Влияние на радиационную стойкость высокотемпературной нагрузки (наработки) перед облучением

В целях выявления и отбраковки потенциально ненадежных структур приборы зачастую подвергаются высокотемпературным воздействиям (например, высокотемпературная наработка) перед тем, как быть использованными в аппаратуре. Такие операции приводят к повышению стоимости приборов. Для минимизации стоимости приборы, используемые в радиационных испытаниях, часто не подвергаются сортировке по надежности. в итоге, приборы, используемые при радиационных испытаниях, и приборы, поставляемые для комплектации космических систем, часто не проходят одни и те же операции высокотемпературного отжига. В результате возникает вопрос, влияет ли высокотемпературный отжиг, используемый при сортировке по надежности, на стойкость приборов? В работах Шанифельта с соавторами было показано, что такое влияние действительно может иметь место. Примеры влияния высокотемпературного отжига перед облучением показаны на рис. 3.52 [13], где приведены дозовые зависимости сдвига порогового напряжения для транзисторов на подзатворном (рис. 3.52, а) и полевом (рис. 3.52, б) оксидах. Транзисторы, прошедшие и не прошедшие до облучения отжиг в течение недели при 150 °С (типичные условия наработки), облучались рентгеновскими лучами с энергией кванта 10 кэВ при подаче напряжения затвор-исток, равного 5 В. В обоих случаях сдвиг порогового напряжения был больше для структур, подвергшихся перед облучением высокотемпературному отжигу. Это может происходить вследствие увеличения радиационно-индуцированного заряда в оксиде или уменьшения заряда ПС, а также вследствие одновременного влияния этих эффектов. Анализ результатов, приведенных на рис. 3.52, показал, что в данных приборах основной причиной большего сдвига порогового напряжения при использовании отжига перед облучением являлось меньшее радиационно-индуцированное накопление ПС для структур на подзатворном оксиде и большее накопление заряда в диэлектрике для структур на полевом оксиде.

а

б

Рис. 3.52. Дозовые зависимости сдвига порогового напряжения для n -канальных транзисторов на подзатворном (а) и полевом (б) диэлектрике, прошедших (n) и не прошедших (�)
отжиг перед облучением (наработка проводилась при температуре 150 °С в течение недели)

Больший радиационно-индуцированный сдвиг порогового напряжения транзисторов на подзатворном и полевом оксидах, подвергнутых перед облучением высокотемпературным нагрузкам, приведет к росту тока утечки питания ИС I_DD в режиме малого энергопотребления (т.е. ИС не активна — «standby»). В частности, для БИС СОЗУ емкостью 16k, изготовленной по той же технологии, что и транзисторы, для которых приведены результаты на рис. 3.52, были получены следующие результаты [13]. Максимальное значение тока утечки ИС, не отжигавшихся перед облучением, составило приблизительно 3,5 мА и достигалось при дозе 200 крад(SiO₂). Максимальное значение тока утечки для ИС, подвергнутых перед облучением высокотемпературной нагрузке, составило 45 мА и достигалось при 500 крад(SiO₂). При использовании перед облучением высокотемпературных нагрузок максимальный ток утечки получается более чем на порядок выше, чем без использования их. Более того, после облучения дозой 500 крад(SiO₂) ток утечки ИС, подвергнутых перед облучением высокотемпературным нагрузкам, более чем на два порядка выше, чем для ИС, не подвергавшимся высокотемпературным нагрузкам.

Влияние наработки на радиационную стойкость характерно не для всех технологических вариантов. Там, где этот эффект наблюдается, его величина определяется режимами (временем и температурой) высокотемпературных нагрузок перед облучением. На рис. 3.53 показана зависимость сдвига напряжения при токе 10 нА от времени наработки перед облучением для транзисторов на полевом оксиде [13]. Температура отжига перед облучением составляла 150 °С, при этом на затвор подавалось напряжение 5 В. Транзисторы облучались рентгеновскими лучами с энергией кванта 10 кэВ дозами 20, 50 и 70 крад(SiO₂) при напряжении затвор-исток 5 В. При каждой дозе радиационно-индуцированный сдвиг напряжения транзисторов на полевом оксиде увеличивается с ростом времени высокотемпературной наработки. В работах Шанифельта с соавторами также было показано, что увеличение температуры отжига перед облучением приводит к повышению радиационно-индуцированного сдвига напряжения. Эти сдвиги напряжения могут привести к существенному росту тока утечки ИС. Следует отметить, что величина напряжения при высокотемпературной наработке перед облучением не оказывало значительного влияния на радиационную стойкость [13].

Механизм влияния высокотемпературной наработки на радиационную стойкость остается не ясным. Однако на основе приведенных выше данных можно заключить, что определенно данный эффект в значительной мере является термически активируемым процессом. В работах Шанифельта с соавторами было показано, что энергия активации для данного эффекта составляет 0,38 эВ. Это значение близко к энергии активации для компенсации захваченных дырок, равной 0,41 эВ, а также к энергии активации диффузии молекулярного водорода в объемно-плавленном кварце, равной 0,45 эВ [13]. Последнее предполагает, что эффект наработки может быть связан с диффузией молекулярного водорода. С данным механизмом согласуется отсутствие сильной зависимости от напряжения. Нагрузка перед облучением также могла повлиять на пространственное и энергетическое распределение предшественников дырочных ловушек в оксиде (это может также включать диффузию водородсодержащих компонентов), приводя к отличиям распределений захваченных дырок после облучения.
Ясно, что требуются дополнительные исследования для однозначного и окончательного определения механизмов эффекта наработки.

Рис. 3.53. Зависимость сдвига напряжения при токе 10 нА от времени термотренировки перед облучением для n -канальных транзисторов на полевом оксиде, облучаемых на рентгеновском источнике с энергией 10 кэВ [13]. Термотренировка перед облучением проводилась при температуре 150 °С в течение недели при напряжении затвор-исток 5 В

Влияние высокотемпературной наработки перед облучением на радиационный отклик ИС важно учитывать при проведении радиационных испытаний. При этом речь идет не только о наработке, используемой при надежностных испытаниях. Высокотемпературные процессы, используемые при корпусировании приборов, во время сборки и эксплуатации аппаратуры и др., также могут оказывать существенное влияние на радиационный отклик ИС [13]. Процедуры испытаний, прописанные в военном стандарте США MIL-STD-883 Method 1019, учитывают высокотемпературную нагрузку перед облучением. В частности, там указывается, что для каждой технологии следует определить, подвержены ли приборы эффекту наработки. Если не показано, что прибор не чувствителен к эффекту наработки, то радиационные испытания должны проводиться на образцах, прошедших все высокотемпературные и электрические нагрузки, требуемые при квалификации по надежности, при упаковке или определяемые системными требованиями. Иначе радиационно-индуцированная деградация может быть сильно занижена. Это особенно важно для тех технологических вариантов, для которых отказ ИС определяется радиационно-индуцированным увеличением тока утечки.