МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 38, № 1, с. 4-20
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ
УДК 621.3.049.77:539.1.043
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АДЕКВАТНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ
© 2009 г. А. Ю. Никифоров1, П. К. Скоробогатов1, А. И. Чумаков1, А. В. Киргизова1, А. Г. Петров1, П. П. Куцько2, А. В. Кузьмин2, А. А. Борисов3, В. А. Телец3,
В. Т. Пунин4, В. С. Фигуров5
1ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" 2Управление развития ЭКБ 3ФГУ "22 ЦНИИИ Минобороны России" 4ФГУП "РФЯЦ ВНИИЭФ", ИЯРФ 5ФГУП "НИИ Приборов" pkskor@spels.ru Поступила в редакцию 17.07.2008 г.
Проведены сравнительные экспериментальные исследования откликов типовых представителей ИС и ПП различных конструктивно-технологических исполнений на высокоэнергетичные импульсные ионизирующие излучения (ИИ) моделирующих установок и излучение лазерных имитаторов. Установлено, что при использовании процедуры калибровки по току потребления, различия показателей стойкости при воздействии излучений моделирующих установок и лазерных имитаторов не превышают погрешности дозиметрии. Формы ионизационных токов цепи питания и выходных напряжений ИС практически совпадают. Уровни и характер функциональных сбоев ИС при обоих видах источников излучений полностью идентичны. В результате обосновано, что совместное комплексное применение моделирующих установок и лазерных имитаторов позволяет получить рациональное сочетание достоверости и производительности исследований ИС и ПП на стойкость к импульсным ИИ.
РДСБ 85.40.-e
1. ВВЕДЕНИЕ
Теоретические и практические вопросы адекватности лазерного имитационного моделирования
объемных ионизационных эффектов в ИС и ПП подробно рассмотрены в работах [1-4]. Необходимость экспериментальной проверки адекватности лазерного имитационного моделирования связана с тем, что современные микроэлектронные изделия представляют собой сложные по своей структуре устройства, обладающие большим числом внутренних состояний и многослойной оптической геометрией. Определить количественную связь между интенсивностью лазерного излучения и соответствующей эквивалентной мощностью поглощенной дозы импульсного ИИ расчетным путем удается только для сравнительно простых по структуре ИС и ПП. К тому же оптические параметры технологических
слоев ИС и ПП зачастую точно не известны.
Поэтому актуальна задача анализа пределов применимости расчетных методов дозиметрического сопровождения лазерных имитационных испытаний и разработки процедуры калибровки эк-
вивалентной мощности дозы для широкого класса ИС и ПП.
Выбор типовых представителей ИС и ПП и разработка программы сравнительных экспериментальных исследований учитывали следующие обстоятельства. Во-первых, исследованиями должны быть охвачены все основные классы современных ИС и ПП (логические ИС, аналоговые ИС, ОЗУ, ППЗУ, микропроцессоры, БМК, диоды, транзисторы). Во-вторых, выбранная номенклатура изделий, подлежащих исследованиям, должна быть выполнена по различным элементно-технологическим базисам (ЭТБ) (объемные КМОП, КНИ, КНС, ТТЛ и ТТЛШ) и обладать различной степенью интеграции. Выбранные для исследований ИС должны иметь различные уровни радиационной стойкости. Сравнительные исследования должны проводиться в активных электрических режимах работы ИС и ПП, установленных в технических условиях.
Исследования проводились на моделирующих установках высокоэнергетичных ИИ и лазерных имитаторах с длинами волн 1.06 и 1.08 мкм. Оценка
Таблица 1. Основные характеристики лазерных имитаторов и моделирующих установок
Наименование Вид излучения, длина волны (средняя энергия) Длительность импульса, нс Максимальный уровень воздействия, ед/с
"РАДОН-5М" Оптическое, X = 1.06 мкм 10____12 1012
"РАДОН-8" Оптическое, X = 1.06 мкм 12 1013
"ИЗ-25-1" Оптическое, X = 1.08 мкм 10 1012
"АРСА" Тормозное (~0.5 МэВ) 10 1010
"РИУС-5" Тормозное (~1 МэВ) 17...22 1010
"ИГУР-3" Тормозное (~1 МэВ) 17...22 1012
эквивалентной мощности поглощенной дозы, создаваемой лазерным излучением в каждой ИС, проводилась путем калибровки на моделирующих установках по току потребления. Общая методика проведения исследований изложена в [5]. Калибровочный метод дозиметрического сопровождения лазерных имитационных исследований приведен в [6]. Основные характеристики используемых установок представлены в табл. 1.
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Целью экспериментальных исследований являлась проверка адекватности и достоверности моделирования эффектов воздействия импульсного ИИ по результатам сравнительных исследований
диодов и транзисторов на лазерных имитаторах и моделирующих установках. Наиболее простыми объектами для сравнительных исследований являются дискретные биполярные транзисторы, так как процессы протекания ионизационных токов в них можно описать в рамках одномерного приближения. Результаты, полученные для коллекторного ионизационного тока, легко распространяются на ионизационные токи диодных структур, диффузионных и изолирующих р-п переходов ИС и ПП других технологий.
В качестве примера на рис. 1 приведены расчетные и экспериментальные значения зависимости амплитуды ионизационного тока коллекторного перехода транзистора КТ312Б от мощности погло-
I рЬ, мА
Рис. 1. Значения амплитуды ионизационного тока коллектора биполярного транзистора КТ312Б от мощности поглощенной дозы при облучении на МУ "ИГУР-3", "РИУС-5" и лазере "ИЗ-25-1".
590 х 590 мкм 1 _
т
п++
III1Ш1Ш1Ш1Ш1Ш1Ш1Ш1Ш1Ш 111111111:1111
р++
J
"Х-
п++
п++
\
\
3
200 мкм
М -5 ,6
Рис. 2. Поперечное сечение диодной структуры 2Д906А: 1 - алюминиевый контакт (анод); 2 - диэлектрическое покрытие толщиной ~1 мкм; 3 - п-эпитаксиальный слой КЭФ 3.0 Ом см; 4 - п++ - подложка КЭС 0.01 Ом см; 5 - омический контакт с припоем Ть№-Аи (катод); 6 - металлическое основание.
щенной дозы гамма-излучения (для двух моделирующих установок) и эквивалентной мощности поглощенной дозы лазерного излучения имитатора при облучении "сверху" и удаленной крышке корпуса транзистора.
Видно, что величины ионизационных токов, измеренные на лазере и моделирующих установках, практически совпадают между собой и с результатами расчетов в широком диапазоне мощностей поглощенной дозы. Характер ионизационной реакции (форма ионизационного тока) транзистора практически не зависит от типа источника ионизации, несмотря на то, что металлизация покрывает около 50% активной площади транзистора. В целом, исследования различных ПП показали, что погрешность определения таких показателей стойкости к импульсному ИИ, как уровень бессбойной работы и время потери работоспособности (ВПР) (по заданному уровню обратного тока), лазерными имитационными методами не превышает ±30% в диапазоне мощностей поглощенных доз до 1012 ед/с.
Этот вывод был подтвержден результатами сравнительных испытаний диодных структур, р-п переход которых практически полностью закрыт металлизацией [7]. На рис. 2 приведено поперечное сечение диода 2Д906А, ионизационная реакция которого исследовалась на лазерном имитаторе и моделирующей установке "РИУС-5".
Знание физико-топологических параметров диодов позволило провести сравнение результатов численного моделирования с результатами экспериментов. Результаты лазерных имитационных испытаний совместно с результатами расчетов и результатами экспериментов на моделирующих установках представлены на рис. 3. Несмотря на то, что металлизация закрывает всю обеденную область р-п перехода, результаты расчетов и экспериментов на моделирующих установках и лазерном имитаторе практически совпадают. Многократное переотражение лазерного излучения внутри кристалла обеспечивает частичную засветку областей, закрытых от прямого излучения и способствует повышению адекватности испытаний.
Тонкая эпитаксиальная база диода обеспечивает практически линейную зависимость амплитуды ионизационного тока от мощности дозы, что подтверждают результаты численного моделирования и измеренные значения.
3. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ МАЛОЙ
И СРЕДНЕЙ СТЕПЕНИ ИНТЕГРАЦИИ
Сравнительные экспериментальные исследования системно проводились в течение более 20 лет на более чем 300 типах цифровых, аналоговых и смешанных ИС различных элементно-технологическим базисов: ТТЛ, ТТЛШ, п-МОП, объемный
/, мА
Рис. 3. Расчетная (1) и усредненная экспериментальная (2) зависимости ионизационного тока диодов 2Д906А от мощности дозы при напряжении обратного смещения 75 В. Там же нанесены значения ионизационных токов шести образцов диодов, измеренные на лазерном имитаторе "РАДОН-5".
КМОП и КМОП КНИ/КНС. Измерялись временные зависимости (отклики) ионизационного тока цепи питания и выходных напряжений в различных состояниях, определялись параметры их функциональных сбоев [10-13].
Установлено, что одним из наиболее критичных параметров, определяющих стойкость ИС к воздействию импульсных ИИ, является ток потребления по цепи питания. В качестве примера на рис. 4 приведены экспериментальные зависимости амплитуды ионизационного тока цепи питания объемной КМОП ИС 564ЛА7 в состоянии лог. "0" по выходу при облучении на установке "РИУС-5" и лазерном имитаторе "РАДОН-5М" (в режиме облучения "сверху") от мощности поглощенной дозы. Там же штриховыми и пунктирными линиями нанесены регрессии второго порядка соответствующих экспериментальных данных.
Несмотря на то, что металлизация покрывает 50% площади кристалла ИС 564ЛА7, облучение в режиме "сверху" дает весьма близкие результаты к данным, полученным на моделирующих установках.
Аналогичные результаты для ИС 5584АП3Т приведены на рис. 5.
При этом не только амплитуды, но и временные характеристики ионизационной реакции хорошо соответствуют друг другу, как показано на рис. 6. Заметен существенно более низкий уровень помех на
лазере по сравнению с моделирующими установками.
Хорошее соответствие между испытаниями на моделирующих установках и лазерных имитаторах получилось и для биполярных ИС. Результаты сравнительных измерений амплитуд импульсов тока цепи питания, представленные на рис. 7, сви
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.