[go: up one dir, main page]

RU2466417C1 - Method of selecting cmos/soi transistor structures resistant to effect of full absorbed dose of ionising radiation - Google Patents

Method of selecting cmos/soi transistor structures resistant to effect of full absorbed dose of ionising radiation Download PDF

Info

Publication number
RU2466417C1
RU2466417C1 RU2011128474/28A RU2011128474A RU2466417C1 RU 2466417 C1 RU2466417 C1 RU 2466417C1 RU 2011128474/28 A RU2011128474/28 A RU 2011128474/28A RU 2011128474 A RU2011128474 A RU 2011128474A RU 2466417 C1 RU2466417 C1 RU 2466417C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tid
lsi
value
mos
change
Prior art date
Application number
RU2011128474/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Николаевич Качемцев (RU)
Александр Николаевич Качемцев
Владимир Константинович Киселев (RU)
Владимир Константинович Киселев
Владимир Дмитриевич Скупов (RU)
Владимир Дмитриевич Скупов
Сергей Леонидович Торохов (RU)
Сергей Леонидович Торохов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова"
Priority to RU2011128474/28A priority Critical patent/RU2466417C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2466417C1 publication Critical patent/RU2466417C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: in the method of selecting CMOS/SOI transistor structures which are resistant to the effect of full absorbed dose of ionising radiation, for each process solution, an additional pair of n- and p-channel transistor channels made from the same technology is formed on the chip along with the main LSI circuit; for limited sampling, LSI specimens are removed discretely with a step of about 100 krad(Si) in the TID range from zero to the level of requirements for resistance of the LSI to the effect of maximum TID plus 20% of the relationship ID=f(VGs); data are obtained therefrom on change in shift of threshold voltage ΔVTH from the TID value through a dose of not less than about 1000 rad(Si)·s-1 taking into account manufacturing tolerance and possible boundaries of variation of the relationship VTH(TID); lower
Figure 00000062
and upper
Figure 00000063
allowable boundaries of relationships VTH(TID) of transistors of both conductivity types are approximated; the dispersion of measured values
Figure 00000064
is determined for each fixed TID value; the value ΔVTH(↑↓) without exposure is determined for the minimum on the curve
Figure 00000065
for an n-channel transistor and for the virtually achieved maximum level of exposure; ΔVth(↑↓) is determined for the same conditions for all possible combinations of differences "VTh(TID)-Up" and "Vth(TID)-Down" of n-MOS and p-MOS transistors, ΔVth(↑↓) is determined for three fixed LSI TID values; the LSI are ranked on four gradations of the observed values of ΔVth(↑↓): "high" ("1") - maximum change; "significant" ("2") - strong change; "average" ("3") - moderate changes; "low" ("4") - weak changes, which on the average value are sorted as "1"%:"2"%:"3"%:"4"%, where the "low" gradation is taken as 100%; ΔVth(↑↓) is measured for non-exposed industrial LSI specimens and the results of ranking exposed specimens are used to determine the possibility of using in exposure conditions those specimens for which the gradation of change in the value of ΔVth(↑↓) corresponds to categories "4" and "3".
EFFECT: possibility of selecting industrial LSI which are resistant to TID effects without conducting an exposure experiment to measure radiation drift of threshold voltage ΔVth.
7 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к оценке уровня стойкости больших интегральных схем (БИС) на основе структур «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП) к воздействию дозовых эффектов от импульсного ионизирующего излучения при реализации варьирующихся технологических процессов.The invention relates to the field of measurement technology, in particular to assessing the resistance level of large integrated circuits (LSI) based on metal-dielectric-semiconductor (MIS) structures to the effects of dose effects from pulsed ionizing radiation when implementing varying technological processes.

В современной электронике широкое распространение получили комплементарные, т.е. взаимодополняющие, структуры «металл-оксид-полупроводник» (КМОП), сформированные в тонком приборном слое кремния на сапфировой подложке (КМОП/КНС) или в гетероэпитаксиальных структурах со скрытым слоем изолятора из диоксида кремния (КМОП/КНИ). Такие структуры имеют общее название «кремний-на-диэлектрике» (КНД).In modern electronics, complementary, i.e. complementary metal-semiconductor (CMOS) structures formed in a thin silicon instrument layer on a sapphire substrate (CMOS / CNS) or in heteroepitaxial structures with a hidden silicon dioxide insulator (CMOS / SOI) layer. Such structures have the common name "silicon-on-dielectric" (KND).

При проведении импульсных радиационных исследований интегральных схем, изготовленных по технологии КНД, актуальной задачей является контроль уровня стойкости к дозовым эффектам (эффектам полной интегральной дозы - Total Integrated Dose, TID), вызванным генерацией радиационно-индуцированных зарядов Qot, в подзатворный диэлектрик и на уровни дефектов структуры на границе раздела «полупроводник - диэлектрик» - Qit. Это особенно важно для слоев p-типа проводимости («p-карманов»), в которых формируются n-канальные полевые транзисторы структуры МОП/КНД (далее КНД).When conducting pulsed radiation studies of integrated circuits manufactured by the KND technology, the urgent task is to control the level of resistance to dose effects (Total Integrated Dose (TID) effects caused by the generation of radiation-induced charges Q ot , into the gate insulator and to the levels structural defects at the semiconductor - insulator interface - Q it . This is especially important for p-type conductivity layers (“p-pockets”) in which n-channel field effect transistors of the MOS / KND structure (hereinafter referred to as KND) are formed.

Статистический разброс радиационного изменения основных электрофизических характеристик (ЭФХ) транзисторных структур технологии КМОП, как основных элементов БИС, связан непосредственно как со статистической природой взаимодействия фотонного излучения с материалами электронной техники (фотоэффект, эффект комптоновского рассеяния, генерации электронно-дырочных пар), так и с неравномерностью ЭФХ исходных гетероструктур КНД по площади их поверхности, технологическими особенностями производства, что в целом определяет различия в уровне стойкости отдельных образцов чипов БИС, изготовленных с использованием конкретных технологических особенностей.The statistical spread of the radiation change in the basic electrophysical characteristics (EPC) of the transistor structures of CMOS technology, as the main elements of the LSI, is directly related to the statistical nature of the interaction of photon radiation with electronic materials (photoelectric effect, Compton scattering effect, electron-hole pair generation), and the non-uniformity of the EPC of the initial KND heterostructures according to their surface area, technological features of production, which generally determines the differences in the level e durability individual samples LSI chip fabricated using specific process features.

Для отбора стойких к воздействию TID образцов БИС технологии КМОП/КНД используют сочетание экспериментальных исследований и физических представлений о механизме взаимодействия фотонного излучения с материалами электронной техники. Так, в /1-3/ после облучения рентгеновскими или гамма-квантами образцов БИС контролируют подвижность µ основных носителей заряда в качестве критерия оценки стойкости к эффектам TID. Однако при использовании в качестве источника ионизирующего излучения (ИИ) рентгеновских источников с низкой энергией (до 100 кэВ) и с низкой мощностью экспозиционной дозы (до 103Р·с-1) практически не образуется дефектов структуры, которые влияют на генерацию зарядов Qit и перенос носителей заряда в полупроводниковом материале. Такой «допороговый» механизм связан только с перезарядкой исходного примесно-дефектного состава (ПДС) гетероструктуры и, следовательно, не может быть сведен только к подвижности µ носителей заряда в полупроводнике.A combination of experimental studies and physical ideas about the mechanism of interaction of photon radiation with electronic equipment materials are used to select TID-resistant LSI samples of CMOS / KND technology. So, in / 1-3 / after irradiation with X-ray or gamma-quanta of LSI samples, the mobility µ of the main charge carriers is controlled as a criterion for assessing resistance to TID effects. However, when using X-ray sources with a low energy (up to 100 keV) and a low exposure dose rate (up to 10 3 P s -1 ) as a source of ionizing radiation (II), practically no structural defects that affect the charge generation Q it and charge transfer in a semiconductor material. Such a “subthreshold” mechanism is associated only with the recharging of the initial impurity-defective composition (PDS) of the heterostructure and, therefore, cannot be reduced only to the mobility μ of charge carriers in the semiconductor.

Известен также способ отбора стойких БИС к воздействию эффектов TID, который выбран в качестве прототипа /4/. Для реализации учета неэквивалентности низкоэнергетического воздействия рентгеновского излучения и эталонного спектра используют результаты обработки экспериментальных данных на моделирующей ИИ установке с мощностью дозы рентгеновского излучения РX-Ray=1800 рад(Si)·с-1 и эталонном нуклидном источнике гамма-квантов Со60 со средней энергией квантов

Figure 00000001
.There is also a method of selecting resistant LSI to the effects of TID, which is selected as a prototype / 4 /. To take into account the nonequivalence of the low-energy exposure to x-rays and the reference spectrum, we use the results of processing the experimental data on a simulating AI device with an X-ray dose rate of P X-Ray = 1800 rad (Si) · s -1 and a reference nuclide source of Co 60 gamma quanta with an average quantum energy
Figure 00000001
.

Процедура отбора включает следующие стадии: 1) вначале тестовую структуру КНД, разработанную и изготовленную с использованием 3-х технологических режимов «А», «В» и «С», поочередно облучают ИИ каждого источника для снятия зависимостей тока стока IDD транзисторов КНД тестовой структуры, расположенной на чипе БИС, для лабораторного (X-Ray) и эталонного (Со60) источников от величины TID≡D

Figure 00000002
, при этом мощность дозы источника Со60 РγX-Rау=Const, Рγ≥103 paд(Si)·c-l /5, 6/; 2) снимают зависимость тока утечки межтранзисторных структур IL для условий облучения на эталонном источнике Со60 от поглощенной дозы TID рентгеновских и гамма-квантов
Figure 00000003
, при этом Pγ=106 рад(SiO2)·с-1, то же производят для условий облучения на источнике X-Ray; 3) строят корреляционную зависимость тока стока при условиях нормального функционирования электрической схемы БИС (напряжение «сток-исток» VDD=5 В) для условий облучения на источнике Со60γ=106 paд(SiO2)·c-l) от тока утечки, снятой для условий облучения на источнике X-Ray (Pγ=1800 рад(SiO2)·с-1)
Figure 00000004
; 4) затем строится зависимость тока стока IDD от TID в диапазоне 10-2…10 Мрад (SiO2) для трех модификаций технологического маршрута «А», «В» и «С», например, на моделирующей установке (ускоритель протонов с энергией 230 МэВ) критерий отбора составляет IDD=3 мА; РX-Ray=106 paд(SiO2)·c-l); 5) контролируют изменение сдвига порогового напряжения VTH, зависимость IDD от TID источника X-Ray и Со60 и корреляционную зависимость тока IDD с
Figure 00000005
;
Figure 00000006
;
Figure 00000007
при TID=Const,
Figure 00000008
;
Figure 00000009
,
Figure 00000010
при TID=Const; 6) выбирают критерии отказов по IDD до и VTH для выбранного уровня по TID для источника X-Ray для разных технологий
Figure 00000011
, a критерий отказа задают по требуемому значению IDD.The selection procedure includes the following stages: 1) first, the KND test structure, designed and manufactured using 3 technological modes "A", "B" and "C", is irradiated with the AI of each source in order to remove the dependences of the drain current I DD transistors of the KND test structure located on the LSI chip for laboratory (X-Ray) and reference (Co 60 ) sources from TID≡D
Figure 00000002
while the dose rate of the source Co 60 P γ = P X-Rau = Const, P γ ≥10 3 rad (Si) · s -l / 5, 6 /; 2) remove the dependence of the leakage current of the transistor structures I L for the irradiation conditions at a reference source of 60 from the absorbed dose of TID x-ray and gamma rays
Figure 00000003
while P γ = 10 6 rad (SiO 2 ) · s -1 , the same is done for the exposure conditions at the source of X-Ray; 3) build the correlation dependence of the drain current under conditions of normal functioning of the LSI circuit (voltage "drain-source" V DD = 5 V) for the conditions of irradiation at a source of Co 60 (P γ = 10 6 rad (SiO 2 ) · s -l ) from the leakage current measured for the exposure conditions at the X-Ray source (P γ = 1800 rad (SiO 2 ) · s -1 )
Figure 00000004
; 4) then, the dependence of the drain current I DD on TID is constructed in the range 10 -2 ... 10 Mrad (SiO 2 ) for three modifications of the technological route “A”, “B” and “C”, for example, on a simulator (proton accelerator with energy 230 MeV) selection criterion is I DD = 3 mA; P X-Ray = 10 6 rad (SiO 2 ) s- l ); 5) control the change in the shift of the threshold voltage V TH , the dependence of I DD on the TID of the X-Ray and Co 60 source and the correlation dependence of the current I DD s
Figure 00000005
;
Figure 00000006
;
Figure 00000007
with TID = Const,
Figure 00000008
;
Figure 00000009
,
Figure 00000010
at TID = Const; 6) select failure criteria according to I DD to and V TH for the selected level by TID for the X-Ray source for different technologies
Figure 00000011
, a failure criterion is set according to the required value of I DD .

Недостатком такого способа является необходимость выполнения значительного объема облучательных экспериментов со всей партией БИС для выполнения поставленной цели - реализации способа отбора стойких к воздействию полной интегральной дозы ИИ транзисторных структур технологии КМОП/КНД.The disadvantage of this method is the need to perform a significant amount of irradiation experiments with the entire batch of LSI to achieve the goal - the implementation of the method of selection of CMOS / KND technology resistant to the effects of the full integral dose of AI transistor structures.

Альтернативой такому способу является предлагаемый способ, основанный на измерении радиационного сдвига («дрейфа») порогового напряжения ΔVTH(D) транзисторных структур МОП с n- и p-каналами, встроенными в чип с контролируемыми БИС технологии КМОП/КНД.An alternative to this method is the proposed method, based on the measurement of the radiation shift ("drift") of the threshold voltage ΔV TH (D) of MOS transistor structures with n- and p-channels embedded in a chip with LSI-controlled CMOS / KND technology.

Техническим результатом заявляемого способа является процедура отбора стойких к эффектам TID БИС технологии КМОП/КНД по результатам предварительного облучения ограниченной выборки БИС со встроенными тестовыми структурами на основе пары транзисторов КМОП/КНД на моделирующем источнике рентгеновского излучения и эталонном нуклидном источнике Со60 и возможностью дальнейшего отбора стойких к эффектам TID промышленных БИС без проведения облучательного эксперимента по измерению радиационного дрейфа порогового напряжения ΔVTH(D).The technical result of the proposed method is the selection procedure for TID-resistant LSI CMOS / KND technologies based on preliminary irradiation of a limited selection of LSIs with built-in test structures based on a pair of CMOS / KND transistors on a simulating x-ray source and a reference nuclide source With 60 and the possibility of further selection of stable TID effects of industrial LSIs without conducting an irradiation experiment to measure the radiation drift of the threshold voltage ΔV TH (D).

Технический результат достигается тем, что в способе отбора стойких к воздействию полной поглощенной дозы ионизирующего излучения БИС на основе транзисторных структур технологии КМОП/КНД путем статистической обработки экспериментальных данных по изменению сдвига порогового напряжения ΔVTH на выходной характеристике «ток стока - от напряжения между затвором и истоком» ID=f(VGS) n- и p-канальных транзисторов пары КМОП в зависимости от полной интегральной дозы ионизирующего излучения (TID), для чего для каждого технологического решения формируют на чипе наряду с основной схемой БИС дополнительную пару n- и p-канальных транзисторных структур, изготовленных по той же технологии, для ограниченной выборки образцов БИС снимают дискретно с шагом ~100 крад(Si) в диапазоне TID от нуля до уровня требований по стойкости БИС к воздействию максимальной TID плюс 20% зависимости ID=f(VGS) для n- и p-канальных транзисторных структур, получают по ним данные по изменению сдвига порогового напряжения ΔVTH от величины TID с мощностью дозы не менее ~1000 рад(Si)·с-1 с учетом технологического разброса и возможных границ изменения зависимости VTH(TID), производят аппроксимацию нижних

Figure 00000012
и верхних
Figure 00000013
допустимых границ зависимостей VTH(TID) транзисторов обоего типа проводимости, определяют для каждого фиксированного значения TID разброс измеренных значений
Figure 00000014
, определяют значения ΔVTH(↑↓) в отсутствие облучения, для минимума на графике зависимости
Figure 00000015
для n-канального транзистора и для практически достигнутого максимального уровня облучения, определяют для тех же условий ΔVTH(↑↓) для верхнего значения «VTH(TID)-Up» транзистора n-МОП и нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора p-МОП, ΔVTH(↑↓) для верхнего значения «VTH(TID)-Up» транзистора n-МОП и верхнего значения «VTH(TID)-Vp» транзистора p-МОП, ΔVTH(↑↓) для нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора n-МОП и нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора p-МОП, ΔVTH(↑↓) для нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора n-МОП и верхнего значения «VTH(TID)-Up» транзистора p-МОП, ранжируют облученную выборку образцов по полученным максимальным значениям величин радиационного дрейфа зависимостей вида ΔVTH(↑↓)=f(TID) для транзисторов n-МОП и p-МОП для ряда предельных случаев при трех фиксированных значениях величины TID БИС на четыре градации наблюдаемых величин ΔVTH(↑↓): «высшую» («1») - максимальное изменение; «значимую» («2») - сильное изменение; «среднюю» «3» - умеренные изменения; «малую» («4») - слабые изменения, которые по средней величине соотносятся как «1»%:«2»%:«3»%:«4»%, где за 100% принята «малая» градация, производят измерения ΔVTH(↑↓) у необлученных промышленных образцов БИС и по результатам ранжирования облученных образцов судят о возможностях использования в условиях облучения таких БИС, у которых градация изменения величины ΔVTH(↑↓) соответствует категориям «4» и «3».The technical result is achieved by the fact that in the method of selection of LSIs resistant to the effects of the total absorbed dose of ionizing radiation based on transistor structures of CMOS / KND technology by statistical processing of experimental data on the change in the threshold voltage shift ΔV TH on the output characteristic "drain current from voltage between the gate and source ”I D = f (V GS ) of n- and p-channel transistors of a CMOS pair depending on the total integrated dose of ionizing radiation (TID), for which, for each technological solution, Along with the main LSI circuit, an additional pair of n- and p-channel transistor structures manufactured using the same technology is chopped on a chip, for a limited sample of LSI samples, they are discretely taken with a step of ~ 100 crad (Si) in the TID range from zero to the level of resistance requirements LSI for the effect of maximum TID plus 20% of the dependence I D = f (V GS ) for n- and p-channel transistor structures; data on them are obtained on the change in the threshold voltage shift ΔV TH on the value of TID with a dose rate of at least ~ 1000 rad ( Si) · s -1 taking into account the technological spread and possible gr anits changes in the dependence V TH (TID), approximate the lower
Figure 00000012
and upper
Figure 00000013
permissible dependencies of the dependences V TH (TID) of transistors of both types of conductivity; for each fixed value of TID, the scatter of the measured values
Figure 00000014
, determine the values ΔV TH (↑ ↓) in the absence of irradiation, for a minimum in the dependence graph
Figure 00000015
for the n-channel transistor and for the practically reached maximum level of exposure, determine for the same conditions ΔV TH (↑ ↓) for the upper value "V TH (TID) -Up" of the n-MOS transistor and the lower value "V TH (TID) - Down "of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the upper value of" V TH (TID) -Up "of the n-MOS transistor and the upper value of" V TH (TID) -Vp "of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the lower value of “V TH (TID) -Down” of the n-MOS transistor and the lower value of “V TH (TID) -Down” of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the lower value of “V TH (TID) -Down "of the n-MOS transistor and the upper value of" V TH (TID) -Up "of the p-M transistor OD, rank the irradiated sample of samples according to the obtained maximum values of the radiation drift of dependences of the form ΔV TH (↑ ↓) = f (TID) for n-MOS and p-MOS transistors for a number of limiting cases with three fixed values of the LSI TID value for four gradations of the observed quantities ΔV TH (↑ ↓): "highest"("1") - maximum change; “Significant” (“2”) - a strong change; “Average” “3” - moderate changes; “Small” (“4”) - weak changes, which are correlated by the average value as “1”%: “2”%: “3”%: “4”%, where “small” gradation is taken as 100%, measure ΔV TH (↑ ↓) for non-irradiated industrial LSI samples and according to the results of the ranking of irradiated samples judge the possibilities of using such LSIs under irradiation conditions for which the gradation of the change in ΔV TH (↑ ↓) corresponds to categories "4" and "3".

На Фиг.1 показана типичная зависимость тока стока IDD транзистора структуры МОП от величины полной интегральной дозы TID(SiO2), поглощенной в подзатворном диэлектрике SiO2.Figure 1 shows a typical dependence of the drain current I DD of the MOS transistor structure on the value of the total integrated dose TID (SiO 2 ) absorbed in the gate dielectric SiO 2 .

На Фиг.2 показан радиационный сдвиг интерфейсной компоненты ΔVit и объемной компоненты ΔVot порогового напряжения на выходных вольтамперных характеристиках IDD=f(VGS) транзисторов структуры p-МОП и n-МОП.Figure 2 shows the radiation shift of the interface component ΔV it and the volume component ΔV ot of the threshold voltage at the output current-voltage characteristics I DD = f (V GS ) of the transistors of the p-MOS and n-MOS structures.

На Фиг.3 показан радиационный сдвиг порогового напряжения ΔVTH и его объемной ΔVot и интерфейсной ΔVit составляющих в относительных единицах от величины полной интегральной дозы в относительных единицах.Figure 3 shows the radiation shift of the threshold voltage ΔV TH and its volume ΔV ot and interface ΔV it components in relative units of the total integral dose in relative units.

На Фиг.4 показаны зоны доминирующего влияния на сдвиг порогового напряжения ΔVTH объемных и интерфейсных радиационно-индуцированных зарядов в структуре n-МОП и зона их суперпозиции в структуре p-МОП.Figure 4 shows the zone of dominant influence on the shift of the threshold voltage ΔV TH of volumetric and interface radiation-induced charges in the structure of n-MOS and the zone of their superposition in the structure of p-MOS.

На Фиг.5 показана экспериментальная зависимость от полной интегральной дозы (по оси Х в отн. ед.) ионизирующего излучения пороговых напряжений VTH тестовых транзисторов МОП (по оси Y в B): а) n-канальных; б) p-канальных.Figure 5 shows the experimental dependence on the total integral dose (along the X axis in relative units) of ionizing radiation of threshold voltage V TH of the MOS test transistors (along the Y axis in B): a) n-channel; b) p-channel.

На Фиг.6 показана аппроксимация нижних (а) и верхних (б) допустимых границ зависимостей VTH от полной интегральной дозы (TID) гамма-излучения пороговых напряжений тестового транзистора n-МОП.Figure 6 shows the approximation of the lower (a) and upper (b) allowable limits of the dependences of V TH on the total integrated dose (TID) of gamma radiation threshold voltage of the n-MOS test transistor.

На Фиг.7 показаны возможные сочетания радиационного сдвига порогового напряжения ΔVTH(↑↓) между верхними значениями

Figure 00000016
и нижними значениями
Figure 00000017
n- и p-канального транзисторов МОП.7 shows possible combinations of the radiation shift of the threshold voltage ΔV TH (↑ ↓) between the upper values
Figure 00000016
and lower values
Figure 00000017
n- and p-channel MOS transistors.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

При облучении транзисторов МОП радиационный сдвиг порогового напряжения на выходной ВАХ IDD=f(VGS) на Фиг.2 вызван двумя конкурирующими процессами - радиационно-индуцированным сдвигом ΔVit, соответствующим накоплению заряда Qit интерфейсе «Si/SiO2», и радиационно-индуцированным сдвигом ΔVot, соответствующим захвату заряда Qot в объеме подзатворного диэлектрика, как это показано на Фиг.3. В транзисторе структуры n-МОП процесс первого рода является доминирующим при больших уровнях облучения, а величина ΔVit имеет положительное значение, и поэтому результирующий сдвиг ΔVTH после некоторого максимума начинает опять уменьшаться (Фиг.4). В транзисторе структуры p-МОП величина ΔVit имеет отрицательное значение и вместе со сходным изменением ΔVot вызывает устойчивое увеличение с ростом TID отрицательного значения ΔVTH /7/ (Фиг.4). Результирующий эффект представлен на Фиг.5 /8/. Подзатворный узел представляют в виде конденсатора МОП, для которого справедливо равенство (1) /6/When the MOS transistors are irradiated, the radiation shift of the threshold voltage at the output I – V characteristic I DD = f (V GS ) in FIG. 2 is caused by two competing processes — the radiation-induced shift ΔV it corresponding to the charge accumulation Q it to the Si / SiO 2 interface and radiation -induced shift ΔV ot corresponding to the capture of charge Q ot in the volume of the gate dielectric, as shown in Fig.3. In the transistor of the n-MOS structure, the first kind process is dominant at high levels of irradiation, and ΔV it has a positive value, and therefore the resulting shift ΔV TH after a certain maximum begins to decrease again (Figure 4). In the transistor of the p-MOSFET structure, the ΔV it value has a negative value and, together with a similar change in ΔV ot, causes a steady increase in the negative value ΔV TH / 7 / with increasing TID (Figure 4). The resulting effect is presented in Fig.5 / 8 /. The gate assembly is represented as a MOS capacitor, for which equality (1) / 6 /

Figure 00000018
Figure 00000018

где С - емкость узла; ε - относительная диэлектрическая постоянная материала подзатворного диэлектрика; ε0 - абсолютная диэлектрическая константа вакуума; S - площадь затвора; tOX - толщина оксида диэлектрика. Емкость С и заряд Q в конденсаторе связаны простым соотношениемwhere C is the capacity of the node; ε is the relative dielectric constant of the gate dielectric material; ε 0 is the absolute dielectric constant of the vacuum; S is the area of the shutter; t OX is the thickness of the dielectric oxide. The capacitance C and the charge Q in the capacitor are connected by a simple relation

Figure 00000019
Figure 00000019

где V - приложенное напряжение.where V is the applied voltage.

Так как радиационно-индуцированный заряд с ростом TID возрастает, а приложенное внешнее напряжение в связи с этим уменьшается из-за компенсации электрическим полем этого заряда, то из (2) следует, что эквивалентная емкость узла должна также возрастать, что вызывает ухудшение частотных свойств. В соответствии с (1) при сохранении всех топологических параметров это можно приписать только эквивалентному росту толщины подзатворного оксида tOX, или SPICE-параметру «ТОХ».Since the radiation-induced charge increases with increasing TID, and the applied external voltage decreases due to the compensation of this charge by the electric field, it follows from (2) that the equivalent node capacitance should also increase, which causes a deterioration in the frequency properties. In accordance with (1), while maintaining all topological parameters, this can be attributed only to the equivalent increase in the thickness of the gate oxide t OX , or to the SPICE parameter “TOX”.

Для современных БИС технологии КМОП/КНИ справедливо соотношение, устанавливающее связь между сдвигом порогового напряжения ΔVTH и компонентой ΔVot/7/:For modern LSI CMOS / SOI technology, a relationship is established that establishes a relationship between the shift of the threshold voltage ΔV TH and the component ΔV ot / 7 /:

Figure 00000020
Figure 00000020

Радиационно-стимулированное приращение заряда в объеме подзатворного диэлектрика в соотношении (3) можно представить следующим образом:The radiation-induced charge increment in the volume of a gate dielectric in the relation (3) can be represented as follows:

Figure 00000021
Figure 00000021

где D - поглощенная доза ИИ [рад(SiO2)]; kg - постоянная генерации носителей заряда [рад(SiO2)-1]; fit - доля (фракция) числа носителей заряда, не рекомбинировавших в интерфейсе «Si/SiO2»; fot - доля (фракция) числа носителей заряда, не рекомбинировавших в объеме диэлектрика.where D is the absorbed dose of AI [rad (SiO 2 )]; k g - carrier generation constant [rad (SiO 2 ) -1 ]; f it is the fraction (fraction) of the number of charge carriers that have not recombined in the Si / SiO 2 interface; f ot is the fraction (fraction) of the number of charge carriers that have not recombined in the volume of the dielectric.

В способе отбора стойких к воздействию полной поглощенной дозы ионизирующего излучения транзисторных структур технологии КМОП/КНД на чипе с основной БИС указанной технологии формируют в едином технологическом цикле тестовую транзисторную структуру КМОП/КНД, в состав которой входит как n-канальный, так и p-канальный транзисторы МОП. Статистически обрабатывают экспериментальные данные по изменению сдвига порогового напряжения ΔVTH на выходной характеристике «ток стока - от напряжения между затвором и истоком» ID=f(VGS) n- и p-канальных транзисторов пары КМОП для каждого технологического решения в зависимости от полной интегральной дозы ионизирующего излучения (TID).In the method for selecting transistor structures that are resistant to the full absorbed dose of ionizing radiation, the CMOS / KND technologies on a chip with the main LSI of this technology form a test transistor CMOS / KND structure in a single technological cycle, which includes both n-channel and p-channel MOS transistors. The experimental data on the change in the threshold voltage shift ΔV TH are statistically processed on the output characteristic “drain current versus voltage between the gate and source” I D = f (V GS ) of n- and p-channel transistors of a CMOS pair for each technological solution, depending on the full integral dose of ionizing radiation (TID).

Дискретно снимают с шагом ~100 крад(Si) зависимости ID=f(VGS) для n- и p-канальных транзисторных структур в диапазоне TID от нуля до уровня требований по стойкости БИС к воздействию максимальной TID плюс 20% для учета дозиметрической погрешности, получают по ним данные по изменению сдвига порогового напряжения ΔVTH от величины TID с мощностью дозы не менее 1000 рад(Si)·с-1 с учетом технологического разброса и возможных границ изменения зависимости VTH(TID), производят аппроксимацию нижних

Figure 00000022
и верхних
Figure 00000023
допустимых границ зависимостей VTH(TID) транзисторов обоего типа проводимости, определяют для каждого фиксированного значения TID разброс измеренных значений
Figure 00000024
, определяют значения ΔVTH(↑↓) в отсутствие облучения, для минимума на графике зависимости
Figure 00000025
, для n-канального транзистора и для практически достигнутого максимального уровня облучения. Определяют для тех же условий ΔVTH(↑↓) для верхнего значения «VTH(TID)-Up» транзистора n-МОП и нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора p-МОП, ΔVTH(↑↓) для верхнего значения «VTH(TID)-Up» транзистора n-МОП и верхнего значения «VTH(TID)-Up» транзистора p-МОП, ΔVTH(↑↓) для нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора n-МОП и нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора p-МОП, ΔVTH(↑↓) для нижнего значения «VTH(TID)-Down» транзистора n-МОП и верхнего значения «VTH(TID)-Up» транзистора p-МОП, в соответствии со схемой Фиг.7. Затем ранжируют облученную выборку образцов БИС по полученным максимальным значениям величин радиационного сдвига зависимостей вида ΔVTH(↑↓)=f(TID) для транзисторов n-МОП и p-МОП для ряда предельных случаев при трех фиксированных значениях величины TID (1 - без облучения; 2 - для минимума
Figure 00000026
для структуры n-МОП; 3 - для TID=1000 у.e.) на четыре градации наблюдаемых величин ΔVTH(↑↓): «высшую» («1») - максимальное изменение; «значимую» («2») - сильное изменение; «среднюю» «3» - умеренные изменения; «малую» («4») - слабые изменения, которые по средней величине соотносятся как «1»%:«2»%:«3»%:«4»%, где за 100% принята «малая» градация, производят измерения ΔVTH(↑↓) у необлученных промышленных образцов БИС и по результатам ранжирования облученных образцов судят о возможностях использования в условиях облучения таких БИС, у которых градация изменения величины ΔVTH(↑↓) соответствует категориям «4» и «3».The I D = f (V GS ) dependences for n- and p-channel transistor structures in the TID range from zero to the level of requirements for the LSI resistance to the effects of the maximum TID plus 20% are taken discretely in increments of ~ 100 crad (Si) to account for the dosimetric error , they obtain data on the change in the shift of the threshold voltage ΔV TH from the TID value with a dose rate of at least 1000 rad (Si) · s -1 , taking into account the technological spread and possible limits of variation of the dependence V TH (TID), approximate the lower
Figure 00000022
and upper
Figure 00000023
permissible dependencies of the dependences V TH (TID) of transistors of both types of conductivity; for each fixed value of TID, the scatter of the measured values
Figure 00000024
, determine the values ΔV TH (↑ ↓) in the absence of irradiation, for a minimum in the dependence graph
Figure 00000025
, for an n-channel transistor and for a practically reached maximum level of exposure. For the same conditions, ΔV TH (↑ ↓) is determined for the upper value “V TH (TID) -Up” of the n-MOS transistor and the lower value “V TH (TID) -Down” of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the upper value “V TH (TID) -Up” of the n-MOS transistor and the upper value “V TH (TID) -Up” of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the lower value “V TH (TID) -Down ”Of the n-MOS transistor and the lower value of“ V TH (TID) -Down ”of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the lower value of“ V TH (TID) -Down ”of the n-MOS transistor and the upper value of“ V TH (TID) -Up "p-MOS transistor, in accordance with the circuit of Fig.7. Then, the irradiated sample of LSI samples is ranked according to the obtained maximum values of the radiation shift of the dependences of the form ΔV TH (↑ ↓) = f (TID) for n-MOS and p-MOS transistors for a number of limiting cases with three fixed values of TID (1 - without irradiation ; 2 - for a minimum
Figure 00000026
for the structure of n-MOSFET; 3 - for TID = 1000 у.e.) by four gradations of the observed values ΔV TH (↑ ↓): “highest” (“1”) - maximum change; “Significant” (“2”) - a strong change; “Average” “3” - moderate changes; “Small” (“4”) - weak changes, which are correlated by the average value as “1”%: “2”%: “3”%: “4”%, where “small” gradation is taken as 100%, measure ΔV TH (↑ ↓) for non-irradiated industrial LSI samples and according to the results of the ranking of irradiated samples judge the possibilities of using such LSIs under irradiation conditions for which the gradation of the change in ΔV TH (↑ ↓) corresponds to categories "4" and "3".

В заявленном способе, во-первых, используют радиационно-критический параметр ΔVTH, который достаточно полно отражает физические процессы в структуре МОП при воздействии эффектов TID, во-вторых, сокращается объем проводимых предварительных измерений для получения критерия отбора ΔVTH(↑↓), в-третьих, для данной технологии изготовления структур МОП это позволяет в дальнейшем делать заключение о стойкости БИС к эффектам TID без проведения радиационного эксперимента на основании данных о величинах ΔVTH(↑↓), полученных путем измерений без облучения.In the claimed method, firstly, they use the radiation-critical parameter ΔV TH , which fully reflects the physical processes in the structure of the MOSFET under the influence of TID effects, secondly, the volume of preliminary measurements is reduced to obtain the selection criterion ΔV TH (↑ ↓), thirdly, for this technology for the fabrication of MOS structures, this allows us to draw a conclusion about the resistance of LSIs to TID effects without conducting a radiation experiment based on data on ΔV TH (↑ ↓) values obtained by measuring without irradiation of reading.

Пример реализации предлагаемого способаAn example implementation of the proposed method

Измерения ВАХ n- и p-канальных транзисторов МОП/КНД выполнены на пластинах Д-01-09, Д-01-11, Д-012 аналогично Фиг.2. По результатам измерений пороговых напряжений VTH тестовых транзисторов n-МОП и p-МОП установлено, что пороговые напряжения существенно меняются в процессе набора дозы. При облучении образцов до уровня по дозе 1200 отн. ед. значения VTH транзисторов n-МОП изменялись в среднем от 1,3 В до 0,9 В (на 30-40%), а транзисторов p-МОП -от 1.3 В до 2,1 В (на 60-70%).The I – V characteristics of the n- and p-channel MOS / KND transistors were measured on the plates D-01-09, D-01-11, D-012 similarly to Figure 2. According to the results of measuring the threshold voltages V TH of the test transistors of n-MOS and p-MOS, it was found that the threshold voltages change significantly during the dose collection process. When samples are irradiated to a dose level of 1200 rel. units the V TH values of n-MOS transistors varied on average from 1.3 V to 0.9 V (by 30–40%), and p-MOS transistors varied from 1.3 V to 2.1 V (by 60–70%).

Для проведения сравнений в величинах радиационного сдвига пороговых напряжений ΔVTH на выходных ВАХ выполнялась аппроксимация верхних (Фиг.6-б) и нижних (Фиг.6-а) допустимых границ зависимостей от полной интегральной дозы (TID) гамма-излучения пороговых напряжений тестовых транзисторов (VTH) транзистора n-МОП.To make comparisons in the values of the radiation shift of the threshold voltages ΔV TH at the output I – V characteristics, the upper (Fig. 6-b) and lower (Fig. 6-a) allowable limits of the dependence on the total integrated dose (TID) of gamma radiation threshold voltage of the test transistors were approximated (V TH ) of an n-MOS transistor.

Для транзистора n-МОП получены следующие соотношения:For the n-MOS transistor, the following relationships are obtained:

VTH=2,0389·10-12D4-6,0860·10-9D3+6,4506·10-6D2-2,7599·10-3D+1,1683 (5)V TH = 2.0389 · 10 -12 D 4 -6.0860 · 10 -9 D 3 + 6.4506 · 10 -6 D 2 -2.7599 · 10 -3 D + 1.1683 (5)

для нижней допустимой границы, полученной из измерений с коэффициентом линейной регрессии R2=0,9904;for the lower permissible boundary obtained from measurements with a linear regression coefficient R 2 = 0.9904;

VTH=2,0·10-12D4-7,0·10-9D3+8,0·10-6D2-3,5·10-3D+1,3958 (6)V TH = 2.0 · 10 -12 D 4 -7.0 · 10 -9 D 3 + 8.0 · 10 -6 D 2 -3.5 · 10 -3 D + 1.3958 (6)

для верхней допустимой границы, полученной из измерений с коэффициентом линейной регрессии R2=0,9918. Из данных Фиг.6-а) следует наличие минимума на графиках зависимости VTH(D) для транзистора n-МОП. Для верхней границы (Фиг.6-а)) этот минимум соответствует

Figure 00000027
= 428 отн. ед., для нижней границы (Фиг.6-б)) -
Figure 00000028
отн.ед. Тогда данные по разбросу измеренных значенийfor the upper permissible limit obtained from measurements with a linear regression coefficient R 2 = 0.9918. From the data of Fig.6-a), there is a minimum in the graphs of the dependence V TH (D) for the n-MOS transistor. For the upper boundary (Fig.6-a)), this minimum corresponds to
Figure 00000027
= 428 rel. units, for the lower boundary (Fig.6-b)) -
Figure 00000028
rel. Then the data on the scatter of the measured values

Figure 00000029
Figure 00000029

для фиксированных значений доз представлены в табл.1.for fixed dose values are presented in table 1.

Таблица 1Table 1 Разброс измеренных значений порогового напряжения транзисторов структуры n-МОП от величины TIDThe spread of the measured values of the threshold voltage of the transistors of the n-MOS structure from the value of TID ОбозначенияDesignations Величина TID, отн. ед.TID value, rel. units 00

Figure 00000030
Figure 00000030
10001000 Параметр ΔVTH(↑↓), ВParameter ΔV TH (↑ ↓), V +0,230+0.230 +0,103+0.103 -0,0084-0.0084

Из полученных данных табл.1 следует, чтоFrom the data obtained in table 1 it follows that

- значения ΔVTH(↑↓) в отсутствие облучения достигают величины 0,23 В;- ΔV TH (↑ ↓) values in the absence of irradiation reach 0.23 V;

- значения ΔVTH(↑↓) для минимума на графике зависимости

Figure 00000031
составляют до 45% от исходного значения;- ΔV TH values (↑ ↓) for the minimum in the dependence graph
Figure 00000031
make up to 45% of the initial value;

- значения ΔVTH(↑↓) для практически достигнутого максимального уровня облучения D=1200 отн. ед. практически равны нулю.- ΔV TH values (↑ ↓) for the practically reached maximum level of exposure D = 1200 rel. units almost equal to zero.

Последнее обстоятельство свидетельствует в пользу того, что при очень больших уровнях радиационной нагрузки технологические отличия в испытуемых образцах становятся малозначимыми, поскольку число дефектов структуры, обуславливающих изменения ВАХ транзисторов, превышает их исходное значение в гетероструктуре и является определяющим.The latter circumstance testifies to the fact that, at very high levels of radiation load, technological differences in the test samples become insignificant, since the number of structural defects causing changes in the I – V characteristics of transistors exceeds their initial value in the heterostructure and is decisive.

Для транзистора p-МОП аппроксимирующей зависимостью VTH(D) для верхней и нижней экспериментальных зависимостей является соотношение:For a p-MOS transistor, the approximating dependence V TH (D) for the upper and lower experimental dependences is the ratio:

Figure 00000032
Figure 00000032

где

Figure 00000033
- текущее значение величины VTH при фиксированном значении D;Where
Figure 00000033
- the current value of V TH at a fixed value of D;

Figure 00000034
- максимальное по абсолютной величине измеренное значение порогового напряжения на графике зависимости VTH(D), В;
Figure 00000034
- the maximum absolute value of the measured value of the threshold voltage in the graph of the dependence V TH (D), V;

α - константа радиационной деградации VTH, рад(Si)-1;α is the radiation degradation constant V TH , rad (Si) -1 ;

D - поглощенная доза ИИ, paд(Si).D is the absorbed dose of AI, rad (Si).

Результаты аппроксимации зависимостей VTH(D) для верхней кривой Фиг.6-б) (Up) и нижней кривой той же зависимости (Down) приведены в табл.2.The results of approximation of the dependences V TH (D) for the upper curve of Fig.6-b) (Up) and the lower curve of the same dependence (Down) are given in Table 2.

Таблица 2table 2 Результаты аппроксимации зависимостей VTH(D) для верхней кривой рис.6-б) (Up) и нижней кривой той же зависимости (Down) транзистора p-МОПThe results of approximating the dependences V TH (D) for the upper curve of Fig. 6-b) (Up) and the lower curve of the same dependence (Down) of the p-MOS transistor Значение α в рав.(8)The value of α in equal to (8) Значение

Figure 00000035
Value
Figure 00000035
ПараметрParameter
Figure 00000036
Figure 00000036
0,82950.8295 -1,5429-1.5429
Figure 00000037
Figure 00000037
0,8810.881 -1,938-1.938
Figure 00000038
Figure 00000038
Значения для D=1000 отн. ед.Values for D = 1000 rel. units
Figure 00000039
Figure 00000039

В табл.3 приведен разброс измеренных значений порогового напряжения транзисторов структуры p-МОП от величины TID. Здесь видно, что для величины D=1000 отн. ед. ΔVTH(↑↓) сохраняется на уровне 64% от исходного значения.Table 3 shows the scatter of the measured values of the threshold voltage of the transistors of the p-MOS structure from the value of TID. It can be seen here that for the value D = 1000 rel. units ΔV TH (↑ ↓) is maintained at 64% of the initial value.

Таблица 3Table 3 Разброс измеренных значений порогового напряжения транзисторов структуры p-МОП от величины TIDThe spread of the measured values of the threshold voltage of the transistors of the p-MOS structure from the value of TID Величина TID, отн. ед.TID value, rel. units ОбозначенияDesignations 00

Figure 00000040
Figure 00000040
10001000 Параметр ΔVTH(↑↓), ВParameter ΔV TH (↑ ↓), V -0,440-0,440 -0,391-0.391 -0,280-0.280

В табл.4 приведены максимальные значения величин радиационного дрейфа зависимостей вида VTH(D) для транзисторов n-МОП и p-МОП для трех фиксированных значений величины TID: D1=0; D2=428 отн. ед.; D3=1000 отн. ед. для следующих предельных случаев:Table 4 shows the maximum values of the radiation drift of the dependences of the form V TH (D) for transistors n-MOS and p-MOS for three fixed values of TID: D 1 = 0; D 2 = 428 rel. units; D 3 = 1000 rel. units for the following extreme cases:

1) ΔVTH(↑↓) для графика «VTH(D)-Up» транзистора n-МОП и «VTH(D)-Down» транзистора p-МОП;1) ΔV TH (↑ ↓) for the graph of “V TH (D) -Up” of the n-MOS transistor and “V TH (D) -Down” of the p-MOS transistor;

2) ΔVTH(↑↓) для графика «VTH(D)-Up» транзистора n-МОП и «VTH(D)-Up» транзистора p-МОП;2) ΔV TH (↑ ↓) for the graph of “V TH (D) -Up” of the n-MOS transistor and “V TH (D) -Up” of the p-MOS transistor;

3) ΔVTH(↑↓) для графика «VTH(D)-Down» транзистора n-МОП и «VTH(D)-Down» транзистора p-МОП;3) ΔV TH (↑ ↓) for the graph of “V TH (D) -Down” of the n-MOS transistor and “V TH (D) -Down” of the p-MOS transistor;

4) ΔVTH(↑↓) для графика «VTH(D)-Down» транзистора n-МОП и «VTH(D)-Up» транзистора p-МОП.4) ΔV TH (↑ ↓) for the graph of “V TH (D) -Down” of the n-MOS transistor and “V TH (D) -Up” of the p-MOS transistor.

В последнем столбце табл.4 приведены суммарные значения возможных изменений пороговых напряжений

Figure 00000041
. В табл.4 введены четыре градации наблюдаемых величин ΔVTH(↑↓): «высшая» («1») - максимальное изменение; «значимая» («2») - сильное изменение; «средняя» - («3») умеренные изменения; «малая» («4») - слабые изменения. По средней величине они соотносятся как 127%:118%:109%:100%, где за 100% принята «малая» градация. Таким образом, максимальное изменение, связанное с технологическим разбросом с учетом радиационной реакции структур МОП обоего типа проводимости, составляет 27%.The last column of Table 4 shows the total values of possible changes in threshold voltages
Figure 00000041
. In table 4, four gradations of the observed quantities ΔV TH (↑ ↓) are introduced: “highest” (“1”) - maximum change; “Significant” (“2”) - a strong change; “Medium” - (“3”) moderate changes; “Small” (“4”) - weak changes. According to the average value, they are correlated as 127%: 118%: 109%: 100%, where the “small” gradation is taken as 100%. Thus, the maximum change associated with the technological spread, taking into account the radiation reaction of MOS structures of both types of conductivity, is 27%.

Таблица 4Table 4 Максимальные значения величин радиационного дрейфа зависимостей вида VTH(D) для транзисторов n-МОП и p-МОП для ряда предельных случаев для трех фиксированных значений величины TIDMaximum values of radiation drift of dependences of the form V TH (D) for transistors n-MOS and p-MOS for a number of limiting cases for three fixed values of TID D, отн. ед.D rel units

Figure 00000042
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000045
КатегорияCategory 00 +1,3958(Up)+1.3958 (Up) -1,54(Down)-1.54 (Down) 2,942.94 «1»"one" +0,670+0.670 +1,3958(Up)+1.3958 (Up) -1,1(Up)-1.1 (Up) 2,502,50 «3»"3" +1,1683(Down)+1.1683 (Down) -1,54(Down)-1.54 (Down) 2,712.71 «2»"2" +1,1683(Down)+1.1683 (Down) -1,1(Up)-1.1 (Up) 2,272.27 «4»"four" 428428 +0,88(Up)+0.88 (Up) -1,938(Down)-1.938 (Down) 2,8182,818 «1»"one" +0,494+0.494 +0,88(Up)+0.88 (Up) -1,543(Up)-1.543 (Up) 2,422.42 «3»"3" +0,78(Down)+0.78 (Down) -1,938(Down)-1.938 (Down) 2,7182,718 «2»"2" +0,78(Down)+0.78 (Down) -1,543(Up)-1.543 (Up) 2,3232,323 «3»"3" 10001000 +0,8958(Up)+0.8958 (Up) -2,1(Down)-2.1 (Down) 2,9122,912 «1»"one" +0,272+0.272 +0,8958(Up)+0.8958 (Up) -1,82(Up)-1.82 (Up) 2,6322,632 «3»"3" +0,8119(Down)+0.8119 (Down) -2,1(Down)-2.1 (Down) 2,9962,996 «1»"one" +0,8119(Down)+0.8119 (Down) -1,82(Up)-1.82 (Up) 2,7162,716 «2»"2"

Из анализа данных табл.4 следует, что градации «1» и «3» в отсутствие облучения сохраняется при уровне облучения D=1000 отн. ед., «2» трансформируется в «1», а «4» - в «2». На этом принципе может быть основан принцип разбраковки необлученных структур, который совпадает с представлениями о консервативном поведении левого крыла распределения радиационно-критических параметров (РКП) от уровня радиационной нагрузки. Для приведенного примера из облученной выборки удаляются образцы с радиационным сдвигом величины ΔVTH(↑↓) в интервале 18-27%.From the analysis of the data in Table 4, it follows that the gradations “1” and “3” in the absence of irradiation are maintained at an irradiation level of D = 1000 rel. units, “2” transforms into “1”, and “4” - into “2”. On this principle, the principle of sorting non-irradiated structures can be based, which coincides with the ideas about the conservative behavior of the left wing of the distribution of radiation-critical parameters (RCP) from the level of radiation load. For the given example, samples with a radiation shift of ΔV TH (↑ ↓) in the range of 18-27% are removed from the irradiated sample.

Так как радиационный сдвиг порогового напряжения относится к деградационным процессам, то более «слабые» образцы, т.е. имеющие исходно повышенный уровень дефектов структуры, слабее реагируют на воздействие ИИ и, следовательно, меньше подвержены радиационному воздействию.Since the radiation shift of the threshold voltage refers to degradation processes, weaker samples, i.e. having an initially elevated level of structural defects, respond less to the effects of AI and, therefore, are less susceptible to radiation exposure.

Из анализа данных табл.4 следует, что радиационный дрейф верхней границы

Figure 00000046
при D=0 до величины
Figure 00000047
при D=1000 отн. ед. составил ≈42%, а радиационный дрейф нижней границы
Figure 00000048
при D=0 до величины
Figure 00000049
, составил ≈23%. Эти величины для n- и p-МОП транзисторов приведены в табл.5.From an analysis of the data in Table 4, it follows that the radiation drift of the upper boundary
Figure 00000046
at D = 0 to the value
Figure 00000047
at D = 1000 rel. units amounted to ≈42%, and the radiation drift of the lower boundary
Figure 00000048
at D = 0 to the value
Figure 00000049
amounted to ≈23%. These values for n- and p-MOS transistors are given in Table 5.

Таблица 5Table 5 Радиационный дрейф порогового напряжения при D=1000 отн. ед.Threshold voltage radiation drift at D = 1000 rel. units D, отн. ед.D rel units Радиационный дрейф ΔVTH, %Radiation drift ΔV TH ,%

Figure 00000050
Figure 00000050
Figure 00000051
Figure 00000051
Figure 00000052
Figure 00000052
Figure 00000053
Figure 00000053
10001000 4242 2323 4949 4343

Из анализа полученных результатов следует, что на основании предварительно полученных экспериментальных данных по радиационному сдвигу порогового напряжения ΔVTH n- и p-МОП транзисторов можно реализовать процедуру отбора стойких к эффектам полной поглощенной дозы БИС технологии КМОП/КНД без проведения дополнительных радиационных экспериментов.From the analysis of the results obtained, it follows that, based on previously obtained experimental data on the radiation shift of the threshold voltage ΔV TH n- and p-MOS transistors, it is possible to implement the procedure for selecting CMOS / KND technology that is resistant to the effects of the full absorbed dose of LSI without additional radiation experiments.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет достаточно просто и точно отобрать в условиях промышленного производства стойкие к воздействию эффектов ТЮБИС технологии КМОП/КНД.Thus, the use of the proposed method allows you to quite simply and accurately select, in industrial production, CMOS / KND technologies that are resistant to the effects of TUBIS effects.

ЛитератураLiterature

1. Петросянц К.О., Харитонов И.А., Орехов Е.В., Самбурский Л.М., Ятманов А.П. Приборно-технологическое моделирование элементной базы КМОП КНИ БИС с учетом факторов радиационного воздействия // М.: ИППМ, 2008, Сб. научных трудов 3-ей Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2008». - С.266-271.1. Petrosyants K.O., Kharitonov I.A., Orekhov E.V., Sambursky L.M., Yatmanov A.P. Instrument-technological modeling of the element base of CMOS KNI BIS taking into account factors of radiation exposure // M .: IPPM, 2008, Sat. scientific works of the 3rd All-Russian scientific and technical conference "Problems of developing promising microelectronic systems - 2008". - S.266-271.

2. Benedetto J.M., Boesch H.E. MOSFET and MOS capacitor responses to ionizing radiation // IEEE Transacnions on Nucltar Science, 1984. - V. NS-31. - №6. - pp.1461-1466.2. Benedetto J.M., Boesch H.E. MOSFET and MOS capacitor responses to ionizing radiation // IEEE Transacnions on Nucltar Science, 1984. - V. NS-31. - No. 6. - pp. 1461-1466.

3. Петросянц К.О., Харитонов И.А., Орехов Е.В. Моделирование воздействия одиночных заряженных частиц на субмикронные КНИ КМОП ячейки ПЗУ // ЭМН 2007, Сб. научных трудов, под ред. В.Я.Стенина. - М.: МИФИ, 2007. - С.38-41.3. Petrosyants K.O., Kharitonov I.A., Orekhov E.V. Modeling the effects of single charged particles on the submicron SOI CMOS cell ROM // EMN 2007, Sat. scientific works, under the editorship of V.Ya. Stenina. - M .: MEPhI, 2007 .-- P.38-41.

4. Spratt J.P., Nickel V.V., McCollin J.L. Proposed Test Strategy For Radiation Hardened Custom LSI/VLSI // IEEE Transactions on Nuclear Science, 1981. - V.NS-28. - No.6. - pp.427-428.4. Spratt J.P., Nickel V.V., McCollin J.L. Proposed Test Strategy For Radiation Hardened Custom LSI / VLSI // IEEE Transactions on Nuclear Science, 1981.- V.NS-28. - No.6. - pp. 427-428.

5. Millard D.C. et all. Time Dependence Dose Enhancement Effects on Integrated Circuits Transients Response Mechanisms // IEEE Transactions on Nuclear cience, 1985. - V. NS-32/ - No.6/ - pp.4376-4381/.5. Millard D.C. et all. Time Dependence Dose Enhancement Effects on Integrated Circuits Transients Response Mechanisms // IEEE Transactions on Nuclear cience, 1985.- V. NS-32 / - No.6 / - pp.4376-4381 /.

6. Pozire C.M., Brown D.B., Sandelin J.W. Dose and Dose Rate Dependence of 8080A Microprocessor // IEEE Nransactions on Nuclear Science, 1980. - V. NS-27. - No.4. - pp.1299-1304.6. Pozire C. M., Brown D.B., Sandelin J.W. Dose and Dose Rate Dependence of 8080A Microprocessor // IEEE Nransactions on Nuclear Science, 1980 .-- V. NS-27. - No.4. - pp. 1299-1304.

7. CERN Training / Aptil 11/2000 / Radiation Effects on Electronics Components and Circuits, part 1 of 2 / Martin DENTON.7. CERN Training / Aptil 11/2000 / Radiation Effects on Electronics Components and Circuits, part 1 of 2 / Martin DENTON.

8. Справочник радиолюбителя. Под общей ред. А.А.Куликовского. / М., Л.: ГЭИ, 1955. - 256 с.8. Reference amateur radio. Under the general ed. A.A. Kulikovsky. / M., L .: SEI, 1955 .-- 256 p.

Claims (1)

Способ отбора стойких к воздействию полной поглощенной дозы ионизирующего излучения больших интегральных схем (БИС) на основе транзисторных структур технологии КМОП/КНД путем статистической обработки экспериментальных данных по изменению сдвига порогового напряжения ΔVTH на выходной характеристике «ток стока - от напряжения между затвором и истоком» ID=f(VGS) n- и p-канальных транзисторов пары КМОП в зависимости от полной интегральной дозы ионизирующего излучения (TID), для чего для каждого технологического решения формируют на чипе наряду с основной схемой БИС дополнительную пару n- и p-канальных транзисторных структур, изготовленных по той же технологии, отличающийся тем, что для ограниченной выборки образцов БИС снимают дискретно с шагом ~100 крад(Si) в диапазоне TID от нуля до уровня требований по стойкости БИС к воздействию максимальной TID плюс 20% зависимости ID=f(VGS) для n- и р-канальных транзисторных структур, получают по ним данные по изменению сдвига порогового напряжения ΔVTH от величины TID с мощностью дозы не менее ~1000 рад(Si)·c-1 с учетом технологического разброса и возможных границ изменения зависимости VTH(TID), производят аппроксимацию нижних
Figure 00000054
и верхних
Figure 00000055
допустимых границ зависимостей VTH(TID) транзисторов обоего типа проводимости, определяют для каждого фиксированного значения TID разброс измеренных значений
Figure 00000056
, определяют значения ΔVTH(↑↓) в отсутствие облучения, для минимума на графике зависимости
Figure 00000057
для n-канального транзистора и для практически достигнутого максимального уровня облучения, определяют для тех же условий ΔVTH(↑↓) для верхнего значения VТН(TID)-Up транзистора n-МОП и нижнего значения VTH(TID)-Down транзистора р-МОП, ΔVTH(↑↓) для верхнего значения VTH(TID)-Up транзистора n-МОП и верхнего значения VTH(TID)-Up транзистора р-МОП, ΔVTH(↑↓) для нижнего значения VTH(TID)-Down транзистора n-МОП и нижнего значения VTH(TID)-Down транзистора р-МОП, ΔVTH(↑↓) для нижнего значения VTH(TID)-Down транзистора n-МОП и верхнего значения VTH(TID)-Up транзистора р-МОП, ранжируют облученную выборку образцов по полученным максимальным значениям величин радиационного дрейфа зависимостей вида ΔVTH(↑↓)=f(TID) для транзисторов n-МОП и р-МОП для ряда предельных случаев при трех фиксированных значениях величины TID БИС на четыре градации наблюдаемых величин ΔVTH(↑↓): «высшую» («1») - максимальное изменение; «значимую» («2») - сильное изменение; «среднюю» («3») - умеренные изменения; «малую» («4») - слабые изменения, которые по средней величине соотносятся как «1»%:«2»%:«3»%:«4»%, где за 100% принята «малая» градация, производят измерения ΔVTH(↑↓) у необлученных промышленных образцов БИС и по результатам ранжирования облученных образцов судят о возможностях использования в условиях облучения таких БИС, у которых градация изменения величины ΔVTH(↑↓) соответствует категориям «4» и «3».
A method for selecting large integrated circuits (LSI) that are resistant to the full absorbed dose of ionizing radiation based on transistor structures of CMOS / KND technology by statistical processing of experimental data on the change in the threshold voltage shift ΔV TH on the output characteristic "drain current from voltage between the gate and source" I D = f (V GS) n- and p-channel transistors in the CMOS pair, depending on the total integrated dose of ionizing radiation (TID), for which for each process solution is formed on the chip outfit with the main LSI circuit, an additional pair of n- and p-channel transistor structures manufactured using the same technology, characterized in that for a limited sample of LSI samples, discrete samples are taken discretely with a step of ~ 100 crad (Si) in the TID range from zero to the level of resistance requirements LSI for the effects of maximum TID plus 20% of the dependence I D = f (V GS ) for n- and p-channel transistor structures; data on them are obtained on the change in the threshold voltage shift ΔV TH on the value of TID with a dose rate of at least ~ 1000 rad ( Si) · c -1 subject process may scatter and boundary changes depending V TH (TID), an approximation of the lower
Figure 00000054
and upper
Figure 00000055
permissible dependencies of the dependences V TH (TID) of transistors of both types of conductivity; for each fixed value of TID, the scatter of the measured values
Figure 00000056
, determine the values ΔV TH (↑ ↓) in the absence of irradiation, for a minimum in the dependence graph
Figure 00000057
for the n-channel transistor and for the practically reached maximum level of exposure, determine for the same conditions ΔV TH (↑ ↓) for the upper value of V ТН (TID) -Up of the n-MOS transistor and the lower value of V TH (TID) -Down of the transistor p -MOS, ΔV TH (↑ ↓) for the upper value of V TH (TID) -Up of the n-MOS transistor and the upper value of V TH (TID) -Up of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the lower value of V TH ( TID) -Down of the n-MOS transistor and the lower value of V TH (TID) -Down of the p-MOS transistor, ΔV TH (↑ ↓) for the lower value of V TH (TID) -Down of the n-MOS transistor and the upper value of V TH (TID ) -Up p-MOS transistor, rank bluchennuyu take samples of obtained maximum values of the magnitudes of radiation drift dependency type ΔV TH (↑ ↓) = f (TID) for the transistors n-MOS and p-MOS for several limiting cases at three fixed values of the magnitude TID LSI four gradations observed values ΔV TH (↑ ↓): “highest” (“1”) - maximum change; “Significant” (“2”) - a strong change; “Medium” (“3”) - moderate changes; “Small” (“4”) - weak changes, which are correlated by the average value as “1”%: “2”%: “3”%: “4”%, where “small” gradation is taken as 100%, measure ΔV TH (↑ ↓) for non-irradiated industrial LSI samples and according to the results of the ranking of irradiated samples judge the possibilities of using such LSIs under irradiation conditions for which the gradation of the change in ΔV TH (↑ ↓) corresponds to categories "4" and "3".
RU2011128474/28A 2011-07-08 2011-07-08 Method of selecting cmos/soi transistor structures resistant to effect of full absorbed dose of ionising radiation RU2466417C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011128474/28A RU2466417C1 (en) 2011-07-08 2011-07-08 Method of selecting cmos/soi transistor structures resistant to effect of full absorbed dose of ionising radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011128474/28A RU2466417C1 (en) 2011-07-08 2011-07-08 Method of selecting cmos/soi transistor structures resistant to effect of full absorbed dose of ionising radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2466417C1 true RU2466417C1 (en) 2012-11-10

Family

ID=47322383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011128474/28A RU2466417C1 (en) 2011-07-08 2011-07-08 Method of selecting cmos/soi transistor structures resistant to effect of full absorbed dose of ionising radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2466417C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2545325C1 (en) * 2013-11-15 2015-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "СИТРОНИКС-микродизайн" (ООО "СИТРОНИКС-МД") Cmos ic of higher radiation resistance
RU2601251C1 (en) * 2015-08-25 2016-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "СИТРОНИКС-микродизайн" Cmos soi integral circuit with high radiation resistance (versions)
RU2611172C1 (en) * 2015-11-11 2017-02-21 Наталья Сергеевна Родионова Composition for functional product manufacturing and its production method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2036480C1 (en) * 1992-03-06 1995-05-27 Научно-исследовательский институт приборов Process of acceleration testing of electric and radio parts for resistance to effects of ionizing radiation
US6476597B1 (en) * 2000-01-18 2002-11-05 Full Circle Research, Inc. Ionizing dose hardness assurance technique for CMOS integrated circuits
RU2364880C1 (en) * 2007-12-17 2009-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" Method for presorting of cmos chips made on silicon-on-insulator structures, by resistance to radiation effect

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2036480C1 (en) * 1992-03-06 1995-05-27 Научно-исследовательский институт приборов Process of acceleration testing of electric and radio parts for resistance to effects of ionizing radiation
US6476597B1 (en) * 2000-01-18 2002-11-05 Full Circle Research, Inc. Ionizing dose hardness assurance technique for CMOS integrated circuits
RU2364880C1 (en) * 2007-12-17 2009-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" Method for presorting of cmos chips made on silicon-on-insulator structures, by resistance to radiation effect

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Spratt J.P. et al. Proposed Test Strategy For Radiation Hardened Custom LSI/VLSI // IEEE Transactions on Nuclear Science, 1981, V.NS-28, №6, p.427, 428. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2545325C1 (en) * 2013-11-15 2015-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "СИТРОНИКС-микродизайн" (ООО "СИТРОНИКС-МД") Cmos ic of higher radiation resistance
RU2601251C1 (en) * 2015-08-25 2016-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "СИТРОНИКС-микродизайн" Cmos soi integral circuit with high radiation resistance (versions)
RU2611172C1 (en) * 2015-11-11 2017-02-21 Наталья Сергеевна Родионова Composition for functional product manufacturing and its production method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Borghello et al. Dose-rate sensitivity of 65-nm MOSFETs exposed to ultrahigh doses
Dozier et al. An evaluation of low-energy X-ray and cobalt-60 irradiations of MOS transistors
Mattiazzo et al. Total Ionizing Dose effects on a 28 nm Hi-K metal-gate CMOS technology up to 1 Grad
Lipovetzky et al. Field oxide n-channel MOS dosimeters fabricated in CMOS processes
RU2466417C1 (en) Method of selecting cmos/soi transistor structures resistant to effect of full absorbed dose of ionising radiation
İlik et al. Modeling of total ionizing dose degradation on 180-nm n-MOSFETs using BSIM3
Bonaldo et al. Radiation-induced effects in SiC vertical power MOSFETs irradiated at ultrahigh doses
Garcia-Inza et al. Switched bias differential MOSFET dosimeter
Faigón et al. Extension of the measurement range of MOS dosimeters using radiation induced charge neutralization
O'Connell et al. Electrical performance and radiation sensitivity of stacked PMOS dosimeters under bulkbias control
Jaksic et al. Characterisation of radiation response of 400 nm implanted gate oxide RADFETs
Riceputi et al. Total ionizing dose effects on CMOS devices in a 110 nm technology
Zimin et al. Calibration and electric characterization of p-MNOS RADFETs at different dose rates and temperatures
Traversi et al. Ionizing radiation effects of 3 Grad TID on analog and noise performance of 28nm CMOS technology
Martinez-Garcia et al. Accuracy improvement of MOSFET dosimeters in case of variation in thermal parameters
De Matteis et al. 1-GRad-TID effects in 28-nm device study for rad-hard analog design
Amat et al. Exploration of alternative gate dielectric materials for RADFET sensors
Ratti et al. 65-nm CMOS front-end channel for pixel readout in the HL-LHC radiation environment
Kudo et al. Development of experimental methodology for highly efficient wafer-level evaluation of X-ray radiation effects on semiconductor devices
Ristić et al. Sensitivity of unbiased commercial p-channel power VDMOSFETs to X-ray radiation
Augier et al. Comparison of 1/f noise in irradiated power MOSFETs measured in the linear and saturation regions
Brady et al. Total dose radiation effects for implanted buried oxides
Zucca et al. Characterization of bulk damage in CMOS MAPS with deep N-well collecting electrode
Blanquart et al. Study of proton radiation effects on analog IC designed for high energy physics in a BiCMOS-JFET radhard SOI technology
Yang et al. Wide temperature range modeling of implanted resistors based on 4H-SiC CMOS process

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190709