Наихудший электрический режим

Чтобы быть уверенным, что приборы отвечают системным требованиям, они должны испытываться в наихудшем электрическом режиме. Как уже говорилось ранее, электрический режим может оказывать большое влияние на радиационно-индуцированную деградацию прибора. В случае подзатворных оксидов максимум сдвига порогового напряжения, обусловленного зарядом в оксиде и зарядом ПС, наблюдается при средних значениях электрического поля (см. рис. 3.49). При больших электрических полях сдвиг порогового напряжения, обусловленный зарядами оксида и ПС, уменьшается с ростом напряженности электрического поля, поскольку с увеличением напряженности поля спадает сечение захвата дырок. При малых значениях напряженности электрического поля наблюдается слабый сдвиг порогового напряжения, обусловленный зарядами оксида и ПС, поскольку будет малым число радиационно-индуцированных электронно-дырочных пар, избежавших начальной рекомбинации (выход заряда).

Рис. 3.49. Зависимость сдвигов напряжения, обусловленных зарядами оксида и ПС, от электрического поля для n -канальных транзисторов с поликремниевым затвором, облученных дозой 500 крад(SiO₂) при мощности дозы 4170 крад(SiO₂)/с [13]

Для ИС передовых технологических вариантов отказ в основном определяется радиационно-индуцированным накоплением заряда в полевых оксидах (что важно для ИС, изготовленных как по объемной технологии, так и по КНИ-технологи) и в скрытых оксидах КНИ-структур. Поскольку в данных оксидах преимущественно накапливается положительный радиационно-индуцированный заряд, то дозовые эффекты в них обычно важны только в случаях, когда эти оксиды прилегают к поверхности р -кремния (например, изоляция n -канальных транзисторов). К сожалению, наихудшие электрические режимы для накопления радиационно-индуцированного заряда в полевых и скрытых КНИ-оксидах различаются.

Наихудшим электрическим режимом для радиационно-индуцированного накопления заряда в полевом оксиде является режим, при котором будет максимальным электрическое поле поперек полевого оксида. Это хорошо видно из рис. 3.50, где показаны зависимости от электрического поля полного сдвига напряжения плоских зон и вкладов, обусловленных зарядами в оксиде и на ПС, для транзисторов, изготовленных с использованием полевого оксида в качестве подзатворного диэлектрика [13]. Подзатворный диэлектрик осаждался с использованием традиционных операций изоляции STI.

Рис. 3.50. Зависимости сдвига напряжения плоских зон и вкладов зарядов в оксиде и на ПС в сдвиг порогового напряжения от напряженности электрического поля, приложенного при рентгеновском облучении n -канального транзистора, изготовленного с использованием традиционного полевого оксида в качестве подзатворного диэлектрика

При используемых электрических режимах и условиях облучения в полевых оксидах отсутствует значительное накопление заряда ПС. Однако при высоких значениях напряженности электрического поля имеет место очень большое радиационно-индуцированное накопление заряда в оксиде, что приводит к очень большому сдвигу порогового напряжения транзистора на полевом оксиде. После облучения дозой 10 крад(SiO₂) при электрическом поле более 2 МВ/см сдвиг порогового напряжения превышает 25 В. В зависимости от исходного значения порогового напряжения транзистора на полевом оксиде, такой радиационно-индуцированный сдвиг может быть достаточным для значительного повышения тока утечки транзистора. Эти данные показывают, что для избежания сильного увеличения радиационно-индуцированного тока утечки, связанного с полевым оксидом, необходимо снижать электрическое поле в полевом оксиде. Хотя для осаждения диэлектрика использовались традиционные технологические процессы, топология подзатворных диэлектриков в этих транзисторах существенно отличается от топологии диэлектриков в схемах с STI-изоляцией. На углах STI могут возникать очень сильные электрические поля, что приведет к очень большим сдвигам порогового напряжения паразитных STI-транзисторов [13]. При типичном расположении STI поликремниевые линии, соединенные с затворами транзисторов, могут находить на STI. Таким образом, электрическим режимом, который приведет к максимальному полю поперек STI, будет режим, дающий максимальный перепад напряжения между затвором и подложкой. Этот электрический режим обычно соответствует открытому («ON») состоянию, при котором на затвор подано напряжение питания V_DD, а исток, сток и подложка заземлены. Хотя эти результаты показаны на примере STI, аналогичные результаты получаются для ИС, изготовленных с изоляцией LOCOS.

Выбор наихудшего электрического режима для объемных кремниевых ИС может быть достаточно трудным, потому что наихудший режим для подзатворного и полевого оксидов может быть разным. В случае термических оксидов максимальный сдвиг порогового напряжения, обусловленный зарядами оксида и ПС, наблюдается при средних уровнях напряженности поля (1–2 МВ/см). Вследствие того, что полевые оксиды очень толстые, и поперечное поле в них очень мало, наихудшим электрическим режимом с точки зрения роста паразитных токов утечки, обусловленных полевыми оксидами, будет наибольшее допустимое рабочее напряжение, характерное для данной технологии. Для передовых технологических вариантов поперечное электрическое поле в подзатворных оксидах обычно много выше (как правило, более чем 4 МВ/см). Наихудшим электрическим режимом для подзатворных оксидов будет наименьшее рабочее напряжение, характерное для данной технологи. Однако, вследствие того, что подзатворные оксиды очень тонкие, радиационная стойкость для передовых технологий почти всегда контролируется паразитными утечками, обусловленными полевыми оксидами. Таким образом, на практике оптимальным наихудшим электрическим режимом для ИС является тот, при котором будут наблюдаться наибольшие паразитные утечки по полевым оксидам, т.е. максимальное рабочее напряжение. В идеале следует облучать ИС в состоянии, обеспечивающем наибольшую радиационную деградацию, а после облучения ИС следует тестировать в состоянии, в котором деградация проявляется наилучшим образом. Например, чтобы получить наибольший радиационно-индуцированный рост тока утечки, транзистор можно облучать в состоянии ON, а измерения проводить в состоянии с наименьшим током (состояние OFF), в котором будет видно наибольшее увеличение тока утечки. Аналогично, для наблюдения наибольшего увеличения тока в СОЗУ следует проводить облучение при записи шахматного кода, а измерения после облучения проводить при записи обратного (инверсного) шахматного кода [13].

Аналогично полевым оксидам, накопление радиационно-индуцированного заряда в скрытых КНИ-оксидах определяется захваченным положительным зарядом. Следовательно, для КНИ-транзисторов электрическое поле, при котором достигается максимальный сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора (с нижним затвором), получается при напряжении, при котором на границе Si/SiO₂ наиболее интенсивно идет захват дырок. При этом напряжении в скрытом оксиде, лежащем под областью канала, возникнет электрическое поле с наибольшей напряженностью. В ряде работ было промоделировано распределение электрического поля в захороненном оксиде для многих электрических режимов при облучении и показано, что для частично обедненного транзистора при типичной длине затвора и толщине захороненного оксида электрическим режимом, определяющим наибольшее электрическое поле под каналом и наибольший захват дырок, является режим пропускания (transmission gate — TG). Режим TG — это режим, при котором исток и сток соединены на V_DD, а затвор и контакт подложки (если он доступен) заземлены. Результаты моделирования также показали, что в состоянии OFF (сток на V_DD, а все остальные контакты заземлены) может быть получен очень большой сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора. Электрический режим, дающий наибольший сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора, зависит от соотношения между длиной затвора транзистора и толщиной встроенного оксида. Эти результаты моделирования были проверены экспериментально. На рис. 3.51 представлен график зависимости измеренных сдвигов порогового напряжения паразитного транзистора от длины затвора для n -канальных транзисторов, облученных рентгеновскими лучами с энергией кванта 10 кэВ дозой 1 Мрад(SiO₂) [13]. Толщина встроенного оксида составляла 413 нм. Транзисторы изготавливались по 0,25-микроноой технологии. Наибольший сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора наблюдался при облучении в режиме TG. Однако, в транзисторах с длиной затвора, близкой к стандартной технологической длине затвора 0,25 мкм, сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора был приблизительно одинаковым как в состоянии TG, так и в состоянии OFF. Наименьший сдвиг порогового напряжения паразитного транзистора наблюдался при облучении транзисторов в состоянии ON. Это противоположность тому, что наблюдалось в случае радиационно-индуцированного накопления заряда в полевом оксиде (см. рис. 3.50).

Рис. 3.51. Зависимость сдвига порогового напряжения паразитного транзистора от длины затвора для n -канального КНИ-транзистора, облученного рентгеновскими лучами дозой 1 Мрад(SiO₂). Транзисторы при облучении находились в режимах ON, OFF и TG

В случае полностью обедненных КНИ-транзисторов наихудший электрический режим не определяется также хорошо, как для частично-обедненных КНИ-транзисторов. Аналогично случаю частично обедненных КНИ-транзисторов, было показано, что для некоторых технологических вариантов КНИ наихудшим электрическим режимом для радиационно-индуцированного накопления заряда в скрытом оксиде является состояние TG. Однако для других технологических вариантов в качестве наихудшего электрического режима было определено состояние ON [13]. Механизм, вызывающий эти различия, не известен. Однако в последнем случае радиационно-индуцированное увеличение тока утечки, вызванное захватом заряда, частично может происходить из-за инверсии границы раздела области канала и захороненного оксида, а частично из-за эффекта «дозового защелкивания» [13]. Эффект дозового защелкивания вызывается захватом в захороненном оксиде заряда, модулирующего потенциал тела транзистора. При понижении потенциала тела относительно истока электроны могут инжектироваться в область тела и собираться стоком. Если электрическое поле вблизи стока достаточно велико для возникновения ударной ионизации, то может резко увеличиться ток, что приведет ко вторичному пробою — snapback (в КНИ-технологии вторичный пробой — snapback — часто называют защелкиванием одиночного транзистора).

Вследствие того, что наихудшие электрические режимы для радиационно-индуцированного накопления заряда в полевых оксидах и встроенных КНИ-оксидах могут различаться, радиационные испытания КНИ-приборов могут быть сложными. Очень большими могут быть как паразитные утечки, обусловленные полевым оксидом, так и утечки, вызванные радиационно-индуцированным накоплением заряда во встроенном оксиде. Следовательно, необходимо учитывать оба эти типа утечек. Особенно это важно при оценке стойкости ИС по результатам, полученным для отдельных транзисторов. В ток утечки транзистора будут давать свой вклад радиационно-индуцированные утечки, обусловленные как полевым, так и встроенным оксидом. Радиационно-индуцированные утечки по полевому оксиду также будут давать вклад в ток утечки паразитного транзистора. Таким образом, за исключением транзисторов с закрытой геометрией, где отсутствуют каналы утечек по полевым оксидам, будет достаточно трудно определить, чем вызваны утечки транзистора: радиационно-индуцированными утечками по полевому или встроенному оксиду. Чтобы быть уверенным, что выполняются условия наихудшего электрического режима, КНИ-транзисторы следует облучать в состоянии ON, а также в состоянии TG или OFF. В случае ИС различные наихудшие электрические режимы менее проблематичны. Например, невзирая на электрическое состояние на входах, в микросхемах СОЗУ приблизительно половина транзисторов будет облучаться в состоянии ON, а другая половина — в состоянии OFF. Некоторые транзисторы также будут облучаться в состоянии TG. Таким образом, при использовании стандартных состояний на входах в СОЗУ автоматически реализуются условия наихудшего электрического режима. Однако, в случае КНИ ИС, где число транзисторов в состоянии OFF (или TG) и ON может существенно различаться, для уверенности, что реализуется наихудший электрический режим, нужно проводить облучение в различных режимах.