мощностях дозы ионизирующего излучения.// Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2010. Вып.1.С.74-77.

10.Dose rate effects on total-dose threshold-voltage shift of power MOSFETs./ Schrimpf R/D/ at al.// IEEE Trans, on Nuclear Science. 1988. Vol.NS-35. No 6. P.1536-1540.

11.Total- dose radiation annealing studies: implications for hardness assurance testing./ Winokur P.S. at al.// IEEE Trans, on Nuclear Sci. 1986. Vol.NS-33. No 6. P.1343-1351.

12.McWhorter P.J., Winokur P.S. Simple technique for separating the effects of interface traps and charge metal-oxide-semiconductor transistors. // J.Appl.Phys.Lett. 1986. Vol.48. Nol. P.133-135.

1 З.Лебедев А.А., Орлова АЛО., Попов В.Д. Роль эмиссии электронов в образовании поверхностных состояний в МОП-структуре при облучении гамма-лучами.-Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия па радиоэлектронную аппаратуру. Вып.1 - Лыткарино: ФГУП "НИИП", 2011. С. 19-22.

14.Implementing OML for radiation hardness assurance./ P.S. Winokur, F.W.Sexton, D.M/Fleetwood, M.D.Terry, M.R.Shaneyfelt,

P.V.Dressendorfer, J.R.Schwank.//IEEE Trans.on Nucl.Sci 1990. V.NS-37. No 3. P.1794-1798.

15.Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов./ Под научи, ред.д.т.п., проф. Г.Г.Райкунова.- М.: ФИЗМЛТЛИТ, 2013.

16.Grunthaner F.J., Grunthaner F.J. Mat.Sci.Rcp. 1986. Vol.1. P.65.

17.Конверсионная модель эффекта низкой интенсивности в биполярных микроэлектрониых структурах при воздействии ионизирующего излучения./ В.С.Першенков, Д. В.Савченков, А. С.Бакерсиков, В.Н.Улимов.//Микроэлектроника. 2006. Том 35. № 2. С. 102-112.

18.Расчетный метод оценки стойкости биполярных приборов к воздействию ионизирующих излучений низкой интенсивности и использование конверсионной модели./В.С.Першенков, А.С.Бакереиков, С.А.Варламов, В.В.Беляков, В.АюЛапшинский.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2011.Вып.4. С.5-12.

19.McLean F.B. A framework for understanding radiation-induced interface states in Si02 MOS structures.//IEEE Trans, on Nuclcar Sci. 1980. Vol.NS-27. No 6. P. 1651 -1657.

20.SaksN.S., Klein R.B., Griscom D.L. Formation of interface traps in MOS FETs during annealing following low temperature irradiation.// IEEE Trans.on Nucl.Sci.1988. Vol.NS-35. No6. P.1234-1240.

21. Annealing of total dose damage: redistribution of interface states density on <100>, <110> and <111> orientation silicon./ R.E.Stahlbush, R.K.Lawrence, I-I.L.Hughes, N.S.Saks.//IEEE Trans.on Nucl.Sci. 1988. Vol.NS-35. No 6.

P.1192-1196.

22.Nature of interface defect buildup in gated bipolar devices under low dose rate irradiation./X.J.Chen, Il.J.Barnaby, R.D.Schrimpf, D.M.Fleetwood, R.L.Pease, D.J.Platteter, G.W.Dunham.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2006. Vol.NS-53. No 6. P.3649-54.

23. Electronic structure theory and mechanisms of the oxide trapped hole annealing process./ Sh.P.Karna, A.C.Pincda, R.D.Pugh, W.M.Shedd, T.R.Oldham.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2000. Vol.NS-47. No 6. P.2316-2321.

24.Mishima T.D., Lenahan P.M. A spin-dependent recombination study of radiation-inducedрь centres at the (001) Si/Si02 interface.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2000. Vol.NS-47. No 6. P.2249-2255.

25.Hydrogen-related defects in irradiated Si02./P.E.Bunson, M.Di.Ventura, S.T.Pantelides, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf. // IEEE Trans.on Nucl.Sci.

2000. Vol.NS-47. No 6. P.2289-2296.

26.Proton-induced defect generation at the Si-Si02 interface./ S.N.Rashkeev,, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, S.T.Pantelides.//// IEEE Trans.on Nucl.Sci.

2001. Vol.NS-48. No 6. P.2086-2092.

27.Fleet\vood D.M. Border traps in MOS devices.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 1992. Vol.NS-39. No 6. P.269.

28.Physical model for enchanced interface-trap formation at low dose rates./ ' S.N.Rashkcev, C.R.Cirba, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, S.C.Witzak, A,Mishez, S.T.Pantelides.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2002. Vol.NS-49. No 6. P.2650-2655.

29.Mechanisms of enhanced radiation-induced degradation due to excess molecular hydrogen in bipolar oxides./X.J.Chen, H.J.Barnaby, B.Vermciere, K.Holbert, D.Wright, R.L.Pease, G.dunham, D.G.Platteter, J.Seiler, S.McClure, P.Adell.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2007. Vol.NS-54. No 6.

P.1913-1919.

30.The effects of aging on MOS irradiation and annealing response./ M.P.Rodgers, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, I.G.Batyrev, S Wang, S.T.Pantelides.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2005. Vol.NS-52. No 6. P.2642-2648.

31 .Effects of water on the aging and radiation response of MOS devices./ I.G.Batyrev, M.P.Rodgers, D.M.Fleetwood, R.D.Schrimpf, S.T.Pantelides.// IEEE Trans.on Nucl.Sci. 2006. Vol.NS-53. No 6. P.3629-3635.

32.Baze M.P., Plaag R.E., Johnston A.M. Dose dependence of interface traps in gate oxides at high levels of total dosc.//IEEE Trans/on Nucl.Sci. 1989. Vol.NS-36. No 6. P. 1858-1864.

33.Катеринич И.И., Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Анализ изменения плотности поверхностных состояний состояний в МОП-приборах при воздействии гамма-излучения в широком диапазоне мощностей дозы.//Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.1. С.43-45.

34.Моделирование радиационных эффектов в КМОП ИС при воздействии электронного облучения различной интенсивности. / В.В. Емельянов, О.В.Мещуров, В.Ш.Насибуллин, Р.Г.Усеипов.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Вып. 1 - 2. - М.: ЦНИИатоминформ, 1995.С.51 -58.

35.Чжо Ко Вин. Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний МОП интегральных схем.// Электронная техника. Сер.Полупроводниковые приборы. 2012. Вып.1(228). С.54-56.

36.Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Радиационно-стимулированное старение интегральных микросхем.//Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.З. С.17-19.

37.Исследование процесса старения КМОП ИМС при длительном низкоинтенсивном воздействии гамма-излучения./А.В.Власов, Р.В.Власов, В.Д.Попов, Чжо Ко Вин.//Тезисы докладов 16

Всероссийской научно-технической конфекенции по радиационной стойкости электронных систем «Стойкость-2013» Научно-технический сборник,-Лыткарино: НИИП, 2013. С.116.

38.Дирпли Дж., Ыортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений,- М.: Издательство «Мир», 1996.

39.Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборов,- Атомиздат, 1969.

40.Вавилов B.C., Кив Л.Е., Ниязова О.Р. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках.- М.: «Паука». Главная редакция физико-математической литературы. 1981.

41.Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Исследование процесса старения КМОП микросхем при длительном низкоинтенсивном воздействии гамма-излучениям/Вопросы атомной науки и техники. Сер.:Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2013. Вып.. С.. В печати.

42.Андреев А.И., Катеринич И.И., Попов В.Д. Надежность и контроль качества интегральных микросхем (конспект лекций). Часть 2. Контроль качества.- М.: МИФИ, 2004.

43.Попов В.Д., Чжо Ко Вин, Чубунов П.А. Определение параметров надежности КМОП ИМС после низкоинтенсивного облучения.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.:Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.4. С.46-47.

44.РД 11 1003-2000. Изделия полупроводниковой электроники. Метод прогнозирования надежности в условиях низкоинтенсивного ионизирующего облучения. - Санкт-Петербург: РНИИ «Электронстандарт», 2000.

45.11адежность изделий электронной техники для устройств

народнохозайственного назначения. Справочник. Издание ?-е.- Санкт-Петербург: ВНИИ «Электронстандарт», 1991.

46.Анашин B.C., Попов В.Д. Неразрушающий экспериментально-аналитический метод определения индивидуальной дозовой радиационной стойкости КМОГ1 БИС. // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий. М-лы X международной конф. и Российской научной школы. Часть 1. -М.: Радио и связь, 2005. С.41 -42.

47.0пределение индивидуальных характеристик дозовой стойкости микроконтроллера ATmega-128 экстраполяцией изменения критериальных параметров при низкоинтенсивном облучении в пределах малых доз. /В.С.Анашин, А.В.Лебедев, В.Д.Попов, А.В.Скородумова, П.А.Чубунов, И.И.Шагурин.//Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научно-техн.сб. 2009.Вып.1. С. 59-61.

48.Чжо Ко Вин. Использование тестовых кольцевых генераторов для прогнозирования дозы отказа КМОП ИМС при воздействии

низкоинтенсивного излучения.// Вопросы атомной науки и техники. Се р.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научно-техн.сб. 2013.Вып.1. С. 67-69.

49.Белова Г.Ф., Попов В.Д., Селуянова Т.А. Анализ изменения параметров МОП транзисторов при длительном хранении КМОП ИМС. Научная сессия МИФИ - 2004. Том 1.-М.: МИФИ, 2004. С.91-92.

50.Белова Г.Ф., Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Сравнение радиационного и термического старения МОП интегральных схем.// Вопросы атомной науки и техники. Сер.Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научно-техн.сб. 2012.Вып.2. С. 29-32.

51.Попов В.Д., Чжо Ко Вин. Сравнение роста плотности поверхностных состояний в МОП структуре при воздействии температуры и низкоинтенсивного ионизирующего излучения.-Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М-лы докладов Международного научно-методического семинара. - М.:НИУ «МЭИ», 2013. С.88-91.