CC BY
14ТЕХНОЛОГИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
Влияние нестабильности параметров технологического процесса изготовления КНД ИС на их радиационное поведение
И.Б. Яшанин
ФГУП «ФНПЦ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Нижний Новгород)
Г.Г. Давыдов
Институт экстремальной прикладной электроники НИЯУ МИФИ
А.Ю. Никифоров ОАО «ЭНПО «Специализированные электронные системы» (г. Москва)
Ю.М. Московская ОАО «Ангстрем» (г. Москва)
Проведены исследования, направленные на выявление корреляции между нестабильностью технологического процесса производства радиа-ционно стойких ИС и их радиационной чувствительностью. Рассмотрено влияние разброса параметров толщины и проводимости приборного слоя, параметров легирования активных областей, а также параметров исходных гетероструктур на разброс радиационной чувствительности ИС.
Ключевые слова: радиационная стойкость, КНС, КНИ, технологический процесс, толщина приборного слоя, параметры легирования, разброс радиационной чувствительности.
Современное производство радиационно стойких ИС в большинстве случаев характеризуется значительным разбросом радиационной чувствительности критериальных параметров (КП) как в рамках одной производственной партии изделий, так и между партиями (рис.1). Как правило, значительный разброс начальных значений самих КП сказывается на разбросе их радиационной чувствительности. Данное обстоятельство является решающим в случаях, когда норма на КП незначительно превышает его значение, измеренное до воздействия. Методы уменьшения разброса КП, например на основе введения в технологический процесс дополнительных этапов разбраковки [1], известны, но и они требуют дополнительного анализа и подтверждения эффективности.
В таблице приведены некоторые существующие методы контроля и обеспечения стабильности параметров технологического процесса производства и изготовления ИС на структурах кремний на диэлектрике (КНД).
© И.Б. Яшанин, Г.Г. Давыдов, А.Ю.Никифоров, Ю.М. Московская, 2012
Рис. 1. Распределение величины/ =10 /1СС до и после радиационного воздействия на КНИ ИС
производства 2010 г. (а) и 2011 г. (б)
Методы контроля и обеспечения стабильности производства радиационно стойких ИС
Этапы техпроцесса Методы
1. Экспертиза техпроцесса Разработка технологического процесса, потенциально удовлетворяющего требованиям ТЗ на изготавливаемую ИС
2. Доработка проекта ИС Введение вспомогательных тестовых структур для контроля параметров радиационного поведения готовых ИС
3. Оптимизация техпроцесса Моделирование общего хода технологического процесса, определение возможных допусков критичных параметров на каждом этапе
4. Входной контроль структур Отбор пластин с наименьшим разбросом КП. Геттерирование дефектов
5. Ионная имплантация Контроль дозы и энергии имплантации. Контроль качества боковой и донной границы областей. Лазерный отжиг сопутствующих дефектов [2]
6. Окисление (наращивание окисла и травление) Контроль температуры и состава среды. Контроль качества границ областей. Обеспечение возможно меньшего времени температурной обработки
7. Металлизация Снижение электромиграции. Введение дополнительных проводящих слоев из тугоплавких металлов. Введение дополнительных тестовых структур для контроля условий пережога металлизации
8. Пассивация Аналогично окислению. Нанесение дополнительных слоев пассивации
9.Радиационно-термическая обработка Минимизация времени термических операций для уменьшения «размытия» областей активных приборов в рамках данного техпроцесса
10. Функциональный контроль кристаллов на пластине Введение оперативного контроля радиационной стойкости одновременно с функциональным контролем
11. Резка пластин Смещение линий реза с целью сохранения вспомогательных тестовых структур для контроля радиационной стойкости или изготовление специальных тестов на кристалле
12. Корпусирование Минимизация времени термических операций в рамках данного технологического процесса. Разварка выводов вспомогательных тестовых структур при наличии свободных выводов корпуса
13. Контроль соответствия ТУ Введение операций радиационной отбраковки [1]
Анализ данных таблицы позволяет предполагать, что наибольший вклад в радиационное поведение КНД ИС вносит качество приборного слоя, определяющееся особенностями исходных КНД-структур и параметрами легирования областей активных элементов.
Влияние параметров исходных КНД-структур на КП токовых утечек. Результаты проведенных исследований показали, что степень легирования исходной КНД-структуры оказывает сильное влияние на последующее радиационное поведение готовых ИС. При высокотемпературных операциях в ходе технологического процесса может происходить автолегирование гетероэпитаксиального слоя (ГЭС) из диэлектрического слоя, что в случае технологии «кремний на сапфире» (КНС) может приводить к образованию инверсного слоя вблизи границы раздела ГЭС и сапфира подложки (рис.2,а). /, мкА
Рис.2. Результаты измерений типа проводимости приграничной области ГЭС до и после высокотемпературных операций (а) и зависимость средней величины утечек КНС МОПТ от среднего значения проводимости ГЭС (б)
Таким образом, необходимый минимальный уровень легирования исходных КНД-структур должен определяться по результатам исследований с учетом принятых и неизменяемых параметров технологического процесса (длительность и температура на последующих этапах). Кроме того, необходимо по возможности сократить время и понизить температуру высокотемпературных этапов технологического процесса (в первую очередь окисления).
Входной контроль КНД-пластин допускает определенный разброс по параметру проводимости ГЭС. Как показали результаты серии исследований, зависимость величины и разброса токовых утечек МОП-транзисторов (МОПТ), сформированных на
КНД-структурах, от диапазона допустимых значений проводимости ГЭС нелинейна (рис.2,б). Таким образом, при входном контроле пластин по критерию проводимости ГЭС минимальные допуски не являются необходимыми.
Влияние толщины приборного слоя на радиационную чувствительность КНД ИС. По ТУ 6365-006-519693300-2004 допустимое отклонение по толщине ГЭС КНС-структур составляет ±10%. Другими словами, допустимый разброс толщины приборного слоя по пластине - до 20%. Величина фототока, возникающего в результате импульсного ионизирующего воздействия (ИИВ), в первом приближении пропорциональна области собирания носителей, которая в случае КНД ИС определяется толщиной ГЭС. По-видимому, все параметры, определяющиеся ионизационными токами, изменяются пропорционально толщине ГЭС.
На рис.3 приведены зависимости ионизационного отклика КНС МОПТ с толщиной приборного слоя 0,6 и 0,3 мкм, а также результаты исследований уровня сбоя информации (УСИ) для образцов КНС ИС запоминающих устройств (ЗУ). Ионизационный отклик отдельного МОПТ пропорционален толщине ГЭС и различается вдвое (рис.3,а). Различие по параметру УСИ составило 6 раз, что указывает на дополнительный вклад других факторов в формирование ионизационной реакции ИС (например, схемотехнические решения, взаимосвязь соседних ячеек памяти и т.д.). Разброс УСИ (рис.3,б) может быть связан как с локальным изменением эффективной толщины ГЭС, так и с влиянием дефектов, внесенных на поздних этапах производства.
Рис. 3. Зависимости ионизационного отклика КНС МОПТ [4] (а) и уровень сбоя информации КНС ИС ЗУ [3] (б) с толщиной приборного слоя 0,6 и 0,3 мкм
Дозовые эффекты в КНД ИС обусловлены в первую очередь накоплением радиа-ционно-индуцированного заряда на границах раздела полупроводника и окисла. При снижении толщины приборного слоя область канала активного МОПТ приближается к границе с изолирующим окислом. Это приводит к смещению порога отпирания активного МОПТ и возникновению утечек. На рис.4,а приведены дозовые зависимости тока потребления КНС ИС ЗУ с различной толщиной приборного слоя (базовый техпроцесс 0,3 и 0,6 мкм и стравленные с 0,6 и 0,3 мкм). Анализ рис.4,а позволяет предполагать оптимальную (при данных параметрах ионной имплантации) толщину приборного слоя КНС ИС ~ 0,4 мкм.
Результаты исследований [3] указывают на значимое влияние способа выращивания ГЭС на радиационную чувствительность готовых ИС. На рис.4,б приведены дозовые зависимости тока потребления КНС ИС ЗУ, изготовленные на пластинах трех различных поставщиков.
Рис.4. Дозовые зависимости тока потребления КНС ИС ЗУ: а - в режиме хранения с различной толщиной ГЭС; б - выполненные на КНС-структурах разных поставщиков
Влияние параметров ионной имплантации на радиационную чувствительность КНД ИС. В процессе ионного легирования области р-кармана бором существенная часть бора диффундирует в диэлектрик, образуя со структурными дефектами в приграничной области нейтрально заряженные комплексы. При дозовом воздействии эти комплексы заряжаются положительно, образуя глубокие уровни, их концентрация пропорциональна концентрации легирующей примеси, попадающей в диэлектрик. Большой разброс токов потребления даже в пределах одной пластины определяется случайным характером распределения дефектов в исходных структурах и разбросом толщины ГЭС.
Уменьшение концентрации бора в диэлектрике должно привести к снижению величины образующегося заряда за счет уменьшения дефектности приграничной области и, соответственно, к снижению статического тока потребления при дозовом воздействии. Увеличение концентрации бора в кремнии до образования р-области вблизи границы раздела должно привести к повышению сопротивления приграничной области кремния и, следовательно, к снижению тока потребления.
Уменьшение концентрации бора может быть достигнуто уменьшением дозы легирования области р-кармана, что повышает вероятность образования слоя инверсной проводимости. Предполагается неравновесное состояние концентраций бора в пригра-
ничной области кремния и в диэлектрике, следовательно, даже небольшое нарушение их баланса приводит к резкому изменению тока потребления при дозовом воздействии.
С целью проверки предложенной качественной модели проведен эксперимент, в ходе которого доза имплантации бора в области ^-кармана выбиралась с учетом реальной толщины исходных структур, уровня их начального легирования и предполагаемого уровня дефектности. Доза легирования варьировалась в диапазоне от 0,15 до 0,75 мкКлсм2, энергия имплантанта изменялась от 60 до 120 кэВ [4].
При значениях энергии более 80 кэВ (рис.5,а) разброс КП возрастал более чем на 2 порядка. Таким образом, изменение толщины ГЭС в пределах допуска ТУ 6365-006-519693300-2004 при энергии 80 кэВ может вызвать значительное увеличение разброса КП. При выбранной энергии имплантации 70 кэВ зависимость разброса КП от
о
дозы легирования (рис.5,б) более слабая и имеет максимум в области 0,6 мкКл/см .
0,15
0,3
0,45
0,6
А
60
80
100
кэВ
Рис. 5. Диапазоны значений lcc КНС ИС при облучении с различной дозой (а) и энергией легирования (б) р-карманов [4]
При этих дозах также наблюдается максимальный разброс значений тока потребления. Предположительно, при больших дозах возрастает сопротивление паразитного канала, а при меньших - уменьшается концентрация центров образования заряда в сапфире. При этом начальный ток потребления с ростом дозы легирования уменьшается.
Разброс радиационной чувствительности КНД ИС выявляется в основном на этапе входного контроля исходных структур и определяется нестабильностью техпроцесса при операции ионной имплантации. Поэтому при производстве радиационно-стойких ИС необходима обратная связь с поставщиком исходных структур для корректировки параметров исходных структур.
Необходимый минимальный уровень легирования исходных КНД-структур должен определяться по результатам исследований с учетом принятых и неизменяемых параметров техпроцесса (длительность и температура на последующих этапах). При входном контроле пластин минимальные допуски по критерию проводимости ГЭС не являются необходимыми.
Ионизационный отклик при импульсном воздействии для КП, определяющихся фототоками (реакция по цепи питания, ток утечки МОПТ и др.), пропорционален толщине ГЭС. КП функционирования зависит от толщины ГЭС слабее. Разброс и уровень дозовой чувствительности КНД ИС значительно меняются при смене поставщика исходных структур.
Проведенные исследования указывают на тесную взаимосвязь толщины ГЭС, параметров имплантации и разброса КП стойкости и позволяют выявить параметры имплантации р-кармана КНС ИС, соответствующие минимальному разбросу и уровню КП тока потребления.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в ИЭПЭ НИЯУМИФИ и ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (ГК№ 13.G36.31.007).
Исследования проводились в рамках работ по проекту «Комплекс-МИФИ»», выполняемого по постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».
Литература
1. Применение радиационно-стимулированного отжига для контроля стойкости партий КНС КМОП БИС на этапе производства // А.В. Согоян, А.Ю. Никифоров, Г.Г. Давыдов и др. // Электроника, микро-и наноэлектроника: сб. науч. тр. МИФИ. - М.: МИФИ. - Вып. 8. - 2003. - С. 215-218.
2. Панкратов Е.Л. Перераспределение имплантированной в многослойную структуру примеси при лазерном отжиге радиационных дефектов // Журнал радиоэлектроники. - 2007. - № 5. - С. 12-21.
3. Влияние свойств структур КНС на стойкость ЭКБ серии 1620 к воздействию накопленной дозы гамма-излучения // А.А. Романов, Е.А. Борисов, А.Б. Казуров, и др. // Радиационная стойкость электронных систем: сб. науч. тр. - М.: МИФИ-СПЭЛС.- Вып. 14. - 2011. - С. 27, 28.
4. Яшанин И.Б., Скобелев А.В., Маслов В.В., Давыдов Г.Г. Влияние технологии изготовления на дозовую деградацию тока потребления КМОП/КНД БИС // Вопросы атомной науки и техники. - 2009. -Вып. 4. - С. 33-36.
Статья поступила 26 апреля 2012 г.
Яшанин Игорь Борисович - кандидат физико-математических наук, заместитель начальника научно-технического комплекса по науке ФГУП «ФНПЦ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Нижний Новгород). Область научных интересов: физика полупроводниковых приборов, радиационная стойкость КМОП КНД микросхем, радиационно стойкая технология изготовления микросхем.
Давыдов Георгий Георгиевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: исследования воздействия ионизирующего излучения на изделия ЭКБ, изготовленные по технологии с диэлектрической изоляцией элементов. E-mail: ggdav@spels.ru
Никифоров Александр Юрьевич - доктор технических наук, профессор, генеральный директор ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: исследования радиационной стойкости и разработка радиационно стойких интегральных преобразователей информации, изделий наноэлектроники и микромеханики, методическое обеспечение проведения испытаний изделий электронной техники на воздействие радиационных факторов.
Московская Юлия Марковна - инженер ОАО «Ангстрем» (г. Москва). Область научных интересов: развитие методов и средств технологической отбраковки по радиационной стойкости КМОП КНС БИС.
