Способ разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности

Способ разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники, в частности предназначено для разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности.

Известен способ отбора изделий электронной техники по стойкости или надежности [1], включающий формирование представительной «обучающей» выборки для каждого типа разбраковки из испытуемой партии изделий, облучение ее небольшой дозой, вызывающей значимое изменение не менее двух параметров, указанных в технических условиях или дополнительных, построение распределения изделий выборки по степени изменения параметров, вызванного облучением, отжиг до восстановления параметров и испытание выборки на радиационную стойкость до достижения не менее 50% отказов - в случае разбраковки испытываемой партии на радиационную стойкость; испытание выборки на медианный ресурс или в течение требуемой наработки на отказ или в течение времени, необходимого для определения требуемого ресурса - в случае разбраковки испытываемой партии на надежность; испытание выборки на надежность при комбинированном действии облучения, тепловых и электрических нагрузок до получения не менее 50% отказов - в случае разбраковки испытываемой партии по уровням наработки на отказ в условиях комбинированного действия дестабилизирующих факторов.

Указанный способ наряду с очевидными достоинствами, такими как классификация изделий по группам радиационной стойкости и (или) надежности при различных условиях эксплуатации по результатам испытаний «обучающей» выборки, имеет и недостатки, заключающиеся в необходимости испытаний на радиационную стойкость и надежность представительной выборки и в невозможности указания предельной дозы облучения индивидуально для каждого изделия.

Известен также способ контроля МОП полупроводниковых приборов и интегральных схем на пластинах [2], в котором предлагается включение операции «облучение - отжиг» между операциями выборочного и 100%-ного контроля изделий, что позволяет выявить потенциально надежные изделия и отбраковать потенциально ненадежные изделия.

Достоинством этого способа является индивидуальный контроль надежности каждого изделия на пластине. Однако этот способ не позволяет осуществить определение радиационной стойкости каждого изделия из-за невозможности проведения облучения в электрическом режиме.

Наиболее близким аналогом - прототипом - изобретения является способ отбора радиационностойких изделий электронной техники [3], включающий 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. Возможно также облучение полной дозой, эквивалентной ожидаемой поглощенной дозе радиации в реальных условиях эксплуатации, и восстановление начальных параметров после облучения с помощью отжига при повышенной температуре.

Недостатком этого способа в части разделения изделий по изменению параметров при облучении малой дозой является невозможность определения дозы отказа, а в части облучения изделий до отказа - невозможность полного восстановления параметров при проведении длительного низкотемпературного отжига до первоначальных значений параметров изделий из-за накопления радиационных дефектов при облучении большой дозой, при которой возник отказ.

В заявляемом способе разделения интегральных микросхем по стойкости к воздействию ионизирующих излучений и надежности, включающем облучение партии микросхем малой дозой ионизирующего излучения (от нескольких крад до нескольких десятков крад), измерение их электрических параметров и последующий отжиг до стабилизации параметров, облучение проводят поэтапно с количеством этапов не менее двух, измеряют помимо стандартных параметров минимальное напряжение питания каждой микросхемы, при котором сохраняется ее функционирование, строят дозовые зависимости, описывающие изменение стандартных параметров и минимального напряжения функционирования под действием облучения, и с их помощью прогнозируют для каждой микросхемы дозу отказа, при которой хотя бы один стандартный параметр достигнет своего предельного значения или минимальное напряжение питания достигнет номинального значения напряжения питания микросхемы, а надежность микросхем определяют после их отжига по отклонению значения одного или нескольких стандартных параметров или минимального напряжения питания от их исходных значений до облучения.

При разработке способа исходили из того, что радиационная стойкость и надежность интегральных микросхем зависит от плотности дефектов пленок диэлектрика и на границе их с полупроводником. При облучении малой дозой (от нескольких крад до нескольких десятков крад) происходит накопление заряда на технологических дефектах, образовавшихся при изготовлении микросхемы, без значительного образования новых (радиационных) дефектов, что вызывает изменение стандартных параметров и минимального напряжения питания, при котором сохраняется функционирование микросхемы. Стандартные параметры определяются элементами на входах и выходах микросхемы, а минимальное напряжение питания характеризует работоспособность всех элементов микросхемы. Чем больше плотность дефектов, тем сильнее изменяются параметры микросхемы и тем при меньшей дозе будет достигнуто их предельное значение. Дозовая зависимость, параметры которой находятся для каждого образца микросхемы по результатам измерений после каждого этапа облучения стандартных параметров и минимального напряжения питания, при котором сохраняется функционирование, позволяет прогнозировать дозу отказа для каждого изделия в партии по достижению стандартными параметрами предельных значений и(или) минимальным напряжением питания номинального значения. При низкотемпературном отжиге происходит термический выброс заряда из точечных дефектов и сохранение его в крупных дефектах, которые находятся в образцах микросхем с аномально низкой надежностью [4]. Поэтому невосстановление параметров при отжиге позволяет выявить образцы микросхем с аномально низкой надежностью и, наоборот, полное восстановление или даже улучшение параметров свидетельствует о низкой плотности или отсутствии крупных дефектов и высоком уровне надежности.

В качестве примеров реализации предлагаемого способа приводим результаты исследования интегральных микросхем низкой (типа 564ИЕ14) и высокой (типа 28F020) степеней интеграции.

По изменению минимального напряжения питания прогнозировалась предельная доза ионизирующего излучения КМОП интегральной микросхемы типа 564ИЕ14. На чертеже показана дозовая зависимость минимального напряжения питания (U_пит)_мин этой микросхемы. По результатам измерения (U_пит)_мин при дозах облучения менее 10 крад были определены параметры функции вида (U_пит)_мин=ADⁿ+(u_пит)_мин0, описывающей дозовую зависимость (U_пит)_мин:n=0,512, А=0,664рад^-0,512. При (U_пит)_мин=5 В прогнозируемая доза отказа получилась равной D_отк=27,13 крад. Эксперимент показал отказ микросхемы при дозе 30 крад. Таким образом, погрешность предлагаемого способа прогнозирования дозы отказа в этом случае составила ˜9,6%.

Возможность прогнозирования дозы отказа по изменению (U_пит)_мин проверялась также и на микросхемах высокой степени интеграции флеш-памяти типа 28F020 с объемом памяти 2 Мбит. Результаты измерения (U_пит)_мин после облучения, результаты прогноза и экспериментальной проверки дозы отказа представлены в табл.1. Как можно видеть, погрешность прогноза не превышает 10%. Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить индивидуальную дозу отказа каждой микросхемы и произвести разделение партии микросхем по их радиационной стойкости.

Результаты отжига микросхем флеш-памяти при температуре 90°С в течение 473 часов после облучения дозой 10 крад представлены в табл.2. Как видно, партия микросхем разделилась на 3 группы с высокой, средней и низкой плотностями крупных дефектов соответственно. Микросхемы с низкой плотностью крупных дефектов (или их отсутствием) характеризуются повышенным уровнем надежности, и такие образцы рекомендуются для использования в высоконадежной аппаратуре (например, в бортовой аппаратуре космических аппаратов). Микросхемы с высокой плотностью крупных дефектов должны быть отбракованы как характеризующиеся аномально низким уровнем надежности.

Таким образом, предлагаемый способ разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности технологичен, позволяет определить для каждой микросхемы значение дозы отказа и уровень надежности и не ухудшает эксплуатационных характеристик интегральных микросхем.

Литература

1. Способ отбора изделий электронной техники по стойкости и надежности (Патент РФ №2168735, МКИ G 01 R 31/26, 31/28, опубликован 10.06.2001, бюл. №16).

2. Способ контроля МОП-полупроводниковых приборов и интегральных схем на пластинах. (Патент РФ №2073254, МКИ G 01 R 31/26, опубликован 10.02.97, бюл. №4).

3. Чернышев 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.

4. Попов В.Д. Пострадиационный эффект в ИС. Неразрушающий контроль качества ИС-электронника: Наука, Технология, Бизнес. 2002. №4. С.36-39.

Таблица 1Способ разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности
№№	(Uпит)мин, В	Прогноз Dотк	Эксперимент
	D=0	D=4 крад	D=8 крад	D=10 крад		40 крад	50 крад
1	1,29	1,91	2,37	2,39	38 крад	отказ	-
2	1,27	1,89	2,37	2,50	45 крад	функц.	отказ
3	1,32	2,05	2,55	2,60	43 крад	функц.	отказ
4	1,25	1,97	2,44	2,58	50 крад	функц.	отказ
5	1,27	1,92	2,37	2,45	54 крад	функц.	отказ
6	1.32	1,89	2,22	2,29	63 крад	функц.	функц.

Таблица 2
(Uпит)мин, В	1,60	1,59	1,50	2,95	1,59	1,61	1,66	3,09	1,62	1,35	1,30
Уровень плотности дефектов	ср.	ср.	ср.	вые.	ср.	ср.	ср.	выс.	ср.	низ.	низ.
Примечание: Уровень плотности крупных дефектов: выс. - высокий, ср. - средний, низ. - низкий.

Способ разделения интегральных микросхем по стойкости к воздействию ионизирующих излучений и надежности, включающий облучение партии микросхем малой дозой ионизирующего излучения, измерение их электрических параметров и последующий их отжиг до стабилизации параметров, отличающийся тем, что облучение проводят поэтапно с количеством этапов не менее двух, измеряют помимо стандартных параметров минимальное напряжение питания каждой микросхемы, при котором сохраняется ее функционирование, строят дозовые зависимости, описывающие изменение стандартных параметров и минимального напряжения функционирования под действием облучения, и с их помощью прогнозируют для каждой микросхемы дозу отказа, при которой хотя бы один стандартный параметр достигнет своего предельного значения или минимальное напряжение питания достигнет номинального значения напряжения питания микросхемы, а надежность микросхемы определяют после отжига по отклонению значения одного или нескольких стандартных параметров или минимального напряжения питания от их исходных значений до облучения.