СПОСОБ РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕСТАБИЛЬНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR RADIATION-INDUCED DETERMINATION OF POTENTIALLY UNSTABLE SEMICONDUCTOR PRODUCTS

Изобретение относится к области испытаний изделий электронной техники, преимущественно изделий микро- и наноэлектроники, применяемых в аппаратуре с длительными сроками эксплуатации.
Известны методы оценки соответствия требованиям по надежности изделий электронной техники по ГОСТ В 20.57.4004-81 "Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнического военного назначения. Методы соответствия требованиям по надежности". Этот стандарт предусматривает выявление в ходе испытаний катастрофических отказов, наступающих у изделий из-за нарушения технологии их изготовления и несовершенства конструкции.
Испытания изделий проводят в предельно допустимых электрических режимах эксплуатации и при температуре, максимально допустимой для данного вида изделий, и регистрируют изменение заданных (критериальных) параметров. Продолжительность испытаний указывается в технических условиях для данного изделия.
Однако результаты указанных испытаний недостаточно достоверны вследствие наличия в изделиях скрытых структурных дефектов, которые не могут быть выявлены указанными испытаниями, т.к. они не сказываются на изменении критериальных параметров изделий, следовательно, не подаются измерению и контролю. В результате признанные успешно прошедшими испытания изделия могут в условиях длительных сроков эксплуатации не обеспечивать необходимый ресурс и выйти из строя раньше заданного срока эксплуатации. Способ, предлагаемый в патенте США №4816753 G01R 31/26 от 28.03.89, предназначен для ускорения испытаний изделий на надежность. Для этого стимулируют старение интегральных схем, в частности МОП интегральных схем, путем воздействия на них дозой ионизирующего излучения (рентгеновские лучи, поток нейтронов и др.) и устанавливают корреляционную зависимость радиационной стойкости и срока службы изделия. В результате воздействия дозой ионизирующего излучения в окисных слоях устройства стимулируется большое количество электронно-дырочных пар, которые захватываются ловушками на границе раздела, что приводит к выходу из строя прибора в течение относительно короткого времени.
Первоначально на этапе калибровки одну группу изделий подвергают электрическому старению, т.е. воздействию электрических нагрузок до отказа прибора, который наступает в результате деградации ловушек на границе раздела и измеряют время жизни изделия в зависимости от тока подложки. Измерение токов подложки и времени жизни изделий на этапе их электрического старения производится для изделий, изготовленных по различным технологическим процессам и имеющим различные геометрические размеры, в частности различную ширину. На основании полученных данных по соответствующей математической формуле, учитывающей ширину прибора, определяют коэффициент радиационной стойкости.
Затем собственно на этапе испытаний интегральные схемы другой группы подвергают воздействию ионизирующего излучения для имитации деградации ловушек на границе раздела. Дозу излучения увеличивают до критической, при которой число ловушек на границе раздела приводит к отказу интегральной схемы. Сравнивая измеренную критическую дозу излучения с коэффициентом радиационной стойкости, можно предсказать срок службы изделия за очень короткое время испытаний. Недостатком данного способа является то, что он является разрушающим, т.к. выявление эмпирической зависимости срока службы прибора от уровня его радиационной стойкости предполагает воздействие на пластину разрушающей дозой ионизирующего излучения. Наиболее близким способом является способ, предлагаемый в патенте РФ №2100817 G01R 31/26 от 27.12.97. В предлагаемом способе испытаний на надежность изделий электронной техники первую группу изделий подвергают сначала воздействию электрических нагрузок, а затем первую и вторую группы изделий подвергают воздействию ионизирующим излучением, измеряют заданные параметры изделий обеих групп, по которым судят о результатах испытаний. Обе группы изделий выбирают из одной испытуемой партии. Дозу ионизирующего излучения для изделий обеих групп устанавливают предельно допустимой, неразрушающей для данного вида изделий, а электрическая нагрузка для изделий первой группы устанавливается в пределах заданных эксплуатационных условий, рассчитывают среднестатистическое значение заданных параметров изделий в каждой группе, по результатам сравнения которых судят о результатах испытаний. Недостатком предлагаемого способа является применение дополнительных электрических нагрузок, что увеличивает трудоемкость и энергозатраты способа.
Изобретение направлено на повышение достоверности и уменьшение времени испытаний.
Это достигается тем, что для определения потенциально нестабильных полупроводниковых изделий (ППИ) замеряют диагностические параметры изделий, воздействие ионизирующим излучением на ППИ, отжигают изделия при максимально-допустимой или предельно допустимой температуре для данного типа изделия по техническим условиям (ТУ), при этом замер диагностических параметров проводят до воздействия ионизирующим излучением, после воздействия и после отжига, повторяют несколько раз цикл воздействия ионизирующее излучение - отжиг, причем количество циклов зависит от типа ППИ, определяют постоянную отжига и по ее значениям разделяют изделия по уровню стабильности.
Способ осуществляется следующим образом:
Вначале проводят предварительные испытания, в ходе которых определяют критериальные параметры и временные интервалы замеров электропараметров. Определяют временные точки замеров электропараметров. Находят значение дозы ионизирующего излучения, которой необходимо воздействовать на данное ППИ, в зависимости от типа изделия. Определяют температуру отжига радиационных дефектов и количество циклов воздействия облучение - отжиг. Кривые зависимости критериальных параметров от времени отжига изменяются по закону экспоненты и описываются формулой:
,
где U - значение электропараметра в момент времени t;
0
U - начальное значение электропараметра;
R - постоянная отжига.
Постоянная отжига - это величина, которая численно равна времени, в течение которого параметр изменяется в е раз.
По результатам измерений контрольной выборки ППИ находят арифметически среднее и также среднеквадратическое отклонение постоянной отжига по известным формулам из математической статистики.
Всю партию ППИ разделяют по уровню стабильности или надежности по следующему критерию:
α,m
если значение постоянной отжига ППИ попадает в интервал значений R±tσR, то изделие потенциально надежно;
α,m
где t - коэффициент Стьюдента;
σR - среднеквадратичное отклонение постоянной отжига.
Для контрольной группы ППИ необходимо провести электротермотренировку и сравнить результаты тренировки с результатами способа.
Пример
В качестве объекта исследований были выбраны интегральные микросхемы (ИМС) 530ИР18 - шестиразрядный параллельный регистр с Д триггерами, выполненный по изопланарной технологии, и 1804ВС1 - микропроцессор, выполненный по технологии с изоляцией элементов p-n-переходом.
7
Вначале были проведены предварительные испытания, в ходе которых определялись диагностические параметры и временные интервалы их замера. Для этого интегральные микросхемы (ИМС) подвергались облучению до дозы 10 Р и последующему отжигу в течение 6 часов, с замерами полного функционального параметрического контроля через каждые 3 минуты. Температура отжига выбиралась +125°С и +150°С (максимально допустимая и предельно допустимая температуры эксплуатации ИС по ТУ соответственно).
В ходе предварительных испытаний был выбран параметр, имеющий максимальное отклонение - выходной ток низкого уровня. Высокая информативность этого электропараметра обусловлена тем, что он пропорционален коэффициенту усиления выходного транзистора, который обладает наибольшей чувствительностью к излучению, т.к. он имеет максимальные размеры и в силу этого наиболее подвержен воздействию радиации.
7
7
Для исследований формировались выборки по 20 штук ИС каждого типономинала, каждая из которых испытывалась до дозы 1,6∙10 и 10 Р. Одна половина каждой выборки отжигалась при температуре +125°C, вторая - при температуре +150°С, тем самым исследовалась зависимость кинетики отжига от температуры отжига. Цикл облучения применялся трех- и пятикратный.
По результатам эксперимента рассчитаны среднеарифметические значения постоянных отжига, приведенных в таблице.
Таблица
Среднеарифметические значения постоянных отжига
Ступень испытания
1804ВС1
530ИР18
10<sup>7</sup> P
1.6·10<sup>7</sup> P
10<sup>7</sup> P
1.6·10<sup>7</sup> P
125°C
150°C
125°C
150°C
125°C
150°C
125°C
150°C
1
15.2
14.1
18.4
17.5
11.3
10.3
14.1
13.3
2
11.5
10.5
15.3
14.1
7.6
7.2
11.3
10.5
3
9.6
9.0
13.1
12.0
6.5
6.3
9.3
8.7
4
8.8
8.3
11.6
10.6
6.1
6.0
8.2
7.6
5
8.4
8.1
10.5
9.6
6.0
5.9
7.3
6.9
Из таблицы видно, постоянная отжига в общем случае зависит от технологии ИС, уменьшается с увеличением кратности облучения и стремится к некоторой постоянной величине, увеличение температуры отжига приводит к уменьшению постоянной отжига, и, наоборот, увеличение дозы облучения приводит к увеличению постоянной отжига и наоборот.
Используя результаты 4 и 5 ступеней испытаний, т.к. они приблизительно одинаковы, и рассчитав по результатам испытаний среднеквадратические отклонения для данной выборки ИС, можно построить доверительный интервал для постоянной отжига, в котором данные ИС будут потенциально надежны.
Объяснить результаты предлагаемого способа можно следующей качественной моделью. При радиационном воздействии в активных областях транзисторов ИС накапливаются комплексы радиационных дефектов, концентрация которых прямо пропорциональна дозе облучения. Радиационные дефекты имеют глубокие уровни в запрещенной зоне кремния и поэтому, обладая высокой генерационно-рекомбинационной активностью, служат причиной деградации электропараметров ИС. Отжиг при повышенной температуре способствует распаду радиационных дефектов и восстановлению параметров ИС до облучения.
С увеличением температуры отжига процесс распада дефектов увеличивается, параметры быстрее возвращаются к своему исходному значению, что проявляется в уменьшении постоянной отжига.
2
Сформированная в едином технологическом цикле и содержащая ряд высокотемпературных обработок (окисление, диффузия) приборная структура ИМС первоначально находится в неравновесном состоянии. Это состояние характеризуется присутствием в ИМС структурных нарушений, создающих деформацию кристаллической решетки (дислокации, микродефекты, деформационные напряжения на границе SiO - Si), что приводит к изменению процессов радиационного дефектообразования, причем эффективность радиационного дефектообразования в таких структурах выше, чем в ненадежных, см. статью Ачкасов В.Н., Зольникова А.Н. Моделирование механизмов отжига радиационных дефектов в ИС. Вестник Воронежской государственной лесотехнической академии, 2002, вып.4, часть 2.