性试验方法及评估技术研究

星用CMOS器件辐射可靠性试验方法及评估技术研究

余学峰任迪远郭旗陆妩艾尔肯张国强严荣良

中国科学院新疆理化技术研究所,乌鲁木齐830011

关键词: CMOS器件辐射可靠性测试方法评估

1 引言

用于空间电子系统(如卫星、航天器等)中的CMOS器件,不但要求具有高性能,更要求具有高可靠性。空间环境中,影响CMOS器件可靠性的一个重要原因是空间辐射对CMOS器件造成的电离辐射损伤。大量试验结果表明,不同厂家、不同工艺、甚至同一工艺不同批次生产的CMOS器件, 对电离辐射损伤都具有不同的敏感性,而作为货架商品,生产厂家并不提供(实际上也根本没有)其产品有关辐射可靠性方面的数据和资料,因此, 准确评估候选的CMOS器件的辐射可靠性并从而加以筛选, 是保证卫星等空间电子系统可靠性的一项非常重要的工作。

CMOS器件辐射可靠性的测量及评判工作, 目前都是通过在地面对CMOS器件进行模拟辐照试验而进行的。不同的辐照方法,如辐照时的偏置、剂量率、测试参数的选择和测量方法以及评判标准的不同等, 都会产生不同的评判结果。因此通过进行深入细致研究,建立完善CMOS 器件的辐照方法和可靠性评判标准,是保证CMOS器件在空间辐射环境下高可靠工作的基础性工作。

国外自七十年代初以来,随着CMOS器件抗电离辐射加固工艺研究与制造工作的开展, 广泛进行了CMOS器件辐照实验方法及可靠性保证工作的研究, 并已逐步制订了宇航用CMOS器件的总剂量辐照实验方法和损伤评判的有关军事标准(见美军标MIL- STD883C)。随着研究工作的不断深入和一些新的现象和新的效应的发现,该军事标准迄今仍在不断的补充和完善。

近十几年来, 我所通过与航空航天部有关单位的合作,在对上百种用于空间卫星系统中的CMOS元器件进行了总剂量辐照实验的基础之上,探索了商用CMOS 器件的总剂量辐射可靠性实验技术及评估方法,得到了一系列新的有价值的结果和结论,具有非常重要的实际应用价值。

本文对用于空间电离辐射环境中的CMOS 器件的电离辐照实验方法和加固评判标准的研究结果进行了总结。其中特别是对一些实际试验过程中经常遇到,而现有方法和标准规定模糊或根本没有规定的内容,根据我们的长期研究结果,对其进行了补充和完善,并从原理和方法上进行了分析和说明。

2 CMOS器件的辐照偏置

工作在空间环境中的CMOS器件总是要处于一定的工作状态, 即器件加有一定的电偏置,大量实验结果表明,器件同一辐照偏置下的不同电参数,及不同辐照偏置下的同一电参数,其辐照损伤程度各有很大的不同。因此,在考察评判其抗辐照水平时,应以实际工作时的电偏置状态为基础, 在辐照场中加各种可能的辐照偏置进行辐照实验。当电路不是十分复杂时, 这一要求比较容易实现,当电路逻辑功能很多时,逐一对每一可能的电偏置进行辐照实验,不仅不经济也无必要。实际上, 在被测电路所有可能的辐照偏置条件中, 我们只需对其加能够使感兴趣电参数发生最劣损伤变化的电偏置条件进行辐照即可,该电偏置条件就叫感兴趣参数的最劣辐照偏置条件。

3 CMOS器件的辐照剂量率

典型空间辐射环境中的辐照剂量率约为10-4-10-2rad(Si)/s, 如果在地面以如此低的辐照剂量率模拟空间辐照环境,达到1x106rad(Si)的累积剂量约需数月乃至数年时间。作为常规的辐照实验, 这不仅不经济,也不实用。

以地面辐照中的高剂量率模拟空间辐照环境中的低剂量率, 国外已做过大量研究,研究结果表明,高剂量率比低剂量率辐照将在CMOS器件栅氧层产生更多的氧化物正电荷和较低的界面态电荷,这将使得地面

高剂量率辐照的N沟器件的栅氧和场氧寄生晶体管的阈电压漂移比实际空间大, 而速度及输出驱动能力的衰降将比实际空间环境的小.为了解决这一矛盾,1989年,D.M.Fleetwood 和P.S.winokw等人提出一种新的总剂量实验方法, 该种方法基于上述实验结果,对美军标MIL-STD883C 实验方法1 019条进行了修正,并已被美国政府,厂商和用户委员会审查通过, 提交美国国防电子器件供应中心作为该军标的1 019.4试验方法。该实验方法对我们的研究工作具有较大的参考价值,简介如下:

(a)被测器件在最劣辐照偏置条件下,用CO-60源以50-300rad(Si)/s 的剂量率辐照到规定剂量。

(b)除去偏置,在辐照与测试的间隙内保持0偏置。

(c)辐照后两小时内完成功能及电参数测试。

(d)如果器件通过了(c)中的所有测试,则再对器件进行一次附加辐照, 附加辐照的剂量为第一次辐照剂量的0.5倍。

(e)在100℃的温度场中,器件加最劣静态偏置退火168h, 或是在已被特性实验中证明将会使感兴趣参数(例如:速度,时间,输出驱动能力) 产生相同或更大退化的条件下进行退火。

(f)重复(c)过程。

过程(a)的辐照剂量率远远高于实际空间的剂量率,因此,电子元器件通过(a)过程将比在实际空间产生更多的氧化物正电荷,而界面态则比实际空间产生的少.因此, (a)-(c)过程实际上是对由氧化物正电荷导致器件参数功能(如阈电压, 静态功耗电流等) 失效的失效剂量的一个有保留的保守评估.通过(a)-(c)过程的器件再经过过程(d)- (e)将比实际空间产生更多的界面态,因此(d)-(f)过程是对由界面态导致器件参数功能(如速度,时间, 输出驱动能力等)失效的失效剂量的一个有保留的保守评估。

4 评判参数的选择及测量

器件失效可分为电参数失效和功能失效.我们所作的大量实验结果表明: 总剂量辐射环境中器件功能的失效总是晚于电参数失效半个到一个数量级的累积剂量, 单纯以器件逻辑功能的正常与否作为器件失效评判的标准是不严格的.例如,实验中经常发现,很多器件辐照后逻辑功能虽然很正常,但由于其阈电压漂移很大, 使得器件噪声容限很低, 静态功耗电流很大,这样的器件如用于空间, 其可靠性是不会得到严格保证的.

严格的评判步骤应是在保证器件功能完全正常情况下, 以器件的电参数失效水平为整个器件的失效水平.所作的大量实验结果表明, 电参数的失效并不一定可导致电路功能的丧失,但电路逻辑功能的失效必将伴随有器件电参数的失效. 因此,在实际评判过程中,不必对器件的所有逻辑功能逐一测试(尤其在电路功能很多时),实际实验工作中, 我们只是以电路某一逻辑状态下的的Vin-Vout 曲线做测量来监测整个电路的逻辑功能, 重点放在电参数的测量评判上。

CMOS器件的电参数很多,单就CMOS器件门电路来说,仅美军标MIL-M-38510 有规范要求的就近20个,总剂量辐照实验中,对电路所有电参数全部测量,即费时不经济,也非必要。

CMOS器件所有电参数的退化都可归结为是由于电离辐照在CMOS 器件的栅氧层和寄生结构产生并堆积的氧化物电荷和界面态引起的.目前情况下,除了MOSFET, 我们尚无测量CMOS器件氧化物正电荷和界面态的直接办法,只有通过找到一个或数个反映器件氧化物正电荷和界面态最灵敏,而本身又是反映器件重要特性的电参数, 来表征整个器件电离辐照前后的变化情况。

美军标规定的能够反映器件整体辐照前后变化因而成为评判标准的参量是: N,P沟阈电压Vtn,Vtp,静态功耗电流Iss,信号传输延迟时间Tphl和Tplh. 加固评判标准为:

ΔVtn<1.4V ΔVtp<1.4V Vtn>0.3V Vtp│<2.8V Iss<100MAXLIMT Tphl<1.35Tphl Tplh<1.35Tplh

下面根据大量实验结果对该几个参数的测量极其评判做些说明。

4.1 静态功耗电流Iss

CMOS器件的电离辐照感生静态功耗电流主要由两部分组成, 一部分是由于栅氧结构的N沟管阈电压负向漂移而引起的N沟道截止时的泄漏电流,另一部分是N沟管边缘场氧寄生晶体管结构漏电,对于SOS、SOI CMOS器件,这部分漏电还应包括岛边和背界面寄生晶体管漏电成分。辐射场中,器件上述三种晶体管中任一晶体管阈电压的负向漂移都可使得Iss增大,因此,Iss是最灵敏反映器件整体结构氧化物正电荷和界面态在辐照场中变化情况的参量之一。

CMOS器件N沟晶体管截止泄漏电流的大小对器件性能影响很大, 将导致其它一系列电参数(驱动电流,噪声容限,时间参数等)退化,增大至一定程度时,可直接使器件功能丧失.而寄生晶体管结构漏电流的增大,

一般来说, 只是降低了器件的输出驱动能力, 增大了器件静态功耗电流,对器件正常逻辑功能不会产生影响.实验中观察到,初始功耗电流只有几微安的中、小规模CMOS器件, 只要使其栅氧层得到一定程度的加固,保证栅氧结构晶体管漏电不大情况下,辐照后, 即使寄生结构晶体管产生的漏电使功耗电流增加到近mA量级, 器件仍能保持正常功能.因此, 在下文所述阈电压测试方法中, 为了使测量值能够真正反映器件的实际开关特性,在测量过程中, 有必要排除寄生结构漏电对沟道阈电压测量值的影响。(见下文)。

4.2 阈电压

在国内外各个电子元器件厂家的产品目录,甚至在美军标MIL-M-38510 对军用电子元器件电参数规范要求上,都没有阈电压这一项, 之所以把阈电压漂移大小作为电子元器件总剂量加固评判标准之一,是因为: (1).工艺条件一定的情况下, 阈电压在辐射场中漂移大小完全依赖其沟道上方氧化层积累氧化物正电荷和界面态的多少。(2).阈电压是表征半导体器件的一个最基本参量,它的变化决定了器件N沟截止泄漏电流,电路输入输出高低电平, 输出信号上升下降时间等。

美军标MIL-STD883C对CMOS器件的阈电压测量有详细的规定,基本原理是:在一定的栅源电压下,如果MOSFET沟道中有10μA(或20μA)电流流过,即可视为沟道开启。此时的Vgs 电压即为沟道阈电压.具体的测法是:选择电路中某一输入极为反相器的输入端为测量端,通过加适当的电位。在保证其它输入端对应输入极反相器的N 沟管在测量过程中保持截止的静态情况下,从Vdd(Vss)端灌入(抽取)10或20μA恒流,此时被测输入端与Vdd端(Vss端)的电位差,即为P沟(N沟)的阈电压。

实验中发现, 许多CMOS器件在用美军标恒流法测试阈电压时,静态功耗电流一旦超过10(20)μA,测出的P沟阈电压值即成为正值,相应N沟阈电压值变为负值, 按照上述美军标的评判标准,表明电路在相当低的辐照剂量下就因阈电压漂移超标而失效,但实际器件噪声容限,输出信号上升下降时间,电流(或电压)传输特性曲线等与阈电压有直接关系的电参数及特性曲线辐照前后的变化幅度并不大,由此推断。沟道真正的阈电压不应该有如此大的漂移。

通过研究与分析,我们发现: 美军标规定的阈电压测量方法。在静态功耗电流比较小的情况下,测量值是比较准的, 当静态功耗电流一旦大于10μA(或20μA), 则测出的阈电压值完全失去意义,原因是: (1). 阈电压测试过程中,除被测输入端对应反相器外, 电路的其它部分都处于静态, 因此在Vdd 端或Vss 端本身就存在有一个静态功耗电流本底Idd(Iss),实际从Vdd或Vss端灌入( 抽取) 并流经被测晶体管的电流值是10或20μA-Idd(Iss) , Idd(Iss)越大,实际流经被测沟道的电流值离开启定义值10(20μA)差异越大, 所测阈电压值与实际值越不附.当Idd(Iss)本身已超过10(20)μA时,灌入电流变为抽取电流(P沟),抽取电流变为灌入电流(N沟),从而P沟阈电压变为正值,N沟阈电压变为负值. (2) 在寄生结构漏电严重情况下,测量阈电压时,即使Vdd端或Vss端存在的本底电流Iss很小,10(20)μA 也并非全部流经被测沟道,相当一部分是从寄生结构的晶体管沟道流走的(见上文静态功耗电流). 造成N沟所测得的阈电压值比实际值低,P 沟测量值绝对值比实际绝对值大, 从而不能真正反映沟道实际开关状态。

通过研究与分析,我们探索了另外几种测量阈电压的方法。

第一种仍是以美军标测量阈电压的方法为基础,不同的是:在Vdd(Vss)端灌恒流以前,先测得Vdd(Vss) 端的本底电流Idd(Iss), 所灌入(抽取)恒流值也不是10μA或20μA, 而是Idd(Iss)+10μA或20μA。

这种测法的优点是克服了本底电流对所测阈电压的影响,与美军标阈电压测量方法比较,在被测反相器N沟管沟道截止漏电流不是很大的情况下, 测量值更接近实际意义上的阈电压,缺点是,在被测反相器的N 沟截止电流较大,尤其在接近或超过10或20μA时, 所测得的阈电压值不准,原因是,本底电流本身包含有被测管的沟道截止漏电,测量时在克服本底电流的同时,也克服了被测管的沟道截止漏电. 因此实验中会出现当N 沟道截止漏电已超过沟道开启的定义值,沟道阈电压漂移实际已过零成为负值,而所测N沟阈电压却仍为正值的现象。

第二种方法的原理是:静态功耗电流的主要来源是N沟道及其N 沟道边缘寄生结构漏电,辐照环境中P 沟及其P沟边缘漏电量极小,因此, 按照美军标恒流法测阈电压时, 通过加适当的电位,只要使除被测反相器以外的电路其它输入端对应反相器的P沟管处于截止态,Vdd或Vss端的本底电流必然很小( 数量级接近电路功耗电流Iss(10V)), 此时通过灌流流经被测管的电流应基本接近沟道开启的定义值。

这种方法的优点是P沟阈电压值可以测的很准,并克服了第一种方法因N沟阈电压过零而测不准的问题.缺点是,仍然没有克服N沟边缘寄生机构漏电对测量真正沟道阈电压值的影响。

第三种方法是:通过第二种方法比较精确的测量出P沟阈电压值, 然后再通过电压或电流传输特性曲线的电平转换点推算出N沟阈电压值,计算公式为:

Vtr=(Vdd+Vtp+Vtn(Kn/Kp)1/2)/(1+(Kn/Kp)1/2) (1)

其中:Vtr:输出电平高低电位转换点;Vdd:电源电压;Vpn:P沟阈电压;Vtn:N沟阈电压;Kn/Kp:由版图设计和制作工艺决定的常数. 通常情况下Kn=Kp.因此, (1)式可以简化为:

ΔVtn=2ΔVtr-ΔVtp ...... (2).

用这种方法得到的阈电压值,排除了测量过程中非测量管静态漏电对测量管, 以及测量管的沟道边缘寄生结构漏电对真正沟道阈电压的影响, 真实反映了被测沟道的实际开关特性,从而可起到表征电路其它未被军标规定测量的参数(如噪声容限,上升下降时间等)的作用.这种方法的缺点是:增加了测量参数,测试过程中必需测量电路的电流或电压传输特性曲线。

4.3 时间参数

信号从器件的输入端输入到输出端输出,其间的时间延迟在辐照前后的变化, 一般来说只与器件的结电容辐照前后变化有关,与阈电压,功耗电流等变化关系不大, 因此是一个比较独立的参数,有必要对其辐照前后变化加以考察,并作为评判参数. 我们的大量实验结果表明:只要CMOS器件能够保持信号的正常输出,其延迟时间就不会有太大的变化,变化范围总是在美军标极限规定以内.这可能与CMOS器件的结电容在辐照前后的变化不大有关。

另一个比较重要的时间参数是器件输出信号的上升下降时间, 但由于该参数与器件的阈电压有直接关系,因此,美军标对该参数辐照前后的变化没有规范要求. 以往的实验中,我们对该参数也只是进行一般的监测。

4.4 电压和电流特性曲线

作为CMOS器件抗电离辐射加固水平的评判标准,美军标MIL-STD883C 只对上述提到的阈电压、静态功耗、延迟时间等作出了考察的要求,但这些电参数因无法全面反映器件N沟和P沟管的损伤情况,因而对MOS器件进行电离辐射损伤机理分析显得非常困难。资料表明:国际上解决这一难题的唯一办法,是在制作被测器件的同时,陪作晶体管。这种方法显然费时费力,并不是在所有情况下都可得到实现。

经过长期的实验探索,我们研究出一种器件电流—电压测量方法,这种测量方法,即使对一些规模较大的复杂器件,也能够测量其输入端对应反相器N沟和P沟管从截止到导通的连续变化情况,定性反映出器件N沟和P沟晶体管的氧化物电荷和界面态变化情况,并比较准确地计算出阈电压,此外还能把功耗电流定性区分为分别由寄生结构漏电和由于阈电压漂移引起的沟道漏电,从而分析得到器件失效到底是栅氧层原因还是场氧层原因。

上面提到的电压传输特性曲线,出了可以克服部分电路由于功耗电流增大而导致的阈电压测不准问题以外,还可反映器件的输入输出高低电平,噪声容限,逻辑功能等辐照前后的变化情况。

5 结束语

综上所述,我所已在MOS器件和电路的辐射可靠性试验方法及评估技术方面做了大量的研究工作,积累了在该领域从事工作所必需的大量知识和经验,目前建立了比较完善的中小规模电路测试系统,培养了一批能长期从事该领域研究、具有丰富实际知识和经验的中青年科技研究人员,相信在这些科技人员的努力下,在加上有关兄弟单位的合作,新疆理化所必将能在商用元器件和电路的辐射可靠性试验方法及评估技术研究领域取得更多更好的研究结果,为我国的航天事业发展作出更大的贡献。

作者简介余学峰,男,40岁,中科院新疆理化研究所副研究员,从事电子元器件辐射损伤效应和抗辐射加固研究工作。

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