МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 1, с. 52-59
== МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННЫХ
ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ
УДК 621.382
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ В ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦАХ СБИС, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ
© 2008 г. С. В. Баранов1, Б. В. Васелегин2, П. Н. Осипенко2, А. И. Чумаков1, А. В. Яненко1
1ОАО "ЭНПО СПЭЛС", г. Москва 2НИИСИРАН, г. Москва Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.
Проведено расчетно-экспериментальное моделирование локальных радиационных эффектов в тестовых образцах СБИС с проектными нормами 0.5 и 0.35 мкм при воздействии нейтронов и протонов различных энергий. Выявлена относительно высокая чувствительность исследуемых образцов к эффектам одиночных сбоев. Показано, что в современных СБИС, изготовленных по различным технологиям, могут иметь место локальные радиационные эффекты при воздействии нейтронов с энергиями несколько МэВ, в основном, одиночные сбои с пороговой энергией около 1 МэВ и величинами чувствительных микрообъемов в несколько мкм3. Установлено, что по мере дальнейшего снижения топологических норм проектирования следует ожидать резкое снижение пороговых энергий переключений за счет возрастающей роли усилительных свойств паразитного биполярного транзистора.
ВВЕДЕНИЕ
Уменьшение технологических норм проектирования СБИС объективно приводит к снижению пороговых энергий возникновения локальных радиационных эффектов, приводящих к сбоям и отказам элементов СБИС вследствие воздействия отдельных ядерных частиц [1-3]. За последние 25 лет основное внимание уделялось вопросам моделирования и обеспечения требуемых уровней стойкости изделий микроэлектроники, функционирующих в условиях действия космической радиации [1-5]. Вместе с тем локальные радиационные эффекты возможны также на Земле и в атмосфере за счет естественного фонового ионизирующего излучения (ИИ), в первую очередь, из-за действия нейтронов, образующихся в верхних слоях атмосферы [6, 7].
МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ
Локальные радиационные эффекты образуются из-за большого энерговыделения в чувствительном микрообъеме элемента СБИС. Параметры чувствительной области определяются видом наблюдаемых локальных радиационных эффектов. Например, для эффектов одиночных сбоев этот микрообъем определяется областями закрытых стоковых переходов и прилегающим к ним участ-
кам базовых областей на расстояниях не более 3.. .7 мкм за счет эффекта проникновения электрического поля в трек ядерной частицы [8]. Область чувствительности к тиристорному эффекту располагается около р-я-перехода карман-подложка [9, 10].
При воздействии нейтронов значительное локальное энерговыделение в микрообъеме происходит за счет вторичных ядерных частиц, образующихся в результате упругих и неупругих рассеяний нейтронов на атомах кремния. Для расчетных оценок энерговыделения пользуются дифференциальными сечениями рассеяния, величина которых определяется как отношение числа частиц, рассеянных за единицу времени в элементе телесного угла, к плотности потока падающих частиц. Для большинства задач можно предполагать, что упругое рассеяние при энергиях ниже нескольких МэВ происходит по закону взаимодействия твердых шаров, что позволяет рассматривать изотропное распределение ядер отдачи в системе центра масс. Представление об изотропном рассеянии быстрых нейтронов не является точным. В действительности нейтроны с энергиями выше нескольких МэВ рассеиваются преимущественно вперед.
Аналогичную энергетику дает неупругое рассеяние нейтрона на атомах кремния. Единственное отличие заключается в спектральной характеристике первично-выбитого атома (ПВА). Если пренебречь возможностью возбуждения ПВА
Рис. 1. Приближенные спектры энерговыделения при рассеянии 14 МэВ нейтронов на атомах кремния: 1 - суммарный, 2 - интегральный при неупругом рассеянии; 3 - дифференциальный при неупругом рассеянии.
и считать, что в системе центра масс рассеяние будет изотропно, то интегральный и дифференциальный спектры могут быть оценены аналитически [1, 11]. На рис. 1 в качестве примера представлены спектры энерговыделения в случае рассеяния 14 МэВ нейтронов. Нетрудно заметить, что за счет неупругого механизма рассеяния максимальная энергия не превышает 1.9 МэВ. Если учесть ядерные реакции под действием нейтронного излучения, то максимальная величина энерговыделения в микрообъеме увеличивается почти в 2 раза, но при этом вероятность этих событий резко падает. Таким образом, можно говорить о том, что за счет упругого и неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов в активных объемах элементов СБИС будут иметь место эффекты, пороговые значения энергий которых ниже 1.9 МэВ (точнее, менее 1.65 МэВ по эффектам объемной ионизации и 0.25 МэВ - по эффектам структурных повреждений). С учетом протекания маловероятных ядерных реакций - менее 3.5 МэВ.
Важно отметить, что представленные оценки спектров относятся к энерговыделению в относи-
тельно большом объеме, т.е. в предположении, что в этом объеме тяжелая вторичная частица родилась, и в нем же она полностью потеряла энергию. Очевидно, что это не совсем корректно, так как возможны как рождение вторичной ядерной частицы за пределами микрообъема, так и частичный вылет вторичной частицы из микрообъема. Поэтому при разработке моделей возникновения локальных радиационных эффектов необходимо учитывать влияние геометрических факторов и материалов, окружающих чувствительный микрообъем.
При оценках возникновения локальных радиационных эффектов в элементах СБИС для большинства практических случаев можно использовать зарядовую (энергетическую) модель возникновения локальных радиационных эффектов. В этом приближении сечение возникновения локального радиационного эффекта, например, сечение одиночного сбоя (ОС) а8Еи_п, возникающего от воздействия нейтронов, можно записать в следующем виде:
Я8Еи_п - УаМ0(ДЕ; > Е0) = СэЕи^а^£ (ДЕ. > Е0), (1)
\SEU_n а „, ; п_. , . о, „Еи_ р_*а.— ,
где ап. - парциальное сечение по г-му механизму микрообъеме от вторичных частиц больше порого-рассеяния нейтронов на атомах кремния; ДДЕ. > Е0) - вого значения Е0; а,0,_р - суммарное сечение ядер-вероятность энерговыделения в чувствительном ных реакций от протонов в кремнии (аг0г_р -
Таблица 1. Основные характеристики исследуемых тестовых образцов СБИС
Параметр Образец микропроцессорной СБИС
тип 1 тип 2 тип 3 тип 4 тип 5
Напряжение питания, В 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3
Организация кэш-памяти Ш х 128 Ш х 128 Ш х 128 Ж х 128 Ж х 128
Частота работы процессора, МГц 33.0 33.0 33.0 82.5 82.5
Технология изготовления объемная 0.5 мкм объемная 0.5 мкм КНИ объемная 0.35 мкм объемная 0.35 мкм
~ 400 мбарн); ст_п - суммарное сечение взаимодействия нейтронов с кремнием (ош_„ ~ 1.8 барн для 14 МэВ нейтронов), N - концентрация атомов в 1 см3 N = 5 х 1022 см-3 для кремния); Va - величина чувствительного объема; ¡,ш - сечение насы-
щения по эффектам ОС при воздействии протонов.
В рамках простейшей модели при воздействии протонов с относительно высокими энергиями практически все тяжелые вторичные ядерные частицы, возникающие в чувствительном объеме Va, вызывают сбои. Таким образом, можем записать:
CSEU_p_sat ~ _pVaN0. (2)
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ СБИС
Объектами исследований являлись тестовые образцы однотипных микропроцессоров отечественного и иностранного производства с различными технологическими нормами проектирования (табл. 1). Во всех образцах при проведении экспериментальных исследований тестированию подвергалась только область кэш-памяти.
В процессе проведения экспериментальных исследований контролировалось количество ОС и "залипших" битов в КЭШ-памяти СБИС, нарушений функционирования ("зависаний") СБИС и проводился контроль тиристорного эффекта (ТЭ). Контроль ОС и "залипших" битов осуществляется с помощью специализированного алгоритмического функционального теста (АФТ). В ходе АФТ в СБИС осуществлялась предварительная запись исходного тестового кода 55555555Й ("шахматный код") в кэш-память СБИС и последующее циклическое выполнение считывания, контроля информации и передачи по выходу И8232 информации о нормальном выполнении тестов, отсутствии сбоев и времени прохождения теста. В случае возникновения одиночного сбоя (т.е. считанная информация не соответствует
предварительно записанной) осуществлялась передача по каналу К5232 и запись информации о номере теста, исходной информации, считанной информации, номере сбойной ячейки памяти и времени прохождения теста, повторная запись и повторное считывание для контроля отказов ("залипшие" биты). При количестве сбоев более 50 в кэш-память записывалась инверсная информация AAAAAAAAh и тестирование СБИС продолжалось.
Параметр чувствительности - сечение локального радиационного эффекта слэ определялось из соотношения:
Слэ = ^э/ф; (3)
где Nлэ, - зарегистрированное количество локальных радиационных эффектов (сбоев, функциональных сбоев, отказов и ТЭ) при воздействии протонами или нейтронами общим флюенсом равным Ф.
Экспериментальные исследования проводились на ускорителе-синхротроне протонов при энергиях из диапазона 180.1000 МэВ, на генераторе 14 МэВ нейтронов и на изотопном плутоний-бериллиевом нейтронном источнике Pu(Be). Использование протонов обусловлено тем, что при энергиях выше 50.70 МэВ значительные величины энерговыделения от протонов и нейтронов в микрообъемах являются практически эквивалентными [11]. В ходе проведенных экспериментальных исследований эффектов отказов и функциональных сбоев обнаружено не было. Обобщенные результаты экспериментальных исследований по оценке чувствительности СБИС по эффектам ОС представлены в табл. 2.
Анализ полученных результатов позволяет подтвердить базовые положения по моделям локальных радиационных эффектов, а именно, статистический характер появления событий и независимость событий друг от друга. Статистический характер появления ОС наиболее отчетливо проявляется через распределения сбившихся адресов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ Табли
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.