核電廠電子卡片關鍵元件老化評估及可靠度研究

對於核能電廠而言最重要的事莫過於電廠安全及穩定，核能電廠因為儀控電子卡片之故障或誤動作，可能造成電廠工作之延誤以及電廠營運上的損失，甚至造成電廠非預期性的跳機。本研究之主要目的，係就核三廠固態邏輯介面控制系統之Auxiliary Logic Module(ALM)電子卡片的關鍵元件Hex inverting Schmitt Trigger 與 Hex Inverter，進行熱老化實驗及壽命評估與電壓應力、輻射效應之探討。本研究完成國內核能電廠電子卡片關鍵元件老化劣化評估方法之建立，期望增進核能電廠營運安全。第一部分將探討關鍵元件使用壽限評估，從很早開始就有研究物品失效時間以及壽命與應力的關係，並將其研究成果應用於加速壽命試驗，反應速率理論模型即為其中在實際應用上最廣泛的典型代表。而元件之劣化，是由於某些關鍵元件或材料發生了蒸發、擴散、氧化、吸著、腐蝕、移位、再結晶等老化機制所導致。這些老化機制起因於元件或材料中的基體物質產生分子、原子等微觀級的化學與物理變化。對於CMOS電子元件而言，溫度為其加速老化因子，利用熱應力來加速老化，利用失效時間呈指數分佈形態之特性，將其作不同溫度條件的壽命預估。以嚴格之標準來訂定元件壽限，對Hex inverting Schmitt Trigger而言，在50℃的環境中使用，其元件壽限可長達十年，對Hex Inverter而言，在45℃的環境中使用，其元件壽限可長達十年。Hex inverting Schmitt Trigger與Hex Inverter做Aging實驗萃取出之活化能值約0.48 ev-0.67 ev，利用活化能數值可以與其他電子元件比較能增進對元件之可靠度瞭解。第二部分主要分析關鍵CMOS元件之輻射照射後之效應，由於國外曾發生三浬島與車諾比以及近期的日本福島等事故，由其是事故發生時的高輻射強度對整個電子儀控系統影響，輻射對電子元件而言是相當敏感且影響很大。首先先瞭解金氧半導體元件受到輻射照射之後的物理機制，其二氧化矽氧化層與二氧化矽與矽基板之介面層經輻射照射後之電荷效應為主要的機制，照射後產生的缺陷會影響到元件在電性上的表現。根據實驗結果能瞭解關鍵CMOS元件在輻射總劑量3 krad~3 Mrad範圍內的抗輻射能力，並量測到元件特性之飄移對應所遭受之輻射劑量，以建立相關的背景資料，反之也能夠將關鍵CMOS元件做為輻射偵檢器使用，應用在輻射監測上。結果顯示在輻射劑量低於30 krad以下時，大部分元件的電性參數已達10%的衰減程度，甚至超過10%。此外在相同輻射劑量下，不同輻射劑量率之大小會對於元件特性之漂移有所影響，輻射劑量率越小，即輻射照射時間越長，在半導體內產生的電子與電洞容易複合，造成較弱的輻射效應。此現象會對於以半導體元件為輻射之偵檢器對輻射劑量的量測有高估或低估的現象。最後能夠利用電荷分離的技術分析元件中分別來自氧化層電荷以及界面陷阱電荷造成的電荷效應，用以解釋相關參數之輻射效應。第三部分電壓應力常用來可靠度測試，當MOSFET受到電壓應力的持續傷害時，會導致缺陷密度增生，經過電應力傷害而產生的缺陷主要可區分為兩大類別。一種為氧化層與矽基板界面受到損傷所產生的界面缺陷，另一種為介電層受到傷害而產生的氧化層缺陷。此兩種缺陷皆會對元件操作的臨界電壓產生影響。本部份主要探討關鍵CMOS元件在不同之電壓應力條件下造成之影響，對於MOSFET與CMOS元件的退化而言，BTI與CHC視為其重要的退化機制，而BTI的衰退機制以電壓應力條件的不同，又可分為PBTI與NBTI，分別對元件會造成不同的傷害。直流電壓應力的條件下，垂直氧化層的電場導致FN stress或是直接穿隧的現象，BTI被視為控制元件退化之機制。而CMOS元件在遭受交流電壓應力時，則會同時受到BTI與CHC退化機制的影響，且頻率會是影響元件衰退的主要因素，其中輸入脈衝波的頻率越高會對元件造成較大的傷害。

關鍵字

金氧半導體元件；熱老化；輻射效應；負偏壓溫度不穩定性；通道熱載子效應

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CMOS ； MOSFET ； Thermal Aging ； Radiation effect ； BTI ； CHC

參考文獻

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