МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 4, с. 284-290
ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.328
ДОЗОВАЯ ДЕГРАДАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
МИКРОСХЕМ ПАМЯТИ* © 2012 г. А. Б. Боруздина1, А. В. Уланова1, 2, Н. Г. Григорьев2, А. Ю. Никифоров1, 2
1 ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" 2 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: abbor@spels.ru; avulan@spels.ru; mgng@mail.ru; aynik@spels.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Представлены методика и результаты исследований КМОП-микросхем памяти при дозовом воздействии ионизирующего излучения, проанализированы возможные механизмы деградации и подходы к повышению стойкости микросхем по критерию времени выборки. Экспериментально обнаружен и исследован эффект неравномерности деградации времени выборки по адресам.
1. ВВЕДЕНИЕ
Радиационная деградация временных параметров микросхем может приводить к сбоям и отказам аппаратуры в процессе ее эксплуатации при дозовых воздействиях ионизирующих излучений. Для КМОП-микросхем эта деградация связана (1) с изменением пороговых напряжений я-канальных транзисторов, обусловленных накоплением заряда в подзатворном диэлектрике (этот эффект наиболее сильно проявляется в изделиях, изготовленных по проектным нормам более 0.25 мкм), и (2) с уменьшением подвижности носителей заряда (слабо зависит от проектных норм и от типа транзисторов, проявляется при уровне дозового воздействия более 5 х 105 ед.). Основной дозовый эффект в КМОП-микросхе-мах — рост тока утечки по цепи питания — оказывает слабое влияние на деградацию временных параметров [1, 2].
Методы функционального контроля запоминающих устройств в процессе проведения радиационного эксперимента с оценкой деградации токов потребления широко представлены в литературе [3—6], тогда как результаты исследований динамических параметров как запоминающих устройств, так и других функциональных классов микросхем, отражены недостаточно полно. Таким образом, задача контроля и оценки радиационной стойкости микросхем по временным параметрам является актуальной [7].
Решение данной задачи требует применения в ходе радиационного эксперимента аппаратно-программных средств измерения временных ин-
* Работа выполнена в ОАО "ЭНПО СПЭЛС" и Институте экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ) НИЯУ МИФИ на основании Госконтракта с Минобрнауки России от 22.10.2010 г. № 13.G36.31.007.
тервалов в диапазоне от единиц наносекунд до миллисекунд с точностью не менее 10%.
Использование осциллографа с визуализацией временных диаграмм не обеспечивает достаточного числа (десятков) информационных каналов с сохранением полученных результатов для последующих анализа и обработки.
В работе предложена методика определения и контроля временных параметров микросхем памяти в ходе радиационного эксперимента, проведен анализ характера деградации времени выборки микросхем памяти, сделаны предположения по выявлению наименее стойких блоков в кристалле на основе анализа полученных данных.
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ
Методика определения и контроля временных параметров микросхем памяти основана на измерении интервала времени от момента изменения входного набора данных до момента появления установившихся значений сигналов на выходах. В условиях радиационного эксперимента наиболее информативным является относительное изменение параметра, а не его абсолютное значение. На практике, необходимо обеспечить процедуру регистрации выходного состояния микросхемы с заданной задержкой относительно момента изменения данных на входе и его сравнения с эталоном.
Данная методика была реализована на базе разработанного блока контроля времени выборки запоминающих устройств. Разработанный блок позволяет проводить контроль данного параметра по всему накопителю: по всем адресам и всем разрядам данных одновременно. Блок реализует следующий алгоритм контроля: после момента установки сигнала выборки (Chip Select) прово-
N = N + 1
N — адрес ячейки
K — число адресных ячеек
Ta(ce) — время выборки ячейки памяти
Рис. 1. Алгоритм работы блока контроля времени выборки.
дится циклическое считывание информации с вывода данных и сравнение ее с эталонной начиная от 10 нс (время считывания информации, относительно установки сигнала CS) и постепенно увеличивая интервал с дискретом 10 нс. Цикл повторяется до момента совпадения считанной информации с эталонной. Контроль проводится при максимальной частоте 100 МГц, что обеспечивает дискрет измерений 10 нс. Измеренный временной интервал равен N х 10 нс, где N — число циклов считывания. Описанный алгоритм представлен в виде блок схемы на рис. 1.
В качестве возможных платформ для реализации блока измерения времени выборки были рассмотрены: тестер HP82000 (ф. Agilent Technologies), тестер FORMULA HF2 (ф. "ФОРМ") [8] и модульная платформа PXI-1033 (ф. National Instruments) [9]. Итоговая реализация аппаратной части блока выполнена на тестирующем оборудование ф. National Instruments, которое среди других тестеров обладает рядом преимуществ: (1) малые габариты измерительного модуля позволяют использовать его в ходе радиационного эксперимента на моделирующих установках; (2) имеется возможность установки модуля на расстоянии 2 м от исследуемого объекта без потери точности измерений; (3) модульная организация позволяет конфигурировать набор модулей для построения конкретных измерительных блоков; (4) относительно низкая стоимость модулей; (5) некоторые субмодули входят в Государственный реестр средств измерений.
Основу аппаратной части составляет измерительная модульная платформа PXI-1033 в составе FPGA модуля PXI-7953R и адаптера NI 6581. Управление осуществляется посредством виртуального прибора, разработанного с использованием программного обеспечения LabView. Возможности PXI-7953R позволяют проводить измерение временных параметров и функциональный
контроль устройств с суммарным числом линий ввода/вывода до 56 при максимальной частоте 100 МГц с логическими уровнями сигналов от 1.5 до 5.5 В. Объем внутренней памяти модуля PXI-7953R составляет 128 Мбайт, что позволяет уменьшить суммарное время тестирования всего накопителя.
3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Апробация разработанного блока проводилась в ходе радиационного эксперимента на ускорителе электронов У-31/33 и рентгеновском имитаторе "РЕИМ". Объектами исследований являлись микросхемы масочного ПЗУ емкостью 16 кбит с организацией 2Кх8, выполненного по КМОП-технологии "кремний-на-сапфире" с проектными нормами 3 мкм и микросхемы перепрограммируемого ПЗУ (ППЗУ) информационной емкостью 64 кбит с организацией 8Кх8 бит с последовательным вводом/выводом информации по интерфейсу I2C, выполненные по КМОП-техно-логии с проектными нормами 0.8 мкм.
Целью экспериментальных исследований было определение характера деградации времени выборки микросхем при дозовых воздействиях ионизирующего излучения. При проведении эксперимента перед контролем времени выборки проводился функциональный контроль (считывание информации из накопителя и сравнение с эталонными данными). Нормы на параметр время выборки (не более 500 нс для ППЗУ 64 кбит и не более 200 нс для ПЗУ 16 кбит) позволяют проводить измерения с выбранным дискретом (10 нс).
Уменьшение размера шага 10 нс может быть обеспечено применением более высокочастотных модулей фирмы National Instruments, например, модульной платформы NI PXI-7851R с ча-
Рис. 2. Зависимость времени выборки для разрядов данных ПЗУ 16 кбит от уровня дозового воздействия.
240
о
0 500 1000 1500 2000
Адрес
Рис. 3. Распределение времени выборки ПЗУ 16 кбит по адресам при разных уровнях дозового воздействия.
стотой до 200 МГц, что снизит дискрет измерения до 5 нс.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В процессе исследований ПЗУ 16 кбит облучались в режиме хранения при напряжении питания 7.5 В. Зависимость времени выборки разрешения для разрядов данных ПЗУ от уровня дозового воздействия приведена на рис. 2. Диаграммы распределения времени выборки разрешения по адресам для разных уровней воздействия приведены на рис. 3.
Зависимости, представленные на рис. 2, свидетельствуют о неравномерности вклада разрядов данных в формирование значения времени выборки разрешения после воздействия. В начальный момент времени расхождения по значению времени выборки для разных разрядов были
практически одинаковы (укладывались в 10 нс), дальнейшее облучение приводит к неравномерной деградации времени выборки по разрядам (различие достигает более 20 нс).
Максимально достигнутый уровень дозового воздействия в ходе исследований образцов ПЗУ 16 кбит составил 1.2 х 106 ед. Отказа по параметру время выборки разрешения (200 нс) не наблюдалось вплоть до уровня воздействия 8.4 х 105 ед., уровень отказа составил 1.0 х 106 ед. (см. рис. 3). Отказов по функционированию и току потребления (норма 900 мкА) не наблюдалось до уровня воздействия 1.2 х 106 ед.
В процессе исследований образцы ППЗУ 64 кбит облучались в двух режимах: хранение и динамическое считывание при напряжении питания 5.5 В. Максимально достигнутый уровень дозового воздействия в ходе исследований ППЗУ
64 кбит составил 1.6 х 104 ед. — вплоть до этого уровня отказа по параметру время выборки разрешения (норма 500 нс) не наблюдалось. Дальнейшее облучение не проводилось вследствие отказа микросхем по току потребления (норма 5 мкА) при уровне 7.8 х 103 ед. и по функционированию при уровне 9.0 х 103 ед.
Зависимость времени выборки ППЗУ от уровня дозового воздействия приведена на рис. 4. Исследованные образцы продемонстрировали характерную немонотонную дозовую зависимость времени выборки — сначала некоторое снижение, а затем интенсивный рост, что может быть связано с немонотонным характером дозовой деградации характеристик п-канальных транзисторов [1, 2] в ячейках памяти ППЗУ. Радиационное поведение времени выборки чувствительно к электрическому режиму при облучении. Для образцов, облучавшихся в режиме хранения, кривая деградации времени выборки носит более крутой характер и функциональный отказ наступает раньше, чем для образцов, которые во
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.