Способ отбора пластин с радиационно-стойкими моп- интегральными схемами

 

Изобретение относится к микроэлектронике. Сущность изобретения: способ отбора на этапе производства пластин с радиационно-стойкими МОП интегральными схемами заключается в том, что проводят измерение пороговых напряжений и токов потребления интегральных схем до и после воздействия 10 кэВ рентгеновского излучения. Затем определяют среднюю скорость изменения пороговых напряжений тестовых транзисторов на пластине X_iпл и среднюю скорость изменения пороговых напряжений тестовых транзисторов на пластине с критическими параметрами X_крит, а отбор пластин с радиационно-стойкими интегральными схемами проводят по условию X_iпл <X. 1 ил.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности предназначено для отбора пластин с радиационно-стойкими МОП интегральными схемами (ИС).

Известен способ отбора радиационно-стойких изделий электронной техники (Чернышов А. А. Ведерников В.В. Галеев А.И. Горюнов Н.Н.Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем, Зарубежная электронная техника, 1979, Вып. 5, с.3-25), включающая облучение партии изделий, предназначенных для установки в бортовую аппаратуру, сравнительно небольшой дозой гамма-квантов или электронов с последующим отбором и исключением из партии приборов с наибольшими изменениями параметров. Способом предусматривается и другая возможность отбраковки путем облучения ИС полной дозой, эквивалентной ожидаемой поглощенной дозе радиации в реальных условиях применения ИС, например, потоком электронов со средней энергией 3 МЭВ и плотностью 5·10¹² см^-2, эквивалентной дозе гамма излучения Co⁶⁰ Д=1,25·10⁵ рад. Для восстановления начальных параметров после указанных испытаний проводится отжиг приборов при повышенной температуре.

Указанный способ предназначен для отбраковки нерадиационно-стойких изделий в корпусах и не предусматривает возможность отбора на более ранних стадиях технологического цикла, т. е. отбраковываются изделия, прошедшие все стадии технологического цикла, что приводит к дополнительным неоправданным затратам на корпусирование и другие сопутствующие операции. В серийном производстве такой способ не может быть использован в связи с его низкой достоверностью и высокой трудоемкостью. Низкая достоверность обусловлена тем, что уже на этапе испытаний все изделия подвергаются облучению и в них происходит накопление дефектов. Особенно это существенно при испытаниях полной дозой радиации, после которых даже проводимый отжиг (правильный подбор режимов которого является сложной технической задачей) не приводит к восстановлению начального физического состояния прибора.

Наиболее близким аналогом-прототипом заявленного изобретения является Способ испытаний на надежность интегральных схем (патент США 4816753, кл. G 01 R 31/26, опубл. 28.03.89.) По сути дела этот способ является способом испытаний на радиационную надежность, так как старение имитируется воздействием радиационного излучения.

Способ устанавливает некую корреляционную зависимость между изменением характеристик изделий, вызванных радиацией и их надежностью. Испытаниям, как и в заявленном способе, подвергаются изделия на стадии пластин.

Способ предусматривает измерение тока подложки от времени в тестовых n-или p-транзисторах, одновременно при этом фиксируется время, при котором наблюдается уход порогового напряжения тестового транзистора на10 кВ.

Далее, аналогичный тестовый транзистор подвергают облучению низкоэнергетическим рентгеновским излучением, и фиксируют дозу облучения, при которой также наблюдается уход порогового напряжения на 10 мВ.

Равенство ухода порогового напряжения в обоих случаях позволяет установить соотношение между полученной транзистором дозой и временем изменения тока подложки, что эквивалентно по мнению авторов способа определению соотношения между полученной транзистором дозой и ресурсом работоспособности транзистора.

Критерием для оценки надежности в указанном способе является характер зависимости набора критической дозы облучения во времени от тока подложки. Никаких операций, позволяющих осуществить отбор по количественному признаку, способом не предусмотрено.

Однако, если применять этот способ для оценки радиационной стойкости ИЭТ и довести способ до логического конца, т.е. определить количественные критерии, то окажется, что реализовать его для отбора пластин с наименее радиационно-стойкими ИС в серийном производстве невозможно, т.к. для определения скорости изменения токов в подложке требуется до 10⁵ сек, т.е. эксперимент для получения достоверной информации должен длиться не менее 10 дней.

В настоящее время в электронной промышленности остается нерешенной задача отбора изделий электронной техники для работы в условиях повышенной радиации ( в космических летательных аппаратах, на атомных станциях и др.) в условиях серийного производства с достаточной степенью достоверности.

В результате реализации заявляемого способа осуществляется возможность отбора наиболее радиационно-стойких ИС на ранней стадии технологического цикла, а именно на стадии изготовления пластин без проведения 100% облучения всех изделий. Способ не предполагает больших затрат на проведение испытаний и дает достаточно достоверный результат.

В соответствии с заявленным способом испытаниям подвергают партию из "n" пластин с МОП ИС. На каждой пластине из этой партии выбирают "m" тестовых p-или n-транзисторов и измеряют их пороговые напряжения (U_опор.1). Затем облучают выбранные тестовые транзисторы дозой рентгеновского излучения (Д), не превышающей 10⁵ рад. После облучения повторно измеряют пороговые напряжения тестовых транзисторов, вычисляют среднюю скорость изменения порогового напряжения каждого из тестовых транзисторов в зависимости от полученной дозы облучения (X_i) и среднюю скорость изменения пороговых напряжений тестовых транзисторов на каждой пластине (X_iпл).

Затем представительную выборку ИС хотя бы на одной пластине из испытуемой партии облучают гамма-квантами до заданной дозы и измеряют электрические параметры ИС. Последняя операция может повторяться до тех пор, пока не будет выявлена пластина с критическими параметрами, т.е. пластина, у которой электрический параметр хотя бы одной ИС выйдет за пределы заданных на ИС технических условий. Значение средней скорости изменения порогового напряжения тестовых транзисторов на указанной пластине считают критической величиной (X_крит). После этого проводят отбор каждой пластины ( с параметром (X_iпл) с радиационно-стойкими ИС и считают их годными при условии X_iпл <X.

Способом предусматривается выбор " m " тестовых p-или n-канальных транзисторов. Количество тестовых транзисторов определяется исходя из жесткости условий отбора или требований изготовителя. Воздействие на тестовые транзисторы рентгеновским излучением обусловлено тем, что в МОП технологии одним из основных процессов, определяющих радиационную стойкость изделий, является технологическая операция изготовления подзатворного оксида Зи С. Физика полупроводниковых приборов, М. Мир, 1984, т.1, с.450] и оценить качество полученного оксида возможно путем воздействия на полученную структуру рентгеновским излучением, способным эффективно создавать в оксидном слое поверхностные и объемные дефекты В.С.Першенков и др. "Поверхностные радиационные эффекты в ИМС", М. Энергоатомиздат, 1988, с.189.

Кроме того, экспериментально установлено, что МОП ИС, собранные с пластин с высоким и низким темпом деградации тестовых транзисторов, при воздействии рентгеновского облучения в процессе эксплуатации обладают различной радиационной стойкостью.

Критериальным параметром для отбора пластин ИС в способе является средняя скорость деградации пороговых напряжений тестовых транзисторов в зависимости от дозы рентгеновского излучения.

Выбор этого параметра обусловлен тем, что он достаточной степенью достоверности отражает процессы, протекающие в оксиде при облучении, и в условиях производства измеряется с применением стандартной аппаратуры.

Облучают тестовые транзисторы дозой рентгеновского излучения не превышающей 10⁵. Этот предел обусловлен тем, что при превышении указанной дозы в изделиях происходят структурные изменения, которые в дальнейшем приводят к нарушению их функционирования и могут быть устранены только путем проведения отжига (t=400^oC), что не всегда возможно.

После облучения повторно измеряют пороговые напряжения тестовых транзисторов (U_пор.i) и вычисляют скорость их изменения в зависимости от дозы облучения.

X_i dU_пор.i/ dD; где X_i скорость изменения порогового напряжения i-го тестового транзистора (i=1.m), В/рад; dU_пор.i изменение порогового напряжения тестового транзистора, В; dD изменение дозы облучения, рад.

Значение критериального параметра каждой из "n" испытуемых ИС X_iпл. (где i=1.n) определяют как среднюю скорость изменения порогового напряжения тестовых транзисторов на каждой пластине После определения значения критериального параметра для каждой пластины выявляют то количественное значение критериального параметра, по которому будет производиться отбор пластин в соответствии с заданными условиями, а как следствие пути использования изготовленной партии с максимально возможной рентабельностью. Для этого определяют зависимость изменения стандартных электрических параметров ИС на пластине при воздействии заданных доз гамма-облучения от темпов деградации порогового напряжения при воздействии низкоэнергетического рентгеновского излучения.

Представительную выборку ИС на одной из пластин (с известным X_iпл.) подвергают облучение гамма-квантами до заданной дозы и измеряют ч электрические параметры ИС. Заданная доза облучения определяется исходя из условий дальнейшей эксплуатации прибора требований заказчика.

Если ни один параметр ИС не вышел за пределы заданных значений, операцию облучения представительной выборки повторяют на второй и, возможно, на нескольких других пластинах до обнаружения пластины с критическими параметрами, у которой параметры одной или нескольких ИС из числа ИС выборки выйдут за пределы заданных значений. Параметр X_iпл., соответствующий данной пластине, считают X_крит..

Зная значение X_iпл. всех пластин испытуемой партии, проводят отбор потенциально радиационно-стойких пластин с МОП ИС по условию X_iпл <Х
Способ отличается от известного тем, что для отбора пластин с радиационно-стойкими МОП ИС применяется новый критериальный параметр, определенный на основе экспериментов-скорость изменения порогового напряжения тестовых n-или p-транзисторов в зависимости от воздействующего рентгеновского облучения дозой менее 10⁵ рад.

Кроме того, способ предусматривает определение критического значения этого критериального параметра путем облучения ИС на одной или более пластинках гамма квантами и измерении электрических параметров этих ИС. Облучение проводят до выявления пластины с критическими параметрами, т.е. пластины у которой параметр хотя бы одной ИС выйдет за пределы заданных значений, фиксируют критериальный параметр этой пластины как X_крит. и отбирают пластины с потенциально радиационно-стойкими ИС по условию.

X_iпл. <X
В соответствии с заявляемым способом был произведен отбор пластин с радиационностойкими МОП ИС серии К155КН3. Каждая пластина содержала в пределах поля каждой ИС тестовый n-или p-канальный МОП транзистор.

В результате анализа схематических и технологических условий изготовления ИС в качестве тест-структуры был выбран n-канальный МОП транзистор как наиболее информационный с точки зрения прогноза радиационной стойкости.

Для реализации эффекта накопления заряда в диэлектрике под воздействием рентгеновского излучения была использована специализированная установка, способная генерировать рентгеновские кванты с энергией 8-10 эВ. В качестве излучателя применялась рентгеновская трубка 0.3БСБ-25 с вольфрамовым анодом, которая при ускоряющем напряжении 35 кВ испускает рентгеновские кванты 9.1 кэВ с интенсивностью до 750 р\с. Установка укомплектована бондовым аппаратом с системой коллимации и дозиметрии пучка рентгеновского излучения, а также измерительно-вычислительным комплексом для исследования вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик тестовых элементов.

Отбраковке подлежала партия из 20 пластин. На каждой пластине (с количеством ИС порядка 300-350) были случайно выбраны от 5 до 10 тестовых транзисторов, которые являлись статически достоверной выборкой.

Исследовались ВАХ n-канального транзистора, который включался по схеме с общим истоком и напряжением U_с.и.=+5В. При этом из ВАХ определялось исходное значение порогового напряжения (U_пор) и его изменение при последовательной экспозиции дозы (Д) рентгеновского излучения (в режиме U_э=+5В.)
Далее, для каждой дозовой точки (Д) всех исследованных на пластине транзисторов вычислялись темпы деградации пороговых напряжений (X_i), определяемые как dU_пор.i/dD.

Темп деградации порогового напряжения пластины определяется как среднее от X_i всех исследованных на пластине транзисторов по формуле

На фиг.1 представлены результаты исследований изменения порогового напряжения U_пор. от набора дозы Д_экс. рентгеновского излучения для двух случайно выбранных из партии пластин. Анализ изменения порогового напряжения в зависимости от величины набранной дозы указывает на существенное различие темпов деградации для пластин из одной партии (наименьшей для X=0,2, а наибольший для X= 1,5). Это позволяет сделать вывод о том, что качество изготовления пластин в партии существенно различается.

Для получения точного количественного критерия для отбора пластин и, как следствие, определения пути дальнейшего использования изготовленных партий с максимально возможной рентабельностью, необходимо провести серию контрольных испытаний по определению изменению электрических параметров ИС при воздействии гамма-квантов и сопоставить их с темпом деградации порогового напряжения. С этой целью с пластин с Х=0,2 и X=1,5 были собраны в корпус по 10 шт. ИС и подвергнуты стандартным испытаниям на соответствие ТУ со ступенчатым набором дозы до 1 E6 рад. Облучение проводилось в режиме функционирования, т.е. с подачей электрических смещений на соответствующие выводы схемы согласно ТУ.

Анализ изменения параметров испытанных по стандартной методике показал, что у всех ИС максимально чувствительным к воздействию излучения является параметр ток потребления при низком уровне управляющего сигнала от положительного источника питания -I_пот(н+). Остальные статические и динамические параметры существенно не изменяются.

Результаты испытаний показали, что при воздействии 5 Е3 рад средний по выборке ток потребления растет на всех ИС, однако его уровень существенно ниже нормы отказа по ТУ, которая равна 75 мкА.

При воздействии 1 E4 рад уровень этого тока становится принципиально разным: для X=1,5 и X=0,2 I_пот.(н⁺_ср.=110 и 2 мкА соответственно. Эти данные свидетельствуют о том, что ИС с X=0,2 выдерживает уровень воздействия 1 E4 рад, в то время как для ИС с X=1,5 результаты испытаний являются отрицательными, т.к. все схемы отказали.

Далее, если необходимо отобрать пластины, у которых уровень стойкости более 1 E4 рад, принимаем пластину с X=1,5 как пластину с критическим параметром X_кр.=1,5.

В соответствии с правилами дальнейшего отбора, из партии отбираются все пластины по условию:
X_iпл. <X
В нашем случае из 20 испытуемых пластин было признано 15 радиационно-стойкими ( до уровня 1 E4 рад.) в соответствии с заданными критериями и отбраковано 5 пластин с X_iпл> 1,5.

Формула изобретения

Способ отбора пластин с радиационно стойкими МОП-интегральными схемами, включающий измерение критериального параметра тестовых n- или p-канальных МОП-транзисторов на каждой пластине на испытуемой партии, облучение их низкоэнергетическим рентгеновским излучением и повторное измерение критериального параметра тестовых транзисторов, отличающийся тем, что в качестве критериального параметра выбирают среднюю скорость изменения пороговых напряжений тестовых транзисторов на пластине в зависимости от воздействующего рентгеновского излучения дозой, не превышающей 10⁵ рад. (X_{i пл}), кроме того, дополнительно облучают представительную выборку интегральных схем на одной или более пластинах гамма-квантами до заданной дозы и измеряют электрические параметры интегральных схем до выявления пластины с критическими параметрами, у которой параметр хотя бы одной интегральной схемы выйдет за пределы заданных значений, а отбор пластин с радиационно стойкими интегральными схемами проводят по условию X_{i пл} < X_крит, где X_крит средняя скорость изменения пороговых напряжений тестовых транзисторов на пластине с критическими параметрами.

РИСУНКИ

Рисунок 1