МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 2, с. 137-142
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ
В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ =
НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
УДК 621.382
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ В ИС
© 2004 г. А. И. Чумаков*, А. Н. Егоров**, О. Б. Маврицкий**, А. В. Яненко*
*Экспериментальное научно-производственное объединение "Специализированные электронные системы" **Московский инженерно-физический институт (технический университет)
Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 28.04.2003 г.
Проведено численное и экспериментальное моделирование эффектов возникновения одиночных сбоев и защелкивания при воздействии локального лазерного излучения с диаметром пятна в диапазоне от 5 до 50 мкм. Продемонстрирована возможность расчетно-экспериментальной оценки пороговых значений линейных потерь энергии из результатов лазерных испытаний с использованием локального облучения нескольких чувствительных областей.
ВВЕДЕНИЕ
Прогнозирование вероятности возникновения эффектов от отдельных ядерных частиц в ИС осуществляется при известных параметрах чувствительности микросхем [1-3]. Минимальный набор параметров чувствительности включает в себя сечение насыщения и порог возникновения эффекта от отдельных ядерных частиц. При этом для многих ИС сечение насыщения может быть определено по результатам испытаний на изотопном источнике С!252. Наиболее трудоемкой процедурой является оценка величины порога для возникновения эффектов сбоев или отказов. Самый корректный метод оценки этих параметров основывается на результатах испытаний ИС на ускорителях ионов при разных значениях линейных потерь энергии. Эта процедура является очень трудоемкой и дорогостоящей. Поэтому были развиты альтернативные методы, основанные на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности [3-5]. Основным недостатком этого метода является необходимость сканирования сфокусированным 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.
Распространение результатов испытаний на импульсных моделирующих установках или имитаторах, когда облучается весь кристалл ИС, невозможно из-за эффекта "просадки" питания. Действительно, при импульсных воздействиях по подложке и шинам питания протекают значительные токи (до единиц ампер). Поэтому из-за омического падения напряжения на внутренних шинах
происходит снижение эффективного приложенного напряжения питания.
Предлагается использовать локальное лазерное облучение для оценки порогов возникновения эффектов сбоев и отказов от отдельных ядерных частиц [6, 7]. При этом под локальным облучением понимается такое воздействие, которое приводит к возникновению сбоев или отказов в ИС, но не приводит к просадке питания.
РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Анализ показывает, что, в общем виде, можно ожидать следующую качественную зависимость изменения уровней энергии лазерного излучения, необходимого для возникновения сбоев и эффектов защелкивания, в функции радиуса зоны облучения (рис. 1). Для обоих эффектов можно выделить три характерных области. Первая область I соответствует воздействию сфокусированного лазерного излучения. Для этой области следует ожидать, что пороговая энергия практически не зависит от радиуса сфокусированного луча. Промежуточная область II характеризуется линейной (в логарифмическом масштабе) зависимостью. При увеличении радиуса пропорционально увеличивается энергия лазерного излучения. При этом оценка изменений порогов сбоев дает квадратичную зависимость, так как при больших радиусах площадь чувствительной области пренебрежимо мала по сравнению с площадью облучаемого пучка. Для эффекта защелкивания зависимость имеет меньший показатель степени, так как обычно чувствительная область занимает всю площадь кармана. В случае относительно больших площадей облучения происходит "просадка" питания. Поэтому при увеличении площади облучения
Рис. 1. Типовая зависимость пороговой энергии лазерного облучения от радиуса зоны облучения.
происходит уменьшение эффективного питания и, следовательно, помехоустойчивость к сбоям падает, тогда как к эффекту защелкивания она возрастает (область III на рис. 1). Поэтому возможна ситуация, когда эффект защелкивания при воздействии импульсного ионизирующего излучения отсутствует, а при воздействии отдельных ядерных частиц он может наблюдаться.
Расчетное моделирование эффектов возникновения сбоев проводилось с помощью системы
о
¿1
Z2
50 L
мкм
r2
r3 r4
JU
± C2
r6 25 мкм
1 1 1
2 5
3 4
1
T
Рис. 2. Моделируемая структура.
двумерного физико-топологического моделирования "ВЮВЕ-2" с цилиндрической симметрией относительно лазерного пучка для полупроводниковой структуры, представленной на рис. 2. При моделировании эффекта сбоя в качестве базовых были выбраны четыре структуры, параметры которых представлены в таблице. Выбор подобных структур обусловлен необходимостью учета влияния на величину собираемого заряда различных физико-топологических параметров, в том числе, учета процессов собирания заряда соседними структурами (соседние р-я-переходы).
На рис. 3 в качестве примера представлены результаты численного моделирования пороговой энергии для возникновения эффекта сбоя в первых двух структурах. Нетрудно заметить, что между этими кривыми и зависимостями, представленными на рис. 1, наблюдается хорошее соответствие. Аналогичные результаты получаются и для других типов анализируемых структур.
Моделирование эффекта защелкивания проводилось с помощью воздействия, которое формировало узкую прямоугольную зону облучения на кристалле (эти ограничения обусловлены двухмернос-тью программы моделирования [6]). Результаты расчетов также продемонстрировали возможность выделения двух зон чувствительности при увеличении площади облучаемого кристалла.
Таким образом, можно заключить, что при локальном облучении ИС существует корреляция между порогами возникновения одиночного сбоя ЬЕТ5еи и эффекта защелкивания ЬЕТ5е1 с соответствующей энергией лазерного излучения Для
1
1
Параметры моделируемых структур
Область п+-р-структура р+-п-р-структура р+-п-р-структура п+-р-п-структура
Подложка Р, 1015 см-3 Р, 1015 см-3 Р, 1015 см-3 Ы, 1016 см-3
р-п переход N 1019 см-3 Р, 1019 см-3 Р, 1019 см-3 N 1019 см-3
Карман - N 1018 см-3 Ы, 1018 см-3 Р, 1018 см-3
Вид структуры 1 1 1 =11 Ш -1 и
их оценки можно воспользоваться следующими соотношениями:
^ЕТ5еы - ¡^^Лг2; (1)
^ЕТ,е1 - к^цО^аГ; (2)
где к - коэффициент перевода энергии лазерного излучения в значения линейных потерь энергии;
! и - пороговые энергии лазерного излучения для возникновения одиночного сбоя и эффекта защелкивания; г - радиус зоны локального облучения; ажы, - сечения насыщения для одиночных сбоев и защелкивания; а - коэффициент пропорциональности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Использование локального облучения позволяет резко снизить амплитуду ионизационных токов по цепи питания, а с другой - облучение при относительно больших диаметрах оптического пятна позволяет уменьшить влияние металлиза-
ции и снизить трудоемкость при определении наиболее чувствительной области ИС к воздействию отдельных ядерных частиц по сравнению с испытаниями при использовании сфокусированного пучка.
В качестве примера на рис. 4 показаны осциллограммы токов в цепи питания в предпороговой и пороговой областях интенсивностей лазерного воздействия при локальных воздействиях с разными диаметрами оптического пятна. Даже при относительно небольшом диаметре пятна (4 = 1.8 мм, рис. 4а) нетрудно заметить, что установившееся значение тока в режиме защелкивания меньше, чем амплитуда ионизационного тока в цепи питания. При уменьшении диаметра до 4 = 0.32 мм (рис. 46) ток в цепи питания значительно уменьшается (в 7 раз), а величина установившегося тока практически остается той же самой. Именно подобный случай реализуется при воздействии отдельных ядерных частиц. Проведенные экспериментальные исследования показали в ряде случаев завышение более чем на порядок значения
0.1 1 10 100
г, мкм
Рис. 3. Зависимость нормированной пороговой энергии лазерного излучения от радиуса зоны облучения для первых двух структур.
(а) (б)
Заще >лки] вани е
/
А /
г ч
0.5 В/де. л, 10 0 нс/ дел
Рис. 4. Осциллограммы тока по цепи питания КМОП ОЗУ 537РУ6 при локальном облучении лазерным имитатором с диаметром пятна 1.8 мм (а) и 0.32 мм (б).
пороговых энергий, полученных при однородном лазерном облучении по сравнению с локальным воздействием.
Экспериментальная проверка данной методики проводилась на ряде БИС ОЗУ при воздействии локального воздействия лазерного излучения пикосекундной и наносекундной длительностями. На рис. 5 представлены результаты изменения пороговой энергии лазерного излучения при изменении диаметра пятна при облучении ячейки памяти КМОП ОЗУ 537РУ6. Положения № 1 и № 2
Рис. 5. Изменения пороговой энергии локального лазерного воздействия от диаметра пятна для ОЗУ 537РУ6.
соответствуют наведению центра оптического пятна в стоки разных п-канальных транзисторов одной и той же ячейки памяти. Естественно, что, если транзистор был открыт, то для переключения ячейки памяти требуется существенно большая энергия, чем при облучении стока закрытого транзистора. Однако при относительно больших диаметрах пятна эти энергии практически сравниваются. Данное обстоятельство, с одной стороны, свидетельствует о корреляции энергии локального лазерного облучения с пороговыми значениями линейных потерь энергии, а с другой, - о достоинствах методики локального лазерного облучения по сравнению с методикой сфокусированного лазерного воздействия (меньшая площадь сканирования и снижение роли теневых эффектов из-за влияния металлизации).
Экспериментальная оценка пороговой энергии лазерного излучения для сбоев и "защелкиваний" БИС ОЗУ была проведена с использованием экспериментальной ус
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.