Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний на надежность моп интегральных микросхем

На правах рукописи

05.27.01. Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборов на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Попов Виктор Дмитриевич

Москва – 2013

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

ПД- поверхностный дефект

ВАХ- вольт-амперная характеристика

СЗХ- стоко-затворная характеристика

БИС-биполярная интегральная микросхема

БМК –базовый матричный кристалл

ВВЕДЕНИЕ

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

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.
   

• 
  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.
  

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.

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.
   

• 
  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.