Способ отбора МОП-транзисторов для космической аппаратуры

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Марченко Игорь Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ отбора МОП-транзисторов для космической аппаратуры, при котором измеряют величину порогового напряжения упомянутых транзисторов, выдерживают транзисторы при температуре 1755 С и приложении смещения на их затворах, составляющего не более 80 от максимально установленного, в течение не менее 10 ч осуществляют облучение транзисторов электронами с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 11010 см-2 с-1 в течение от 20 до 30 мин, после чего транзисторы выдерживают при указанной температуре и смещении в течение не менее 10 ч, вновь измеряют пороговое напряжение транзисторов и осуществляют их отбор по изменению этой величины проводят отжиг прошедших отбор облученных МОП-транзисторов при температуре от 350 до 400 С в течение 15 мин. Изобретение относится к области электроники, а более конкретно к методам испытаний и контроля качества полупроводниковых приборов на стадиях изготовления и применения, и предназначено для отбора полевых МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторов с равномерной по партии радиационной стойкостью (РС). Чтобы установить высокий уровень достоверности того, что космическая аппаратура выполнит свою задачу без отказа, вызванного облучением, необходим специальный отбор элементной базы, на которой она будет построена, а также разработка способов поэлементного обеспечения РС для критических узлов ее составляющих. Известен способ 1 разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности, который заключается в облучении партии микросхем малой дозой ионизирующего излучения, измерении их стандартных электрических параметров и отжиге облученной партии. Из анализа дозовых зависимостей прогнозируют для каждой микросхемы дозу отказа, при которой хотя бы один стандартный параметр достигнет своего предель 17800 1 2013.12.30 ного значения. Надежность микросхем определяют после отжига по отклонению значения параметров от их исходных значений до облучения. Однако этот способ трудоемок и обладает низкой достоверностью при отбраковке полупроводниковых приборов со скрытыми производственными дефектами. Известен способ 2 отбора изделий электронной техники по стойкости или надежности, который включает облучение изделий обучающей выборки и разбраковываемой партии, измерение электрических параметров до и после облучения и последующий отжиг до восстановления параметров. Способ позволяет осуществить отбор наиболее радиационностойких и надежных изделий с гарантированными показателями стойкости и надежности. Недостаток способа заключается в необходимости испытаний на радиационную стойкость и надежность представительной выборки и в невозможности оперативной отбраковки изделий с нестабильными параметрами. Известен способ 3, 4 отбраковки полупроводниковых приборов с повышенной чувствительностью параметров к дестабилизирующим воздействиям, включающий электронное облучение и последующий термический отжиг. Он основан на известном физическом явлении, суть которого состоит в активации ионизирующим излучением скрытых производственных дефектов в приповерхностном слое приборной структуры и измерении информативного параметра прибора (обратного тока диода или порогового напряжения МОП-транзистора) до и после облучения. Недостатками способа являются достаточно низкие информативность и эффективность отбраковки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 5. Отбраковку МОП-транзисторов по этому способу осуществляют счет облучения их электронами с энергией 4 МэВ и одновременного термоциклирования в диапазоне температур от минус 55 до 150 С в течение от 60 до 90 мин с последующим отжигом прошедших отбраковку облученных МОП-транзисторов. Однако этот способ отличается достаточной трудоемкостью из-за необходимости выполнения термоциклирования в широком диапазоне температур. Задача изобретения - повышение информативности отбраковочных испытаний и достоверности отбора МОП-транзисторов при оптимизации затрат на проведение испытаний. Способ отбора МОП-транзисторов для космической аппаратуры, при котором измеряют величину порогового напряжения упомянутых транзисторов, выдерживают транзисторы при температуре 1755 С и приложении смещения на их затворе, составляющего не более 80 от максимально установленного, в течение не менее 10 ч осуществляют облучение транзисторов электронами с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 11010 см-2 с-1 в течение от 20 до 30 мин, после чего транзисторы выдерживают при указанной температуре и смещении не менее 10 ч, вновь измеряют пороговое напряжение транзисторов и осуществляют их отбор по изменению этой величины, проводят отжиг прошедших отбор облученных МОП-транзисторов при температуре от 350 до 400 С в течение 15 мин. Новым, по мнению автора, является то, что облучение транзисторов проводят в течение от 20 до 30 мин при температуре 1755 С и приложении смещения на затворе транзистора, составляющего не более 80 от максимально установленного, причем транзисторы выдерживаются при указанной температуре и смещении в течение не менее 10 ч до облучения и в течение не менее 10 ч после облучения. Сущность предлагаемого способа заключается в обработке МОП-транзисторов небольшой дозой электронного облучения при одновременном проведении испытания транзисторов в режиме высокой температуры и смещении на затворе. Такая обработка позволяет реализовать условия, ускоряющие протекание деградационных процессов в подзатворном диэлектрике структуры, и по изменению порогового напряжения одного из основных па 2 17800 1 2013.12.30 раметров МОП-транзисторов произвести отбор транзисторов. Отбраковываются изделия,изменения параметров которых выходят за пределы обычного статистического распределения. В основу предлагаемого метода положены следующие физические явления. При воздействии ионизирующих излучений в МОП-транзисторах происходят следующие процессы 6 генерация и накопление заряда в защитном диэлектрике изменение заряда поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик радиационно-стимулированная адсорбция и диффузия ионов примеси на поверхности кристалла и в слоях МОП-структуры. Чувствительность МОП-транзисторов к воздействию излучения определяется как электрическим и тепловым режимами работы приборов, так и качеством их изготовления(наличие дефектов, как правило, увеличивает его радиационную чувствительность). Установлено, что при дозах тестового облучения 104-105 раду транзисторов с физикотехнологическими дефектами обнаруживаются аномальные изменения электрических параметров, а у приборов с небольшим количеством дефектов или бездефектных таких изменений значительно меньше. Так, количество накопленного при облучении в диэлектрике объемного заряда определяется дефектами роста пленки и количеством примесей в диэлектрике. Наличие указанных дефектов в МОП-транзисторах при одной и той же дозе излучения приводит к значительному сдвигу порогового напряжения по сравнению с транзисторами, не имеющими таких дефектов. Физико-технологической задачей заявляемого способа являлось определение условий ускоряющих обработок, которые позволят активизировать эти дефекты в подзатворном диэлектрике, поскольку именно эта область является главной причиной отказов МОПтранзисторов в результате облучения. Для таких приборов наиболее эффективными условиями оказались низкоинтенсивное электронное облучение при одновременном испытании транзисторов в режиме высокой температуры и смещении на затворе. Облучение проводят в течение от 20 до 30 мин при температуре 1755 С и приложении смещения на затворе транзистора, составляющего не более 80 от максимально установленного, причем транзисторы выдерживают при указанной температуре и смещении в течение не менее 10 ч до облучения и в течение не менее 10 ч после облучения, после чего измеряют пороговое напряжение транзисторов и проводят их отбор по изменению этого параметра. Указанные режимы испытаний установлены экспериментальным путем с учетом требований технических условий. Оценка эффективности отбора по заявляемому способу показала ее снижение за пределами указанных интервалов до 30 . Пример конкретного выполнения. Использовалась партия маломощных МОП-транзисторов с р-каналом в количестве 30 шт. Для чистоты эксперимента, с целью обеспечения однородной по электрическим характеристикам выбранной партии, перед испытаниями все приборы проходили предварительный контроль исходных параметров. Он показал, что все транзисторы имеют близкие (в пределах статистического разброса) значения электрических параметров и могут быть допущены к процедуре отбраковки. Отбор МОП-транзисторов с одинаковой радиационной стойкостью проводился по величине относительного изменения порогового напряжения ПОР-Ф/ПОР-О, где ПОР-О и ПОР-Ф - пороговое напряжение до и после обработки по заявляемому способу. Для облучения использовались ускоренные электроны с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 11010 см-2 с-1. Последовательность проведения (обработки) отбора 1. Транзисторы в количестве 30 шт. размещают в гермоизолированном контейнере перед выходным окном ускорителя электронов ЭЛУ-4. 2. В контейнере устанавливается температура 175 С, на затвор транзисторов подается смещение -20 В ( 80 от максимально установленного для данного типа транзисторов). В этих режимах транзисторы выдерживаются в течение 10 ч. 3 17800 1 2013.12.30 3. Включается ускоритель и при интенсивности пучка 11010 см-2 с-1, температуре 175 С и смещении -20 В проводится облучение транзисторов. По прошествии 25 мин ускоритель выключается. 4. После процедуры облучения транзисторы выдерживают в контейнере при температуре 175 С и смещении -20 В еще 10 ч. 5. Транзисторыизвлекают из контейнера и измеряют параметры. Статистика наблюдаемых изменений ПОР-Ф/ПОР-О следующая. Количество приборов, у которых это отношение увеличилось в среднем лишь до 30 , составило 4 шт. (группа 1). У 6 транзисторов отношение ПОР-Ф/ПОР-О возросло до 60-85(группа 2), а у остальных транзисторов изменение этого отношения лежало в интервале от 35 до 45(группа 3). 6. Из общего количества МОП-транзисторов (30 шт.), представленных на испытания,выявлены 20 изделий (группа 3), у которых изменения величины/ оказались практически одинаковыми. Это позволяет отобрать 3-ю группу транзисторов как равномерную по радиационной стойкости, пригодную для комплектации космической аппаратуры. 7. Отжиг облученных транзисторов проводился при 400 С в течение 35 мин. Была проведена экспериментальная проверка транзисторов из группы 3. С этой целью 7 транзисторов из этой группы облучались различными дозами электронов с энергией 4 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 21012 см-2 с-1 и на разных стадиях облучения измерялось пороговое напряжение. Установлено, что отобранные транзисторы действительно сохраняют работоспособность в пределах максимальной дозы облучения и выходят из строя одновременно. Таким образом, обработка МОП-транзисторов небольшой дозой электронного облучения при одновременном проведении испытания транзисторов в режиме высокой температуры и смещении на затворе может быть использована как эффективное средство для оперативного отбора транзисторов с равномерной по партии радиационной стойкостью,что обеспечит стабильность их работы в условиях космического пространства. ПОР-Ф Источники информации 1. Патент РФ 2254587, МПК 01 31/26, 31/28, 2005. 2. Патент РФ 2168735, МПК 01 31/26, 31/28, 2001. 3. Ведерников В.В. и др. Использование ионизирующих излучений для испытаний полупроводниковых приборов. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы,Вып. 7 (142), 1980. - С. 124-127. 4. Чернышев А. и др. Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем // Зарубежная электронная техника. - 1979. -5. - С. 3-25. 5. Патент РБ 15627, 2012. 6. Галеев А. и др. Отбор электронных изделий для аппаратуры, работающей в космосе // Электроника наука, технология, бизнес. - 2009. -1. - С. 42-44. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4