МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 1, с. 28-33
МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ^
НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ
УДК 621.3.049.77:539.1.043
УЧЕТ НАПРАВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИИ В СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
© 2015 г. П. К. Скоробогатов, А. В. Согоян, Г. Г. Давыдов, А. Н. Егоров, Д. В. Савченков
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ ОАО ЭНПО Специализированные электронные системы E-mail:pkskor@spels.ru, avsog@spels.ru, gorge_d@mail.ru, anegor@spels.ru. dvsav@spels.ru
Поступила в редакцию 20.05.2014 г.
Проведена расчетно-экспериментальная оценка влияния направления поляризации лазерного излучения (ЛИ) на ионизационный отклик БИС ЗУ, изготовленной по КМОП-технологии с проектными нормами 0.18 мкм. Проведены сравнительные исследования влияния поляризации ЛИ как при локальном воздействии, так и при воздействии на весь кристалл. Обоснована необходимость учета направления поляризации ЛИ при моделировании локальных ионизационных эффектов.
Б01: 10.7868/80544126915010093
ВВЕДЕНИЕ
Импульсное лазерное излучение в настоящее время широко используется для моделирования как объемных, так и локальных ионизационных эффектов в полупроводниковых приборах и интегральных схемах (ИС). Проведенные исследования и эксперименты [1—8] с одной стороны подтвердили высокую эффективность лазерных источников ионизации, а с другой стороны — выявили ряд факторов, ограничивающих их применение.
Наличие многослойной металлизации над чувствительной областью значительно ослабляет влияние ЛИ, а уменьшение проектных норм современных ИС до величин, сопоставимых и меньших чем длина волны ЛИ, обуславливает влияние формы границ областей засветки, а также направления поляризации ЛИ на ионизационный отклик ИС.
В работе [9] рассматриваются результаты прохождения белого света через одиночные апертуры прямоугольной формы, выполненные в серебряной оптически непрозрачной фольге. Измерения угловой зависимости прохождения света через прямоугольную субволновую апертуру показали наличие зависимости спектра пропускания от угла поляризации падающего света.
В работе [10] была продемонстрирована возможность "экстраординарного" прохождения энергии оптического излучения через много-
слойную металлизацию современных ИС. Анализ возможных механизмов прохождения излучения, в том числе в рамках строгой теории дифракции методом rigorous coupled-wave analysis (RCWA) [11] показал взаимовлияние электромагнитных полей в соседних слоях металлизации в структуре современной ИС, обуславливающее усиление или ослабление светового излучения за счет взаимного расположения границ шин металлизации [12].
Данный эффект представляет отдельный интерес при использовании ЛИ для моделирования одиночных эффектов от тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ). Большинство используемых на сегодняшний день источников сфокусированного ЛИ обладают плоской поляризацией. Данная работа направлена на количественную оценку влияния направления поляризации ЛИ на ионизационный отклик ИС.
1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектом исследований являлась БИС ПЗУ емкостью 4 Мбит с известной проектной топологией, изготовленная по КМОП-технологии с проектными нормами 0.18 мкм. В качестве источника ЛИ использовался стенд ПИКО-4 [13] с диной волны 0.87 мкм.
Цель эксперимента заключалась в сопоставлении ионизационной реакции БИС при сканирова-
' - ■<■' . "-Ч, , у,• ■ 'У, 4----х
^жЖ» ш
(а)
(б)
(в)
Рис. 1. Фрагмент фотографии кристалла ИС с указанной областью для моделирования (а), топологии (б) и трехмерной структуры металлизации (в) исследуемой области. На топологии исследуемой области показаны границы п-кармана и направление осей координат при расчете.
х
нии одной и той же области кристалла сфокусированным ЛИ при различных углах поляризации. Специфика устройства позиционирования [13] позволяла произвести сканирование заданной области при углах поляризации 0° и 90°. Позиционирование производилось по определенным заранее реперным точкам на топологии металлизации верхнего уровня. В процессе эксперимента измерялась амплитуда импульса тока в цепи питания БИС.
2. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
На основе анализа проектной топологии была выбрана область кристалла, удовлетворяющая следующим требованиям:
1. Возможность визуальной привязки для точного позиционирования пучка ЛИ при смене направления поляризации;
2. Наличие участка, свободного от металлизации, для обеспечения прохождения ЛИ к чувствительной области (р—п-переход).
На рис. 1 приведено расположение выбранной области на кристалле, ее топология и структура шин металлизации.
В ходе эксперимента выбранный фрагмент кристалла сканировался пятном ЛИ диаметром 3 мкм с шагом 1 мкм при двух направлениях поляризации излучения. При направлении вектора поляризации, перпендикулярном шинам металлизации (направление вдоль оси х на рис. 1), уровень отклика в цепи питания Рх оказался ниже среднеквадратичного уровня помехи Рм.
На рис. 2а показано отношение амплитуд импульсной реакции БИС при различном направлении поляризации, описываемое выражением вида:
К = Р + РN
Рх + Рм
где Ру — мощность ЛИ при поляризации волны вдоль зазора между шинами металлизации, Рх — мощность ЛИ при поляризации волны поперек зазора между шинами металлизации, Рм — уровень шума регистрируемого сигнала.
30
СКОРОБОГАТОВ и др.
(а)
Рис. 2. Распределение отношения амплитуд импульсной реакции БИС, полученных при поляризации ЛИ вдоль (Ру) и поперек (Рх) шин металлизации. Приведены результаты эксперимента (а) и расчета (б).
(а) (б)
0 1.0 2.0 3.0 0 1.0 2.0 3.0
X, мкм X, мкм
Рис. 3. Распространение ЛИ в двумерной структуре при поляризации ЛИ: (а) вдоль металлизации (перпендикулярно плоскости рисунка, ТЕ-волна) (б) поперек металлизации (ТМ-волна).
Моделирование распространения ЛИ в структуре металлизации ИС проводилось путем численного решения уравнений Максвелла методом конечных элементов. Использовались экспериментальные значения коэффициентов преломления и экстинкции материалов для длины волны ЛИ 0.87 мкм [14]. Нижняя часть кремниевой подложки описывалась в приближении слоя полного поглощения (РМЬ) [15]. Рассчитывалось распределение мощности ЛИ, поглощенной в подложке. Результаты расчета представлены на рис. 2б.
Наблюдается согласие расчетных и экспериментальных результатов. Отличия в амплитуде прохождения ЛИ на периферии структуры обусловлены удаленностью этих областей от р—п-перехода п-карман-подложка (см. рис. 1).
Заметим, что полученный результат отличается от интуитивно ожидаемого: в соответствии с классическим решением Рх > Ру, тогда как моделирование реальной структуры дает Ру > Рх. Данный результат в значительной мере определяется трехмерным характером структуры металлизации. Для более простого случая двумерной структуры (рис. 3) большее прохождение ЛИ наблюдается в случае ТМ- поляризации (поперек зазора) в соответствии с классическим решением.
Таким образом, экспериментально наблюдаемая зависимость степени прохождения ЛИ от поляризации в СБИС определяется не только ориентацией шин верхнего уровня, но всей трехмерной структурой металлизации.
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Представляется, что при испытаниях современных ИС данный эффект будет проявляться тем слабее, чем большая область кристалла ИС будет подвержена воздействию. В самом деле, на топологии кристалла ИС есть области, ориентиро-
ванные как вдоль, так и поперек плоскости поляризации, причем количество областей как правило велико и статистически близко. Следовательно, смена угла поляризации может обусловить изменение ионизационной реакции ИС в пределах статистической погрешности измерения.
В процессе исследований было произведено сканирование области кристалла пятном сфокусированного ЛИ различного диаметра. На рис. 4 приведено распределение амплитуды отклика при различных параметрах сканирования. Наблюдается качественное различие распределений амплитуды отклика ИС при изменении угла поляризации на 90°. При этом распределение ионизационной реакции фрагмента кристалла ИС при увеличении диаметра пятна ЛИ "размывается". Представляется, что при увеличении диаметра пятна ЛИ до размеров кристалла ИС различие ионизационной реакции, обусловленное плоскостью поляризации ЛИ, станет минимальным.
Для подтверждения данного тезиса весь кристалл исследуемой ИС был подвергнут воздействию несфокусированного плоскополяризован-ного ЛИ с длиной волны 1.08 мкм. Ионизационная реакция ИС в целом по цепи питания при смене направления поляризации отличалась менее чем на 10%. Указанная разница может быть обусловлена наличием четкой периодической структуры, характерной для кристаллов ИС ЗУ.
Этот результат не исключает возможности проявления влияния поляризации ЛИ при определении таких параметров ИС как уровень бессбойной работы, время потери работоспособности по выходным цепям, а также проявление тири-сторного эффекта. Их величина будет определяться локальными областями ИС, обладающими своими особенностями строения металлизации.
(5)
0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012
Рис. 4. Распределение ионизационной реакции КМОП БИС ПЗУ при сканировании пятном сфокусированного ЛИ: (а), (б) диаметр — 10 мкм, шаг 5 мкм; (в), (г) диаметр 30 мкм, шаг — 10 мкм. Плоскость поляризации горизонтальная (а), (в) и вертикальная (б), (г) относительно ориентации рисунка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, установлена зависимость ионизационной реакции реальной структуры современной ИС, выполненной по субмикронным проектным нормам, от направления поляризации лазерного излучения. Показано, что различие в амплитуде ионизационной реакции современных ИС может достигать нескольких раз (до 3—4). Данный эффект необходимо учитывать при моделировании одиночных эффектов от воздействия ТЗЧ с использованием сфокусированного лазерного излучения.
Работа выполнена в рамках соглашения о предоставлении субсидии между Минобрнауки России и НИЯУ МИФИ (уникальный номер заявки 2014-14-579-0129-0604).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Belykov V.V., Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Pershenk-ov V.S., Skor
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.