МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 2, с. 85-90
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
УДК 621.382
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
© 2010 г. А. И. Чумаков, А. Л. Васильев, А. А. Козлов, Д. О. Кольцов, А. В. Криницкий',
А.А. Печенкин, А. С. Тарараксин, А. В. Яненко
ОАО "Экспериментальное научно-производственное объединение СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
СИСТЕМЫ", 1ФГУ "22ЦНИИИМинобороны России" E-mail: Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 14.08.2009 г.
Представлены методика расчетно-экспериментального прогнозирования частоты возникновения локальных радиационных эффектов в изделиях микроэлектроники при воздействии высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц. Частота локальных радиационных эффектов оценивается исходя из оценки внутренней радиационной обстановки и получения расчетно-экспериментальным способом параметров чувствительности ИС.
За последнее десятилетие электронные системы космических аппаратов качественно изменялись, обусловленные переходом на элементно-технологический базис микроэлектроники, что позволило многократно увеличить их функциональные, технико-экономические и эксплуатационные характеристики. В то же время стоит задача по увеличению сроков активного существования аппаратов с нынешних 3—5 лет до 10-12 лет при размещении радиоэлектронной аппаратуры не в гермоконтейнере, а на открытой платформе космического аппарата. Эта тенденция приводит к тому, что проблема радиационной стойкости интегральных схем (ИС) выходит на первый план, так как во многих случаях именно радиационные отказы и сбои будут определять период активного существования космических аппаратов. При этом по мере увеличения степени интеграции на первый план выходят локальные радиационные эффекты, из-за которых происходят сбои и отказы ИС вследствие воздействия отдельных высокоэнергетичных ядерных частиц [1—3].
В настоящее время в современных ИС экспериментально наблюдаются следующие основные эффекты [1—5]:
— ложные срабатывания (одиночные сбои) триггеров, регистров и ячеек памяти;
— многократные сбои из-за образования одиночных сбоев в нескольких соседних ячейках памяти;
— кратковременные импульсные сигналы ("иголки") на выходах аналоговых и цифровых ИС;
— тиристорный эффект в четырехслойной паразитной структуре, в основном, в объемных КМОП ИС;
— вторичный пробойр-п переходов, в особенности, для приборов, работающих в предпробойной области;
— долговременные проводящие каналы за счет тепловых эффектов в изолирующих структурах ("проколы"), в частности, локальное разрушение области в подзатворном диэлектрике;
— шунтирование многослойных структур (проводящий канал эмиттер-коллектор в биполярных структурах) и ряд других.
Анализ показывает, что для современных ИС высокой степени интеграции наиболее критичны следующие локальные радиационные эффекты:
— одиночные сбои;
— тиристорные эффекты;
— кратковременные импульсы ионизационной реакции ("иголки").
Расчетно-экспериментальная оценка радиационной стойкости ИС при воздействии факторов космического пространства разбивается на ряд этапов:
— анализ условий функционирования космического аппарата;
— оценка радиационных воздействий, действующих непосредственно на ИС;
— расчетно-экспериментальная оценка параметров чувствительности ИС к локальным радиационным эффектам;
— прогнозирование показателей радиационной стойкости.
Анализ условий функционирования космического аппарата, исходя из условий его работы (параметров орбиты и времени функционирования), включает в себя оценку внешних радиационных условий. При анализе локальных радиационных эффектов в ИС можно пренебречь влиянием электронного излучения, которое не способно формировать большое энерговыделение в чувствительных
86 ЧУМАКОВ и др.
(а) (б)
Рис. 1. Конструкция космического аппарата (а) и пример его оптической модели (б).
микрообъемах элементов ИС. Поэтому в рамках поставленной задачи необходимо учитывать протоны радиационных поясов Земли, а также протоны и ионы солнечных и галактических космических лучей. В настоящее время существуют достаточное количество моделей и методик, которые позволяют производить подобные оценки [1—5].
На следующем этапе производится оценка радиационных воздействий, действующих непосредственно на чувствительные области ИС. Расчетная оценка радиационных воздействий должна учитывать реальные конструктивные особенности как самого космического аппарата, так и электронной аппаратуры и самих ИС в электронном блоке. Этим целям служит разработанное специализированное программное обеспечение 3D_SPA.CE [6, 7]. Расчетное моделирование, реализованное в среде 3D_SPA.CE, проводится на основе оптической модели для анализируемого изделия, полученное лучевым методом (рис. 1). Степень затенения показывает количественную картину радиационной защиты по всему телесному углу. С целью принятия правильных технических решений по реализации возможной локальной защиты для наиболее радиационно-чувствительных ИС в среде 3D_SPACE реализованы специальные опции, показывающие распределение толщины эффективной защиты и наиболее критичные направления. Итогом этих расчетов являются характеристики радиационных полей, действующих в заданной внутренней точке космического аппарата, непосредственно на кристалл ИС.
Расчетная оценка параметров чувствительности ИС по локальным радиационным эффектам даже при известных технологических параметрах элементов ИС крайне затруднительна из-за сложности происходящих нелинейных и нестационарных процессов формирования ионизационной реакции от отдельной ядерной частицы [1]. Поэтому оптимальным решением является определение некоторых параметров чувствительности ИС экспериментально, а затем "восстановление" их характеристик расчетными методами.
Оптимальным набором параметров чувствительности, который необходимо определить в процессе расчетно-экспериментальных исследований, является сечение насыщения локального радиационного эффекта и пороговое значение линейных потерь энергии для ионов или энергии для протонов. При оценке параметров чувствительности по эффектам типа одиночных сбоев и/или тиристорных можно обойтись двумя независимыми параметрами: например, сечениями насыщения при воздействии ионов и протонов [8].
Наиболее просто оценить сечения насыщения одиночных сбоев ИС с субмикронными проектными нормами, в силу относительно небольшой энергии возникновения ИС (единицы МэВ). Экспериментальные значения сечений насыщения одиночных сбоев могут быть получены при энергиях протонов выше 200 МэВ и при линейных потерях ионов выше 10 МэВ мг/см2. В первом случае не возникает особых проблем при проведении экспериментальных исследований на ускорителях протонов.
1е—12 1е—13
?! 1е—15 Ь
1е—16
1е—17
1е—18
......
-т
Х04062ХЬ-3И0240 N _ МТ48ЬС16М16Л2Т G75IT 62382 И ЯАМ Р750
I
10
100
Ер, МэВ
1000
Рис. 2. Расчетные зависимости сечений одиночных сбоев от энергии протонов в ПЛИС Х04062ХЬ-3И0240^ ДОЗУ MT48LC16M16A2TG-75IT, ОЗУ 62382И и микропроцессоре Р750.
Применение упрощенной однопараметрической модели позволяет восстановить зависимость сечений одиночных сбоев от энергии протонов (рис. 2). Из результатов экспериментальных исследований ИС на ускорителях протонов можно сделать следующие выводы:
— в современных ИС, изготовленных по объемной технологии с проектными нормами 0.5 мкм и ниже, сечение одиночных сбоев составляет величину порядка 10-15.. .10-14 см2/бит;
— в силу наличия пороговой энергии протекания ядерных реакций в материалах от воздействия протонов, пороговая энергия протонов практически не изменяется и составляет величину около 15 МэВ. По мере уменьшения проектных норм зависимость сечений ОС от энергии протонов приближается к ступенчатой функции;
— при уменьшении норм проектирования значения сечений насыщения и пороговых энергий переключения уменьшаются незначительно. Например, при уменьшении проектных норм в 2 раза указанные величины уменьшаются не более чем на 30.40% (рис. 3).
Несколько сложнее обстоят дела с оценкой сечений насыщения одиночных сбоев при воздействии ионов. В силу определенных сложностей проведения испытаний на ускорителях ионов необходимо развитие альтернативных методов оценки сечений насыщения одиночных сбоев. Наиболее адекватно эти значения могут быть определены по результатам экспериментальных исследований в полях изотопных источников спонтанного деления, например, на основе изотопа CF252. Однако при этом необходимо принимать во внимание следующие факторы:
— современные ИС с проектными нормами 0.5 мкм и ниже имеют несколько слоев металлизации, вследствие чего толщина пассивных припо-
верхностных областей может быть сравнима с пробегами осколков деления (около 10 мкм);
— в современных ИС с проектными нормами 0.5 мкм и ниже заряды переключения становятся настолько малыми, что одиночные сбои могут возникать от альфа-частиц, действующих наряду с осколками деления;
— имеет место практически полное собирание носителей с трека ядерной частицы от иона - осколка спонтанного деления.
Другим альтернативным методом является применение сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности при сканировании всей поверхности кристалла ИС. Но и в этом случае существуют ограничения, связанные с наличием многослойной металлизации. В принципе это ограничение можно устранить при использовании методики локального лазерного излучения, с помощью которой можно оценить сечение насыщения отдельного элемента [9].
Грубая оценка сечения насыщения может быть сделана исходя из анализа поверхности кристалла ИС. Так анализ основных схемно-топологических решений ИС позволяет заключить, что сечение одиночных сбоев на ИС составляет величину порядка 10% от значения площади, занимаемой структурами типа ОЗУ, регистрами общего назначения и им подобными. Другими словами, при известной площади кристалла ИС ОЗУ ^ис сечение насыщения одиночных сбоев при воздействии ионов аион можно оценить, как:
^ион ~ °.1^ис/^озу,
где ^озу суммарная информационная емкость ОЗУ.
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.