МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 1, с. 45-51
== МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННЫХ ^^^^^^
ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ
УДК 621.382
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИС К ТИРИСТОРНОМУ ЭФФЕКТУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
© 2008 г. А. И. Чумаков, А. А. Печенкин, А. Н. Егоров, О. Б. Маврицкий, С. В. Баранов,
А. Л. Васильев, А. В. Яненко
ОАО "ЭНПО СПЭЛС", г. Москва Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.
Представлены результаты расчетно-экспериментального моделирования по оценке параметров чувствительности КМОП ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц. Методика базируется на использовании локального лазерного воздействия на отдельные элементы и узлы ИС. Результаты оценок соответствуют экспериментальным данным.
ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение интегральных схем (ИС) повышенной степени интеграции в электронной аппаратуре космических аппаратов требует проведения работ по оценке их чувствительности к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц - высокоэнергетичных ионов и протонов. К наиболее важным эффектам относятся одиночные сбои и тиристорные эффекты [1-3]. Если для моделирования и прогнозирования одиночных сбоев существует развитая научно-методическая база [3-5], то оценка параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту предполагает только проведение прямых экспериментальных исследований, которые провести в настоящее время в России не представляется возможным. Кроме того, последствия возникновения тиристор-ных эффектов по отношению к одиночным сбоям могут быть существенно более тяжелыми, вплоть до полного отказа электронной аппаратуры за счет выхода из строя как самой ИС, так и вторичного источника питания. Поэтому несомненный интерес представляет разработка расчетно-экс-периментальных методик по оценке параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту, базирующихся на доступных экспериментальных установках.
Наиболее корректный метод оценки этих параметров основывается на результатах испытаний ИС на ускорителях ионов при разных значениях линейных потерь энергии (ЛПЭ). Эта процедура является очень трудоемкой и дорогостоящей. Поэтому были развиты альтернативные методы, основанные на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности [6, 7]. Основным недостатком этих методов является необходимость сканирования сфокуси-
рованным излучением практически всей поверхности ИС. Так как часть чувствительных областей находится под металлизацией, то не всегда удается корректно определить порог возникновения эффекта в этом случае.
В настоящей работе предлагается использовать локальное лазерное облучение с последующей возможной тестовой проверкой на ускорителе протонов для оценки порогов возникновения тиристорных эффектов от отдельных ядерных частиц [8]. При этом под локальным облучением понимается воздействие лазерного излучения на сравнительно небольшую область ИС, которое приводит к возникновению сбоев или отказов в ИС, но не приводит к просадке питания.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИОНИЗАЦИОННОЙ РЕАКЦИИ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ОБЛУЧЕНИИ
Стандартные методики применения лазерного излучения для оценок параметров чувствительности ИС базируются на случайном сканировании поверхности кристалла ИС и определении энергий, при которых происходит возникновение локального радиационного эффекта. К сожалению, данные методики применимы в случае тестирования ИС с топологическим нормами проектирования не менее 0.5...1 мкм. Данное обстоятельство обусловлено ограничениями в фокусировке лазерного излучения (до 1 мкм) и наличием в современных ИС нескольких слоев металла. При уменьшении топологических норм проектирования происходит увеличение дифракционных потерь сфокусированного лазерного излучения на слоях металлизации, которое с трудом поддается учету. Поэтому применение подобных методик для ИС с нормами проектированиями порядка
Ь, см 0.0010
п-тип ^-тип
2.0е-8 6.0е 4.0е-8
1.0е-7 1.4е-7 .0е-8 1.2е-7
г, с
(б)
1) СЬ 2: 10 шУоК 25 ш
0
Рис. 1. Расчетные зависимости эффективной длины собирания носителей заряда для подложек п- и р-типов (а) и экспериментальная осциллограмма тока на резисторе Я = 100 Ом в цепи питания при воздействии лазерного излучения с диаметром пятна 100 мкм и энергией ] = 69 нДж.
0.5 мкм и менее требует наличия калибровочных зависимостей для оценки коэффициента пропорциональности между эквивалентными значениями ЛПЭ и энергией лазерного излучения [9].
Переход на локальное воздействие позволяет, с одной стороны, усреднить дифракционные потери в пределах пятна облучения, а с другой стороны - оценить эти потери. Действительно, ионизационная реакция в цепи питания интегрируется по всей совокупности р-п-переходов [10] и в линейной области прямо пропорциональна энергии лазерного излучения. В линейном приближении ионизационный ток в цепи питания А/ определяется процессами собирания заряда с подложки, и его амлитудно-временные характеристики при локальном воздействии практически не зависят от диаметра пятна:
А / (т ) = д80 Ь (т),
(1)
уровнем легирования 1015 см-3, а рядом - осциллограммы изменения тока в цепи питания при воздействии лазерного излучения такой же длительности с диаметром пятна 100 мкм. Их временные характеристики хорошо согласуются между собой.
В случае, если длительность импульса существенно меньше характерных временных постоянных ионизационной реакции, для приближенных оценок максимального значения Ь(т) можно воспользоваться следующим соотношением:
Ь п
+
(2)
где q - заряд электрона; go - скорость генерации носителей заряда в кремнии; Тр - длительность импульса лазерного излучения; ] - энергия лазерного излучения; К - коэффициент преобразования энергии лазерного излучения в значение эквивалентной мощности дозы ионизирующего излучения; Кт - коэффициент влияния оптических неоднородностей (металлизации); Ь(т) - значение эффективной длины собирания носителей заряда из подложки; т - текущее время.
На рис. 1 представлены изменения эффективной длины собирания носителей заряда во времени при воздействии 12 нс колоколообразного импульса ионизирующего излучения в подложке с
где - коэффициент диффузии для неосновных носителей заряда в подложке, ^рп - толщина обедненной области р-п-перехода (для КМОП -толщина р-п-перехода карман-подложка).
Следует отметить, что в ряде случаев имеет место уширение импульса ионизационной реакции (рис. 2). Данный эффект обусловлен как собственной инерционностью самой ИС (рис. 26), так и наличием подключенных к цепи питания ИС конденсаторов (рис. 2а) [11]. Наиболее ярко это появляется в микромодулях, в которых для увеличения помехоустойчивости ИС внутри корпуса расположены конденсаторы порядка долей-единиц нФ. Очевидно, что в этом случае амплитуда ионизационной реакции падает. Однако и в этом случае возможна оценка коэффициента потерь лазерного излучения. При известной величине то-косъемного резистора значение емкости может быть оценено по постоянной времени, а через нее, по амплитуде ионизационной реакции, - величина эффективной длины собирания носителей заряда.
(а)
(б)
2) СЬ 2: 5 шУок 2.5 ш
1) СЬ 1: 50 шУок 1 ш
Рис. 2. Экспериментальные осциллограммы тока на токосъемном резисторе Я в цепи питания при локальном лазерном облучении: (а) - KM684002, диаметр пятна 50 мкм, Я = 10 Ом; (б) - MAX4508CSE, диаметр 100 мкм, Я = 4.7 кОм.
Полученные с помощью предлагаемой методики коэффициенты потерь лазерного излучения Кт варьируются в широких пределах (табл. 1) и хорошо коррелируют с особенностями технологического изготовления ИС. Действительно, по мере снижения технологических норм проектирования и увеличения количества слоев металлизации коэффициент потерь лазерного излучения имеет тенденцию к увеличению. Следует отметить, что в общем случае величина Кт зависит от местоположения на кристалле ИС.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ЛОКАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной автоматизированной лазерной установке (см. рис.3). В состав установки входил набор лазерных имитаторов: ПИКО, ПИКО-2, РАДОН-6 и РАДОН-9Ф. Все упомянутые лазерные имитаторы имеют схожие структурные и оптические схемы и отличаются лишь максимальными энергиями и длительностями импульсов используемых лазерных источников (см. табл. 2).
Импульс излучения лазерного источника (1), энергия которого варьировалась в необходимых пределах с помощью плавного (2) и ступенчатого (3) ослабителей, поступал в оптико-механический блок фокусировки (4) на базе микроскопа БИОЛАМ-И (12), где фокусировался на исследуемом объекте (9) с помощью сменного микрообъектива (7). Исследуемый объект располагался на прецизионном трехкоординатном устройстве пе-
ремещения (8), управляемом персональным компьютером (ПК) (6) через блок контроллеров шаговых двигателей (14). Энергия лазерного импульса контролировалась с помощью встроенного блока контроля лазерного излучения (10), сигнал с которого поступал на блок сопряжения (16), располагающийся в блоке расширения (5) ПК. Блок расширения содержал также специализированную плату ввода изображения (15), используемую для регистрации изображений исследуемого объекта, поступающих со встроенной в микроскоп цветной ПЗС камеры (11). Функциональный контроль испытуемой ИС, а также регистрация импульсов ионизационной реакции и токов защелки осуществлялись с помощью блока сопряжения и коммутации (13), подключаемого к ПК через универсальный параллельный адаптер (17).
Использование набора лазерных источников было необходимо на первом этапе для оценки влияния длительности импульса лазерного излучения на уровни возникновения тиристорных эффектов. Действительно, на сегодняшний день считается, что для моделирования ионизационных эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц необходимо использовать пикосекундные лазеры. Однако в силу "затянутости" реакции во время развития тиристорного эффекта возможно использование больших длительностей оптического воздействия [12]. С этой целью на первом этапе сравнительные исследования проводились на лазерных имитаторах ПИКО (Т
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.