eng
Выпуск #9/2018
Московская Юлия Марковна, Никифоров Александр Юрьевич, Бобровский Дмитрий Владимирович, Уланова Анастасия Владиславовна, Жуков А. А.
Экспериментальная оценка влияния параметров критических операций типового КМОП техпроцесса на дозовую стойкость интегральных микросхем
Экспериментальная оценка влияния параметров критических операций типового КМОП техпроцесса на дозовую стойкость интегральных микросхем
Просмотры: 3262
Проведена экспериментальная оценка влияния режимов формирования подзатворного окисла на дозовую стойкость КМОП микросхем, изготовленных по типовому маршруту с проектными нормами 1,5 мкм. Экспериментально установлено, что для толщин подзатворного диэлектрика порядка 300 Å дозовая стойкость КМОП ИС обеспечивается при температуре выращивания окисла в диапазоне 850−900 °C.
УДК 621.382.002
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.246.250
УДК 621.382.002
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.246.250
Теги: cmos integrated circuits gate oxide growing process temperature manufacturing process tid hardness дозовая стойкость кмоп ис процесс производства процесс формирования подзатворного окисла температура
ВВЕДЕНИЕ
КМОП ИС широко применяются в бортовой аппаратуре, предназначенной для работы в условиях радиационных воздействий, поэтому обеспечение стойкости микросхем к накопленной дозе в процессе разработки и производства является актуальной задачей. Хотя почти все современные публикации по дозовым эффектам относятся к глубоко субмикронным СБИС, на практике большинство реальных микросхем для радиационных применений в настоящее время изготавливают по технологиям с проектными нормами 0,8–1,5 мкм. Вопросы влияния параметров техпроцесса на дозовую стойкость КМОП ИС широко отражены в литературе [1–10]. Вместе с тем, ранее опубликованные работы относятся к технологиям 20–30-летней давности, эквивалентность которых с современными микронными техпроцессами далеко не очевидна. Поэтому практическое исследование влияния параметров типичного микронного КМОП техпроцесса, ориентированного на изделия космического применения, на уровень их дозовой стойкости позволит: во-первых, оценить насколько современные микронные техпроцессы по механизмам радиационных отказов соответствуют ранее исследованным; во вторых, отработать методики характеризации КМОП техпроцесса по дозовой стойкости изделий, и наконец, получить количественные оценки параметров операций для выбора компромисса между обеспечиваемым уровнем дозовой стойкости и функциональности изделий.
Принято считать, что наибольшее влияние на обеспечиваемый уровень дозовой стойкости оказывают операции формирования подзатворного диэлектрика, в частности, температура и химическая среда окисления [1–5]. Считается, что для обеспечения дозовой стойкости температура выращивания подзатворного окисла должна быть в диапазоне 850–925 °C. Отжиги, проведенные при температурах выше 950 °C, значительно ухудшают дозовую стойкость [1, 2].
Максимальная температура последующих обработок не должна превышать температуру выращивания затворного окисла [6–7].
Среда выращивания окисла в меньшей степени влияет на дозовую стойкость [9]. Однако экспериментально установлено, что, например, окисление в парах воды приводит к снижению суммарного эффективного заряда, что может свидетельствовать о снижении количества ловушек и, соответственно, увеличении дозовой стойкости [10].
В работе представлено непосредственное сравнение дозовой стойкости тестовых образцов микросхем специализированных БМК, предназначенных для космического применения, изготовленных в стандартном КМОП техпроцессе и техпроцессе с вариациями температуры выращивания подзатворного окисла.
ОПИСАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве объекта исследований была выбрана тестовая микросхема на БМК серии 5503БЦ производства НПК «Технологический центр» (проектные нормы 1,5 мкм, толщина затворного окисла 325 Å). Тестовая микросхема включала в себя набор цепочек инверторов и простейших логических схем. В производстве были изготовлены пластины с тремя вариантами модификации режимов технологического маршрута (см. табл. 1).
Исследования были выполнены с помощью рентгеновского испытательного комплекса (средняя энергия квантов 10 кэВ) [11]. Калибровка образцов проводилась с использованием ускорителя, работающего в режиме тормозного излучения. Исследования проводились на базе НИЯУ МИФИ и испытательного центра «ЭНПО СПЭЛС» (Москва, Россия) [12, 13]. Мощность дозы составила 10–100 рад/с [14].
Исследования проводились с использованием рентгеновского источника РИК 0401 с калибровкой дозиметрии на линейном ускорителе электронов У-31/33 в режиме генерации тормозного излучения. Задание электрических режимов работы и измерения параметров микросхем в процессе радиационного эксперимента проводились с использованием автоматизированного комплекса на базе модулей PXI NI под управлением программного комплекса LabView. Осуществление функционирования и тестирование во время облучения выполнялись с использованием программного обеспечения National Instruments PXI и графического программного обеспечения LabVIEW [15].
Анализ результатов испытаний более 10 партий микросхем, изготовленных по стандартному маршруту, показал, что наиболее радиационно-чувствительным параметром для этих микросхем является статический ток потребления.
Параметры, контролируемые в процессе испытаний, и критерии работоспособности выбирались в соответствии с нормами, указанными в ТУ.
Таким образом, контролировались:
статический ток потребления в состоянии, когда все выходы микросхемы переходят в высокоимпедансное состояние «Выключено»;
выходное напряжение низкого уровня при Ucc = 4,5 и 5,5 В;
выходное напряжение высокого уровня при Ucc = 4,5 и 5,5 В;
отсутствие сбоев и отказов при функционировании.
Среднее значение уровня стойкости по критерию статический ток потребления составил 1,3 · 105 рад.
Среднее значение уровня стойкости по критерию функционирование составляет 2,6 · 105 рад при Ucc = 4,5 и 3,1 · 105 рад при 5,5 В и определяется нарушением работы комбинационной схемы.
Уровень стойкости по критерию выходное напряжение высокого и низкого уровня составил 3,9 · 105 рад при Ucc = 4,5 и 5,5 В.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Сравнительные значения тока потребления микросхем для стандартного и модифицированного маршрутов представлено на рис. 1 и 2.
Установлено, что при всех вариантах модификации технологического маршрута ток потребления микросхем не выходил за пределы норм ТУ (400 мкА) до максимально достигнутого уровня облучения 3 Мрад, в то время как для микросхем, изготовленных по стандартному маршруту, дозовый отказ по току потребления наступал при дозе от 1,3 · 105 до 1,7 · 105 рад.
В процессе экспериментальных исследований для каждого образца определялись дозовые зависимости наиболее радиационно-чувствительного параметра — статического тока потребления. В качестве опорных зависимостей для сравнения были приняты дозовые зависимости тока потребления микросхем, изготовленных по стандартному маршруту.
После проведения коррекции технологического маршрута отказ по функционированию и деградация выходных уровней не фиксировалась вплоть до уровней 1,5 · 106 рад.
Результаты сравнительных исследований дозовой чувствительности различных вариантов модификации техпроцесса показали, что наилучшие характеристики обеспечиваются комбинацией температуры 700 °C и выращивания окисла во влажной среде с использованием парогенератора (выборка 3).
Наибольшее значение тока потребления соответствует температуре окисления 900 °C в сухом окисле (выборка 2), а образцы, полученные при температуре окисления 850 °C в сухом окисле, заняли промежуточное положение. Следует отметить, что для всех модифицированных техпроцессов максимальное значение тока потребления отличалось от минимального лишь в три раза.
Таким образом, снижение температуры выращивания затворного окисла с 1000 до 900 °C привело к уменьшению дозовой чувствительности тока потребления с сотен мкА до единиц мкА при величине накопленной дозы 130 крад, что приводит к увеличению стойкости микросхемы более чем на порядок. Последующее снижение температуры до 850 °C не приводит к значимому уменьшению дозовой чувствительности тока потребления: с 3,33 мкА (900 °C) до 2,63 мкА (850 °C) при дозе 1 Мрад. Переход на влажное окисление при дальнейшем снижении температуры выращивания окисла до 700 °C приводит к снижению дозовой чувствительности примерно вдвое: ток потребления составил 1,43 мкА при дозе 1 Мрад.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально установлено что для КМОП техпроцессов с толщиной подзатворного окисла 300 Å дозовая стойкость обеспечивается при температуре выращивания 850–900 °C, при условии, что максимальная температура последующих обработок не превышает температуру выращивания подзатворного окисла.
Окислением во влажной среде позволяет снизить температуру выращивания затворного окисла до 700 °C, что приводит к снижению дозовой чувствительности тока потребления, но требует подтверждения надежности изделия и стабильности электрофизических характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dawes W. R., Jr., Dervenwick G. F., and Gregory B. L. “Process Technology for Radiation-hardened CMOS Integrated Circuits” // IEEE J Solid-State Circuits. 1976. SC-11, 4.
2. Dressendorfer P. V. “Radiation-Hardening Technology”, in Radiation Effects in MOS Devices and Circuits, Edited by T-P. Ma and Dressendorfer P. V. (Wiley, New York, 1989), pp. 333–400.
3. Shaneyfelt M. R., Schwank J. R., Fleetwood D. M., Winokur P. S., Hughes K. L., Hash G. L. and Connors M. P. “Interface-trap Buildup Rates in Wet and Dry Oxides”, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 39, № 6,pp. 2244–2251, 1992.
4. daSilva E. F., Nishioka Y., and Ma T.-P. “Effects of Trichloroethane During Oxide Growth on Radiation-Induced Interface Traps in Metal/SiO/Si Capacitors”, Appl. Phys. Lett., Vol. 51, p. 1262, 1987.
5. Mrstik B. J., Afanas’ev V. V., Stesmans A., McMarr P. J., and Lawrence R. K. “Relationship Between Oxide Density and Charge Trapping in SiO Films”, J. Appl. Phys., Vol. 85, p. 6577, 1999.
6. Griscom D. L. “Defects in Amorphous Insulators”, J. Non-Crystalline Solids, Vol. 31, p. 241, 1978.
7. Warren W. L., Shaneyfelt M. R., Fleetwood D. M., Schwank J. R., Winokur P. S., and Devine R. A. B. “Microscopic Nature of Border Traps in MOS Oxides”, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 41, p. 1817, 1994.
8. Devine R. A. B. “Oxygen Gettering and Oxide Degradation During Annealing of Si/SiO/Si Structures”, J. Appl. Phys., Vol. 77, p. 175, 1995.
9. Snow E. H., Grove A. S., and Fitzgerald D. J. “Effect of Ionization Radiation on Oxidized Silicon Surfaces and Planar Devices”, Proc. of IEEE, 55(7), 1168 (1969).
10. Московская Ю. М., Белостоцкая С. О., Федоров Р. А., Рудаков Г. А., Бобровский Д. В., Никифоров А. Ю., Уланова А. В., Сорокоумов Г. С. Модификация технологического маршрута для задач повышения радиационной стойкости // Наноиндустрия. Спецвыпуск (74) 2017. — С. 206–212.
11. Boychenko D. V., Kalashnikov O. A., Nikiforov A. Y., Ulanova A. V., Bobrovsky D. V., Nekrasov P. V. “Total Ionizing Dose Effects and Radiation Testing of Complex Multifunctional VLSI Devices”. FactaUniversitatis Electronics and Energetics, Vol. 28, № 1, pp. 153–164,
2015.
12. Kalashnikov O. A., and Nikiforov A. Y. “TID Behavior of Complex Multifunctional VLSI Devices”, in Proc. of 29th Int. Conf. on Microelectronics, MIEL 2014, Belgrade, Serbia, May 2014, pp. 455–458.
13. Sogoyan A., Artamonov A., Nikiforov A., Boychenko D. “Method for Integrated Circuits Total Ionizing Dose Hardness Testing Based on Combined Gamma- and x-ray Irradiation Facilities”, FactaUniversitatis — Series: Electronics and Energetics 2014. Volume 27, Issue 3, Pages: 329–338.
14. Boychenko D. V., Kalashnikov O. A., Karakozov A. B., and Nikiforov A. Y. “Rational Methodological Approach to Evaluation of Dose Resistance of CMOS Microcircuits with Respect to Low Intensity Effects”,Russian Microelectronics, Vol. 44, No. 1, pp. 1–7,
2015.
15. Sorokoumov G. S., Bobrovskiy D. V., Kalashnikov O. A., Ulano¬va A. V., and Moskovskaya Y. M. “NI PXI-based Automated Measurement System for Digital ASICs Verification”, MATEC Web of Conferences,Vol. 79, article number 01059, 2016.
КМОП ИС широко применяются в бортовой аппаратуре, предназначенной для работы в условиях радиационных воздействий, поэтому обеспечение стойкости микросхем к накопленной дозе в процессе разработки и производства является актуальной задачей. Хотя почти все современные публикации по дозовым эффектам относятся к глубоко субмикронным СБИС, на практике большинство реальных микросхем для радиационных применений в настоящее время изготавливают по технологиям с проектными нормами 0,8–1,5 мкм. Вопросы влияния параметров техпроцесса на дозовую стойкость КМОП ИС широко отражены в литературе [1–10]. Вместе с тем, ранее опубликованные работы относятся к технологиям 20–30-летней давности, эквивалентность которых с современными микронными техпроцессами далеко не очевидна. Поэтому практическое исследование влияния параметров типичного микронного КМОП техпроцесса, ориентированного на изделия космического применения, на уровень их дозовой стойкости позволит: во-первых, оценить насколько современные микронные техпроцессы по механизмам радиационных отказов соответствуют ранее исследованным; во вторых, отработать методики характеризации КМОП техпроцесса по дозовой стойкости изделий, и наконец, получить количественные оценки параметров операций для выбора компромисса между обеспечиваемым уровнем дозовой стойкости и функциональности изделий.
Принято считать, что наибольшее влияние на обеспечиваемый уровень дозовой стойкости оказывают операции формирования подзатворного диэлектрика, в частности, температура и химическая среда окисления [1–5]. Считается, что для обеспечения дозовой стойкости температура выращивания подзатворного окисла должна быть в диапазоне 850–925 °C. Отжиги, проведенные при температурах выше 950 °C, значительно ухудшают дозовую стойкость [1, 2].
Максимальная температура последующих обработок не должна превышать температуру выращивания затворного окисла [6–7].
Среда выращивания окисла в меньшей степени влияет на дозовую стойкость [9]. Однако экспериментально установлено, что, например, окисление в парах воды приводит к снижению суммарного эффективного заряда, что может свидетельствовать о снижении количества ловушек и, соответственно, увеличении дозовой стойкости [10].
В работе представлено непосредственное сравнение дозовой стойкости тестовых образцов микросхем специализированных БМК, предназначенных для космического применения, изготовленных в стандартном КМОП техпроцессе и техпроцессе с вариациями температуры выращивания подзатворного окисла.
ОПИСАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве объекта исследований была выбрана тестовая микросхема на БМК серии 5503БЦ производства НПК «Технологический центр» (проектные нормы 1,5 мкм, толщина затворного окисла 325 Å). Тестовая микросхема включала в себя набор цепочек инверторов и простейших логических схем. В производстве были изготовлены пластины с тремя вариантами модификации режимов технологического маршрута (см. табл. 1).
Исследования были выполнены с помощью рентгеновского испытательного комплекса (средняя энергия квантов 10 кэВ) [11]. Калибровка образцов проводилась с использованием ускорителя, работающего в режиме тормозного излучения. Исследования проводились на базе НИЯУ МИФИ и испытательного центра «ЭНПО СПЭЛС» (Москва, Россия) [12, 13]. Мощность дозы составила 10–100 рад/с [14].
Исследования проводились с использованием рентгеновского источника РИК 0401 с калибровкой дозиметрии на линейном ускорителе электронов У-31/33 в режиме генерации тормозного излучения. Задание электрических режимов работы и измерения параметров микросхем в процессе радиационного эксперимента проводились с использованием автоматизированного комплекса на базе модулей PXI NI под управлением программного комплекса LabView. Осуществление функционирования и тестирование во время облучения выполнялись с использованием программного обеспечения National Instruments PXI и графического программного обеспечения LabVIEW [15].
Анализ результатов испытаний более 10 партий микросхем, изготовленных по стандартному маршруту, показал, что наиболее радиационно-чувствительным параметром для этих микросхем является статический ток потребления.
Параметры, контролируемые в процессе испытаний, и критерии работоспособности выбирались в соответствии с нормами, указанными в ТУ.
Таким образом, контролировались:
статический ток потребления в состоянии, когда все выходы микросхемы переходят в высокоимпедансное состояние «Выключено»;
выходное напряжение низкого уровня при Ucc = 4,5 и 5,5 В;
выходное напряжение высокого уровня при Ucc = 4,5 и 5,5 В;
отсутствие сбоев и отказов при функционировании.
Среднее значение уровня стойкости по критерию статический ток потребления составил 1,3 · 105 рад.
Среднее значение уровня стойкости по критерию функционирование составляет 2,6 · 105 рад при Ucc = 4,5 и 3,1 · 105 рад при 5,5 В и определяется нарушением работы комбинационной схемы.
Уровень стойкости по критерию выходное напряжение высокого и низкого уровня составил 3,9 · 105 рад при Ucc = 4,5 и 5,5 В.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Сравнительные значения тока потребления микросхем для стандартного и модифицированного маршрутов представлено на рис. 1 и 2.
Установлено, что при всех вариантах модификации технологического маршрута ток потребления микросхем не выходил за пределы норм ТУ (400 мкА) до максимально достигнутого уровня облучения 3 Мрад, в то время как для микросхем, изготовленных по стандартному маршруту, дозовый отказ по току потребления наступал при дозе от 1,3 · 105 до 1,7 · 105 рад.
В процессе экспериментальных исследований для каждого образца определялись дозовые зависимости наиболее радиационно-чувствительного параметра — статического тока потребления. В качестве опорных зависимостей для сравнения были приняты дозовые зависимости тока потребления микросхем, изготовленных по стандартному маршруту.
После проведения коррекции технологического маршрута отказ по функционированию и деградация выходных уровней не фиксировалась вплоть до уровней 1,5 · 106 рад.
Результаты сравнительных исследований дозовой чувствительности различных вариантов модификации техпроцесса показали, что наилучшие характеристики обеспечиваются комбинацией температуры 700 °C и выращивания окисла во влажной среде с использованием парогенератора (выборка 3).
Наибольшее значение тока потребления соответствует температуре окисления 900 °C в сухом окисле (выборка 2), а образцы, полученные при температуре окисления 850 °C в сухом окисле, заняли промежуточное положение. Следует отметить, что для всех модифицированных техпроцессов максимальное значение тока потребления отличалось от минимального лишь в три раза.
Таким образом, снижение температуры выращивания затворного окисла с 1000 до 900 °C привело к уменьшению дозовой чувствительности тока потребления с сотен мкА до единиц мкА при величине накопленной дозы 130 крад, что приводит к увеличению стойкости микросхемы более чем на порядок. Последующее снижение температуры до 850 °C не приводит к значимому уменьшению дозовой чувствительности тока потребления: с 3,33 мкА (900 °C) до 2,63 мкА (850 °C) при дозе 1 Мрад. Переход на влажное окисление при дальнейшем снижении температуры выращивания окисла до 700 °C приводит к снижению дозовой чувствительности примерно вдвое: ток потребления составил 1,43 мкА при дозе 1 Мрад.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально установлено что для КМОП техпроцессов с толщиной подзатворного окисла 300 Å дозовая стойкость обеспечивается при температуре выращивания 850–900 °C, при условии, что максимальная температура последующих обработок не превышает температуру выращивания подзатворного окисла.
Окислением во влажной среде позволяет снизить температуру выращивания затворного окисла до 700 °C, что приводит к снижению дозовой чувствительности тока потребления, но требует подтверждения надежности изделия и стабильности электрофизических характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dawes W. R., Jr., Dervenwick G. F., and Gregory B. L. “Process Technology for Radiation-hardened CMOS Integrated Circuits” // IEEE J Solid-State Circuits. 1976. SC-11, 4.
2. Dressendorfer P. V. “Radiation-Hardening Technology”, in Radiation Effects in MOS Devices and Circuits, Edited by T-P. Ma and Dressendorfer P. V. (Wiley, New York, 1989), pp. 333–400.
3. Shaneyfelt M. R., Schwank J. R., Fleetwood D. M., Winokur P. S., Hughes K. L., Hash G. L. and Connors M. P. “Interface-trap Buildup Rates in Wet and Dry Oxides”, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 39, № 6,pp. 2244–2251, 1992.
4. daSilva E. F., Nishioka Y., and Ma T.-P. “Effects of Trichloroethane During Oxide Growth on Radiation-Induced Interface Traps in Metal/SiO/Si Capacitors”, Appl. Phys. Lett., Vol. 51, p. 1262, 1987.
5. Mrstik B. J., Afanas’ev V. V., Stesmans A., McMarr P. J., and Lawrence R. K. “Relationship Between Oxide Density and Charge Trapping in SiO Films”, J. Appl. Phys., Vol. 85, p. 6577, 1999.
6. Griscom D. L. “Defects in Amorphous Insulators”, J. Non-Crystalline Solids, Vol. 31, p. 241, 1978.
7. Warren W. L., Shaneyfelt M. R., Fleetwood D. M., Schwank J. R., Winokur P. S., and Devine R. A. B. “Microscopic Nature of Border Traps in MOS Oxides”, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 41, p. 1817, 1994.
8. Devine R. A. B. “Oxygen Gettering and Oxide Degradation During Annealing of Si/SiO/Si Structures”, J. Appl. Phys., Vol. 77, p. 175, 1995.
9. Snow E. H., Grove A. S., and Fitzgerald D. J. “Effect of Ionization Radiation on Oxidized Silicon Surfaces and Planar Devices”, Proc. of IEEE, 55(7), 1168 (1969).
10. Московская Ю. М., Белостоцкая С. О., Федоров Р. А., Рудаков Г. А., Бобровский Д. В., Никифоров А. Ю., Уланова А. В., Сорокоумов Г. С. Модификация технологического маршрута для задач повышения радиационной стойкости // Наноиндустрия. Спецвыпуск (74) 2017. — С. 206–212.
11. Boychenko D. V., Kalashnikov O. A., Nikiforov A. Y., Ulanova A. V., Bobrovsky D. V., Nekrasov P. V. “Total Ionizing Dose Effects and Radiation Testing of Complex Multifunctional VLSI Devices”. FactaUniversitatis Electronics and Energetics, Vol. 28, № 1, pp. 153–164,
2015.
12. Kalashnikov O. A., and Nikiforov A. Y. “TID Behavior of Complex Multifunctional VLSI Devices”, in Proc. of 29th Int. Conf. on Microelectronics, MIEL 2014, Belgrade, Serbia, May 2014, pp. 455–458.
13. Sogoyan A., Artamonov A., Nikiforov A., Boychenko D. “Method for Integrated Circuits Total Ionizing Dose Hardness Testing Based on Combined Gamma- and x-ray Irradiation Facilities”, FactaUniversitatis — Series: Electronics and Energetics 2014. Volume 27, Issue 3, Pages: 329–338.
14. Boychenko D. V., Kalashnikov O. A., Karakozov A. B., and Nikiforov A. Y. “Rational Methodological Approach to Evaluation of Dose Resistance of CMOS Microcircuits with Respect to Low Intensity Effects”,Russian Microelectronics, Vol. 44, No. 1, pp. 1–7,
2015.
15. Sorokoumov G. S., Bobrovskiy D. V., Kalashnikov O. A., Ulano¬va A. V., and Moskovskaya Y. M. “NI PXI-based Automated Measurement System for Digital ASICs Verification”, MATEC Web of Conferences,Vol. 79, article number 01059, 2016.
Отзывы читателей
