Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Классификация эффектов многократных сбоев, особенности проявления и регистрации при воздействии отдельных ядерных частиц
1.1. Классификация эффектов многократных сбоев, особенности и тенденции проявления
1.2. Методические и технические средства экспериментальной регистрации многократных сбоев
1.3. Комплексный анализ проблемной ситуации и постановка задачи исследования и оценки многократных сбоев в статических ОЗУ
1.4. Выводы по разделу 33
Глава 2. Методики оценки кратности сбоев в кмоп статических ОЗУ
2.1. Инженерная модель многократных сбоев для задач предварительной оценки чувствительности
2.2. Методика экспериментальных исследований многократных сбоев в физически соседних ячейках
2.3. Общая методика испытаний и экспериментальных исследований физических многократных сбоев в микросхемах статических ОЗУ при воздействии отдельных ядерных частиц
2.4. Методики экспериментальных исследований многократных сбоев в ячейках, относящихся к одному логическому блоку
2.5. Выводы по разделу 60
Глава 3. Развитие методических и технических средств для оценки чувствительности статических озу к эффектам многократных сбоев при воздействии отдельных ядерных частиц
3.1. Базовый алгоритм определения критического режима для выявления многократных сбоев
3.2. Аппаратно-программный комплекс для регистрации эффектов многократных сбоев
3.3. Выводы по разделу 86
Глава 4. Методы повышения стойкости статических ОЗУ к эффектам многократных сбоев при воздействии отдельных ядерных частиц на этапе проектирования
4.1. Результаты экспериментальных исследований 88
4.2. Влияние электрических режимов и условий работы микросхем статических ОЗУ на чувствительность к эффекту многократных сбоев
4.3. Рекомендаций по повышению стойкости микросхем статических ОЗУ к эффектам многократных сбоев
4.4. Выводы по разделу 107
Заключение 109
Список использованных источников
- Комплексный анализ проблемной ситуации и постановка задачи исследования и оценки многократных сбоев в статических ОЗУ
- Методика экспериментальных исследований многократных сбоев в физически соседних ячейках
- Аппаратно-программный комплекс для регистрации эффектов многократных сбоев
- Рекомендаций по повышению стойкости микросхем статических ОЗУ к эффектам многократных сбоев
Комплексный анализ проблемной ситуации и постановка задачи исследования и оценки многократных сбоев в статических ОЗУ
Механизмы возникновения МС в микросхемах СОЗУ Ионизационная реакция элемента определяется дрейфовыми и диффузионными процессами собирания заряда р-n переходом с трека ОЯЧ [4]. Дрейфовая составляющая достаточно короткая (единицы пс), но по амплитуде на порядок больше, чем диффузионная составляющая. Рассматривая условия возникновения ОС, справедливым является утверждение, что наиболее критичным с точки зрения порога сбоев является условие попадания ТЗЧ в центр чувствительной области [4, 29, 30] (рисунок 1.6 а). При этом порог возникновения ОС в основном определяется дрейфовыми процессами собирания заряда. Для объемной КМОП технологии важную роль в возникновении физических МС в СОЗУ играют процессы, протекающие на расстоянии единиц микрон от трека иона, что значительно больше радиуса самого трека [31, 32].
Для характеризации чувствительности элемента к воздействию ОЯЧ используется понятие чувствительной области (40), под которой в случае сбоев в СОЗУ подразумевается область ячейки памяти, в которой генерация заряда, достаточного для переключения ячейки, приводит к возникновению эффекта сбоя. Рассмотрение механизмов, приводящих к возникновению эффекта неотделимо от понятия 40. Для ячейки памяти СОЗУ 40 к эффектам ОС традиционно считаются стоковые области закрытых транзисторов [4]. Понятие 40 к эффектам МС является комплексным, т.к. в зависимости от механизма, приводящего к эффекту МС, в качестве 40 могут выступать различные структуры. Возникновение МС возможно в результате одновременного или отдельного действия различных механизмов, среди которых можно выделить 5 основных:
Диффузия заряда в нескольких чувствительных областях соседних ячеек памяти Возникновение МС в результате процесса диффузии обусловлено собиранием заряда с трека заряженной части, которая проходит в непосредственной близости от нескольких чувствительных областей разных ячеек памяти [33] (рисунок 1.6 б). Переключение ячейки памяти при действии данного механизма в основном происходит за счет собирания заряда стоковыми областями закрытых n-канальных транзисторов - областей наиболее чувствительных к сбоям.
При этом характерной является зависимость кратности сбоев от ЛПЭ частиц [34-36]. Увеличение концентрации носителей в подложке с ростом ЛПЭ иона, приводит к ситуации, когда потенциально может сбиться большее число ячеек и, как следствие, возрасти кратность сбоев и сечение эффектов сбоев.
Наиболее критичные условия для возникновения ОС (а) и МС (б) в микросхемах КМОП СОЗУ от воздействия Т34
В технологии «кремний на диэлектрике» КНС и КНИ (далее по тексту - КНИ -«кремний на изоляторе») СОЗУ возникновение физических МС в результате действия данного механизма не характерно, что связано с меньшей областью собирания заряда (рисунок 1.7). ш№ тзчи
Область собирания заряда при воздействии ТЗЧ в СОЗУ, изготовленных по объемной КМОП (а) и КМОП КНИ технологии (б). 2. Паразитный биполярный эффект Паразитный биполярный эффект является основным механизмом, влияющим на максимальную кратность МС в современных КМОП СОЗУ [37, 38]. Проявление данного эффекта заключается в возникновении паразитного биполярного транзистора, образованного переходом сток/исток при воздействии ТЗЧ (рисунок 1.8). В работах [23, 39, 40] представлены результаты моделирования для структур 90 и 65 нм, свидетельствующие о существенном влиянии паразитного биполярного эффекта на максимальную кратность сбоев и их долю от общего числа событий. В работе Amusan [41] представлены результаты моделирования для технологии 130 нм, свидетельствующие о том, что паразитный биполярный эффект проявляется сильнее в р-канальных транзисторах, чем в п-канальных транзисторах.
Сечение КМОП структуры, иллюстрирующее образование паразитного прп БТ в п-канальном транзисторе и паразитного рпр БТ р-канальном транзисторе. Эффективным способом предотвращения возникновения паразитного БТ при воздействии ОЯЧ является обеспечение непосредственного контакта к карману в каждой ячейке памяти, а не с шагом в п ячеек. Также необходимо учитывать зависимость биполярного эффекта от параметров кармана [42, 43]. Применение различных технологических опций, оказывающих влияние на данный механизм возникновения МС, будут более подробно рассмотрены в Главе 4.
Стоит различать паразитный БТ в объемной КМОП технологии и КНИ технологии. Причиной возникновения эффектов ОС в КНИ СОЗУ при воздействии ОЯЧ является также паразитный биполярный эффект, но в качестве базы паразитного БТ выступает тело транзистора [44]. Эффективное подавление биполярного усиления может быть достигнуто с помощью контактов к телу транзистора (рисунок 1.9), препятствующих повышению потенциала в теле транзистора и открыванию истокового перехода [45, 46, 47]. Однако это не решает данную проблему полностью, так как эффективное сопротивление заземления обычно составляет несколько кОм, что оказывается недостаточным для быстрого рассасывания избыточного заряда. Поэтому биполярный эффект может появляется и в схемах с заземленным телом.
Методика экспериментальных исследований многократных сбоев в физически соседних ячейках
При выбранных параметрах модели ширина ОПЗ для каждого перехода не превышала 0,1 мкм, а емкости для перехода с радиусом 0,25 мкм составляли не более 0,01 пФ. Трек ядерной частица проходил через центр структуры (начало координат на рисунке 2.1).
На первом этапе проводились расчеты ионизационных токов для каждой отдельной области (первая в центре (nl), вторая в середине (п2), третья - внешняя (пЗ)) при разных значениях ЛПЭ с целью оценки областей нелинейности. На рисунке 2.2 представлены результаты расчетного моделирования для нормированных на ЛПЭ форм импульсов ионизационного тока при сделанных предположениях.
Анализ представленных результатов позволяет заметить, что нелинейные эффекты имеют место в анализируемой структуре при воздействии ТЗЧ со значениями ЛПЭ более 1 МэВ см /мг. В большей мере нелинейные эффекты проявляются в области пі, за счет дрейфовых процессов собирания заряда при временах менее 0,1 не (рисунке 2.2а). Именно это значение ЛПЭ и будет использоваться как критериальное для дальнейшего анализа. Стоит отметить, что расчетные оценки для времен менее 10 пс не приведены рисунке 2.2, т.к. не являются полностью корректными по двум причинам: (1) эти времена становятся сравнимыми с длительностью импульса (при расчетах он принимался равным 3 пс на полувысоте), (2) в этой области имеет место влияние электромагнитных (емкостных) связей.
Расчетные зависимости нормированного ионизационного тока для кольцевых р-n переходов при попадании в их центр ТЗЧ с разными значениями ЛПЭ: а) область nl; б) область п2; в) область пЗ
Результаты моделирования токов для области п2 (рисунок 2.26) показывают, что ионизационные токи появляются в районе десятков пикосекунд, т.е., фактически, при временах достаточных для достижения носителям этой области за счет процессов диффузии. Еще большая задержка имеет место для области пЗ.
Точное сравнение с приведенными выше аналитическими приближениями (2.2) затруднено из-за не полностью определенных при численных расчетах коэффициентах диффузии и размеров чувствительных областей из-за бокового растекания. Тем не менее, результаты приблизительного (на качественном уровне) сравнения численных расчетов для первой структуры и приближенных аналитических (2.2), приведенных на рисунке 2.3, показывают удовлетворительное соответствие. Данный результат свидетельствует о достаточно слабом влиянии изменяющихся граничных условий, которые учитывались при численном моделировании и не были учтены в аналитическом расчете, на формирование импульса ионизационного тока при образовании трека вне чувствительной области. Расхождения на участке спада импульса на рисунке 2.3 объясняются как влиянием области приповерхностного заряда (ОПЗ), так и некоторыми отличиями в значениях коэффициентов диффузии. Однако, с учетом того, что численные расчеты проводились для «переменных» граничных условий на поверхности кристалла, тогда как аналитические оценки были получены при однородных граничных условиях на поверхности кристалла представленные результаты сравнения являются не совсем корректными. Для устранения данного различия в рамках численного моделирования была рассмотрена вторая структура, представляющая собой отдельные р-n перехода с различными радиусами п-области: 0,25 мкм, 0,5 мкм, 0,75 мкм, 1,0 мкм, 1,5 мкм, 2,0 мкм и 2,25 мкм. Ток внутри кольца получался вычитанием из тока большого круга, тока, получаемого для круга меньшего радиуса, по аналогии с аналитическими расчетами.
Расчетные зависимости нормированного ионизационного тока для кольцевой области п2 (рисунок 2.1) при попадании в центр круга 0,25 мкм ТЗЧ: символы - численные расчеты; кривая - соотношение (2.2) На рисунке 2.4 представлены численные расчеты импульсов ионизационного тока 9 9 для второй структуры при двух значениях ЛПЭ: 10 МэВ-см /мг (а) и 0,01 МэВ-см /мг (б). При этом для последнего случая токи увеличены на три порядка для получения величин одного порядка. Сравнение этих зависимостей при разных значениях ЛПЭ позволяет оценить область влияния нелинейных эффектов. 1e+1 радиус 0.25 мкм радиус 0.5 мкм радиус 0.75 мкм радиус 1 мкм радиус 1.5 мкм радиус 2 мкм радиус 2.25 мкм
На рисунке 2.5 представлены результаты сравнения численного моделирования, полученные для первой (рисунок 2.1) и второй структур. Графики изменения импульса токов, рассчитаны при следующих предположениях: кривая 1 и 2 получены для диффузионной компоненты ионизационного тока при попадании ТЗЧ в центр круговой чувствительной области радиусом 0,25 мкм и 0,75 мкм, соответственно (вторая структура). Кривая 3 рассчитана для кольца, ограниченного радиусами 0,75 мкм и 1,0 мкм, а кривая 4 - аналогичная зависимость, только приведенная к площади первой области (первая структура). Можно отметить, что при относительно больших временах токи для одина ковых площадей выходят практически на одну асимптотику, что еще раз подтверждает слабое влияние изменяющихся граничных условий.
Расчетные зависимости ионизационного тока для разных структур: 1-круг радиусом 0,25 мкм; 2- круг радиусом 0,75 мкм; кольцо ограниченное радиусами 1 мкм и 0,75 мкм; 4 - часть кольца 3 с площадью равной кругу радиусом 0,25 мкм Анализ полученных результатов позволяет отметить следующие особенности: - области нелинейных эффектов наблюдаются до 0,1 не в рассматриваемых примерах; - при меньших размерах чувствительной области влияние дрейфовой компоненты проявляется меньше; - при заданных параметрах расчетов дрейфовая компонента практически не зависит от размеров р-n перехода, начиная со значений 0,5 мкм и более; - в линейной области различия в амплитудах ионизационного тока (диффузионная компонента) начинают проявляться при временах более 10 пс, что соответствуют распространению трека на расстояния порядка 0,13 мкм; - в нелинейной области различия в амплитудах ионизационного тока (диффузионная компонента) начинают проявляться при временах более 0,3 не, что соответствуют распространению трека на расстояния порядка 0,7 мкм;
Аппаратно-программный комплекс для регистрации эффектов многократных сбоев
Проведение исследований микросхем СОЗУ на предмет чувствительности к МС в режимах, позволяющих учесть практически все возможные механизмы формирования МС, изложенных в главе 1, с применением методик, изложенных в главе 2, требует развития методических и технических средств экспериментальных исследований.
Условия проведения экспериментальных исследований могут оказывать существенное влияние на параметры чувствительности СОЗУ к эффектам МС, как за счет влияния различных механизмов в отдельности, так и за счет одновременного действия нескольких из них. Ранее было обозначено, что на кратность сбоев могут оказывать влияние ЛПЭ частиц, угол воздействия частиц, направление воздействия, записанная информация, температура среды. Для учета влияния данных условий и получения данных о максимальной кратности сбоев, был разработан базовый алгоритм поведения экспериментальных исследований на чувствительность к эффектам МС. В обоснование элементов базового алгоритма в данной главе рассмотрены механизмы, приводящие к росту чувствительности к МС в зависимости от обозначенных условий проведения эксперимента.
Реализация базового алгоритма при проведении эксперимента осуществлялась с применением аппаратно-программного комплекса, включающего разработанные автором блок задания температуры объекта и блок, регулирующий угол поворота объекта относительно пучка ТЗЧ.
Базовый алгоритм определения критического режима для выявления многократных сбоев Целью проведения экспериментальных исследований физических МС является определение наиболее чувствительных мест в топологии СОЗУ, при воздействии в которые наблюдаемая кратность сбоев будет максимальна. Для достижения данной цели необходимо реализовывать наиболее критичный режим работы изделия и условий воздействия.
При разработке базового алгоритма были выявлены, изучены и систематизированы условия проведения экспериментальных исследований, влияющие на кратность сбоев в микросхемах СОЗУ при воздействии ОЯЧ. Анализ литературных источников и проведенные экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что на кратность сбоев оказывают влияние:
В результате рассмотрения механизмов, влияющих на кратность сбоев, были сделаны выводы, позволяющие выбрать более критичный режим для проведения экспериментальных исследований с целью определения чувствительности к эффектам МС. Ниже отдельно рассмотрим влияние перечисленных выше условий и режимов. Влияние ЛПЭ и энергии частиц на кратность сбоев
Проведение экспериментальных исследований микросхем на стойкость к ТЗЧ, как правило, начинают с воздействия частиц с большими значениями ЛПЭ [75, 99]. Такой подход позволяет оптимизировать временные ресурсы и сократить испытания не чувствительных к ТЗЧ изделий, проводя испытания при воздействии только одного иона.
Влияние ЛПЭ частиц на кратность сбоев соответствует данному порядку проведения исследований, т.к. максимальная кратность сбоев наблюдается при больших значениях ЛПЭ [33-36]. Такое поведение характерно для СОЗУ в не зависимости от проектных норм изготовления: если проявляется чувствительность к МС, то с ростом ЛПЭ кратность и доля МС от общего числа событий будут расти.
Данное обстоятельство было подтверждено экспериментальными исследованиями, проведенными автором, микросхем СОЗУ, изготовленных по разным технологиям. На рисунке 3.1 приведены зависимости доли МС различной кратности для КМОП СОЗУ 0,8 мкм (рисунок 3.1а), 0,18 мкм (рисунок 3.16) и 65 нм (рисунок 3.1в) [87, 89, 100, 101]. Прослеживается общая тенденция роста чувствительности к МС с ростом ЛПЭ ТЗЧ.
Механизм, приводящий к росту чувствительности к МС с ростом ЛПЭ, достаточно подробно рассмотрен в литературе [33-35]. Воздействие при больших значениях ЛПЭ частиц приводит к тому, что в области диффузионного собирания заряда располагается большее число чувствительных областей соседних ячеек. В результате с ростом чувст s
При этом для однократных сбоев (ОС) расчет эффективного значения ЛПЭ не вызывает больших вопросов, тогда как при оценках многократных сбоев из-за потенциальной возможности прохождения трека частицы через одну чувствительную область данный подход не является корректным.
В целях подтверждения влияния угла воздействия на кратность сбоев был проведен эксперимент, объектами исследования в котором являлись тестовые кристаллы СОЗУ изготовленные по объемной КМОП технологии с проектными нормами 65 нм. При формировании карт сбоев учитывалась связь логической и физической адресации микросхемы. Выбор объекта исследования был обусловлен тем, что в данной схеме в ходе предварительных исследований при воздействии ионами с различными значениями ЛПЭ наблюдались многократные сбои (МС) кратностью до 10. Причем с ростом ЛПЭ наблюдался рост кратности сбоев и их вклада в общее число событий [103].
Эксперимент в диапазоне углов проводился при постоянной плотности потока воздействия ионов Ar, Ne, Кг и Хе. На рисунке 3.2 представлена кривая зависимости сечения числа сбившихся ячеек от ЛПЭ. Значения ЛПЭ были рассчитаны с учетом толщины пассивного слоя (слоев металлизации и оксидов) согласно (3.1). Линия аппроксимации Вейбулла, построенная по точкам, полученным при нормальном падении частиц, проходит несколько ниже точек, полученных при воздействии под углами.
Рекомендаций по повышению стойкости микросхем статических ОЗУ к эффектам многократных сбоев
В основе модели лежит аналитическая оценка соотношения пороговых ЛПЭ ОС и МС в зависимости от проектных норм изготовления. Правомерность применения цилиндрической симметрии для оценки диффузионной составляющей ионизационного тока подтверждена путем проведения численных расчетов в программе DIODE-2C.
При оценке применимости инженерной модели были получены результаты, свидетельствующие о том, что: для интегральных микросхем с проектными нормами менее 150 нм роль дрейфовой компоненты ионизационного тока становится не столь существенной, как для ИС с микронными проектными нормами; основной вклад в формирование ионизационной реакции интегральных микросхем с проектными нормами менее 150 нм будет давать диффузионная компонента ионизационного тока; многократные сбои будут формироваться, в первую очередь, диффузионными процессами собирания заряда чувствительной областью с трека ТЗЧ; с приемлемой для практики точностью можно использовать однородные гра ничные условия на всей поверхности кристалла ИС для оценки ионизационного тока за счет процессов диффузии.
Предложена оригинальная методика экспериментальных исследований МС в физически соседних ячейках микросхем памяти, позволяющая обосновано сократить время проведения эксперимента на стойкость к воздействию ОЯЧ до 20 раз. Методика допускает накапливать события между циклами анализа карты сбоев, основываясь на вычислении вероятности формирования МС из ОС, возникших в физически соседних ячейках. Вьшисление вероятности такого события проводится исходя из максимальной кратности сбоев, возникающих в СОЗУ при проведении исследований.
Для повышения эффективности применения методики экспериментальных исследований физических МС для микросхем памяти большой емкости была разработана общая методика испытаний и экспериментальных исследований. Общая методика основывается на проведении эксперимента с тестированием части накопителя СОЗУ с последующим масштабированием полученного результата на весь накопитель. Основной практический результат диссертации заключается в разработке базового алгоритма выбора критичных режимов для проведения экспериментальных иссле 110 дований микросхем СОЗУ с целью количественного определения чувствительности к ОЯЧ по эффектам МС.
Проведение исследований с применением базового алгоритма позволит дать заключение о стойкости СОЗУ к ОЯЧ по эффектам МС, а также выявить в результате анализа форм сбоев области в топологии объекта, чувствительные к МС. Последовательная реализация базового алгоритма с учетом этапов, направленных на анализ объекта испытаний, позволяет получать экспериментальные данные о кратности МС с минимальными временными затратами.
Методика позволяет определять чувствительность СОЗУ к эффектам логических МС, возникающих вследствие сбоев в периферийных узлах микросхемы и в результате возникновения физических МС, охватывающих ячейки, относящиеся к одному логическому слову. Для практической реализации методики регистрации логических МС необходимо применение источников сфокусированного лазерного излучения, т.к. данный инструмент позволяет проводить воздействие в локализованные области микросхемы, исключая одновременное воздействие в остальные части кристалла.
Разработан аппаратно-программный комплекс на базе аппаратуры National Instruments и программного обеспечения Lab View, позволяющий регистрировать эффекты МС непосредственно в процессе радиационного эксперимента с отображением карты сбоев с учетом критического режима работы, а также обеспечивать проведение испытаний при различных углах воздействия на испытательном стенде «ИС ОЭПП» на базе циклотрона «У-400М» (ЛЯР ОИЯИ, г. Дубна Московской области) и в диапазоне температур. Программная часть комплекса позволяет применять разработанные методики экспериментальных исследований МС в не зависимости от испытательного стенда.
Полученные оригинальные результаты экспериментальных исследований 6 типов как отечественных, так и иностранных микросхем СОЗУ вошли в отчетные материалы по различным НИОКР («2011-16-426-ЭКБ-60-011-01», «Остров», «Засечка-8», «Основа-Память-1»), выполненных по заказам Минпромторга, Минобороны РФ, предприятий промышленного и космического комплекса. Предложен ряд рекомендаций по использованию топологических и технологических решений повышения радиационной стойкости, эффективных также в целях парирования МС в СОЗУ. Разработка рекомендаций проводилась на основе анализа исследованных объектов и литературных данных. Среди топологических мер снижения чувствительности к МС установлена эффективность мер, приводящих к увеличению площади ячейки (например, охранных колец).
Результаты диссертации внедрены в АО «ЭНПО СПЭЛС» и ИЭПЭ НИЯУ МИФИ в качестве базовой процедуры радиационных испытаний микросхем памяти на стойкость к эффектам МС при воздействии ОЯЧ, а также в ОАО «НИИМЭ и Микрон», НИИСИ РАН и ФГУП «ФНПЦ НИИИС» им. Ю.Е. Седакова при проведении экспериментальных исследований микросхем СОЗУ к эффектам многократных сбоев.
Таким образом, в ходе работы над диссертацией достигнута ее основная цель, а именно разработаны научно обоснованные методические и технические средства экспериментальных исследований эффектов многократных сбоев в микросхемах статических оперативных запоминающих устройств при воздействии отдельных ядерных частиц (тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов) космического пространства.
