МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 3, с. 163-169
СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ^^^^^^ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
УДК 621.382
ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЛИНЕЙНЫХ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ЭНЕРГИИ СФОКУСИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2011 г. А. И. Чумаков
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" e-mail: Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 03.08.2010 г.
Представлены результаты расчетно-экспериментальных оценок для эквивалентных значений линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц из результатов экспериментальных исследований по чувствительности БИС к локальным радиационным эффектам с использованием методики локального лазерного облучения. В работе обоснована возможность пересчета энергии лазерного излучения в эквивалентные значения линейных потерь энергии с использованием результатов измерения ионизационной реакции в цепи питания БИС. В предлагаемой методике устранены неопределенности, обусловленные характеристиками взаимодействия оптического излучения с полупроводниковыми структурами.
1. ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение современных изделий микроэлектроники в электронной аппаратуре космических аппаратов делает крайне актуальной задачу по оценке их параметров чувствительности к эффектам воздействия отдельных заряженных частиц (ОЗЧ) — от низкоинтенсивных потоков высо-коэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц [1—4]. Возникающие локальные радиационные эффекты типа сбоев или отказов, несмотря на их относительно невысокую вероятность появления в реальных условиях эксплуатации, тем не менее, в ряде случаев приводят к функциональным отказам в работе всего космического аппарата.
Как правило, минимальный набор параметров чувствительности для каждого типа локального радиационного эффекта в большой интегральной схе-
где а0 — коэффициент межзонного поглощения лазерного излучения; /ли — энергия лазерного излучения; Ях — коэффициент отражения от поверхности ИС; Кт — коэффициент потерь лазерного излучения на оптических неоднородностях (слоях металлизации и поликремния); р — плотность полупроводника; е I — энергия образования одной электронно-дырочной пары (3.6 эВ в кремнии); Н\ — энергия кванта лазерного излучения; Кх — коэффициент пропорциональности между ЛПЭ и энергией лазерного излучения, который в общем случае зависит от
ме (БИС) включает в себя такие параметры как сечение насыщения и пороговые значения линейных потерь энергии (ЛПЭ). Традиционные методы оценки параметров чувствительности базируются на проведении испытаний на ускорителях ионов или протонов [4, 5]. Вместе с тем, эти методы — трудоемки, дорогостоящи и не позволяют в силу стохастической природы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом целенаправленно исследовать отдельные фрагменты БИС.
Альтернативными средствами являются методы, основанные на применении сфокусированного лазерного излучения [6—8]. В первом приближении, эквивалентная величина ЛПЭ без учета эффектов двухфононого поглощения может быть оценена следующим образом [4]:
(1)
длины волны лазерного излучения и параметров полупроводниковой структуры.
Применение методов, основанных на использовании сфокусированного лазерного излучения, имеет существенные ограничения в БИС из-за наличия в них многослойной металлизации, которая покрывает значительную часть поверхности кристалла. Существует относительно высокая вероятность "холостых" выстрелов лазерного излучения, когда оптическое излучение практически полностью поглощается/отражается в защитном окисле и
Lz « ао (1 - Rx)
J ли 1 =
Kmkvp Km
J л
0.08
0.06 -
А
2 0.04
0.02
1е-8
2е-8 ?, с
3е-8
4е-8
Рис. 1. Ионизационной ток в отдельном р-я-переходе и в структуре с пятью р-я-переходами, равномерно расположенных на поверхности кристалла при воздействии импульса ионизирующего излучения длительностью 70 пс.
слоях металлизации. В этом случае более эффективной оказывается методика локального лазерного воздействия [8].
Методика применения локального лазерного излучения основана на сканировании всей поверхности кристалла БИС и подсчета общего количества имеющих место локальных радиационных эффектов — Щлз. При этом за счет более широкого диаметра оптического пятна удается проинтегрировать оптические неоднородности и пользоваться неким усредненным коэффициентом оптических потерь. По результатам экспериментальных исследований могут быть определены эквивалентные значения линейных потерь энергии (ЛПЭ) и сечений наблюдаемых эффектов стлз из соотношений:
ли л/
,/Кт; (2)
а Эз = ЛсЖэз/^,; (3)
где /ли л — значение энергии лазерного излучения, приведенное к сфокусированному значению; ^ис — площадь кристалла БИС; Щ — общее количество импульсов лазерного излучения при сканировании всей поверхности кристалла БИС. Таким образом, необходимым условием оценки эквивалентных значений ЛПЭ является определение коэффициента оптических потерь Кт.
2. ИНТЕГРИРОВАННАЯ РЕАКЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИС
Методика локального лазерного воздействия оказывается более эффективной при исследовании чувствительности БИС с многослойной металлизацией по сравнению с методикой сфокусированного воздействия, так как в этом случае она позволяет более корректно оценить потери излучения на раз-
личных оптических неоднородностях — слоях металлизации и поликремния. При локальном облучении за счет переотражений, дифракции и т.п. часть оптического излучения все-таки достигает активных полупроводниковых структур, формируя ионизационную реакцию. Однако реальная полупроводниковая структура БИС представляет множество р-я-переходов, приводя к формированию сложного распределения токов и потенциалов внутри структуры, которое не очень сильно коррелирует с реальной физической картиной, имеющей место при наличии ионизации от трека ОЗЧ. Тем не менее, если рассматривать суммарную ионизационную реакцию в цепи питания, то можно предположить что она будет формироваться в БИС в виде интегрированной реакции, как будто облучается один "большой" р-я-переход [9].
С целью проверки этого предположения проводилось численное моделирование формирования ионизационной реакции при облучении множество р-я-переходов, расположенных на разных расстояниях друг от друга. На первом этапе проводилась оценка изменения ионизационной реакции в полупроводниковой структуре размерами 100 х 100 х х 300 мкм3 в случае наличия одного большого перехода и нескольких р-я-переходов равномерно расположенных по поверхности кристалла. Моделирование проводилось при воздействии импульсами ионизирующего излучения при различных расстояниях между р-я-переходами.
Результаты проведенного анализа выявили, что вплоть до расстояний между переходами порядка 10 мкм заметных различий в реакции структуры не наблюдается. На рис. 1 в качестве примера представлены результаты моделирования ионизационного тока при воздействии импульса ионизирующего излучения длительностью 70 пс для отдельного р-я-пе-
0
рехода площадью 100 х 100 мкм2 и пяти ^-«-переходов длиной 100 мкм и шириной 10 мкм с расстояниями между ними также равными также 10 мкм. Нетрудно заметить, что обе эти реакции практически совпадают между собой. Небольшие отличия имеют место только в начальный момент времени (при временах менее 1 нс). Однако этот участок не оказывает существенного влияния на условия возникновения сбоев и отказов в БИС, так как в этом диапазоне временных интервалов происходит интегрирование ионизационного тока при формировании ионизационной реакции отдельного элемента.
Грубая оценка влияния удаления ^-«-переходов друг от друга на параметры ионизационной реакции может быть сделана на основе введения эффективной длины собирания неосновных носителей заряда Ьа:
, (4)
где — коэффициент диффузии неосновных носителей заряда; — эффективное время собирания заряда переходом за счет процессов диффузии. Из результатов, представленных на рис. 1, следует, что в качестве величины можно принять значение равное 1 нс, при которой значение эффективное длины будет более 2 мкм. Принимая во внимание наличие соседних ^-«-переходов, получим отсутствия заметного влияния между соседними переходами на расстояниях до 4 мкм. Совершенно очевидно, что для современных БИС с субмикронными размерами эти расстояния имеют существенно меньшие величины.
Следует отметить, что условия переключения элементов БИС при воздействии отдельных заряженных частиц определяются не эквивалентностью параметров характеристик импульсов ионизационного тока, а достижением импульса напряжения некоторого критического значения. Поэтому в области малых времен происходит интегрирование тока на внутренних и внешних емкостях БИС, вследствие чего происходит еще и "уравнивание" процессов формирования ионизационной реакции.
Вторая возможная причина создания отличий в характере ионизационной реакции обусловлена возможными неравномерностями объемной ионизации полупроводниковой структуры за счет теневых эффектов, создаваемых полосками ионизации. Влияние этой неравномерности также будет проявляться на расстояниях больших величины эффективной длины (1). Проведенные ранее исследова-
где А/ — ионизационный ток в цепи питания; go — скорость генерации носителей заряда в кремнии;
ния по адекватности лазерных имитационных методов [10] более подробно исследовали эту задачу, и было выяснено, что формально задача сводится к введению коэффициента потерь оптического излучения из-за наличия "теней" под слоями металлизации.
Важный результат, который получился в ходе расчетного моделирования, связан с независимостью характеристик интегрированной ионизационной реакции БИС от значения локальной площади зоны облучения, при условии, что не будут иметь место нелинейные эффекты, обусловленные как поглощением оптического излучения в материалах, так и нелинейными ионизационными эффектами.
Представленные результаты были подтверждены в ходе экспериментальных исследований, когда проводилось сканирование поверхности кристалла разных БИС импульсным пучком с диаметром 1 мм. Никаких заметных отличий в характере ионизационной реакции пр
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.