СПОСОБ РАЗБРАКОВКИ КМОП МИКРОСХЕМ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА КНД СТРУКТУРАХ, ПО РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ
METHOD TO SORT CMOS MICROCIRCUIT CHIPS MANUFACTURED ON SILICON-ON-INSULATOR STRUCTURES BY RADIATION RESISTANCE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности предназначено для разбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД ("кремний на диэлектрике") структурах, по радиационной стойкости.
КМОП микросхемы, изготовленные на КНД структурах, обладают высокой стойкостью к импульсному радиационному воздействию и применяются в приборах с наиболее высокими требованиями по радиационной стойкости. Однако при воздействии накопленной дозы зачастую наблюдаются параметрические отказы КМОП микросхем, а именно, превышение нормы статического тока потребления. При этом остальные параметры КМОП микросхем, как правило, соответствуют техническим условиям, но применение таких микросхем для отдельных групп приборов становится невозможным.
Функциональных отказов КМОП микросхем при этом не происходит до доз, превышающих 1 Мрад. Степень дозовой деградации статического тока потребления КМОП микросхем сильно варьируется как от партии к партии, так и в каждой отдельной партии изготавливаемых микросхем. Разброс величины статического тока потребления при радиационном воздействии даже на одной пластине может составлять два порядка.
Известен способ отбора радиационно стойких изделий электронной техники [1], включающий облучение партии изделий сравнительно небольшой дозой гамма-квантов или электронов с последующим отбором и исключением из партии приборов с наибольшими изменениями параметров. Возможно также облучение полной дозой, эквивалентной ожидаемой поглощенной дозе радиации в реальных условиях эксплуатации, и восстановление начальных параметров после облучения с помощью отжига при повышенной температуре.
Недостатком этого способа в части разделения изделий по изменению параметров при облучении малой дозой является необходимость облучения каждой микросхемы, что снижает их рабочий ресурс; невозможность определения дозы отказа, а в части облучения изделий до отказа - необходимость длительного воздействия на микросхему повышенной температурой; а также невозможность полного восстановления параметров при проведении длительного низкотемпературного отжига до первоначальных значений параметров изделий из-за накопления радиационных дефектов при облучении большой дозой, при которой возник отказ.
Существует также способ разделения КМОП микросхем по радиационной стойкости и надежности [2], включающий облучение партии микросхем малой дозой, измерение их электрических параметров и последующий отжиг до стабилизации параметров. Облучение проводят поэтапно с количеством этапов не менее двух, помимо стандартных параметров измеряют минимальное напряжение питания каждой микросхемы, при котором сохраняется ее функционирование, строят дозовые зависимости, описывающие изменение стандартных параметров и минимального напряжения функционирования под действием облучения, и с их помощью прогнозируют для каждой микросхемы дозу отказа, при которой хотя бы один стандартный параметр достигнет своего предельного значения или минимальное напряжение питания достигнет номинального значения напряжения питания микросхемы, а надежность микросхемы определяют после отжига по отклонению значения одного или нескольких стандартных параметров или минимального напряжения питания от их исходных значений до облучения.
Недостатками этого способа является необходимость радиационного воздействия на каждую микросхему, длительное температурное воздействие (отжиг) с целью стабилизации параметров, значительная трудоемкость в определении изменения стандартных параметров и минимального напряжения функционирования под действием облучения.
Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению является способ разбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД структурах, по стойкости к радиационному воздействию [3], при котором разбраковка происходит путем поэтапного облучения микросхем малой дозой, в качестве критериального параметра, определяющего радиационную стойкость микросхем, выбирают статический ток потребления, а для восстановления исходных параметров микросхем проводят их дополнительное облучение при заземленных выводах.
Недостатком этого способа является необходимость радиационного воздействия на КМОП микросхему, что снижает ее рабочий ресурс, а сама операция радиационного воздействия требует повышенного внимания к технике безопасности и проводится индивидуально для каждого изделия, что приводит к значительным трудозатратам и, соответственно, повышению стоимости микросхем.
Технический результат заключается в том, что предложенный способ не требует облучения каждой микросхемы источниками радиационного излучения при разбраковке, а также позволяет существенно снизить время и трудозатраты на производство микросхем.
Технический результат достигается тем, что в способе разбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД структурах, по радиационной стойкости производят облучение статистически значимой выборки микросхем выбранного типа до требуемой дозы с периодическим измерением статического тока потребления, для каждой микросхемы из выборки предварительно на пластинах измеряют сопротивление тестового резистора "р-карман", расположенного на дорожке реза кристалла, определяют норму на сопротивление тестового резистора "р-карман" путем сопоставления максимальных значений статического тока потребления при наборе дозы и значений сопротивления тестового резистора "р-карман" с учетом требуемой нормы на статический ток потребления для выбранного типа микросхем, разбраковку последующих партий микросхем проводят по критерию сопротивления тестового резистора "р-карман", измеренного для каждой микросхемы на пластинах.
Способ реализуется следующим образом.
На Фиг.1 приведено распределение стойких (сплошная) и нестойких (пунктир) микросхем магистрального приемопередатчика по сопротивлению тестового резистора "р-карман".
На Фиг.2 приведена иллюстрация сдвига профиля распределения бора по толщине области "р-карман" n-канального транзистора (до разгонки примеси бора).
p
m
Для выбранного типа КМОП микросхем формируется статистически значимая выборка функционально годных микросхем на пластинах (не менее 30 шт.). Для выбранных микросхем с помощью зондовой установки измеряется сопротивление тестового резистора "р-карман" R, расположенного на дорожке реза кристалла микросхемы. После сборки корпуса микросхемы облучаются в активном режиме до требуемой дозы на рентгеновском имитаторе или моделирующей установке с периодическим измерением статического тока потребления. Затем максимальное значение статического тока потребления при радиационном воздействии сопоставляется со значением сопротивления тестового резистора "р-карман". С учетом известной нормы на статический ток потребления для выбранного типа микросхем определяется R-норма на сопротивление тестового резистора "р-карман" (фиг.1).
p
p
m
m
Для последующих партий микросхем данного типа с помощью зондовой установки измеряется сопротивление тестового резистора "р-карман" R всех функционально годных микросхем на пластине. Бракуются микросхемы с сопротивлением R≥R, где R - определенная выше норма на сопротивление тестового резистора "р-карман".
Пример реализации способа.
Предварительно были сформированы две выборки из 80 функционально-годных экспериментальных образцов (на пластинах) микросхемы магистрального приемопередатчика и 195 функционально-годных экспериментальных образцов микросхемы масочного ПЗУ. У каждой микросхемы из выборок до сборки измерялось сопротивление тестового резистора "р-карман" с размерами 50×50 мкм из состава тестовой линейки кристалла микросхемы. После сборки микросхемы облучались на рентгеновском имитаторе в активном режиме до дозы 1000 крад с периодическим (через каждые 20 крад) измерением статического тока потребления. Затем максимальное значение статического тока потребления при воздействии сопоставлялось со значением сопротивления тестового резистора "р-карман". В результате статистического анализа данных было установлено наличие сильной корреляционной связи между статическим током потребления микросхем при дозовом воздействии и сопротивлением тестового резистора "р-карман".
В рамках степенной регрессионной модели коэффициент корреляции для разных партий микросхем составил от 0,6 до 0,9. Причем, используемая степенная модель является статистически значимой с доверительной вероятностью более 95% (при расчетах использовался критерий значимости Фишера).
m
m
m
m
В соответствии с заявляемым способом была определена R-норма на сопротивление тестового резистора "р-карман", соответствующая норме на статический ток потребления при радиационном воздействии. Норма R была определена как минимальное значение сопротивления тестового резистора "р-карман" нестойких микросхем из выборки. Для экспериментальных образцов микросхемы магистрального приемопередатчика норма R составила 70 кОм, для масочного ПЗУ норма R составила 100 кОм.
p
m
Для трех последующих партий микросхем данных типов в процессе функционального контроля на пластинах измерялось сопротивление тестового резистора "р-карман", и микросхемы со значением R≥R браковались. Микросхемы, прошедшие разбраковку, испытывались на стойкость к дозовому воздействию как на моделирующих, так и на имитирующих испытательных установках. Результаты испытаний микросхем, прошедших разбраковку, оказались положительными.
Теоретическое обоснование заявляемого способа можно получить в рамках модели образования повышенного статического тока потребления КМОП микросхем, изготовленных на КНД структурах, при воздействии накопленной дозы, которая опирается на современные представления о механизмах дозовой деградации КМОП микросхем [4, 5]. Модель заключается в следующем.
На границе раздела "кремний-диэлектрик" имеются структурные дефекты, обусловленные различием кристаллических решеток кремния и диэлектрической подложки, разностью температурных коэффициентов расширения этих материалов, а также примесные дефекты, связанные с взаимной диффузией атомов. При проведении операции ионного легирования области "р-кармана" бором, существенная часть атомов бора локализуется в подложке, образуя со структурными дефектами незаряженные в нормальном состоянии комплексы. При радиационном воздействии эти комплексы заряжаются положительно, отдавая электроны, которые под воздействием поля стока уходят из приграничной области, образуя глубокие уровни в запрещенной зоне, которые могут длительное время удерживать образующийся заряд. Число центров образования положительного заряда пропорционально концентрации легирующей примеси, попадающей в диэлектрик. Под воздействием области радиационно-индуцированного заряда, играющего роль затвора, образуется «паразитный» канал на границе раздела, который, в свою очередь, обуславливает значительный ток утечки n-канальных транзисторов и статический ток потребления КМОП микросхем в целом при дозовом воздействии.
Таким образом, на статический ток потребления КМОП микросхем большое влияние оказывает распределение акцепторной примеси (бора) в области "р-карман" n-канальных транзисторов.
Вследствие технологического разброса параметров ионной имплантации бора, толщины гетероэпитаксиального слоя кремния, концентрации дефектов в нарушенном слое максимум распределения бора в области "р-карман" может смещаться в направлении границы раздела "кремний-диэлектрик" (фиг.2).
При увеличении доли атомов бора, локализованных в диэлектрике, растет число структурных дефектов в приграничной области, которые при воздействии накопленной дозы вносят вклад в накопление положительного заряда вблизи границы раздела "кремний-диэлектрик", что приводит к росту тока утечки n-канального транзистора и статического тока потребления КМОП микросхемы в целом. Сопротивление тестового резистора "р-карман" также в большой степени определяется примесно-дефектным составом слоя. При сдвиге максимума распределения бора в направлении границы раздела "кремний-диэлектрик" концентрация акцепторной примеси в слое кремния падает, что приводит к росту сопротивления тестового резистора "р-карман".
Таким образом, наличие сильной корреляции между статическим током потребления КМОП микросхем при радиационном воздействии и сопротивлением тестового резистора "р-карман", на которой основан предложенный способ разбраковки, объясняется тем, что эти параметры одинаковым образом зависят от характера распределения бора в области «р-карман» КМОП микросхемы.
Список литературы
1. Чернышев А.А., Ведерников В.В., Галеев А.И., Горюнов Н.Н. Радиационная разбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем. - Зарубежная электронная техника. 1979. Вып.5. С.3-25.
2. Патент №2254587 РФ, МПК G01R 31/26, 31/28. Способ разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности. // Опубликован 20.06.2005.
3. Патент №2364880 РФ, МПК G01R 31/26, 31/28. Способ разбраковки КМОП микросхем, изготовленных на КНД структурах, по стойкости к радиационному воздействию. // Опубликован 20.08.2009. - Бюл. №23 (прототип).
4. Buchaman et al. SOS devices radiation effects // IEEE Trans. on ED. vol.25. No.8. 1978. pp.960-970.
5. Narai E., Megreivy D. Radiation Induced Leakage Currents in n-Channel Silicon-on-Sapphire MOST's. IEEE Trans. on NS. Vol.24. No.11. 1977. pp.1277-1284.