Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тенденции развития, основные параметры, принципы построения микросхем флэш памяти 10
1.1. Современное состояние и перспективы развития энергонезависимой памяти для систем управления электронной аппаратуры военной и космической техники... 10
1.2. Принципы работы ячеек флэш памяти 14
1.3. Схемотехнические и технологические особенности реализации ячеек микросхем флэш памяти 18
1.4. Анализ методов и средств для обеспечения контроля работоспособности микросхем флэш памяти при радиационных испытаниях 28
1.4.1. Методы контроля работоспособности флэш памяти при радиационных испытаниях 28
1.4.2. Средства контроля работоспособности флэш памяти при радиационных испытаниях 29
1.5. Выводы 33
Глава 2. Расчетно-экспериментальное моделирование радиационных отказов микросхем флэш памяти 35
2.1. Расчетно-экспериментальное моделирование микросхем флэш памяти к дозовым эффектам 35
2.1.1. Основные дозовые эффекты в СБИС флэш памяти 36
2.1.2.Механизмы потери информации в СБИС флэш памяти 40
2.1.3.Радиационные отказы схем управления 45
2.2. Моделирование сбоев при воздействии импульсного ионизирующего излучения 50
2.3. Исследование СБИС флэш памяти на воздействие отдельных ядерных частиц ... 52
2.4. Выводы 60
Глава 3. Влияние ионизирующего излучения на характеристики типовых представителей СБИС флэш памяти 62
3.1. Дозовые эффекты 62
3.2. Локальные радиационные эффекты 68
3.3. Объемные ионизационные эффекты в микросхемах флэш памяти 75
3.4.Влияния отдельных радиационных макродефектов на работоспособность микросхем флэш памяти 81
3.5. Выводы 83
Глава 4. Методическое обеспечение экспериментальных исследований радиационной стойкости микросхем флэш памяти 85
4.1. Выбор рационального состава экспериментальных исследований 85
4.2. Особенности задания режимов и контроля параметров микросхем флэш памяти при экспериментальных исследованиях 89
4.3. Особенности радиационных испытаний микросхем флэш памяти 99
4.4. Методическое обеспечение экспериментальных исследований на испытательных установках 102
4.5. Выводы 104
Глава 5. Аппаратно-программные средства для экспериментальных исследований радиационной стойкости микросхем флэш памяти 107
5.1. Анализ технических требований к экспериментальному оборудованию 107
5.2. Методы контроля работоспособности СБИС флэш памяти при радиационных испытаниях 112
5.3. Аппаратно-программные средства экспериментального комплекса 116
5.4. Средства контроля параметров стабильности флэш памяти 124
5.5. Выводы 129
Список литературы 131
- Схемотехнические и технологические особенности реализации ячеек микросхем флэш памяти
- Исследование СБИС флэш памяти на воздействие отдельных ядерных частиц
- Особенности задания режимов и контроля параметров микросхем флэш памяти при экспериментальных исследованиях
- Методы контроля работоспособности СБИС флэш памяти при радиационных испытаниях
Введение к работе
Диссертация направлена на решение важной научно-технической задачи по моделированию, оценке, прогнозированию и обеспечению радиационной стойкости микросхем флэш памяти и электронных устройств на их основе при воздействии ионизирующих излучений искусственного и естественного происхождений, имеющих существенное значение для построения высоконадежных электронных устройств систем управления военного, космического и другого специального назначения, улучшения их функциональных и эксплуатационных характеристик, а также эффективности их применения в специальных условиях.
Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью развития функционально-сложных систем управления и контроля в электронной аппаратуре космического и военного назначения, работающей длительное время в автономном режиме. Большинство технических и эксплуатационных характеристик этих систем обусловлены характеристиками входящих в их состав энергонезависимых запоминающих устройств на основе флэш памяти. Благодаря своим преимуществам, флэш память становится одним из основных элементов современных автономных систем управления, функционирующих в условиях воздействия радиационных факторов.
Повышение требований к тактико-техническим характеристикам современных специальных систем управления требует применения флэш памяти, с одной стороны, большой информационной емкости, а с другой стороны - с требуемыми характеристиками по радиационной стойкости. Повышение информационной емкости за счет уменьшения размеров ячеек памяти с переходом на субмикронные технологические нормы проектирования приводит к возрастанию роли паразитных структур, что проявляется в существенном усложнении характера радиационного поведения флэш памяти и уменьшении энергии, необходимой для возможного стирания информации в ячейках памяти, то есть потенциально повышается их чувствительность к радиационным воздействиям по сравнению с ИС малой степени интеграции.
В условиях недостаточного развития российской микроэлектронной промышленности и отсутствия отечественных микросхем энергонезависимой памяти большой информационной емкости сложилась практика частичного комплектования узлов систем управления флэш памятью иностранного производства, для которой требуется получение объективной информации по ее радиационной стойкости. Учитывая низкие объемы отечественного микроэлектронного производства, его неритмичность и прерывистость, применение
изделий иностранного производства, требует поиск новых решений в области разработки и внедрения новых высокоэффективных методов оценки, прогнозирования, обеспечения и контроля радиационной стойкости флэш памяти на всех этапах жизненного цикла изделий. Сложность анализа поведения микросхем флэш памяти во время действия ионизирующего излучения обусловлена, достаточно большим количеством разных видов радиационных эффектов в них - с одной стороны, а также разнообразием типов флэш памяти, увеличивающимся по мере совершенствования технологического процесса - с другой стороны.
Перечисленными выше факторами обусловлена необходимость развития существующих, а также разработки новых методов и средств исследования радиационной стойкости флэш памяти. Важность и актуальность темы диссертации отражена в подпрограмме «Развитие электронной компонентной базы» на 2007-2011 годы в составе ФЦП «Национальная технологическая база», в соответствии с которой создание радиационно-стойкой электронной компонентной базы при ее разработке, производстве и применении в стратегически значимых системах отнесено к одной из приоритетных задач.
Состояние исследований по проблеме. Вопросам анализа, моделирования и разработки энергонезависимой памяти посвящены работы д.т.н. Шелепина Н.А (ОАО "НИИМЭ и Микрон"), к.т.н. Севрюкова А.Н. (ЗАО ЦП "Ангстрем-СБИС"). Вопросам моделирования, оценки и прогнозирования радиационной стойкости БИС запоминающих устройств посвящены многочисленные работы к.ф-м.н. Полякова И.В. (ОАО «НПП «Сапфир»), Калинина А.В., к.т.н. Машевича П.Р., Романова А.А. (ОАО «Ангстрем»), к.т.н. Барбашова В.М., к.т.н. Герасимова Ю.М., к.т.н. Григорьева Н.Г., к.т.н. Яненко А.В. (НИЯУ МИФИ) и других специалистов.
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), к.т.н. Фигуровым B.C. и Емельяновым В.В. (ФГУП «НИИП»). Методы моделирования и радиационных испытаний интегральных микросхем были развиты в работах д.т.н. Улимова, В.Н, д.т.н. Зинченко В.Ф. (ФГУП «НИИП»), д.т.н. Скоробогатова П.К., д.т.н. Никифорова А.Ю., д.т.н. Чумакова А.И., к.т.н. Согояна А.В. (МИФИ), что обеспечило повышение объема испытаний, увеличения информативности функционального и параметрического контроля интегральных микросхем по сравнению с испытаниями на моделирующих установках.
С повышением степени интеграции флэш памяти и увеличения их информационной емкости применение выработанных методов прогнозирования и обеспечения их радиационной стойкости, методических и технических средств имитационных испытаний ограничивается следующими основными факторами:
увеличивается взаимное влияние различных функциональных модулей флэш памяти на характер радиационного поведения вследствие очень плотной их упаковки;
возрастает объем хранимой информации при переходе на многобитовые ячейки памяти;
повышается ресурсоемкость прямых расчетных методов вследствие увеличения числа элементов в СБИС;
возрастает роль паразитных структур, параметры которых не контролируются в процессе производства, что проявляется в существенном усложнении характера радиационного поведения БИС флэш памяти (влиянии на стойкость режима функционирования, технологии, условий применения и т.п.);
повышается ресурсоемкость контроля параметров микросхем флэш памяти. Резкое увеличение продолжительности полного функционального контроля делает невозможным
2 3/2
использование в ходе радиационных испытаний сложных алгоритмов типа N и N для выявления радиационно-чувствительных функциональных блоков ИС;
- усиливается роль эффектов, обусловленных локальными радиационными эффектами
вследствие воздействия отдельных ядерных частиц, что может приводить к отказам ИС.
Таким образом, к началу диссертационной работы методики и средства идентификации наиболее чувствительных элементов и узлов микросхем флэш памяти, определяющих уровни доминирующих радиационных отказов и сбоев в них с учетом проявления радиационных эффектов, были проработаны недостаточно, что является заметным препятствием на пути выработки рекомендаций по применению микросхем флэш памяти в электронной аппаратуре специального назначения. Имеющиеся на момент начала работы аппаратно-программные средства эксперимента не обеспечивали возможности полноценного автоматизированного управления (в том числе и дистанционного для применения на моделирующих и имитирующих 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 развитие методов и технических средств моделирования и оценки показателей радиационной стойкости микросхем флэш памяти, элементов и функциональных узлов на их основе.
Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:
расчетно-экспериментальное моделирование доминирующих радиационных эффектов в элементах и узлах микросхем флэш памяти при воздействии различных видов ионизирующего излучения;
поиск и анализ наиболее критичных функциональных узлов, отвечающих за радиационный отклик ИС в целом и влияние технологий изготовления микросхем флэш памяти на показатели радиационной стойкости;
разработка и апробирование методик исследования влияния радиационных дефектов микросхем флэш памяти на их работоспособность;
разработка методических, аппаратно-программных средств для проведения экспериментальных радиационных исследований и испытаний микросхем флэш памяти на моделирующих и имитирующих установках;
получение и систематизация оригинальных экспериментальных данных, устанавливающих общность радиационного поведения ИС флэш памяти в широких диапазонах режимов работы и условий эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в разработке:
моделей, учитывающих схемно-технологическую реализацию микросхем флэш памяти и позволяющих проводить прогнозирование радиационного поведения к дозовым и локальным радиационным эффектам микросхем флэш памяти с проектными нормами до 0.1 мкм;
методики расчетно-экспериментального моделировании сбоев и отказов в микросхемах флэш памяти вследствие дозовых и локальных радиационных эффектов, позволяющей учитывать режим функционирования в процессе радиационных исследований, достоверно оценивать уровень радиационной стойкости микросхем флэш памяти и выявлять наихудшие режимы функционирования;
методики исследования микросхем флэш памяти при наличии радиационных макродефектов, позволяющей оценить влияние радиационно-индуцированных неоднородно-стей, создаваемых в чувствительной области элемента памяти, используя количество циклов перезаписи микросхемы флэш памяти;
- аппаратно-программных средств и методов функционального контроля, позво-
ляющих проводить дистанционные испытания (до 50 м) флэш памяти с объемом до 64 Гбайт с частотой опроса до 50 МГц на моделирующих и имитирующих установках в условиях действия мощных электромагнитных помех. Практическая значимость работы:
Предложена структура и реализован универсальный аппаратно-программный комплекс, позволяющий производить функциональный контроль широкого класса современных ИС флэш памяти. Разработанный комплекс позволяет производить гибкую настройку для каждого исследуемого типономинала, производить функциональный и параметрический контроль непосредственно в процессе радиационных испытаний.
Разработаны методики функционального контроля ИС флэш памяти, учитывающие вид радиационного воздействия и внутреннюю архитектуру флэш памяти. Разработанные методики позволяют определить место возникновения сбоя или отказа, а также обеспечить наиболее критичный режим для разных факторов ионизирующего излучения.
Получены оригинальные результаты испытаний более чем 20 типономиналов флэш памяти. Выявлены основные особенности радиационного поведения рассматриваемого типа ИС, наиболее критичные узлы и режимы работы.
Результаты диссертации вошли в отчетные материалы по НИР и составным частям ОКР («Абонемент», «Автолог», «БИВК-СВВ», «Джут», «Микология», «Микро-Д», «Сверло С2» и др.), выполняемых в интересах Минобороны РФ, Росатома и предприятий оборонного комплекса.
Результаты использованы в проекте РД В 319.03.58-2010 «Методы испытаний и оценки стойкости интегральных схем и мощных МДП-транзисторов по эффектам отказов от воздействия отдельных высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства» и в «Методические указания по обеспечению стойкости бортовой аппаратуры изделий разработки ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» к воздействию тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов космического пространства».
6. Методика функционального контроля ИС флэш памяти и аппаратно-программный
комплекс функционального контроля внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС»
Результаты, выносимые на защиту:
1. Расчетно-экспериментальные методы моделирования доминирующих радиационных эффектов в элементах и узлах микросхем флэш памяти при воздействии различных видов ионизирующего излучения.
Модели дозовых отказов и локальных радиационных эффектов микросхем флэш памяти в различных режимах функционирования.
Методики экспериментальных исследований микросхем флэш памяти по определению радиационной стойкости при воздействии различных факторов естественного и искусственного происхождений и реализующие ее технические средства, обеспечивающие относительно полный функциональный контроль микросхем флэш памяти.
Расчетно-экспериментальный метод и методику исследования влияния радиационных макродефектов на работоспособность микросхем флэш памяти.
Результаты экспериментальных исследований радиационного поведения и испытаний основных типов микросхем флэш памяти отечественного и иностранного производства по всей совокупности доминирующих радиационных эффектов.
Аппаратно-программные средства для контроля функциональных и электрических параметров микросхем флэш памяти в процессе радиационных испытаний.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на российских научных конференциях "Радиационная стойкость электронных систем" (Лыткарино, 2005-2010 гг.); научных сессиях МИФИ (Москва, 2006-2009 гг.); на научных конференциях "Электроника, микро-и наноэлектроника" (2005-2009 гг.).
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах (в период с 2005 по 2010 гг.), в том числе 2 - в реферируемых журналах и 8 - без соавторов.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 141 страницу, в том числе 48 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 110 наименований и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Схемотехнические и технологические особенности реализации ячеек микросхем флэш памяти
Ячейка флэш памяти стирается электрически и состоит из одного транзистора. Первая ячейка памяти, основанная на этих принципах, была представлена в 1979 году, а первый коммерческий продукт был представлен фирмой Toshiba в 1984 году. Прототип флэш памяти требовал внешний генератор повышенного напряжения для программирования и внешнего управления алгоритмом стирания, а количество циклов перезаписи первых образцов составляла менее 104. В современных микросхемах эти недостатки устранены.
Технологические особенности. Несколько технологических особенностей, которые принадлежат микросхемам флэш памяти, как выявлено автором, сводятся к следующим: Оксид между подложкой и плавающим затвором очень тонкий (приблизительно 10 нм). При стирании, приложение высокого напрялсения к истоку при заземленном управляющем затворе, в оксиде приводит к появлению высокого электрического поля, которое приводит к возникновению тока туннелирования между плавающим затвором и истоком. Но это условие опасно тем, что увеличивается вероятность пробоя перехода исток-подложка. По этой причине, диффузия истока осуществляется по-другому, чем диффузия стока, которая не подвергается таким условиям. Поэтому в технологический процесс добавляют новую маску, которая дифференцирует процессы легирования истока и стока. В результате получается не симметричная ячейка памяти. Из-за малой толщины подзатворного диэлектрика, на него тоже возлагаются некоторые ограничения. В частности, большое количество примесей, приводит к ухудшению сохранности информации. Таклсе на наделшость сохранности информации влияет шероховатость туннельного оксида. С другой стороны, наличие такого тонкого диэлектрика приводит к тому, что в нем следует ожидать относительно малого количества радиационно-индуцированного заряда. Особенностью для микросхем флэш памяти является наличие обязательной зоны перекрытия между затвором и стоком, что приводит к несимметричности транзистора. Эта зона перекрытия позволяет повысить эффективность инжекции заряда на плавающий затвор, что важно для таких циклов как запись, в микросхемах NOR флэш памяти, но это увеличивает размер ЯП. Наличие различных архитектур флэш памяти, отличающихся по способу соединения между ячейками, приводит к тому, что для каждой из архитектур становится предпочтительным только один из методов программирования ячеек. Технология ИС флэш масштабируется. Однако тут существуют некоторые ограничения. Основными факторами, которые ограничивают размеры ячеек памяти являются: Необходимость минимального перекрытия между стоком и затвором для эффективной инжекции заряда, а также наличие зоны- перекрытия между истоком и затвором (это важно для ячеек, где применяется механизм туниелирования). Минимальная длина канала ограничена напряжением пробоя. Физические процессы, на которых основана работа ячеек флэш памяти, не меняются с уменьшением размеров ячеек (такие параметры как величина потенциального барьера при инжекции электронов -3,4 эВ). Минимальная толщина туннельного оксида по теоретическим расчетам не может быть менее 6 нм [22]. Толщина слоя Oxide-Nitride-Oxide (ONO), расположенного между плавающим и управляющим затворами, также по теоретическим расчетам не может быть менее 12-13 нм [23]. Обеспечение минимально допустимого расстояния между ячейками флэш памяти для исключения их взаимного влияние друг на друга [24]. Основные режимы работы доступные при работе с микросхемой флэш памяти являются: чтение, запись, стирание и хранение информации. Каждая элементарная операция микросхемы флэш памяти обладает рядом особенностей и зависит от внутренней схемотехники массива ЯП. Цикл записи. При инжекции горячих электронов (если используется этот метод), программирование происходит при подаче импульса на управляющий затвор и одновременно на сток, в то время когда исток заземлен. Эта операция может быть выполнена выборочно для каждого байта, для этого необходимо подать импульс к шине слов, которая объединяется с управляющими затворами и подать смещение на битовую шину, которая объединяется со стоками. «Горячие» электроны инжектируются на плавающий затвор и пороговое напряжение, выбранного транзистора повышается. При использовании метода туннелирования заряда, высокое, напряжение прикладывается между управляющим затвором и истоком. Изменение в пороговом напряжении зависит от длительности импульса программирования. Для того чтобы получить сдвиг напряжения на 3-3,5 В характерная длительность импульса должна составлять 1-10 мкс. Цикл стирания. Операция стирания требует импульса высокого напряжения, приложенного к истоку (всех транзисторов одного блока), при условии того, что управляющий затвор заземлен. Цикл стирания всех схем выполняется при использовании эффекта туннелирования и в зависимости от архитектуры типичное время стирания блока или всего массива составляет от 100 мс до 1 секунды.
В микросхемах флэш памяти с дополнительным напряжением для программирования, где кроме напряжения Vcc (З В или 5 В) есть высокое напряжение Vpp (около 12 В). Стирание происходит приложением высокого положительного потенциала к области истока, тогда как вывод линии слов (управляющий затвор ячеек памяти) заземлен. В микросхемах флэш памяти с одним источником питания, недостаток высокого напряжения Vpp предполагает наличие внутреннего генератора повышенного напряжения, для циклов программирования и стирания. В этом случае, необходимое напряжение прикладывается между истоком и управляющим затвором, полученное приложением Vcc к истоку и отрицательного напряжения Vpp к управляющему затвору. Вне зависимости, как получено напряжение для стирания или программирования, высокое электрическое поле в оксиде между плавающим затвором и истоком приводит к возникновению току затвора (туннелирование).
Исследование СБИС флэш памяти на воздействие отдельных ядерных частиц
Как в случае и с дозовыми эффектами, эффекты от отдельных ядерных частиц имеет смысл рассматривать для разных узлов флэш памяти раздельно. Очевидными чувствительными узлами к действию ОЯЧ являются регистровые структуры, такие как внутреннее буферное ОЗУ, регистры управления, внутренний автомат управления и т.д. Важно также определение массива ячеек памяти к действию ОЯЧ.
В последних экспериментах по влиянию тяжелых ионов на сохранность информации в ячейках флэш памяти все чаще используют специально разработанные кристаллы микросхем флэш памяти, которые при определенном оборудовании и при применении специально разработанных алгоритмов позволяют определить пороговый заряд отдельной ячейки памяти. Проведенные оценки потери заряда с плавающего затвора, используя те же подходы, что и при моделировании дозовых эффектов, показывают незначительную потерю этого заряда для широкого спектра ионов с разным значением линейной потерей энергии (ЛПЭ). Эти оценки на порядки различается с экспериментальными результатами. Таким образом, одним только механизмом генерации-рекомбинации носителей образовавшихся после прохождения иона не удается объяснить полученные экспериментальные результаты.
Как показывают теоретические оценки, наиболее вероятна потеря заряда через стекание по каналу, образованному в диэлектрике пролетающим ионом. Потеря заряда в этом случае зависит от ЛПЭ, проходящего через подзатворный диэлектрик иона. Согласно этой модели стекание заряда происходит за короткий промежуток времени вдоль трека заряженной частицы. Эквивалентная схема кратковременной разрядки плавающего затвора показана на рис.2.10. Величина резистора при этом меняется от десятков кОм при ЛПЭ тяжелой заряженной частицы (ТЗЧ) около единиц МэВ см2/мг до десятков Ом при ЛПЭ около 100 МэВсм2/мг.
При прохождении заряженной частицы сквозь подзатворный диэлектрик вдоль его трека образуется большое количество электронно-дырочных пар. Часть этих пар рекомбинируют. Оставшиеся заряды образуют токопроводящий канал. Величина резистора R изменяется во времени / и в первом приближении может быть оценена исходя из следующего соотношения [41]: где у - коэффициент первичной рекомбинации электроно-дырочных пар; ; -энергия образования одной электронно-дырочной пары в диэлектрике; q -заряд электрона; t„ - время существования трека в окисле; ц. - подвижность носителей заряда; р - плотность диэлектрика; dox - толщина диэлектрика. Проведя усреднение во времени, можно получить оценку сопротивления утечки в следующем виде. с типовыми значениями коэффициентом i?o 200 и LETo 20. Представленное приближенное соотношение не учитывает многие эффекты, которые приводят к снижению зависимости от ЛПЭ. Сравнения с известными экспериментальными результатами показывают [59], что наилучшее соответствие будет иметь место при использовании показателя степени 1,5 вместо 2. Результат зависимости среднего по времени сопротивления канала от ЛПЭ проходящего через окисел иона представлена на рис. 2.11. 250,0 проходящего через окисел иона. С уменьшением топологических норм производства микросхем флэш памяти, снижается емкость плавающего затвора отдельной ячейки и заряда, хранимого на нем. Принимая во внимание зависимость площади ячейки памяти от топологических норм производства и зависимость сопротивления токопроводящего канала образованного пролетевшим ионом, можно получить значение ЛПЭ иона, при котором происходит потеря заряда, необходимая для того, чтобы внутренняя схема считывании распознала запрограммированное состояние ячейки как логическую «1». При оценки емкости плавающего затвора, необходимо учитывать, что площадь этого затвора составляет около 30% от размеров самой ячейки памяти. В табл. 2.1. приведены основные значения параметров ячеек памяти, используемых для выявления зависимости порового значения ЛПЭ иона при котором происходит потеря информации в накопителе для различных топологических норм производства микросхем флэш памяти. При оценке порогового значения ЛПЭ иона полагалось, что потеря информации происходит при потере хотя бы половины заряда соответствующему логическому состоянию Экспериментальные исследования эффектов при воздействии отдельных ядерных частиц на микросхемы флэш памяти с тестовыми образцами, в которых возможно измерять пороговое напряжение отдельной ячейки памяти, позволили расширить картину возможных явлений происходящих во флэш памяти [60-63]. В этих исследованиях действию тяжелых заряженных частиц подвергались образцы с разной емкостью плавающего затвора. Были получены распределения пороговых напряжений ячеек памяти до и после действия заряженных частиц с различным значением ЛПЭ. Типичное распределение пороговых напряжений показано на рис.2.13.
Во всех тестируемых микросхемах, ячейки в которые попал ион, можно легко обнаружить, по относительно большому сдвигу порогового напряжения, случайно распределенному по всему массиву. Число ячеек, подвергнутых воздействию ионов, хорошо согласуется с теоретическими вычислениями, основанными на площади плавающего затвора и значением конечного флюенса. Эти факты позволяют исключить управляющую цепь или внутренние усилители из возможных причин сдвига порогового напряжения.
Особенности задания режимов и контроля параметров микросхем флэш памяти при экспериментальных исследованиях
Использование операций записи или стирания значительно снижает уровень чувствительности к дозовым эффектам, а при воздействии ОЯЧ, при этих режимах потенциально может произойти пробой подзатворного диэлектрика. Другой пример влияния релсима работы ИС связан с чувствительностью к тиристорному эффекту при импульсном излучении, которая зависит от напряжения внешнего питания. Таким образом, для адекватной оценки радиационной чувствительности при экспериментальных исследованиях необходимо задавать наиболее критичные режимы для выбранного вида ИС флэш памяти. Это, в свою очередь накладывает особые требования к программным и аппаратным средствам при проведении функционального или параметрического контроля. Как правило, при исследованиях требуется организовать несколько режимов с разными напряжениями питания и обеспечить динамический процесс считывания или записи на максимально допустимых для образца частотах. Необходимо также предусмотреть проверку выходных токов ИС, характеризующих нагрузочную способность.
Использование общих методик измерения электрических параметров и специализированная оснастка может существенно повлиять на результаты экспериментальных исследований. Таким образом, при измерении тока потребления миллиамперметром стоит учитывать его внутренне сопротивление. Типичный диапазон измеряемых токов при контроле функционирования составляет от единиц мкА до десятков мА. Внутренне сопротивление измерительного прибора может повлиять на выполнения таких операций как запись или стирание, так как именно эти режимы требуют токов потребления до несколько десятков мА. Проверка полного функционального контроля при невысоком или даже нормальном напряжении питания может привести к отрицательному результату из-за частичного падения напряжения на измерителе тока, так как режимы перезаписи чувствительны к напряжению питания. Необходимо предусмотреть способы контроля тока, которые позволяют избежать вышеуказанной проблемы. Наиболее простым решением в данном случае является использования миллиамперметра с разными диапазонами измерения тока, причем перед каждой операцией записи или стирания необходимо переключать этот диапазон. Автоматическое переключение в данном случае нежелательно, так как может оказаться достаточно инертным и повлиять на результат функционального контроля. Еще одной особенностью применения миллиамперметра в цепи питания, при исследованиях на радиационную стойкость, является просадка питания при дозовых испытаниях. Как правило, статический ток потребления в этом случае может изменяться в широком диапазоне, и падение напряжения на измерительном приборе приведет к снижению напряжения на исследуемом образце, что в лучшем случае повлияет на заниженный результат измерения статического тока образца. Для предотвращения этого явления следует включить дополнительный вольтметр, измеряющий напряжения прямо на выводе Vcc микросхемы. При этом испытания должны проводиться при постоянном, заданном в методике, напряжении питания. Контроль напряжения питания по дополнительному вольтметру может происходить как автоматически при помощи программно-аппаратных средств специализированного комплекса, так и вручную, обеспечивая требуемое напряжение, хотя бы во время фазы измерения. Еще одним характерным и информативным параметром для микросхем флэш памяти являются временные параметры, в частности, такие как время стирания и время выборки. По поведению времени стирания можно оценить деградацию периферийных цепей при воздействии стационарного ионизирующего излучения и предсказать отказ функционирования рассматриваемого вида ИС. Следует учесть, что разброс времени стирания для микросхем разных видов ИС флэш памяти составляет от сотни миллисекунд до десятков секунд. Если время стирания достаточно большое, то для его анализа, можно использовать программные средства, опрашивая флаг состояния операции стирания, так как ошибка оценки времени стирания будет небольшой. Для микросхем, у которых время стирания небольшое, целесообразно использовать внешние сигналы ИС, сигнализирующие о работе внутренних алгоритмов. Следует отметить, что время стирания можно использовать для прогнозирования потери работоспособности микросхемы [105, 106]. Контроль такого параметра как время выборки информации определяется через интервал между переходом сигнала микросхемы (CS) и появлением данных на соответствующей шине при циісле чтения. Стоит учесть, что сигнал разрешения вывода данных (обычно ОЕ) должен стать активным до выбора самой микросхемы. Определение этого временного параметра, в этом случае, может проводиться визуально с помощью осциллографа. При исследовании разных типов флэш памяти, встает вопрос об оценке чувствительности внутреннего ОЗУ флэш памяти с архитектурой NAND. Учитывая, что чтение в этом типе флэш памяти осуществляется по страницам, то предложенный автором алгоритм обнаружение сбоев молено определить следующим образом: 1) Записать команду на чтение страницы, в которой находится известный и записанный ранее код. 2) Произвести воздействие ИИ с заданным уровнем. 3) Произвести чтение информации с внутреннего ОЗУ и сравнить с эталоном. - 4) Зафиксировать количество ошибок и в случае их обнаружения, еще раз прочесть страницу во внутренний буфер. А затем считать содержимое этого буфера. 5) Сравнить ошибки в первом и во втором случае. 6) Вернуться к п.1, увеличив величину радиационного воздействия. Данный способ позволяет проверять не только ошибки в буферном ОЗУ, но и сохранность информации в накопителе. Следует отметить, что воздействие необходимо подавать после записи первой команды считывания страницы, так как последующие выборка данных происходит уже из внутреннего ОЗУ. Аналогичный подход можно использовать и при анализе чувствительности микросхемы флэш памяти в режиме стирания. Стирание микросхемы происходит после записи определенной команды. Стирание сопровождается увеличением тока потребления и активностью сигнала Ready/Busy. Как правило, время этой операции составляет от нескольких секунд, что вполне достаточно, чтобы выполнить импульсное воздействие во время стирания в ручном режиме.
Методы контроля работоспособности СБИС флэш памяти при радиационных испытаниях
При проведении ФК для оценки радиационной чувствительности цифрового устройства используются стандартные методы, такие как сравнение с эталоном, подсчет контрольной суммы или сигнатуры, сравнение с программным эталоном и др. Выбор того или иного метода обусловлен задачами и условиями эксперимента.
Метод сравнения с эталоном (эталонным объектом) предполагает синхронную работу двух абсолютно идентичных объектов, один из которых в процессе ФК подвергается воздействию. Применение этого метода позволяет исследовать как статические, так и динамические функциональные отказы, причем достоверность результатов ФК максимальна. Ограничения на использование метода сравнения с эталоном связаны с необходимостью обеспечения абсолютно идентичных условий работы эталона и объекта исследования (электрические, климатические и др. условия), а также полной защиты эталона от воздействия излучения. Кроме того, необходимо иметь средства для проверки работоспособности самого эталона. Недостаток этого метода трудная его реализации в поле радиационного воздействия.
Методы подсчета контрольной суммы или вычисления сигнатуры возможно применять для ПЗУ. Недостатки методов этой группы -вероятность взаимной компенсации ошибок и низкие диагностирующие способности. Однако благодаря своей простоте они могут применяться для оценок уровня потери работоспособности.
Метод сравнения с программным эталоном обладает всеми достоинствами метода сравнения с эталонным объектом и не имеет его недостатков. Это достигается благодаря использованию аппаратных средств ФК, программируемых с помощью компьютера. Перед началом контроля программно формируется не только тестовая последовательность, но и истинная последовательность выходных сигналов объекта. Затем тестовая последовательность подается на объект, а его выходные сигналы в каждом такте сравниваются с заранее сформированной истинной последовательностью.
Эффективность ФК решающим образом определяется построением теста. Существуют различные способы генерации тестовых последовательностей. Для контроля БИС ЗУ наиболее часто применяют алгоритмические функциональные тесты (АФТ), содержащие последовательность элементарных тестов. АФТ должны обладать двумя противоречивыми свойствами: с одной стороны обеспечивать достаточную полноту контроля флэш ЗУ, а с другой - быть коротким по времени, чтобы обеспечить высокую производительность проверки флэш памяти при исследовании накопителей с большой информационной емкостью.
Функциональный контроль СБИС флэш ЗУ при исследовании локальных радиационных эффектов. С точки зрения функционирования цифровой ИС одиночные эффекты могут проявляться как: изменение информации, хранимой в ИС; нарушение ее функционирования, не приводящее к изменению хранимой в ИС информации; формирование на выходах кратковременных сигналов помех ("иголок"), влияющих на подключенные к ней цепи; "защелкивание", то есть включение паразитных п-р-п-р структур в ИС, приводящее к резкому возрастанию тока потребления ИС, полной временной или постоянной неработоспособности. Таким образом, при выборе критерия одиночного эффекта цифровой ИС необходимо учитывать ее внутреннюю организацию и особенности устройства, в котором эта ИС применяется. При исследовании влияния тяжелых заряженных частиц следует учитывать, что ошибки при чтении записанного раннее кода, могут происходить по разным причинам. Во-первых, источником может быть сам массив ячеек накопителя, Во-вторых, сбои могут произойти и во внутренних регистровых структурах, которые используются как буферные ОЗУ в современных микросхемах памяти с внутренней архитектурой NAND. Еще одним источником ошибки могут быть выходные буферы, если во время выборки произойдет сравнительное долговременное изменение сигнала выходных данных, которое может быть воспринято считывающим устройством. Результатами функционального теста флэш ЗУ, проводимого описанным выше способом, должно являться как общее количество сбоев, таки информация о конкретных адресах отказов после перебора всех адресов ЗУ. На основании такой информации, полученной по итогам нескольких итераций ФК одной и той же микросхемы флэш памяти, можно сделать вывод об узлах кристалла, при обращении к которым наиболее часто возникают сбои. Особое внимание необходимо обратить на тиристорный эффект. В ходе контроля работоспособности ИС надо предусмотреть и довольно быстро отреагировать на него, и в случае его возникновения произвести кратковременный сброс питания. Валено также зафиксировать ток во время тиристорного эффекта и определить величину тока, при котором происходит срыв этого деструктивного явления. Функциональный контроль СБИС флэш ЗУ при исследовании влияния лозового фактора. С точки зрения функционирования СБИС флэш памяти дозовые эффекты могут проявляться как: нарушение ее функционирования, не приводящее к изменению хранимой в ИС информации (отказ записи или стирания); потеря хранимой информации; выход параметров за границы допустимых значений (логические уровни, время выборки, время стирания, ток потребления в различных режимах). Увеличение тока потребления с ростом поглощенной дозой является характерной реакцией всех цифровых схем, и флэш память в этом случае ведет себя как типичный представитель цифровых устройств. Стоит также отметить, что рост тока потребления зависит от режима, в котором облучается образец флэш ЗУ.
