3.5 Особенности радиационных испытаний приборов и микросхем на основе моп- и кмоп-структур

3.5.1 Корреляция между отдельными транзисторами и микросхемами

Исследования радиационной стойкости дискретных приборов (например, транзисторов и конденсаторов) обычно более просты по сравнению с ИС с точки зрения их проведения, менее дорогостоящие, а также более доступны для анализа. По существу дискретные приборы являются отличными тестовыми объектами для исследований в целях развития технологии, мониторинга технологических процессов, а также для исследования механизмов радиационно-индуцированной деградации. Другим преимуществом дискретных приборов по сравнению с ИС является то, что механизмы отказа могут быть достаточно просты для их идентификации. Вследствие перечисленных факторов дискретные приборы часто используются для быстрой оценки стойкости ИС. В частности, на пластинах зачастую специально создаются тестовые транзисторы, конденсаторы и т.п. с теми же конструктивно-технологическими характеристиками, что и у транзисторов, входящих в состав ИС, созданных на этой пластине. Тем не менее, механизмы, вызывающие параметрический или функциональный отказ ИС, могут отличаться от механизмов, характерных для дискретных приборов. Например, ионизирующее излучение может создать в ИС многочисленные пути утечек, что отсутствует в дискретных транзисторах. Если эти утечки определяют деградацию ИС, то нельзя получить точную оценку радиационной стойкости ИС по характеристикам стойкости дискретных транзисторов. К сожалению, по мере развития технологии ИС становятся более сложными с многочисленными видами отказов. В результате разделение и идентификация причин параметрических или функциональных отказов ИС существенно усложняется.

Вне зависимости от того, для каких применений квалифицируется прибор при испытаниях, любые лабораторные исследования должны быть способны воспроизвести механизм отказа, характерный для реальных условий эксплуатации. Например, при средних или высоких интенсивностях накопление радиационно-индуцированного заряда в подзатворном, полевом или захороненном (для КНИ-приборов) оксидах может привести к сильному росту тока утечки ИС, вызывающему параметрический или функциональный отказ. При низкой интенсивности сильный рост заряда ПС может привести к параметрическим или функциональным отказам ИС, связанным с динамическими параметрами. В этом случае, если не использовать методики испытаний ИС, воспроизводящие влияние на стойкость радиационно-индуцированного заряда ПС, то радиационная стойкость ИС может быть значительно завышена или занижена по сравнению со стойкостью в реальных условиях эксплуатации. Таким образом, чтобы по результатам лабораторных исследований дискретных приборов можно было оценить работоспособность ИС в реальных условиях эксплуатации, дискретные приборы должны быть способными не только воспроизвести механизм отказа, характерный для всей ИС, но и воспроизвести тот отклик, который будет наблюдаться в реальных условиях эксплуатации.

Рис. 3.48. Сравнение величины V_ot для n-канальных транзисторов, облученных на рентгеновском источнике с энергией 10 кэВ при мощности дозы 1800 рад(SiO₂)/с, с величиной I_DD для микросхем СОЗУ емкостью 2 к, облученных протонами с энергией 230 МэВ при мощности дозы 10⁶ рад(SiO₂)/с [13]

В качестве примера на рис. 3.48 показан случай, когда деградация транзистора при облучении с помощью лабораторного рентгеновского источника с энергией кванта 10 кэВ хорошо коррелирует с деградацией ИС при значительно больших интенсивностях излучения. Здесь изображена корреляция между сдвигом порогового напряжения, обусловленного зарядом в оксиде, для транзисторов, облученных на рентгеновском источнике с мощностью дозы 1800 рад(SiO₂)/с, и током утечки ИС СОЗУ емкостью 2k, облученной протонами с энергией 230 МэВ с мощностью дозы 10⁶ рад(SiO₂)/с [13]. Толщина оксида в данных приборах составляла 45 нм. Приборы были изготовлены с использованием в целях изоляции p⁺-охранных областей. Каждая точка соответствует измерениям V_ot на транзисторах, изготовленных с использованием различных режимов технологических процессов и облученных до какого-то уровня дозы, и измерениям I_DD для соответствующих дискретным транзисторам ИС, облученных до того же уровня дозы. Охранные области предотвращают образование каналов утечки исток-сток и между соседними транзисторами, вызываемых радиационно-индуцированным накоплением заряда в полевых изолирующих оксидах.

В этих приборах радиационно-индуцированные утечки, обусловленные полевыми оксидами, не являются важными, и деградация транзисторов/ИС определяется радиационно-индуцированным накоплением заряда в подзатворном оксиде. При высокой интенсивности не достаточно времени для накопления заряда ПС, а также мало времени для нейтрализации захваченного в оксиде заряда посредством туннелирования электронов из кремния или термоэмиссии электронов из валентной зоны оксида. В результате сдвиг порогового напряжения n-канальных транзисторов (ось абсцисс на рис. 3.48) определяется радиационно-индуцированным зарядом в оксиде, что может привести к большому отрицательному сдвигу порогового напряжения. Большой отрицательный сдвиг порогового напряжения n-канальных транзисторов приведет к значительному увеличению тока утечки соответствующей ИС (ось ординат на рис. 3.48). При средних интенсивностях излучения (лабораторное рентгеновское облучение) будет иметь место некоторое накопление заряда ПС, что может в значительной степени компенсировать накопление заряда в оксиде. Поскольку на сдвиг порогового напряжения, полученный с помощью рентгеновского источника, влияет накопление как заряда оксида, так и заряда ПС, а увеличение тока утечки ИС при высокой интенсивности облучения определяется только накоплением заряда в оксиде, то в общем случае по измеренному сдвигу порогового напряжения транзисторов V_th, практически невозможно предсказать изменение тока утечки ИС. Однако, как показано на рис. 3.48, имеет место хорошая корреляция между сдвигом порогового напряжения n-канальных транзисторов V_ot, обусловленного зарядом в оксиде, от тока утечки ИС при высокой мощности дозы. Таким образом, отделив при лабораторных исследованиях механизмы, характерные для отказа ИС при высокой мощности дозы, можно получить хорошую корреляцию между результатами лабораторных исследований транзисторов и параметрической деградации ИС при высокой мощности дозы. Аналогичные подходы применяются для получения корреляции между стойкостью ИС в космической среде и результатами облучения в лабораторных условиях дискретных приборов.