МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 1, с. 34-40
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ =
НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ
УДК 621.382
ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ К ОДИНОЧНЫМ РАДИАЦИОННЫМ ЭФФЕКТАМ ДЛЯ ТОЧЕЧНОЙ ОБЛАСТИ СОБИРАНИЯ ЗАРЯДА © 2015 г. А. И. Чумаков
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ ОАО "ЭНПО СПЭЛС" E-mail: Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 20.05.2014 г.
Предложен подход к оценке параметров чувствительности — сечений одиночных радиационных эффектов в функции линейных потерь при использовании модели собирания заряда точечной чувствительной областью. Представленная модель удовлетворительно описывает экспериментальные результаты по изменениям сечений одиночных радиационных эффектов от значений линейных потерь энергии и позволяет относительно просто учитывать угловые зависимости для падающих ионов. Предложен подход по оценке чувствительности интегральных схем к эффектам многократных одиночных сбоев.
DOI: 10.7868/S0544126915010044
1. ВВЕДЕНИЕ
Бессбойное функционирование электронной аппаратуры космических аппаратов, реализованных на современных изделиях микроэлектроники, возможно только с учетом парирования одиночных радиационных эффектов (ОРЭ), возникающих от воздействия тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического пространства [1—3]. Показатели радиационной стойкости (частота сбоев и/или вероятность отказа) в изделиях микроэлектроники с учетом условий эксплуатации определяется при известной зависимости сечений ОРЭ от линейных потерь энергии (ЛПЭ) при воздействии ТЗЧ. Существующие подходы для расчетной оценки показателей стойкости базируются на модели чувствительной области в виде прямоугольного параллелепипеда [1—3], в которой предполагается полное собирание заряда при нахождении трека только внутри этой чувствительной области.
Совершенно очевидно, что подобный подход не отражают реально происходящие физические процессы, так как не учитывает возможность появления ионизационной реакции, при нахождении трека за пределами чувствительной области. Вместе с тем, результаты моделирования показывают, что ионизационная реакция формируется с некоторой задержкой и при нахождении трека за пределами чувствительной области [4]. В настоящей работе предложен подход для оценки параметров чувствительности — сечений ОРЭ в функ-
ции ЛПЭ при использовании модели собирания заряда точечной чувствительной областью.
2. МОДЕЛЬ СОБИРАНИЯ ЗАРЯДА
Формирование ионизационной реакции отдельного элемента при облучении ионами происходит за счет диффузионно-дрейфовых процессов. При этом если трек пересекает отдельный р-п-пе-реход, дрейфовая компонента ионизационного тока может увеличиваться за счет эффекта образования "воронки" заряда [5]. В конечном итоге амплитудно-временные характеристики формы импульса ионизационной реакции определяются: физико-технологическими параметрами элемента интегральной схемы (ИС), режимом его работы, быстродействием, месторасположением трека и рядом других причин. Учесть все эти факторы в общем случае для оценки параметров чувствительности ИС по ОРЭ при воздействии ТЗЧ не представляется возможным.
Вместе с тем, по мере уменьшения размеров отдельных элементов все в меньшей степени сказывается влияние физико-технологических параметров отдельного элемента и дрейфовой компоненты ионизационного тока. Кроме того, трек за счет ам-биполярной диффузии достаточно быстро растекается, создавая условия, приближенные к почти однородной ионизации для точечной области собирания. В этом случае качественно, ионизационная реакция ДЩ) может быть оценена из соотношения:
AU(t) - Apexp(-RC JEi(t/RC),
где RC — эквивалентное быстродействие элемента, C — эффективная емкость элемента, t — текущее время, A(t) — коэффициент пропорциональности, учитывающий значение ЛПЭ, местоположение трека, размеры элемента и его режим работы. Основная проблема и заключается в оценке функции A(t), которую определить аналитическими методами практически невозможно даже для отдельно расположенного р—я-перехода.
Вместе с тем, возможен принципиально иной подход, основанный на приближении модели собирания эффективного заряда точечной областью. В общем случае условие возникновения ОРЭ будет иметь место, если собранный заряд за время быстродействия отдельного элемента превышает критическую величину.
Предположим, что амплитуда ионизационной реакции (заряд) для элемента ИС с достаточно малой площадью при наличии точечного источ-
ника на расстоянии r от чувствительной области определяется из соотношения:
А и = ехр (—^ й%Ьгки,
1 с
где г — расстояние между областью собирания и точкой трека; 1С — эффективная длина собирания; йх — небольшой участок трека, Ьг — ЛПЭ, ки — коэффициент пропорциональности между напряжением (зарядом) и энергией.
Если частица попала в центр области, то это значение соответствует пороговому значению ЛПЭ 0 и амплитуда Ди0 определяется как-
А и = о/А.
В случае если частица нормально попала на расстоянии г от центра чувствительной области, то значение ЛПЭ, необходимое для возникновения ОРЭ, будет определяться интегрированием по длине трека
Lz ( r )
L
z0
exp
J.
2 2 Г + Z
dz
cJ
GO
0
Соответствующей этой величине ЛПЭ значение радиуса определяет сечение эффекта. Фактически полученное соотношение определяет обобщенную нормированную зависимость сечения ОРЭ от ЛПЭ, которая является единой для любого элемента микроэлектроники. На первый взгляд, это противоречит получаемым результатам экспериментальных исследований, в ходе которых формы зависимостей могут отличаться достаточно сильно [1, 6—8]. Эти отличия объясняются двумя основными причинами: наличием нескольких областей с разными значениями пороговых ЛПЭ и влиянием конечных размеров самой чувствительной области. Действительно, даже для обычной ячейки памяти одиночный сбой возникает в случае попадании ТЗЧ в стоки закрытых р- и я-канальных транзисторов. Очевидно, что эти транзисторы обладают разными параметрами чувствительности по эффектам одиночных сбоев.
На рис. 1 представлены рассчитанные зависимости сечений ОРЭ от нормированных значений ЛПЭ при разных значениях эффективной длины собирания. Кривая 1 соответствует обобщенной
нормированной зависимости для точечной области собирания (1С = 1 мкм). Кривая 2 получена в случае, если чувствительность элемента в 1.5 раза меньше (1С = 0.67 мкм), а кривая 3 — сумме первых двух кривых. В данной работе под чувствительностью понимается величина прямо пропорциональная длине собирания 1С, так при увеличении 1С пороговые значения ЛПЭ уменьшаются ей пропорционально и сечение ОРЭ также растет. Представленные результаты на рис. 1 свидетельствуют, на первый взгляд, о незначительном вкладе областей с параметром чувствительности в 2...3 раза ниже максимального значения. Но это имеет место только в том случае, если количество чувствительных структур одинаковое (например, для одиночных сбоев в микросхемах ОЗУ). В случае если в микросхеме количество структур с малой чувствительностью существенно превышает число структур с максимальной чувствительностью (подобный случай часто реализуется по одиночным тиристорным эффектам), делать подобное заключение некорректно.
На рис. 2 в качестве примера представлены результаты сравнения расчетных и эксперименталь-
Рис. 1. Расчетные зависимости сечений ОРЭ от нормированного значения ЛПЭ.
Рис. 2. Расчетные (кривые) и экспериментальные (символы) зависимости сечений ОС от ЛПЭ для микроконтроллера АШеяаШ и ОЗУ СУ62256.
ных данных по эффектам одиночных сбоев (ОС) в микросхемах микроконтроллера А1ше§а128 и СУ62256. При расчетных оценках использовались следующие параметры для одной чувствительной области: 1С = 0.42 мкм для обеих ИС и = = 4.5 МэВ см2/мг для А1ше§а128 и = 3 МэВ см2/мг для СУ62256 Нетрудно заметить, что расчетная кривая удовлетворительно соответствует экспериментальным результатам [6, 8].
В ряде случаев хорошее соответствие получается при использовании двух и более чувствительных областей с разными параметрами чувствительности. Пример подобной зависимости по эффектам ОС приведен для ОЗУ 1635РУ1 (рис. 3)
[7]. Подобное удовлетворительное соответствие имеет место и при описании экспериментальных результатов по одиночным тиристорным эффектам. Несколько сложнее учесть влияние конечных размеров чувствительной области, но, в первом приближении, для субмикронных ИС, по эффектам ОС этим влиянием можно пренебречь.
3. УГЛОВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ
В рамках предлагаемого подхода относительно легко могут быть учтены зависимости изменения параметров чувствительности от угла падения ионов. Предположим, что чувствительная область находится в центре координат, а ион падает в плос-
1е-6
1е-7
н 1е-8
ю
1е-9
1е—10
1е—11
- Модель 1С1 = 1.2 мкм, С = 0.6 мкм
• Экспериментальные результаты [7]
т
Т - Т - т
т
т
I
1 I
I
т
г
о 20 40
60 80 100 120 ЛПЭ, МэВ см2/мг
140 160 180
Рис. 3. Расчетная при наличии двух чувствительных областей (кривая) и экспериментальная (символы) зависимости сечений ОС от ЛПЭ для ОЗУ 1635РУ1.
кости, в которой находится ось Y, на поверхность лиз показывает, что при сделанных предположени-кристалла под углом 9 с координатами x0 и у0. Ана- ях амплитуда ионизационной реакции будет равна
А и(хо, у о) = |
ехр
л/у2 + хХ + (хо - х
(1х бШ 6
и
х
Рис. 5. Изменение нормированной чувствительности элемента от угла падения иона.
Рис. 6. Области возникновения однократных и многократных сбоев при фиксированном значении ЛПЭ.
На рис. 4 представлены результаты расчетов для нормированных изменений амплитуды ионизационной реакции Дит/Ди0 в функции координаты х0 при разных значениях координаты у0 и угле 9 = я/3, где значение Ди0 соответствует попаданию ТЗЧ в центр чувствительной области. Так как максимальное значение в ряде точек превышает единицу, то это свидетельствует об увеличении чувствительности ИС к воздействию ТЗЧ при углах падения иона отличных от нуля. При этом имеет место также увеличения сечения ОРЭ. Однако получаемая зависимость имеет пределы изменений несколько меньшие, чем используемый на практике закон обратного косинус
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.