Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Лазерные методы оценки стойкости ИПЭ к воздействию ТЗЧ 12
1.1.Основные одиночные радиационные эффекты, возникающие при воздействии ТЗЧ на элементы ИПЭ 12
1.2.Моделирование эффектов, возникающих при воздействии ТЗЧ на ИПЭ, с помощью сфокусированного лазерного излучения 19
1.2.1. Фундаментальные параметры лазерного излучения 21
1.2.2. Особенности генерации носителей заряда при воздействии сфокусированного лазерного излучения на полупроводники 25
1.2.3. Преимущества и ограничения лазерного тестирования на стойкость к воздействию ТЗЧ по сравнению с методами, использующими ускорители ионов 31
1.3.Методика оценки параметров чувствительности ИПЭ к эффектам воздействия ТЗЧ с помощью сфокусированного лазерного излучения 35
1.4.Обзор существующих технических средств проведения лазерных испытаний на стойкость к воздействию ТЗЧ 38
Глава 2. Общие требования к характеристикам средств проведения лазерных испытаний ИПЭ на стойкость к воздействию ТЗЧ 42
2.1.Требования к лазерному излучению 42
2.1.1. Размер пятна фокусировки 42
2.1.2. Длина волны 55
2.1.3. Расходимость пучка 59
2.1.4. Длительность лазерного импульса 61
2.2.Требования к функциональным характеристикам лазерного комплекса для испытаний ИПЭ на стойкость к воздействию ТЗЧ 62
2.2.1. Методики лазерного облучения 63
2.2.2. Измерение порога ОРЭ 67
2.2.3. Измерение сечения ОРЭ 68
2.3.Состав лазерного испытательного комплекса и требования к его модулям 70
Глава 3. Технические средства проведения лазерных испытаний ИПЭ на стойкость к воздействию ТЗЧ 76
3.1. Импульсные лазерные установки с фокусировкой излучения первого поколения для наблюдения сбоев и отказов ИС 76
3.2.Типовая структура лазерного испытательного комплекса второго поколения 86
3.3.Основные модули лазерного тестового комплекса второго поколения, их техническая реализация и параметры 87
3.3.1. Лазерный источник пикосекундных импульсов 87
3.3.2. Система фокусировки и визуализации 91
3.3.3. Система ослабления энергии лазерных импульсов 95
3.3.4. Система позиционирования и закрепления исследуемого объекта 97
3.3.5. Система управления и функционального контроля 100
Глава 4. Результаты экспериментальной апробации лазерных комплексов ПИКО–3 и ПИКО–4 101
4.1.Основные технико-эксплуатационные характеристики лазерных испытательных комплексов ПИКО-3 и ПИКО-4 101
4.2.Методика измерения основных параметров технических средств лазерных испытаний и их периодической аттестации 103
4.3.Экспериментальная проверка функциональных возможностей разработанных лазерных комплексов 104
4.3.1. Локализация чувствительных элементов 104
4.3.2. Воспроизводимость ОРЭ 111
4.4.Методика коррекции результатов лазерных испытаний по калибровочным измерениям на источниках ионов 114
4.5.Результаты сравнительных испытаний на стойкость к воздействию ТЗЧ 121
4.5.1. Примеры результатов испытаний 122
Заключение 129
Приложение 1. О влиянии длительности и диапазона изменения энергии импульса лазерного возбуждения на оценки параметров стойкости ИС 131
Приложение 2. Результаты расчета погрешности коэффициента пропускания плавного ослабителя и методика его настройки 135
Приложение 3. Методика аттестации лазерного испытательного комплекса ПИКО-3 138
Список использованных источников 150
- Особенности генерации носителей заряда при воздействии сфокусированного лазерного излучения на полупроводники
- Размер пятна фокусировки
- Импульсные лазерные установки с фокусировкой излучения первого поколения для наблюдения сбоев и отказов ИС
- Локализация чувствительных элементов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что ТЗЧ, являясь неотъемлемой частью ионизирующего излучения, в последние годы привлекают к себе повышенное внимание специалистов, занимающихся проблемами радиационной стойкости ИПЭ, используемых в устройствах ВТ и СУ, предназначенных для космических применений и эксплуатируемых как в аппаратуре наземного базирования, так и непосредственно в околоземном КП.
Долгое время космические аппараты отличались высочайшей степенью качества и надежности работы бортовых систем в условиях воздействия различных факторов КП. В последние несколько лет участились случаи нештатного функционирования электронной бортовой аппаратуры, анализ которых привел к выводам, что подобное поведение в основном обусловлено эффектами воздействия ТЗЧ, которые стали проявляться в ИПЭ, выполненных по субмикронным и меньшим проектным нормам. Поэтому задача оценки уровней и обеспечения радиационной стойкости электронных компонент, особенно микросхем повышенной степени интеграции, предназначенных для эксплуатации в условиях КП, сегодня особенно актуальна.
Классическим средством для оценки стойкости отдельных элементов и модулей электронных устройств ВТ и СУ к воздействию ТЗЧ КП являются ускорители ионов и протонов. Однако количество изделий, для которых необходимы комплексные испытания, выросло настолько, что имеющихся мощностей ускорителей ионов и протонов уже недостаточно для удовлетворения возрастающих потребностей в проведении соответствующих измерений в силу их трудоемкости, растянутости по срокам и высокой стоимости. К тому же, при отработке технических решений по повышению устойчивости к сбоям и отказам электронной аппаратуры космических аппаратов источники ионов оказывались малоэффективными, а в ряде случаев и неприменимыми.
Имевшийся к началу работы над диссертацией научно-технический задел и накопленный практический опыт использования лазерных ультракоротких импульсов для моделирования эффектов в ИС, возникающих при пролете ТЗЧ, позволил автору рассматривать специализированные лазерные стенды как мощное самостоятельное техническое средство оценки радиационной стойкости ИПЭ, способное взять на себя
значительную часть нагрузки по испытаниям. При этом наиболее эффективным представляется применение лазерных установок совместно с ускорителями ионов, используемых для калибровочных измерений, необходимых для получения количественных оценок параметров радиационной стойкости ИС по результатам лазерных испытаний. Такой комплексный подход может снять ряд ограничений, характерных для испытаний на короткопробежных ионах, таких как невозможность обеспечить исследование ИС, покрытых защитными компаундами, или ИС с перевернутым кристаллом (выполненных по технологии Flip-Chip). Более того, методы, основанные на применении сфокусированного лазерного излучения (ЛИ) пикосекундной длительности, благодаря высокому пространственному и временному разрешению, позволяют получить принципиально новые возможности:
локализовать чувствительные элементы с микронной точностью;
изучать динамическую чувствительность к воздействию ТЗЧ в различных режимах работы ИС;
многократно воспроизводить локальную ионизацию в объеме полупроводника в заранее определённых чувствительных областях ИС конкретного типа, не вызывая при этом остаточных повреждений ИС.
Для современных испытательных аппаратно-технических комплексов, как и для другой техники специального назначения, характерен принцип модульности. В основу проектирования большинства таких модулей целесообразно закладывать основной принцип: перенос функциональной нагрузки с механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерно-информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новые задачи и сегодня относительно недороги по сравнению с компонентами точной механики.
Таким образом, разработка и создание современных средств проведения лазерных испытаний на базе самостоятельных модулей с параметрами, отвечающими требованиям современного уровня развития отечественной и зарубежной ЭКБ, представляет собой актуальную задачу.
Состояние исследований по проблеме
Анализ зарубежных публикаций последних двадцати лет свидетельствует о постоянном развитии существующих и появлении новых технических средств проведения испытаний, а также о признании эффективности лазерных методов испытаний на стойкость к ТЗЧ. Подробный обзор последних достижений в этой области опубликован в 2013 году в работе S. Buchner, F. Miller, V. Pouget и D. McMorrow. Принципиальная возможность применения облучения ультракороткими лазерными импульсами для имитации эффектов от воздействия ТЗЧ на ИПЭ была показана в работах д.т.н. А.И. Чумакова, д.т.н. А.Ю. Никифорова, к.т.н. А.Н. Егорова, к.т.н. А.А. Печенкина, к.т.н. А.В. Яненко.
За время работы над решением задач, положенных в основу диссертации, начиная с 1994 г., были разработаны лазерные установки первого поколения, опыт про-
должительной эксплуатации которых позволил выявить их основные недостатки и определить пути дальнейшего совершенствования аппаратуры, предназначенной для исследования стойкости ИС к воздействию ТЗЧ с помощью импульсного ЛИ. Стало ясно, что наиболее адекватно моделировать воздействие ТЗЧ на ИС удается при использовании сфокусированного ЛИ пикосекундной длительности. Исследования в области взаимодействия ЛИ с полупроводниковыми материалами и приборами на их основе, выполненные на существующих лабораторных установках, показали возможность и положили начало их использованию для проведения испытаний ИС на радиационную стойкость. Однако результаты, получаемые лазерными методами, долгое время рассматривались как весьма полезные, но лишь дополнительные данные к результатам научно-исследовательских работ. Причиной этому была проблема правильного сопоставления энергии ЛИ с линейными потерями энергии (ЛПЭ) ионов. Разработка методик коррекции результатов лазерных испытаний по калибровочным измерениям на ускорителях и постоянное совершенствование методик самого лазерного импульсного облучения позволяет в настоящее время утверждать, что, в силу упомянутых выше преимуществ, лазерное тестирование становится одним из основных методов прогнозирования возникновения одиночных радиационных эффектов (ОРЭ) в ИПЭ. Поэтому задача совершенствования технических средств лазерных испытаний и оптимизации применяемых методик стала рассматриваться как путь к обеспечению заданных требований по радиационной стойкости ИПЭ, используемых в космическом приборостроении.
Целью диссертации является разработка и создание технических и методических средств проведения испытаний ИПЭ, применяемых в ВТ и СУ космических аппаратов, на стойкость к воздействию ТЗЧ на основе лазерных установок ультракороткой длительности со сфокусированным излучением.
Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:
обоснование возможности применения импульсов сфокусированного ЛИ ультракороткой длительности для экспериментального моделирования ОРЭ в ИПЭ и формирование требований к характеристикам импульсов ЛИ;
научно-техническое обоснование состава и разработка базовой модульной схемы лазерного испытательного стенда для исследования стойкости ИС к воздействию ТЗЧ по ОРЭ на основе анализа существующих зарубежных и отечественных технических средств;
разработка и создание лазерных испытательных комплексов, включающих в свой состав источники пикосекундных лазерных импульсов с фиксированными длинами волн и перестраиваемой длиной волны, системы фокусировки и позиционирования объекта, систему управления параметрами лазерных импульсов;
разработка научно-методических средств по измерению параметров и аттестации лазерных испытательных комплексов;
разработка научно-методического обеспечения по проведению эксперимен-
тальных исследований и испытаний ИПЭ на лазерных испытательных установках;
- апробация работы созданных лазерных комплексов при проведении реальных
испытаний и экспериментальных исследований ИПЭ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
обоснованы требования к характеристикам ЛИ для исследования ИПЭ с различными технологическими решениями;
предложена оригинальная базовая модульная схема лазерного испытательного стенда для исследования стойкости ИС к воздействию ТЗЧ по ОРЭ, позволяющая ре-ализовывать установки для испытаний различных типов ИПЭ;
разработана базовая методика оценки параметров чувствительности ИС к эффектам воздействия ТЗЧ с помощью сфокусированного ЛИ;
обоснован выбор метода пассивной синхронизации мод для получения пикосе-кундных импульсов с высокой временной, пространственной и энергетической стабильностью до 1%;
разработана математическая модель распространения ЛИ в многослойной микроэлектронной структуре с учетом наличия диэлектрических слоев различной толщины при облучении ИС со стороны активного слоя и влияния толщины подложки при облучении со стороны подложки, на основании которой разработана методика расчета корректирующего сдвига плоскости фокусировки относительно поверхности объекта.
Практическая значимость работы:
-
Разработаны при участии автора новые технические средства (РАДОН-9Ф, ПИКО-2, ПИКО-3, ПИКО-4), которые внедрены в практику радиационных испытаний ИПЭ на стойкость к воздействию ТЗЧ. На экспериментальные комплексы ПИКО получены патенты на полезную модель: ПИКО-3 – №110488 и ПИКО-4 – №168496, зарегистрированные в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 20.11.2011 г. и 06.02.2017 г., соответственно.
-
Разработаны при участии автора методики аттестации пикосекундных лазерных испытательных комплексов ПИКО-3 и ПИКО-4, которые используются при первичной и периодической аттестации лазерных экспериментальных комплексов.
-
Проведены сравнительные экспериментальные исследования ряда ИПЭ на оригинальных лазерных комплексах и ускорителях ионов, которые показывают хорошую корреляцию полученных параметров радиационной стойкости.
-
Результаты диссертации вошли в отчетные материалы по НИР и составным частям ОКР («Остров», «Контроль-РД», «Информация-РС», «Микро-Д», «РАД-ИКВ» и др), выполненных в интересах Минобороны РФ, Минпромторга РФ, Росатома, предприятий Роскосмоса и оборонного комплекса. На лазерных комплексах РАДОН-9Ф, ПИКО-3 и ПИКО-4 проведены испытания более 200 различных типов микросхем.
-
Изложенные в диссертации результаты легли в основу нормативного документа РД В 319.03.24 «Методы испытаний и оценки стойкости больших и сверхбольших
интегральных схем к одиночным сбоям от воздействия отдельных высокоэнергетич-ных тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства».
Положения, выносимые на защиту:
-
Требования к параметрам импульсов ЛИ для моделирования ОРЭ в ИПЭ.
-
Требования к составу и основным параметрам модулей лазерного испытательного оборудования для оценки стойкости ИС к воздействию ТЗЧ по ОРЭ, позволяющие реализовывать установки, адаптируемые для испытаний различных ИПЭ.
-
Оригинальные лазерные экспериментальные установки (Радон-9Ф, Пико-3 и Пико-4) для проведения экспериментальных исследований и испытаний ИПЭ на чувствительность к воздействию ТЗЧ.
-
Базовая методика для оценки параметров чувствительности ИС к эффектам от воздействия ТЗЧ с помощью сфокусированного ЛИ.
-
Математическая модель распространения ЛИ в многослойной микроэлектронной структуре для коррекции условий фокусировки на исследуемом объекте с учетом наличия диэлектрических слоев различной толщины при облучении ИС со стороны активного слоя и влияния толщины подложки при облучении со стороны подложки.
-
Средства проведения испытаний ИС на основе лазерных комплексов ПИКО-3 и ПИКО-4.
-
Методики аттестации пикосекундных лазерных испытательных комплексов.
Достоверность научных результатов обеспечивается физической обоснованностью выбора методик решения поставленных задач, использованием многократно апробированных методов анализа и обработки результатов экспериментальных исследований и их сравнением с теоретическими и экспериментальными результатами других авторов.
Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на российских и международных конференциях, семинарах и выставках: Всероссийская научно-техническая конференция по радиационной стойкости электронных систем – «Стойкость» (г. Лыткарино, Россия, 2007-2009 и 2013-2014 гг.); The Conference on Radiation Effects on Components and Systems – RADECS (Biarritz, France, 2012; Moscow, Russia, 2015); Thematic Workshop on Laser Testing of Radiation Effects – RADLAS (Paris, France, 2011, 2013; Montpellier, France, 2017); IEEE Radiation Effects Data Workshop – REDW (Oxford, UK, 2013); Всероссийская конференция по проблемам разработки перспективных микро - и наноэлектронных систем – «МЭС» (Московская обл., Россия, 2012 и 2014 гг.); Научные сессии НИЯУ МИФИ (г. Москва, Россия, ежегодно с 2001по 2012 г.); The International Conference and Industrial Exhibition on Nuclear and Space Radiation Effects – NSREC (Paris, France, 2014); Industrial Laser,
Laser Source, and Application Conference SPIE-LASE (San-Francisco, USA, 2015, 2018); IV международная конференция «Фотоника и информационная оптика» (Москва, Россия, 2014-2018).
Публикации: Основные положения диссертационной работы изложены в 19 печатных работах, в том числе 15 – в изданиях, индексируемых в Scopus и/или Web of Science и 4 – в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 159 страницы, в том числе 55 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 78 наименований и состоит из списка использованных сокращений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы, и трех приложений.
Особенности генерации носителей заряда при воздействии сфокусированного лазерного излучения на полупроводники
Уравнение (9) описывает изменение интенсивности света по мере прохождения среды. В уравнении оставлены только члены вплоть до второго порядка, члены более высокого порядка малости опущены, а зависимость от времени не рассматривается.
Первый член этого уравнения описывает внутризонное возбуждение электрона за счет поглощения отдельного фотона и зависит от линейного коэффициента поглощения (), который определяется длиной волны. Этот процесс, называемый однофотонным поглощением (ОФП), возможен, если фотоны имеют энергию, большую ширины запрещенной зоны материала (1,12 эВ для кремния). Поэтому можно утверждать, что однофотонные процессы наблюдаются в кремнии, если длина волны короче 1108 нм.
Второй член в (9) описывает ионизацию за счет двухфотонного поглощения (ДФП). Так как коэффициент 2() достаточно мал (2() = 1,5 см/ГВт при длине волны =1260 нм), его вклад обычно заметен только при небольших () и высоких I(z). Чтобы ДФП было доминирующим, энергия фотона должна быть меньше ширины запрещенной зоны Eg вещества и больше, чем ее половина. Высокие значения интенсивности I(z) достигаются острой фокусировкой и использованием сверхкоротких лазерных импульсов.
Третий член в (9) описывает внутризонное возбуждение за счет поглощения на свободных носителях (ПСН), то есть процесс, в котором I(z) уменьшается, не приводя к генерации дополнительных носителей заряда. Поскольку ПСН не приводит к появлению дополнительных носителей заряда, то соответствующий член уравнения (9) не будет давать вклад в одиночные радиационные эффекты. Однако это слагаемое вносит вклад в изменение линейного и нелинейного поглощения и рефракции, и может оказать существенное влияние на распространение лазерного импульса и процессы генерации носителей при лазерном тестировании.
Уравнение (10) описывает изменение фазы, обусловленное нелинейным изменением показателя преломления благодаря оптическому эффекту Керра, а также ПСН. При этом оптический эффект Керра приводит к положительной нелинейности, в то время как ПСН порождает отрицательную нелинейность. Знак фазы Ф(z, r, t) определяет, будет ли оптический импульс испытывать самофокусировку или дефокусировку.
Уравнение (11) описывает процесс генерации носителей. Первый его член отвечает за однофотонное поглощение, а второй – за ДФП. Одиночные радиационные эффекты являются следствием генерации неравновесных носителей в материале. Уравнение (11) дает приближение первого порядка, полезное в качестве отправной точки при анализе механизмов развития одиночных эффектов. Однако при возбуждении светом с энергией меньше ширины запрещенной зоны, нелинейный показатель преломления 1 может значительно повлиять на расходимость пучка, поэтому для полного описания процесса генерации заряда в полупроводниковых материалах все три уравнения (9, 10, 11) должны решаться совместно.
Выше (Рисунок 5) для сравнения представлены результаты приближенных расчетов профилей распределений плотности заряда при однофотонном поглощении излучения с =800 нм и при ДФП при длине волны =1270 нм [15]. Видно, что распределение заряда при однофотонном поглощении максимально на поверхности и уменьшается с глубиной проникновения в материал, в то время как максимум распределения заряда для ДФП расположен в фокусе пучка, на 20 мкм ниже поверхности кремния. Эту глубину можно подстраивать, изменяя расстояние между фокусирующим объективом и облучаемой средой. Влияние параметров микрообъектива микроскопа будет обсуждаться в последующих главах. Рассмотрим более подробно особенности генерации избыточного заряда в случаях преобладания ОФП или ДФП.
На графике выше (Рисунок 6) приведен спектр поглощения чистого нелегированного кремния как функция от длины волны при комнатной температуре [16]. При облучении квантами света с энергией больше ширины запрещенной зоны и при достаточно малых интенсивностях, первый член в правой части (9) преобладает, а вторым членом можно пренебречь. Эти рассуждения приводят к хорошо известному закону БэраКак было отмечено выше, наличие пассивирующего слоя может изменять расходимость пучка. Очевидно, что при увеличении расходимости пучка изменится и эффективная глубина генерации избыточного заряда. Кроме того, на количество заряда, сгенерированного на заданной глубине, может значительно повлиять отражение на границах воздух/SiO2 и SiO2/Si, а также на слоях металлизации при облучении со стороны подложки [8]. При использовании малых значений I0, когда вклад нелинейных эффектов незначителен, т.е. в условиях преобладания однофотонного поглощения, эти эффекты необходимо учитывать.Из уравнения (14) видно, что при низкой интенсивности свет проходит сквозь кремний с минимальными потерями и I(z) = I0. Однако, если I0 увеличиваетcя за счет фокусировки импульсного ЛИ в пятно малого размера, при использовании очень коротких импульсов (порядка 100 фс), знаменатель (14) становится настолько большим, что I(z) будет ослабляться за счет ДФП: то есть одновременного поглощения двух фотонов для создания одной электронно-дырочной пары. При рассмотрении ДФП как еще одного метода для изучения ОРЭ, следует учитывать две особенности, которые делают этот метод весьма перспективным:
Отсутствие экспоненциального ослабления оптического импульса упрощает инжекцию носителей на любую глубину ИС, избегая влияния металлизации путем облучения со стороны подложки.
Квадратичная зависимость генерации носителей от лазерной интенсивности, ограничивающая в продольном направлении область генерации заряда областью максимальной интенсивности, делает возможным локальную инжекцию заряда на заданной глубине в материале.
Размер пятна фокусировки
Как было отмечено в разделе 1.2, пространственно-временное распределение избыточных электронно-дырочных пар, сгенерированных в объеме полупроводникового элемента в результате ионизации при пролете ТЗЧ и при воздействии импульсом сфокусированного ЛИ, принципиально отличаются.
ТЗЧ генерирует носители вдоль прямолинейного направления пролета в виде цилиндрического трека, радиус которого определяется пробегами вторичных (дельта) электронов. Скорость генерации носителей вдоль трека ядерной частицы приближенно можно описать с помощью следующего соотношения [11].
Наиболее сложно добиться адекватности по моделированию радиальных размеров трека ядерной частицы лазерным пучком. Достижимый предел диаметра пятна фокусировки d = 2wb ЛИ с длиной волны X, получаемый с помощью объектива с фокусным расстоянием/при эффективном диаметре заполнения его выходной апертуры d, превышает теоретический «дифракционный предел» фокусировки Гауссова пучка, задаваемый формулой (8) в разделе 1.2.1.
Даже при оптимальном выборе и согласовании параметров объектива и исходного пучка, размер минимального пятна на практике обычно в 1,5-2 раза превышает длину волны и для = 1,064 мкм составляет величину порядка 2 мкм.
Если непосредственно сравнить начальные пространственные распределения избыточного заряда по глубине объемного кремния при пролете, например, иона Fe с энергией 275 МэВ и линейными потерями энергии 24 МэВ.см2/мг и при воздействии импульсом ЛИ с длиной волны 800 нм и энергией 8 пДж, то они, естественно, будут сильно отличаться, что наглядно демонстрирует Рисунок 9 [48].
Таким образом, задача по адекватному лазерному моделированию ионизационной реакции в полупроводниковой структуре будет сводиться к тому, чтобы в момент формирования ионизационной реакции распределение генерированных пролетом ТЗЧ и импульсом ЛИ носителей заряда были бы близкими.
Более того, даже при наличии расхождений в пространственном распределении генерированных зарядов наблюдается практически совпадающая электрическая реакция отдельного элемента ИС, если в пределах площади чувствительной области ионизационные потери ТЗЧ и доля (попавшая в эту область) энергии лазерного импульса приводят к генерации одинакового количества носителей заряда [12]. Такое поведение, в частности, может иметь место в субмикронных ИС, для которых пятно сфокусированного ЛИ будет заведомо больше площади чувствительного элемента1, а энергия излучения, попавшего в этот элемент, превысит порог возникновения ОРЭ. Поэтому в данном случае при установлении связи между энергией импульса ЛИ и эквивалентным значением ЛПЭ ТЗЧ необходимо ввести дополнительный коэффициент коррекции, учитывающий соотношение площади чувствительной области и площади пятна сфокусированного ЛИ. В случае однотипных (библиотечных) элементов СБИС это соотношение практически будет постоянным для всех внутренних элементов. Таким образом, даже при наличии расхождений в пространственном распределении генерированных носителей заряда будет иметь место адекватность в электрических откликах ИС, даже при временах менее 100 пс. Важно при этом, чтобы длительность импульса ЛИ также была не больше времени ионизационного отклика отдельного элемента.
Итак, для элементов с типовым временем ионизационного отклика более 100 пс может быть достигнута адекватность в пространственном распределении генерированных ТЗЧ и ЛИ электронно-дырочных пар внутри чувствительного элемента. Как правило, это реализуется практически для всех эффектов отказов, «иголкам» в аналоговых ИС и для эффектов сбоев в ИС с проектными нормами не менее 0,5 мкм.
В противном случае, когда время ионизационного отклика элементов ИС значительно меньше 100 пс, необходимо учитывать, что только часть излучения например, площади стока полевого транзистора, если наблюдаемый эффект – ОС попадает в чувствительную область и вводить более жесткие ограничения на длительность импульса ЛИ.
Учет влияния размера пятна (ВРП) ЛИ для СБИС с различными проектными нормами требует введения в формулы, отражающие взаимосвязь энергии лазерного импульса и эквивалентного значения ЛПЭ иона, дополнительного множителя KВПР – коэффициента влияния размера пятна, определяющего долю энергии лазерного импульса, попавшей в чувствительную область
Импульсные лазерные установки с фокусировкой излучения первого поколения для наблюдения сбоев и отказов ИС
Одни из первых в России экспериментов по обоснованию применимости импульсного сфокусированного ЛИ для оценки стойкости ИС к ОРЭ были успешно проведены в 1986 году в МИФИ на установке ПИКО-1, на базе уникального для того времени пикосекундного лазера, разработанного и собранного автором. Этот лабораторный лазерный источник (Рисунок 27) имел активный элемент из фосфатного неодимового стекла и работал в режиме пассивной синхронизации мод. Целесообразность применения пикосекундных твердотельных лазеров с пассивной синхронизацией мод резонатора в испытаниях ИС в лабораторных условиях была позднее (в 2002 г) экспериментально подтверждена на более совершенной установке ПИКО-2.Главным недостатком этой установки являлась большая (более 50%) нестабильность энергии импульса, обусловленная статистической природой механизма пассивной синхронизации мод, используемого в данном лазере. Это сильно затрудняло определение пороговой энергии возникновения эффектов, так как микросхемы нередко выходили из строя раньше, чем удавалось набрать необходимую статистику. После проведения оптимизации режима работы лазера (обеспечения двухпорогового режима) была достигнута более высокая воспроизводимость параметров выходного излучения лазера – флуктуации энергии одиночного импульса были снижены до 15%, что, к сожалению, по-прежнему не обеспечивало необходимую точность задания энергии для проведения полноценных испытаний ИС.
Фокусировка на объекте осуществлялась с помощью системы оптической коллимационной (СОК-2) в пятно с минимальным диаметром порядка 100 мкм, а выбор точки на объекте – по лучу вспомогательного He-Ne лазера, совмещенного с основным пучком. Такое пространственное разрешение было явно недостаточным даже при исследовании микросхем памяти, выполненных по 5-ти микронной технологии. При всем несовершенстве установки удавалось получать одиночные и многократные сбои, регистрировать ТЭ и «Иголки». Где именно имел место ОС, узнавали тогда с помощью первых программ функционального контроля, сравнивая записанную в ИС и считанную из нее информацию после лазерного воздействия.
Отмеченные недостатки удалось частично устранить в первом автоматизированном комплексе для анализа сбоев и отказов ИПЭ с помощью сфокусированного ЛИ РАДОН-9Ф, разработанном при участии автора и запущенном в эксплуатацию в 2003 г. (Рисунок 28).
Стремление к созданию малогабаритного настольного прибора для проведения испытаний привело к замене громоздкого пикосекундного лазера на портативный источник лазерных импульсов с длительностью 10 нс и с энергией импульса до 15 мДж.
К этому моменту в работах А.И. Чумакова было показано, что в ряде физически обоснованных случаев помимо импульсов ультракороткой длительности может успешно использоваться ЛИ наносекундной длительности [12] (подробнее об этом см. раздел 3.3.1 ниже). В первоначальной конструкции использовался малогабаритный Nd:YAG лазер с модуляцией добротности, работавший с частотой повторения до 5 Гц в многомодовом режиме. Базовым элементом конструкции являлся промышленный микроскоп БИОЛАМ-И, который использовался не только для острой фокусировки на объекте, но и для размещения всех остальных частей оптической схемы (Рисунок 29).Помимо лазерного излучателя и системы фокусировки, в конструкцию вошли: блоки ступенчатого и плавного ослабления энергии ЛИ, блок преобразования длины волны во вторую гармонику, система визуализации и наблюдения с использованием видеокамеры, система функционального контроля испытуемой ИС с возможностью исследования импульсной реакции ИС в цепи.Управление и контроль энергетических параметров лазерного воздействия, визуальное наблюдение исследуемой ИС и все процедуры функционального контроля впервые осуществлялись с помощью персонального компьютера. Для ослабления и контроля энергии ЛИ была предложена оригинальная схема (см. Рисунок 31).В качестве элементов, ослабляющих ЛИ, используются пять наборов нейтральных стеклянных светофильтров с коэффициентами ослабления близкими к 10, 102, 103, 104 и 105. Фильтры установлены во вращающийся вокруг вертикальной оси барабан таким образом, чтобы суммарное ослабление пары противоположных фильтров было постоянным и равным 105 (в качестве пары для фильтра 105 используется сквозное отверстие). Барабан имеет шесть возможных рабочих положений, задаваемых пружинным фиксатором и контролируемых также с помощью миниатюрных герконовых контактов, подключенных к компьютеру через специальный интерфейс. Пара установленных светофильтров однозначно идентифицируется по замыканию одного из этих контактов, и отображается зажиганием одного из шести светодиодов на передней панели контроллера.
В центре барабана устанавливается тонкое двухволновое зеркало (M), используемое для поворота и совмещения горизонтального лазерного луча с вертикальной оптической осью системы фокусировки ЛИ на исследуемом образце. За поворотным зеркалом по направлению исходного лазерного луча располагается фотоприемник (кремниевый фотодиод) блока ослабления, на который падает малая часть излучения, прошедшая сквозь зеркало. Такая конструкция обеспечивает возможность, поворачивая барабан, ступенчато (с кратностью 10) изменять энергию ЛИ, направляемого на исследуемый объект, в то же время оставляя приблизительно постоянной долю энергии, попадающую на измеритель энергии, что позволяет резко снизить требования к его динамическому диапазону.
Для плавного ослабления энергии излучения используется зависимость пропускания поляризатором линейно поляризованного света от угла между плоскостями поляризации световой волны и поляризатора. Конструктивно ослабитель выполнен в виде двух одинаковых поляризационных призм в цилиндрических оправах, установленных соосно в единый корпус с приводом вращения на основе шагового двигателя.
В качестве поляризационных призм использованы лазерностойкие призмы Глана с двухчастотным просветлением на обеих рабочих поверхностях. Первая по ходу лазерного луча призма с помощью шагового привода может поворачиваться в пределах 0 90 вокруг своей оси, а вторая фиксируется коаксиально с лазерным лучом в положении, задающем поляризацию излучения на выходе из ослабителя. Регулировка коэффициента пропускания осуществляется поворотом держателя первой призмы на угол, задаваемый программой управления через микропроцессорный контроллер шагового двигателя.
Образец ИС закреплялся на стандартном препаратном столике микроскопа с ручным микрометрическим перемещением в двух направлениях с точностью 0,01 мм.
Первый же опыт работы с этой установкой показал удобство фокусировки ЛИ на объекте путем приближения предметного столика к микрообъективу до достижения максимальной резкости изображения. Была разработана специальная процедура по совмещению плоскости фокусировки с фокальной плоскостью системы наблюдения в процессе первоначальной настройки. Применение микрообъектива кратностью 21х теперь позволяло получать пятно фокусировки диаметром 5-6 мкм.
Однако частичная автоматизация измерительных процессов оказалась недостаточной, не избавила от низкой точности позиционирования объекта с помощью ручного перемещения. После каждого перемещения из-за вибраций приходилось заново подстраивать фокусировку, основываясь на визуальном восприятии, что неизбежно вносило элемент невоспроизводимости условий фокусировки благодаря человеческому фактору. Весьма затруднительной также оказалась работа с микрообъективом, свободное расстояние которого составляло 0,4 мм. Осталась не решенной до конца и проблема нестабильности энергии лазерных импульсов. Она составляла теперь величину менее 10%. Контроль энергии каждого импульса улучшил ситуацию с определением порогов, число ИС, вышедших из строя в ходе испытаний, снизилось, однако точность определения порогов эффектов по-прежнему оставалась недостаточной, что связано также с нестабильностью пространственного распределения излучения многомодового лазера от выстрела к выстрелу.
Локализация чувствительных элементов
Как отмечено в разделе 1.2.3, отличительной особенностью лазерных испытаний является потенциальная возможность локализации мест возникновения ОРЭ с точностью до долей микрона. В разработанных комплексах имеются все необходимые аппаратные модули и специализированное программное обеспечение для обнаружения и локализации чувствительных к ОРЭ областей.
В ходе работы над диссертацией апробация этих реализованных возможностей проводилась на созданных испытательных комплексах Пико-3 и Пико-4. При выполнении эксперимента координаты точек возникновения ОРЭ наносятся на известную топологическую карту или снимок структуры ИС.
Полученные карты позволяют не только локализовать чувствительные области, но и непосредственно дают возможность при каждом значении энергии рассчитать сечения, по которым далее строится график зависимости сечения ИО (SET) от энергии ЛИ J. Рисунок 43 демонстрирует пример результатов последовательных сканирований (с шагом 5 мкм) кристалла КМОП ИС 5584ЛА3У с изменением энергии импульса (от сканирования к сканированию) от величины, при которой количество ОРЭ уже практически не растет (насыщается), до энергии, при которой ИО не наблюдается. Для каждой энергии строятся карты ИО. Контролируется уровень выходного напряжения логического “0”. “Иголки” регистрировались по положительному фронту с порогом 0,1 В.
“Припороговая” карта, полученная при минимальной энергии (0,2 нДж), вызывающей эффект, позволила локализовать область расположения самых чувствительных элементов данной ИС (Рисунок 44). При дальнейшем уменьшении энергии все красные точки, отображающие координаты центров лазерных пятен облучения, где возникает ОРЭ, исчезают. Для наглядности наиболее чувствительная область выделена на рисунке белым кружком.
Рисунок 44 –“Припороговая” карта ИО для КМОП ИС 5584ЛА3У (проектные нормы 2мкм). Кружком выделена область наибольшей чувствительности.
Следует отметить, что для ИС 5584ЛА3У, выполненной по проектным нормам 2 мкм, сравнимым с размером пятна фокусировки, и незначительной степенью экранирования слоями металлизации, описанная выше процедура локализации чувствительных областей не представляет большой сложности и дает весьма воспроизводимые результаты на образцах ИС одной и той же партии.
В ходе работы над диссертацией автором были также получены экспериментальные результаты, подтверждающие возможность локализации чувствительных к воздействию ТЗЧ областей в ИС с размерами отдельных топологических элементов заметно меньшими диаметра сфокусированного лазерного пучка.
Как было показано в главе 1, из всех возможных типов ОРЭ, описанных в разделе 12, ОС характеризуются наименьшими размерами области собирания заряда. Поэтому для оценки пространственного разрешения тестовых комплексов в плане определения размеров уверенно регистрируемых чувствительных областей были проведены исследования тестовых структур памяти ОЗУ, разработанных АО «ПКК Миландр» и изготовленных по КМОП технологии с проектными нормами 0,18 мкм (фабрика XFAB, Германия) и имеющих шесть слоев металлизации. Измерения проводились на образцах структур, запитанных от стабилизированного источника напряжения UП = 1,8 В.
Результаты сканирования с шагом 1 мкм на лазерном испытательном комплексе ПИКО–3 импульсами длительностью 70 пс при длине волны излучения 1064 нм и облучении со стороны подложки толщиной 300 мкм сфокусированным лазерным пучком диаметром 2,5 мкм приведены ниже (Таблица 10).
На карте хорошо просматривается «шахматная» периодичность порядка 5 мкм. Явно выделенные группы из «слипшихся» 4 6 красных «точек чувствительности», по площади соответствуют двум стокам транзисторов 6-ти транзисторной ячейки памяти. Сопоставляя данный размер с топологическим размером ячейки памяти 4,14 мкм 4,56 мкм, приходим к выводу, что созданный комплекс позволяет обнаружить одиночные сбои в отдельной ячейке памяти и даже локализовать чувствительную область 2 мкм 2 мкм внутри ячейки. При этом размеры отчетливо разрешаемых чувствительных областей практически совпадают с эффективным диаметром пятна в фокальной плоскости (порядка 2,5 мкм для данного примера).
Сравнительный эксперимент с такими же параметрами фокусировки и сканирования со стороны подложки, проведенный со структурами памяти ОЗУ, выполненными по КМОП технологии 65 нм, дал карты ОС в виде сплошных неструктурированных «красных» областей, существенно превышающих размеры отдельной ячейки.
Отличительной особенностью экспериментальных исследований на лазерных установках является возможность не только точного задания места воздействия сфокусированным ЛИ, но и возможность синхронизации импульсов ЛИ с временной диаграммой работы изучаемого электронного узла. Автором в ходе экспериментальных исследований при работе над диссертацией была продемонстрирована возможность наблюдения динамических изменений чувствительности ИС к ОС при смене режима работы и/или условий эксплуатации.
В первом примере объектом являлась БИС 8-разрядного микроконтроллера 1886ВЕ10 с тактовой частотой до 50 МГц. Микросхема содержит аппаратный умножитель 8х8, встроенное ОЗУ программ объемом 8Кx16 бит, ОЗУ объемом 902 байта, таймеры-счетчики, блоки интерфейсов UART и SPI. Микросхемы разработаны ЗАО «ПКК Миландр», изготовлены по КМОП технологии с проектными нормами 0,18 мкм.
Ниже (Рисунок 46) приведен график зависимости сечения функционального сбоя от ЛПЭ при различных значениях ряда параметров: рабочей частоты (частоты подаваемых тактовых импульсов), напряжения питания, типа программы и температуры. Под функциональным сбоем (ФС) понимается одиночный сбой в регистрах управления микроконтроллера (МК), приводящий к нарушению работы управляющей программы МК.
Как видно из графика основное влияние на сечение ФС оказывает тип исполняемой МК программы. Основная микропрограмма, охватывает все функциональные блоки и весь объем ресурсов МК. Сокращенная микропрограмма, тестирует только основные функциональные блоки. В первом случае сечение ФС больше, т.к. объем охватываемых ресурсов более полный, и, таким образом, все регистровые структуры МК, воздействие на которые может приводить к ФС, тестируются. На сечение ФС также некоторое влияние оказывает рабочая частота микросхемы. Это сильнее проявляется при сравнении частот 50 МГц и 5 МГц. Отличие сечений ФС на частотах 50 и 10 МГц практически отсутствует. Следует также отметить что эффект влияния частоты сказывается лишь при полном функциональном контроле.
Во втором примере объектом являлась система на кристалле сигнального МК мини-конфигурации с плавающей и фиксированной точкой 1892ВМ17Ф. Данная ИС содержит: 32-разрядный центральный процессор (CPU - ядро RISCore32 с архитектурой MIPS32), высокопроизводительный процессор-акселератор для цифровой обработки сигналов, DSP (digital signal processor) - программируемое ядро с 2SIMD архитектурой с плавающей/фиксированной точкой ELcore-26, порт внешней памяти, двухпортовую оперативную память центрального процессора, двухпортовую оперативную память DSP-ядра, кэш-память команд/данных центрального процессора, а также набор блоков интерфейсов ввода/вывода, Микросхемы изготовлены по технологии КМОП 0,18 мкм.