4. Перспективы и трудности шумовой диагностики

Вернемся к положению дел в области изучения 1/f-шума. Можно предположить, что необязательно дожидаться окончания теоретических изысканий. Сегодня накоплен большой практический материал о воздействии на различные дефекты полупроводников электрического и магнитного поля, света или лазерного излучения, деформации, температуры, ионизирующего излучения и т. д. Для каждого вида дефектов можно подобрать такое внешнее воздействие, на которое будет отзываться только (преимущественно) данный дефект. Сам этот отклик можно зафиксировать, измеряя реакцию 1/f-шума исследуемого компонента на выбранное внешнее воздействие. Трудность заключается в выборе наиболее избирательных внешних воздействий. На каждое такое воздействие должен реагировать только один вид дефектов. Эта избирательность и лежит в основе диагностики дефектов по характеристикам 1/f-шума.

Кратко перечислим некоторые виды дефектов полупроводников, которые можно изучать при помощи измерения характеристик 1/f-шума.

Первый распространенный дефект — заряды, вызванные ионами внутри пленки окисла SiO2 (МОП-технология). Особенно это касается положительных ионов натрия. Второй, не менее распространенный дефект — заряды, вызванные ионами на поверхности полупроводника. Этот дефект напрямую связан с качеством обработки и пассивации поверхности полупроводника. Кроме того, заряды могут образовываться избыточными атомами кремния в окисле около границы с кристаллом. В обычных условиях эти ионы неподвижны. Однако при повышенной температуре и наличии поля они могут перемещаться к внешней поверхности пленки окисла, способствуя возникновению 1/f-шума. Следующий источник 1/f-шума — электронные заряды, которые появляются на границах дефектов кристаллической решетки. В таких местах электроны могут иметь энергетические состояния, лежащие внутри запрещенной зоны данного полупроводника. Поэтому они могут существовать только около поверхности полупроводника. Эти ловушки заполняются и освобождаются носителями заряда случайным образом и с разной скоростью. Данный процесс также проявляется в виде 1/f-шума. Наконец, случайное изменение коэффициента усиления биполярных транзисторов (или крутизны полевых транзисторов) из-за образования каналов проводимости вдоль поверхности полупроводника также является источником 1/f-шума. Количество возможных дефектов полупроводника такое, что для всех моделей генерации шума найдется место (и еще останется).

Складывается впечатление, что для многих перечисленных дефектов уже найдены необходимые избирательные воздействия. Обычно эти находки являются следствием, но никак не основной целью исследований. Если развернуть целенаправленную работу в этом направлении, можно ожидать, что основная проблема комплексной шумовой диагностики будет решена в обозримом будущем. Этот новый инструмент может (пока потенциально) не только заменить традиционные термотренировку или электротермотренировку, но и значительно расширить возможности производителей в смысле детализации дефектов.

Для иллюстрации рассмотрим практический пример. Допустим, что обнаружен полупроводниковый компонент с повышенным уровнем 1/f-шума (потенциально ненадежный). Мы предполагаем наличие большого количества дефектов поверхности и хотим в этом убедиться. Для этого необходимо выбрать правильное внешнее воздействие, которое затрагивает только поверхностные дефекты и не оказывает заметного влияния на более глубокие слои. Можно подумать, например, о химическом воздействии (адсорбции, десорбции или хемосорбции различных веществ) на поверхность исследуемого компонента путем изменения газового состава среды, окружающей этот компонент.

Если описанное внешнее воздействие изменило характеристики 1/f-шума исследуемого компонента, наше предположение о поверхностном характере дефектов подтверждается. Теперь можно решить следующую задачу — найти пространственную локализацию этих поверхностных дефектов. Для этого необходимо подвергнуть поверхность исследуемого компонента тому же воздействию, но последовательно, отдельными участками. Возможно, что придется применить не газ, а жидкость. Жидкость следует подавать на поверхность компонента непрерывной волной, проходящей от одной границы до другой, или отдельными микроскопическими порциями (пикселями). В тот момент, когда жидкость будет нанесена на участок поверхности с максимальной концентрацией дефектов, 1/f-шум исследуемого компонента отреагирует наиболее резко. Получив эти ценные сведения о характере, размере и расположении дефектов, остается внести соответствующие изменения в технологический процесс.

В теории все выглядит достаточно просто и привлекательно. Как только эти теории начинают воплощаться в реальность, возникает множество трудностей и вопросов.

Для получения достоверной информации на основании диагностики по низкочастотным шумам необходимо, чтобы сам измеритель был лишен собственного 1/f-шума. Другими словами, необходимо применение малошумящего DC-усилителя. Менее очевидной проблемой является присутствие 1/f-шума в спектре внешних воздействий и (или) источников питания. Такая нестабильность внешних факторов искажает собственные низкочастотные шумы исследуемого компонента. Здесь также не обойтись без малошумящих DC-усилителей в цепях обратной связи.

До сих пор не решены многие теоретические вопросы, связанные с применением шумовых диагностик.

Какой величины должны быть внешние воздействия? Должны они приближаться по величине к предельно допустимым для данного компонента значениям, или, напротив, их величина должна быть минимальной? Может быть, величину воздействия необходимо менять по какому-то алгоритму? Какова должна быть продолжительность воздействия? В какой последовательности должны прикладываться эти внешние воздействия? Какой временной интервал необходим, чтобы исследуемый компонент «забыл» о предыдущем воздействии и его реакция на следующее воздействие была «адекватной»? Допустима ли комбинация нескольких воздействий одновременно? Это только начало бесконечного списка вопросов. Без правильных ответов на них шумовые диагностики могут оказаться недостаточно объективными. За каждым из подобных вопросов стоит серьезная наука. Нет никакой возможности даже бегло описать ее. Это должна быть другая статья, написанная другим автором. Мы же должны отметить, что эта наука до сих пор находится в стадии становления. Поэтому окончательных ответов на перечисленные вопросы пока нет.

Тем не менее отвечать на эти вопросы приходится уже сейчас. Каждый серьезный производитель вынужден это делать. Даже в сегодняшнем несовершенном виде шумовая диагностика качества и надежности продукции не имеет альтернативы. Развивающиеся нанотехнологии нуждаются в совершенствовании этого инструмента как никакая другая отрасль. Причина заключается в том, что при уменьшении размера кристалла и числа носителей заряда влияние различных дефектов угрожающе возрастает. Шум вида 1/f в таких компонентах неизбежно становится фактором, который ограничивает их возможности. Неудивительно, что за последнее время количество публикаций на тему изучения 1/f-шума неуклонно увеличивается.