Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы оценки радиационной стойкости БИС ОЗУ 17
1.1. Доминирующие радиационные эффекты 17
1.2. Типовые уровни радиационной стойкости полупроводниковых приборов и интегральных схем и узлов на их основе 23
1.3. Особенности проявления доминирующих радиационных эффектов в БИС ОЗУ 30
1.4. Выводы 36
Глава 2 Методы и средства локального радиационного воздействия на БИС ОЗУ по эффектам объемной ионизации 38
2.1. Оценка показателей радиационной стойкости БИС ОЗУ к импульсному ионизирующему излучению по объемным ионизационным эффектам по результатам испытаний наМУ и имитаторах... 38
2.2. Эффект просадки питания 50
2.3. Моделирование эффекта «просадки» питания в БИС ОЗУ 57
2.4. Выводы 64
Глава 3 Исследование возможностей средств локального воздействия на БИС ОЗУ по поверхностным радиационным эффектам 67
3.1. Оценка показателей радиационной стойкости БИС ОЗУ к дозовым эффектам по результатам испытаний на МУ и имитаторах 67
3.2. Методика локального радиационного воздействия 79
3.3. Релаксация функциональных отказов 87
3.4. Методика ускоренных испытаний «облучение-релаксация» 94
3.5. Выводы 102
Глава 4 Исследования локальных радиационных эффектов в БИС ОЗУ 104
4.1. Оценка показателей радиационной стойкости БИС ОЗУ к локальным радиационным эффектам по результатам испытаний на МУ и имитаторах 104
4.2. Экспериментальные исследования БИС ОЗУ на чувствительность к локальным радиационным эффектам 112
4.3. Методика локального воздействия на имитирующих установках... 119
4.4. Выводы 131
Заключение 132
Список литературы 138
Список сокращений 146
- Типовые уровни радиационной стойкости полупроводниковых приборов и интегральных схем и узлов на их основе
- Моделирование эффекта «просадки» питания в БИС ОЗУ
- Методика ускоренных испытаний «облучение-релаксация»
- Экспериментальные исследования БИС ОЗУ на чувствительность к локальным радиационным эффектам
Введение к работе
Диссертация направлена на решение важной научно-технической задачи по оценке - прогнозированию и обеспечению радиационной стойкости интегральных схем; оперативных запоминающих устройств? (ОЗУ) при воздействии ионизирующих излучений (ИИ) искусственного и естественного происхождений j имеющей существенное значение для построения ; высоконадежных электронных устройств систем: управления, военного, космического и другого специального назначения, улучшения, их функциональных и эксплуатационных характеристик.
Актуальность темы диссертации
Современные тактико-технические требования; предъявляемые к: аппаратуре [3, 7-9] и, соответственно, к элементной: базе систем; управления специального назначения; [2,,3, 9-11] (ракетно-космической и другой; военной техники, систем связи, а также физического эксперимента), определяют условия их; эксплуатации прифадиационных воздействиях. При этом одними» из наиболее уязвимых элементов; современных электронных систем к ИИ являются; БИС ОЗУ вследствие реализации в них максимальной степени интеграции и сравнительно небольших уровней внутренних электрических помех для переключения отдельных ячеек памяти [5,6, 12].
Основными показателями стойкости БИС ОЗУ к ИИ являются (1) предельный уровень воздействия, при котором не происходит необратимых отказов БИС; (2) уровень сохранности информации (УСИ) - максимальный уровень воздействия, при котором обеспечиваются сбоеустойчивость - неискаженные хранение, считываниеи запись (для, ОЗУ) заданного информационного кода; (3) уровень бессбойной работы (УБР) - максимальный уровень импульсного- ИИ, при котором все параметры БИС находятся в заданных нормах, а также (4) частота возникновения сбоев и вероятность возникновения отказов в полях высо-коэнергетичных относительно тяжелых ядерных частиц.
Начало исследованиям по проблеме радиационной стойкости изделий электронной техники (ИЭТ) положено в середине 60-х годов основные модельные представления о радиационных эффектах сформулированы в. работах [4, 5,ЛЗ-15], опубликованных в 70-х - начале 90-х годах. Выданный период проблема обеспечения радиационной стойкости ИЭТ считалась одной из приоритетных и решалась на государственном уровне. Следует отметить, что технический уровень микросхем памяти с момента опубликования указанных трудов претерпел качественные изменения и в настоящее время достиг функциональной и технологической сложности больших и сверхбольших БИС и СБИС с субмикронными размерами активных элементов. В, настоящее время развитие отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) и обеспечение ее радиационной стойкости является приоритетной государственной задачей [16], о чем свидетельствуют последние постановления директивных органов.
Особую важность развития номенклатуры и исследований БИС ОЗУ определяет то обстоятельство, что БИС ОЗУ с одной стороны образуют самостоятельный класс изделий в составе группы однородной продукции «Микросхемы интегральные». С другой стороны интегральные ОЗУ входят в состав многих более сложных устройств типа микропроцессоров, ПЛИС и т.п. и являются базовыми функциональными узлами в составе таких перспективных классов изделий микроэлектроники как многоканальные системы сбора и обработки данных, а также цифровые процессоры обработки сигнала. Именно на БИС ОЗУ отрабатываются, в первую очередь, многие перспективные схемно-технологические решения. Таким образом, представляется вполне обоснованным выбор БИС ОЗУ в качестве основного объекта исследований в диссертации.
Современный этап развития БИС памяти характеризуется следующим:
? повышение требований к тактико-техническим характеристикам аппаратуры специальных систем управления требует, с одной стороны, создания БИС запоминающих устройств большой информационной емкости, которые, очевидно, обладают повышенной чувствительностью к радиационным воздействиям (по сравнению с ИС малой степени интеграции), а с другой стороны - сверхстойких БИС запоминающих устройств для критических узлов систем управления;
? в условиях низких объемов микроэлектронного производства (в отдельных случаях на уровне отдельных производственных партий или количества, необходимого для проведения испытаний), его неритмичности и прерывистости требуется поиск новых решений в области повышения стабильности и рентабельности технологических процессов, разработки и внедрения новых высоко эффективных методов оценки, прогнозирования, обеспечения и контроля радиационной стойкости на всех этапах жизненного цикла изделий [17];
? в условиях недостаточного развития российской микроэлектронной промышленности и невозможности производства БИС запоминающих устройств большой информационной емкости сложилась практика частичного комплектования узлов систем управления БИС ОЗУ иностранного производства, для которых требуется подтверждение их радиационной стойкости. При этом, как правило, отсутствует информация о схемотехнике, особенностях технологии, топологических нормах проектирования, что делает практически невозможным применение методов расчетного моделирования для оценки радиационной стойкости этих БИС ОЗУ.
Используемые в практике радиационных испытаний на моделирующих установках методические и технические средства функционального и параметрического контроля, были эффективными только для ИС ОЗУ сравнительно малой степени интеграции, например, для регистровых ОЗУ с ограниченным количеством ячеек памяти. Глубокий функциональный контроль микросхем памяти сравнительно большой информационной емкости, в том числе, по критерию сохранности информации при испытаниях на моделирующих установках (МУ), как правило, не проводился, так как это было сопряжено с техническими трудностями дистанционного контроля в процессе облучения. Поэтому показатели PC БИС памяти, определенные по результатам традиционных радиационных испытаний на моделирующих установках, характеризовались недостаточно высокой информативностью. В настоящее время особенности применения современных БИС памяти в современных системах управления предопределяют необходимость расширения системы параметров-критериев, в частности введения динамических параметров, и повышения полноты функционального контроля при радиационных испытаниях.
Обеспечение радиационной стойкости БИС памяти на этапе проектирования и производства осуществлялось расчетно-экспериментальными методами на основе знаний о радиационном поведении отдельных элементов, без учета паразитных связей между ними, что было оправдано при невысокой степени интеграции разрабатываемых ИС памяти.
С повышением степени интеграции БИС памяти применение выработанных методов прогнозирования и обеспечения их радиационной стойкости ограничивается следующими основными факторами:
) ? резко повышается ресурсоемкость прямых расчетных методов вследствие увеличения числа элементов БИС;
? возрастает роль паразитных связей между всеми элементами, что проявляется в существенном усложнении характера радиационного поведения БИС памяти, влиянии на стойкость режима работы, информационного кода, частоты функционирования, условий применения;
? возрастает разброс стойкости между микросхемами даже одной партии вследствие проявления технологически не контролируемых паразитных связей между элементами и вспомогательными структурами;
? усиливается роль интегрирующих эффектов, обусловленных совокупной реакций отдельных, в том числе, и паразитных структур;
? затрудняется анализ влияния отдельных узлов и элементов БИС на уровень радиационной стойкости БИС в целом.
Перечисленные выше факторы обуславливают необходимость увеличения общего объема радиационных испытаний схем памяти и смещения информационного выхода испытаний в область исследований радиационного поведения в различных режимах функционирования и условиях применения, в том числе выявления особенностей радиационного поведения узлов и элементов БИС памяти.
Существующие в настоящие время методы и средства проведения радиационных испытаний, в том числе и с использованием МУ, базируются на применении ионизирующего воздействия на все электронное изделие [18, 19], что в ряде случаев затрудняет поиск и локализацию областей и структур БИС ОЗУ, приводящих к их отказам и сбоям;
- в ряде структур паразитные эффекты маскируются интегрированной ионизационной реакции всей БИС ОЗУ, что в ряде случаев может привести к недооценке этих эффектов при проведении.испытаний по традиционной методологии; - алгоритмические тесты, применяемые для поиска и идентификации неисправностей в функциональных узлах БИС ОЗУ, как правило, оказываются неэффективными при проведении радиационных испытаний из-за резкого увеличения продолжительности их выполнения для современных БИС ОЗУ большого объема;
- в настоящее время реально отсутствуют методики идентификации наиболее чувствительных элементов и узлов, определяющих уровни радиационных отказов и сбоев БИС ОЗУ, что является заметным препятствием на пути выработки рекомендаций по повышению их радиационной стойкости.
На решение указанных задач по развитию методов и средств исследования радиационных эффектов в интегральных схемах (ИС) оперативных запоминающих- устройств (ОЗУ) с использованием локального воздействия и направлена диссертация.
Важность и актуальность темы диссертации отражена в «Основах политики Российской федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002, в соответствии с которыми создание ра-диационно-стойкой электронной компонентной базы отнесено к одной из приоритетных задач в области ее дальнейшего развития при разработке, производстве и применении в стратегически значимых системах. Состояние исследований по проблеме.
Вопросам моделирования, оценки и прогнозирования радиационной стойкости БИС ОЗУ посвящены многочисленные работы к.ф-м.н. Полякова И.В. (ОАО «НІШ «Сапфир») [20-22], Калинина А.В., к.т.н. Машевича П.Р. [9], Романова А.А. (ОАО «Ангстрем»), к.т.н. Герасимова Ю.МІ, к.т.н. Григорьева Н.Г. (МИФИ) и других специалистов [4, 5, 23-30]. В трудах д.т.н. Петросянца К.О. и к.т.н. Харитонова И.А. [31-33] (МИЭМ) были разработаны методы электрического моделирования и предложены SPICE-модели сбоев отдельных ячеек памяти. Отдельные вопросы по развитию методических и технических средств контроля параметров БИС ЗУ в процессе радиационного эксперимента на моделирующих установках (МУ) предложены к.т.н. Калашниковым О.А. (МИФИ) [34-36], к.т.н. Фигуровом B.C. и Емельяновым В.В. (ФГУП «НИИП») [37-41]. Глубокий функциональный контроль микросхем памяти сравнительно большой информационной емкости, в том числе, по критерию сохранности информации при испытаниях на МУ, как правило, не проводился, так как это было сопряжено с техническими трудностями дистанционного контроля в процессе облучения. Поэтому показатели радиационной стойкости БИС ОЗУ, определенные по результатам традиционных радиационных испытаний на МУ, характеризовались недостаточно высокой информативностью.
Имитационные методы радиационных испытаний (физические модели полупроводниковых элементов, методики и первые результаты имитационных испытаний) интегральных микросхем были развиты в работах д.т.н. Скоробога-това П.К. [42], д.т.н. Никифорова А.Ю. [20-22, 43, 44], д.т.н. Чумакова А.И. [45-48], к.т.н. Барбашова В.М. [49], к.т.н. Калашникова 0,А.[35], Согояна А.В. [50, 51] (МИФИ), что обеспечило повышение объема испытаний, увеличения информативности функционального и параметрического контроля интегральных микросхем по сравнению с испытаниями на моделирующих установках. В работе Киргизовой А.В. [52] (МИФИ) было развиты методические и технические средства и проведено исследование радиационного поведения специальных ра-диационно-стойких КМОП КНС ОЗУ в зависимости от режима работы и влияния записанного информационного кода на уровень сохранности информации с целью повышения сбоеустойчивости этого класса ИС при воздействии импульсного ионизирующего излучения.
Однако, в условиях быстрого роста степени интеграции микросхем памяти, увеличения информационной емкости, расширения их функциональной номенклатуры, разработанные для имитационных испытаний методические и технические средства уже не обеспечивали достаточной эффективности и информационной полноты испытаний. Применяемые методики и средства исследований на момент начала работы над диссертацией были ориентированы на использование традиционных подходов при исследовании параметров радиационной стойкости ИС ОЗУ, а именно:
- радиационное воздействие осуществляется на БИС в целом, принимаются специальные меры по обеспечению равномерности ионизирующего воздействия на кристалл БИС [18,19];
-.оценка радиационной стойкости и исследования радиационного поведения параметров-критериев БИС ОЗУ делается на основе контроля ограниченного набора электрических (как правило, статических) параметров и функционального контроля БИС ОЗУ (как правило, упрощенного, с использованием гладких кодов);
- оценка радиационной стойкости и исследования радиационного поведения параметров-критериев БИС ОЗУ проводилась для ограниченного (как правило, только статический режим хранения и выборки данных) режимов функционирования БИС ОЗУ.
Таким образом, к началу диссертационной работы методики и средства идентификации наиболее чувствительных элементов и узлов ИС ОЗУ, определяющих уровни доминирующих радиационных отказов и сбоев в ИС ОЗУ с учетом проявления интегральных эффектов «просадки» питания при импульсном, стационарном ИИ и воздействии отдельных ядерных частиц были проработаны недостаточно, что является заметным препятствием на пути выработки рекомендаций по повышению их радиационной стойкости. Имеющиеся на момент начала работы аппаратно-программные средства эксперимента не обеспечивали возможности полноценного автоматизированного управления (в том числе и дистанционного для применения на моделирующих установках), (функционального контроля и диагностирования их элементов и функциональных узлов на стойкость ко всем доминирующим радиационным эффектам (объемной и поверхностной ионизации, эффектам от отдельных ядерных частиц). Целью диссертации является повышение эффективности существующих и разработка новых научно обоснованных методических и технических средств оценки показателей радиационной стойкости элементов и функциональных узлов БИС ОЗУ с помощью локального радиационного воздействия. Достижение данной цели позволит уточнить модели радиационных отказов и сбоев БИС ОЗУ, выявлять элементы и узлы, а также радиационные эффекты, определяющие радиационную стойкость микросхем памяти.
Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:
- разработка и апробирование метода исследования БИС ОЗУ на основе импульсного расфокусированного (локального) лазерного излучения;
- анализ возможности использования локального лазерного излучения для определения чувствительных элементов и фрагментов БИС по эффектам объемной ионизации;
- анализ и разработка модели эффекта «просадки» питания в БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии;
- разработка и апробирование метода локального облучения БИС ОЗУ рентгеновским излучением; анализ и моделирование эффекта релаксации («отжига») функциональных отказов ячеек памяти БИС ОЗУ, вызванных дозовыми эффектами;
- разработка аппаратно-программных средств для проведения экспериментальных радиационных исследований БИС ОЗУ с помощью методик локального радиационного воздействия (средства воздействия, контроля параметров и алгоритмы функционального контроля БИС ОЗУ).
Научная новизна работы состоит в разработке:
- метода локального облучения импульсным локальным лазерным излучением для определения наиболее радиационно-чувствительных элементов и узлов;
- методик определения параметров чувствительности элементов и фрагментов БИС по эффектам объемной ионизации на основе предложенного метода локального лазерного излучения, исключающие влияния эффекта «просадки» питания;
- модели интегрированной ионизационной реакции в цепи питания БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии, учитывающей эффект «просадки» питания, которая позволяет прогнозировать уровни функциональных сбоев БИС ОЗУ по результатам исследования ионизационной реакции тока потребления;
- специализированного алгоритма функционального контроля БИС ОЗУ на основе псевдослучайного кода для использования при исследованиях функциональных отказов и сбоев при импульсном и стационарном ионизирующем воздействии;
- метода локального облучения рентгеновским излучением для определения наиболее радиационно-чувствительньгх элементов и узлов и оценки радиационной стойкости функциональных блоков БИС ОЗУ по поверхностным радиационным эффектам.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны методики и аппаратно-программные средства для исследований БИС ОЗУ различной организации и их функциональных блоков на стойкость к доминирующим радиационным эффектам (объемной и поверхностной ионизации, эффектам от отдельных ядерных частиц) на моделирующих и имитирующих установках с использованием локального воздействия. Разработанные методические и технические средства обеспечивают диагностирование функциональных и параметрических отказов БИС ОЗУ непосредственно в процессе и после ионизирующего воздействия и внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении испытаний БИС ОЗУ на МУ и имитаторах.
2. Разработана и апробирована расчетно-экспериментальная методика прогнозирования уровня функциональных отказов в БИС ОЗУ при низкой интенсивности по результатам ускоренных испытаний при высокой интенсивности стационарного ИИ на основе метода облучение-релаксация;
3. Разработан при участи автора имитационный стенд «Радон-9Ф» на основе сфокусированного лазерного излучения наносекундной длительности, который используется в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении испытаний на чувствительность БИС ОЗУ к тиристорным эффектам от воздействия отдельных ядерных частиц.
3. Впервые в России проведены испытания БИС ОЗУ на ускорителях протонов и имитирующих установках на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. С помощью разработанных автором средств выявлены причины отказа аппаратуры БВС-14М828 из состава изделия 14Ф137.
4. Полученные в диссертации результаты реализованы в нормативных документах, развивающих положения КГВС «Климат-7», в том числе, в РД В 319.03.22 - 97, РД В 319.03.24-97, РД В 319.03.38-2000, РД В 2002.12, РД В 319.03.52-2004, ОСТ В 11 073.013 (ч.Ю) «Микросхемы интегральные. Методы испытаний на специальную стойкость и импульсную электрическую прочность».
5. Результаты диссертационной работы были использованы при написании учебного пособия МИФИ «Радиационные эффекты в БИС ОЗУ при воздействии импульсного ионизирующего излучения на моделирующей установке АРСА: Лабораторная работа»;
6. Результаты диссертации вошли в отчетные материалы по НИР и составным частям ОКР («Кашира», «Андромеда», «Хурал», «Колун», «Апликация», «Мурена», «Абонемент», «Маломерка», «Сверло С2», «Литературовед», «Лицей» и др.)[53-63], выполняемых по заказам Минобороны РФ, Росатома и предприятий оборонного комплекса.
7. Проведены испытания более 30 типов БИС ОЗУ различной организации отечественного и иностранного производства, в том числе КМОП БИС ОЗУ 1637РУ13, 537РУ30, 530РУ2ММ, 1637РУ1У, 537РУ6, 1637РУ1У, 1635РУ1, 1645РУ1У и других. По результатам испытаний оформлено более 35 протоколов испытаний, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Миландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС».
Результаты, выносимые на защиту:
1. Метод исследования БИС ОЗУ на основе импульсного локального (расфокусированного) лазерного излучения, который позволяет выявлять функциональные блоки и элементы, определяющие радиационную стойкость БИС ОЗУ, и оценить предельно достижимые уровни стойкости.
2. Методики поиска областей чувствительности БИС ОЗУ к тиристорным эффектами и определения параметров чувствительности элементов и фрагментов БИС ОЗУ по эффектам объемной ионизации, исключающие влияния эффекта «просадки» питания локального лазерного излучения.
3. Модель интегральной ионизационной реакции тока потребления БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии, которая позволяет учесть эффект «просадки» питания и прогнозировать уровень сохранности информации в БИС ОЗУ при воздействии импульсного ИИ с заданными амплитудно-временными характеристиками по результатам исследования ионизационной реакции в цепи питания микросхемы.
4. Метод локального воздействия рентгеновским излучением на БИС ОЗУ, который позволяет определять наиболее радиационно-чувствительные к поверхностным радиационным эффектам функциональные блоки БИС ОЗУ.
5. Расчетно-экспериментальная. методика прогнозирования уровня функциональных отказов БИС ОЗУ при низкой интенсивности ИИ по экспериментальным данным набора и релаксации функциональных отказов в блоке ячеек памяти при высокой интенсивности излучения.
6. Специализированный алгоритм функционального контроля БИС ОЗУ с использованием псевдослучайного кода, более эффективно выявляющий радиационные отказы в функциональных блоках БИС ОЗУ без увеличения времени выполнения теста и позволяющий в несколько раз повысить эффективность использовании времени облучения на моделирующей установке при исследовании локальных радиационных эффектов.
7. Результаты экспериментальных исследований радиационного поведения и испытаний основных типов отечественных КМОП БИС ОЗУ по объемный и дозовым эффектам, а также по эффектам от отдельных ядерных частиц, подтверждающие обоснованность предложенных методических и технических средств моделирования и прогнозирования радиационного поведения БИС ОЗУ.
8. Специализированные и адаптированные аппаратно-программные средства проведения функционального и электрического контроля БИС ОЗУ в ходе радиационных испытаний на моделирующих и имитирующих установках.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Российских научных конференциях, в том числе "Радиационная стойкость электронных систем" (Лыткарино, 2002-2008 гг.); "Электроника, микро- и на-ноэлектроника" (г.Кострома 2003 г., г.Вологда 2005 г., г.Гатчина 2006 г.), на научных сессиях МИФИ (Москва, 1999-2008 гг.); на зарубежных конференциях: XVII Международный Симпозиум по ядерной электронике JINES-97 (г. Варна, 15-21 сент., 1997), «Radiation and its Effects on Components and Systems» (RADECS) (Греция, 2006 г.), 9th Workshop on Electronics for LHC Experiments (Нидерланды, 2003 г.), Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NSREC) (США, 1996, 1997).
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в более чем 35 работах, в том числе в 13 (в период с 2003 по 2008 гг.), 8 без соавторов, 2 в реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 146 страниц, в том числе 68 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 108 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Типовые уровни радиационной стойкости полупроводниковых приборов и интегральных схем и узлов на их основе
Уровни отказов и сбоев ИС в значительной степени зависят от технологии изготовления ИС и присущей ей системы качества. В настоящее время на Западе сложилась четырехуровневая классификация ЭРИ, отражающая уровень их качества и обуславливающая область их применения: - коммерческая элементная база (Commercial, COST); - индустриальная элементная база (Industrial); - для использования в КА (Space); - специализированная военная (Military). При этом по мере увеличения показателей качества снижаются функциональные возможности изделий микроэлектроники и значительно увеличивается их стоимость. Основные преимущества использования коммерческих ИС во вновь разрабатываемой РЭА связаны со следующими причинами: - радиационно-стойкие ИС памяти имеют на порядок меньшую информационную емкость; - коммерческие ИС имеют на 1-2 порядка меньшую стоимость; - для коммерческих ИС (микроконтроллеры, программируемые логические матрицы) имеется более широкий набор прикладного программного обеспечения; - средства разработки и отладки изделий на основе коммерческих ИС более доступны. Однако использование коммерческих ИС в РЭА приводит к ухудшению качественных показателей электронной аппаратуры: - некоторые типы коммерческих ИС неприменимы в неблагоприятных условиях эксплуатации (повышенные уровни радиации, температуры и т.п.); - большинство коммерческих ИС имеют уровень функционального отказа 5-50 крад по суммарной поглощенной дозе и 106-107 рад/с к импульсному воздействию; - стойкость ИС не контролируется и от партии к партии разброс может составлять более порядка; - большинство коммерческих ИС имеют низкие показатели надежности в экстремальных условиях эксплуатации; - в коммерческих ИС высока вероятность влияние паразитных структур, которые очень часто определяют порог катастрофических отказов ИС; - новые поколения коммерческих ИС появляются каждые 6-18 месяцев. Тем не менее, даже в коммерческих схемах удается обеспечить приемле мый уровень стойкости к суммарной дозе. Связано это с тем, что в современ ных коммерческих схемах используются тонкопленочные технологии, напри мер, толщина подзатворного диэлектрика не превышает 500 А. Поэтому эти приборы изначально имеют повышенную стойкость по эффекту накопления заряда в подзатворном окисле. Вместе с тем использование диэлектрической изоляции приводит к увеличению токов утечек. Поэтому стойкость по этому параметру у них снижается.
Отмеченные особенности изделий микроэлектроники различного качества определяют особенности ее использования. В системах, не отвечающих за функционирование КА в целом, могут использоваться коммерческие ИС, а в ядре РЭА КА применяются изделия космического или военного качества. Элементы различий в системе качества отражаются также и на показателях радиационной стойкости (табл. 1.1) [72].
Моделирование эффекта «просадки» питания в БИС ОЗУ
Проведенный в диссертации анализ показывает, что «просадка» питания имеет место, когда происходит насыщение зависимости амплитуды ионизационного тока от величины мощности поглощенной дозы ИИ. При относительно больших амплитудах ионизационного тока происходит падение напряжения на внутренних шинах, контактных площадках ИС. Таким образом, начинает происходить ограничение амплитуды ионизационного тока внутренними эквивалентными резисторами ИС. Следует отметить, что по мере увеличения мощности дозы происходит модуляция проводимости, которая может немного уменьшить эквивалентное значение эффективного сопротивления ИС.
В ряде случаев возможно совместное действие эффекта «просадки» питания и включение паразитной структуры. При этом возможно две ситуации. Вначале доминирует эффект «просадки», а затем включается паразитная структура и наоборот (рис.2.16). Первая ситуация может иметь место в случае возникновения тиристорного эффекта, а вторая - при отпирании паразитного биполярного транзистора. При этом, если вначале имеет место увеличение тока, то впоследствии все равно происходит его ограничение на уровне, который определяется эффективным сопротивлением ИС по цепи питания. В случае возникновения тиристорного эффекта следует ожидать высокой его чувствительности к напряжению источника питания, так как именно его значение определяет уровень, к которому стремится максимальное значение тока по цепи питания (без учета эффекта модуляции проводимости полупроводниковых структур).
На рис.2.17 в качестве примера представлены типовые экспериментальные зависимости изменения тока в цепи питания в зависимости от нормированной энергии лазерного излучения для ряда БИС ОЗУ. Обращает на себя внимание, что практически для всех БИС ОЗУ, даже в случае возникновения тиристорных эффектов, имеет место насыщение зависимости амплитуды импульсного тока потребления от интенсивности лазерного излучения. Представленные результаты (см. табл.2.3) проведенного автором анализа экспериментальных данных свидетельствуют, что уровень регистрации первых функциональный сбоев хорошо коррелирует с переходом зависимости амплитуды импульсного тока потребления в стадию насыщения, то есть для многих ИС функциональные отказы определяются «просадкой» питания при протекании значительных токов по цепи питания.
В диссертации предложена упрощенная эквивалентная схема для моделирования рассмотренной интегральной ионизационной реакции БИС (рис.2.18). В представленной эквивалентной схеме генератор тока 1и отражает ионизационный ток по цепи питания, С/, Rj - эквивалентные значения емкости и сопротивления ИС, которые характеризуют интегральную ионизационную реакцию ИС, R2 - токо-съемный резистор, С2 - паразитная емкость, которая включает в себя и емкость измерительных приборов.
Очевидно, что представленная эквивалентная схема носит упрощенный характер. Действительно, в реальной полупроводниковой структуре С] и Rj носят распределенный характер. К тому же, здесь не учтена возможная индуктивная составляющая цепи питания и т.п. Тем не менее, с помощью представленной схемы удается произвести аналитическую оценку общей реакции БИС ОЗУ по цепи питания, в том числе, промоделировать эффект «просадки» питания.
Для проведения моделирования эффекта «просадки» питания и идентификации параметров модели необходимо введение дополнительных ограничений. В частности, одно из ограничений связано минимальной амплитудой ионизационной реакции Ли2тт на токосъемном резисторе R2, которая может быть зарегистрирована измерительным оборудованием. Это напряжение определяет минимально-допустимое значение регистрируемого тока из условия: где ти - характерная постоянная времени импульса ионизационного тока.
Моделирование эффекта просадки возможно в случае получения простых соотношений для оценки параметров генератора /„. Анализ показывает, что для объемных ИС при воздействии прямоугольного импульса с длительностью импульса существенно меньшей времени жизни (Ти « т) форма ионизационного тока описывается следующим приближенным соотношением: где q — заряд электрона; g0 - эффективность ионизации, составляющая 4,3" 1013 пар/(см3ед) для кремния; Р0- мощность поглощенной дозы; Арп - площадь р-n перехода; Wpn - толщина обедненной области рп-перехода; Dd - коэффициент диффузии в базовой области, Д, - суммарная доза за импульс ИИ. Следует отметить, что форма импульса тока при f Tu практически не зависит от характеристик импульса ИИ. Эта зависимость проявляется только в момент действия импульса ИИ. Пред ставленные уравнения хорошо коррелируют с результатами численного моделирования. К сожалению, реальные формы импульса отличаются от рассмотренной, поэтому окончательное выражение может быть получено через интеграл свертки.
Для ИС, выполненных по КНС/КНИ технологии или с использованием эпи-таксиальных структур с толщиной не более 3...5 мкм происходит полное собирание заряда со всего слоя, а импульс тока практически повторяет форму импульса ИИ: где W— толщина активного полупроводникового слоя.
Представленные выше соотношения относятся к анализу только отдельного перехода. Можно предположить, что эти соотношения остаются в силе, только вместо площади отдельного р-п перехода необходимо подставить некоторую эффективную площадь собирания Аэф для всей ИС. Очевидно, что эта площадь будет пропорциональна площади кристалла ИС Аис где ка - коэффициент пропорциональности, величина которого в общем случае зависит от технологии изготовления ИС. Для объемной технологии этот коэффициент можно принять равным 1, тогда как для КНИ/КНС ИС эта величина будет в 2...4 раза меньше площади кристалла, из-за того что площадь полупроводниковых структур меньше площади диэлектрической подложки.
Методика ускоренных испытаний «облучение-релаксация»
Рассмотренные выше результаты позволяют разработать методику ускоренных испытаний КМОП БИС ОЗУ на основе исследования релаксационных процессов функциональных отказов. Другими словами, необходимо обосновать использование релаксационных процессов для оценки влияния эффектов низкой интенсивности ИИ. Такой подход применим, скорее всего, в случае, если имеет место прямая корреляция между уровнями функциональных отказов БИС ОЗУ и деградацией характеристик активных транзисторов ячеек памяти. Поэтому в случаях проявления функциональных отказов, обусловленных влиянием паразитных структур, эта методика может оказаться не совсем корректной.
Оценка параметров моделей, с помощью которых возможно прогнозирование поведения элементов БИС ОЗУ, может быть произведена из контроля зависимостей параметров в процессе и после прекращения радиационного воздействия. В основе предлагаемой методики лежит предположение о независи-мости параметров моделей от величины суммарной поглощенной дозы (линейность моделей) и интенсивности воздействия. Методика основана на проведение процедуры «облучение - временная релаксация», по результатам которой оцениваются параметры моделей, определяющих изменения критериальных параметров ИС при радиационных воздействиях различных интенсивностей.
Разработанная при участии автора методика разбивается на ряд этапов (рис. 3.17): измерение критериальных параметров до облучения; проведение облучения изделий в активном электрическом режиме с относительно высокой (50-1000 рад/с) мощностью поглощенной дозы до уровня (0.5...2.0)-D0, где D0 -уровень суммарной поглощенной дозы, при котором наблюдаются первые отказы и контроль критериальных параметров в процессе воздействия ИИ; послерадиационный периодический контроль работоспособности БИС ОЗУ в течение 168 часов после завершения процедуры облучения при нормальной и повышенной температурах; определение параметров радиационных моделей из экспериментальных результатов; расчетная оценка деградации характеристик изделий при требуемой интенсивности мощности ИИ и определение уровня, при котором происходит отказ изделия. при отжиге, где A,B - параметры модели, /-время при облучении, TD - об щая продолжительность облучения, ta - время отжига, х- постоянная размерности времени (1с). Параметры А и В определяются из экспериментальных зависимостей релаксации порогового напряжения, спрямляемых в координатах AV(X).
Данный метод распространяется на деградацию любого параметра ИС, который линейно связан со сдвигом порогового напряжения. Например, предлагаемая методика при условии, что соблюдается условие линейности характера дозовой зависимости сдвига порогового напряжения n-МОПТ, может использоваться для прогнозирования поведения БИС ОЗУ в условиях воздействия ИИ низкой интенсивности.
Если критериальный параметр БИС является однозначной функцией сдвига порогового напряжения (3.7), то при различных интенсивностях облучения Р] и Р2 одинаковая деградация будет наблюдаться при выполнении условия: где А, В и т- параметры модели, которые необходимо оценить по результатам экспериментальных исследований.
Таким образом, соотношение (3.10) задает масштабное преобразование оси дозы в зависимостях числа функциональных отказов, тока потребления и т.д. при переходе от облучения с интенсивностью Р] к облучению с интенсивностью Рг. Другими словами, дозе D] при интенсивности Р] и дозе D2 при интенсивности Р2 будут соответствовать равное число отказов ячеек ОЗУ.
Например, изложенный подход позволяет построить прогноз поведения ОЗУ при низкоинтенсивном воздействии непосредственно по экспериментальной зависимости деградации критериального параметра (числа отказов, тока потребления) от дозы, без уточнения вида распределения функции отказов от величины суммарной поглощенной дозы.
Использование соотношений (3.7 - 3.10), фактически, основано на предположении о том, что отказ исследуемой схемы имеет однопараметрический характер, в данном случае - обусловлен сдвигом порогового напряжения. Таким образом, построение физически обоснованного прогноза поведения БИС ОЗУ предполагает, в общем случае, учет специфики радиационного поведения элементов БИС ОЗУ, в первую очередь - МОП-транзисторов. Обоснованный выбор модели прогноза и корректная идентификация ее параметров требуют, в ряде случаев, исследования тестовых МОП транзисторов. На практике тестовые структуры, сопровождающие БИС, как правило, недоступны, в связи с чем предлагается исследовать радиационное поведение транзисторов выходных и/или входных каскадов исследуемой БИС ОЗУ. На рис. 3.18 в качестве примера представлены В АХ МОП транзисторов входного каскада БИС ОЗУ 537РУ6 при различных дозах облучения.
Экспериментальные исследования БИС ОЗУ на чувствительность к локальным радиационным эффектам
Экспериментальные исследования БИС ОЗУ на изотопных источниках тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), как правило, используются для предварительной или приближенной оценки параметров чувствительности к локальным радиационным эффектам, и их проводят в два этапа. На первом этапе ИС испы-тывается на изотопном источнике а-частиц и в случае отсутствия ОС проводится второй этап испытаний на изотопном источнике спонтанного деления. Связано это с тем, что ряд БИС ОЗУ могут иметь относительно низкие заряды переключения, вследствие чего в них эффекты могут возникать из-за ионизационных потерь альфа-частиц. В случае доминирующего проявления одиночных сбоев в исследуемой БИС за счет альфа-излучения испытания на изотопном источнике спонтанного деления не проводятся. Например, данные испытания, как показано автором [98], всегда необходимо проводить для БИС динамических ОЗУ.
Результаты проведенных автором исследований вошли в руководящий документ по методам испытаний ИС на чувствительность к одиночным сбоям [97]. В табл.4.1 и на рис.4.5-4.7 представлены некоторые из экспериментальных результатов, полученных при участии автора, по чувствительности БИС ОЗУ к воздействию высокоэнергетичных протонов. Из анализа представленных результатов следует относительно высокая чувствительность практически всех типов ОЗУ по эффектам одиночных сбоев. При этом, как и ожидалось, чувствительность возрастает по мере роста степени интеграции и для динамических ОЗУ. В исследованных типах ОЗУ не удалось обнаружить отказы, обусловленные залипшими битами в результате локального радиационного воздействия, однако имели место отказы ячеек памяти, связанные с набором поглощенной дозы, Таким образом, алгоритмы тестирования, применяемые при исследовании одиночных сбоев в БИС ОЗУ должны выявлять также и отказы, вызванные накоплением поглощенной дозы [99].
Автором предложен и апробирован специализированный алгоритм тестирования функционального контроля БИС ОЗУ в процессе радиационных испытаний, который позволяет проводить в одном цикле регистрацию одиночных сбоев и проверку работоспособности ячеек памяти. В основе алгоритма — применение чередования операций считывания, записи-считывания инверсного1 тестового кода, записи-считывания исходного тестового кода последовательно для каждого логического адреса и выявление информации об одиночных сбоях и функциональных отказах в разрядах слова данных по результатам трех считываний. При этом может применяться любой тестовый информационный код для исследования влияния записанной информации на чувствительность к локальным радиационным эффектам. Тест с использованием «псевдослучайного» кода применяется в начале алгоритма для выявления неисправности в БИС ОЗУ или системе функционального контроля, а также при обнаружении функциональных отказов.
Эффективность использования пучкового времени для предложенного алгоритма приближается к 100%, в то время как алгоритм с таким же чередованием циклов, но не для каждого адреса, а для целого массива, при той же длительности теста использует время пучка только на 60%, кроме того требуется в 5 раз больше операций смены логического адреса на входах тестируемого ОЗУ.
Функциональный отказ ячеек памяти, связанный с радиационными эффектами поглощенной дозы приводят к уменьшению в процессе облучения эффек тивного сечения эффектов одиночных сбоев (отказавшие ячейки фактически выпадают из множества ячеек, в которых возможен одиночный сбой) (рис.4.5,а), таким образом необходимо соблюдать условие, чтобы поглощенная доза при воздействии потока одиночных ядерных частиц была значительно меньше дозы отказа БИС ОЗУ.
