Сравнительный анализ испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц на лазерных имитаторах и ускорителях ионов

воспроизводимости показателей РС. Внедрение Базовой технологии позволило более чем на порядок сократить время испытаний и энергопотребление при увеличении достоверности результатов, существенно увеличить количество выборок испытательной информации без увеличения затрат; повысить производительность труда за счет автоматизации процесса испытаний ЭКБ и размещения испытательного оборудования непосредственно на рабочих местах; обеспечить высокую санитарную и экологическую безопасность.

Базовая технология прогнозирования,

оценки и контроля радиационной стойкости ЭКБ для ССТиС продолжает интенсивно развиваться, что, безусловно, отражает данный тематический выпуск журнала, сформированный по результатам исследований ученых и специалистов научно-образовательного центра (НОЦ) «Стойкость», объединяющего в рамках инновационного сотрудничества и частно-государственного партнерства Институт экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ) Национального исследовательского университета (НИЯУ) «МИФИ» и ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».

Испытательный центр НОЦ «Стойкость» обеспечивает значительную часть радиационных испытаний ЭКБ для отечественных потребителей. В качестве основного приоритета и критерия эффективности развития центра принята задача обеспечения рационального и наилучшего для потребителя соотношения информативности, оперативности, полноты, достоверности результатов и качества испытаний при достижении эффективных техникоэкономических показателей оценки РС ЭКБ при создании СТСиС нового поколения

ЯНЕНКО1 Андрей Викторович, к.т.н.; ЧУМАКОВ2 Александр Иннокентьевич, д.т.н.; ПЕЧЕНКИН3 Александр Александрович; САВЧЕНКОВ4 Дмитрий Владимирович; ТАРАРАКСИН5 Александр Сергеевич; ВАСИЛЬЕВ6 Алексей Леонидович

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ЛАЗЕРНЫХ ИМИТАТОРАХ И УСКОРИТЕЛЯХ ИОНОВ

Рассмотрены, основные современные подходы для. расчетно-экспериментальной оценки параметров чувствительности электрорадиоизделий к воздействию отдельных ядерных частиц с использованием, испытаний на моделирующих установках и лазерных имитаторах. В работе показано, что полный комплекс исследований стойкости изделий к воздействию отдельных ядерных частиц следует, проводить с использованием, как моделирующих установок, так и лазерных имитаторов. Ключевые слова: одиночные эффекты, тяжелые заряженные частицы, локальное лазерное излучение.

Modern test approaches for microelectronic devices single event effects sensitivity parameters evaluation utilizing laser simulators and ion accelerators are discussed. For the peculiarities of each approach the most complete SEE tests one can perform, using both laser simulators and ion accelerators.

Keywords: single event effects, heavy ions, local laser irradiation.

Широкое применение современных изделий микроэлектроники в электронной аппаратуре космических аппаратов делает крайне актуальной задачу по оценке их параметров чувствительности к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) — потоков тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) и высокоэнергетичных протонов (ВЭП) космического пространства (КП) [1 - 5]. Возникающие локальные радиационные эффекты типа сбоев, тиристорных эффектов (ТЭ) или катастрофических отказов, несмотря на

относительно невысокую вероятность их появления в реальных условиях эксплуатации, тем не менее, в ряде случаев приводят к функциональным отказам в работе всего космического аппарата. Как правило, параметры чувствительности для каждого типа локального радиационного эффекта в интегральной схеме (ИС) включает в себя зависимости сечений эффектов от линейных потерь энергии (ЛПЭ) ТЗЧ или от энергии ВЭП, которые определяются расчетно-экспериментальными методами. Расчетные методы для большинства

' - доцент НИЯУ «МИФИ»;2 - профессор НИЯУ «МИФИ»;

3 - н.с. ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;4 - м.н.с. ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;

5 - аспирант НИЯУ «МИФИ»;6 - м. н.с. ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».

эффектов дают большую погрешность (например, по тиристорным эффектам практически не пригодны), однако при оценке параметров по эффектам одиночных сбоев в ИС с регулярными структурами (ОЗУ, ПЛИС и т.п.) могут давать приемлемую точность оценок. Очень часто оказывается невозможным подыскать эквивалентную замену ИС, имеющую высокую чувствительность, на ее радиационно стойкий аналог. В этом случае в электронной аппаратуре космических аппаратов необходимо предусмотреть комплекс мер, направ-

ленных на парирование нежелательных последствий для функционирования всего изделия. Поэтому необходимо получение дополнительной информации, например, сохранение работоспособности ИС после выдержки в состоянии тиристорного эффекта некоторое время, получение динамических и статических характеристик развития различных локальных радиационных эффектов, влияние температуры, тактовой частоты, режимов функционирования на параметры чувствительности и т.п.

Расчетно-экспериментальные методы оценки параметров чувствительности к воздействию отдельных ядерных частиц

Прямые экспериментальные методы крайне затруднены, так как предполагают создание радиационной обстановки, близкой к реальным условиям КП, тем не менее они иногда реализуются в рамках натурных экспериментов на борту космических аппаратов. Поэтому наиболее широко в мировой практике используются расчетно-экспериментальные методы. Суть их сводится к тому, что при ограниченном наборе экспериментальных точек (требуется несколько значащих точек) зависимость аппроксимируется некоторой функцией (обычно функцией Вейбулла), по результатам чего и определяются параметры чувствительности. Традиционные методы оценки параметров чувствительности базируются на проведении испытаний на ускорителях ионов или протонов [4, 6]. Для получения параметров чувствительности необходимо провести несколько экспериментов для разных значений ЛПЭ ионов или энергии протонов (Яр). Для большинства практических случаев при описании интегральной функции зависимости сечения одиночных эффектов при воздействии ионов и протонов применима аппроксимация функцией Вей-булла. Для описания зависимости сечения одиночных эффектов от энергии протонов иногда применяется функция Бендела.

Для получения удовлетворительных результатов аппроксимации необходимо проводить значительное количество экспериментов (более 4-х) при разных значениях ЛПЭ или Ер, что не всегда воз-

можно, так как методы, использующие моделирующие установки, являются трудоемкими и дорогостоящими. Увеличение числа точек для разных значений ЛПЭ за счет облучения образцов ИС под разными углами к их поверхности имеет существенный риск, так как оно базируется на предположении модели тонкой чувствительной области, которая для современных ИС применима только ограниченного класса изделий, например, изготовленных по КНИ-технологии. Кроме этого, в силу стохастической природы взаимодействия корпускулярного излучения с веществом по результатам испытаний на моделирующих установках нельзя достоверно утверждать, что в ИС отсутствуют области, в которых происходит катастрофический отказ при возникновении в них тиристорного эффекта. Альтернативными средствами являются методы, основанные на применении сфокусированного лазерного излучения [8 - 10]. Применение этих методов имеет существенные ограничения для современных больших интегральных схем (БИС) из-за наличия в них многослойной металлизации, которая покрывает значительную часть поверхности кристалла. Существует относительно высокая вероятность «холостых» выстрелов лазерного излучения, когда оптическое излучение практически полностью поглощается в защитном окисле или отражается от слоев металлизации. В этом случае более эффективной оказывается методика локального лазерного воздействия [10, 11].

Методика применения локального лазерного излучения основана на сканировании всей поверхности кристалла БИС и подсчете общего количества имеющих место локальных радиационных эффектов - Ылз. При этом за счет более широкого диаметра оптического пятна удается проинтегрировать оптические неоднородности и пользоваться неким усредненным коэффициентом оптических потерь. По результатам экспериментальных исследований могут быть определены эквивалентные значения линейных потерь энергии и сечений наблюдаемых эффектов алз из соотношений:

~ /Кт К.

Оэз = Аис'Мэз /М.I ,

где ^ - значение энергии лазерного излучения, приведенное к сфокусированному значению; Аис - площадь кристалла БИС; N - общее количество импульсов лазерного излучения при сканировании всей поверхности кристалла БИС.

Очевидными достоинствами метода с применением локального и сфокусированного лазерного излучения являются:

1) доступность и невысокая энергоемкость испытаний на лазерных имитаторах;

2) возможность воздействия на все без исключения участки микросхемы и исследования отдельных фрагментов кристалла БИС путем последовательного уменьшения диаметра оптического пятна.

При оценках количества эффектов на лазерных имитаторах в отличие от ионных пучков отсутствует влияние накопленной дозы и существенно упрощается контроль и задание температуры, так как испытания проводятся в нормальных условиях, однако появляется возможность повреждения кристалла высокоинтенсивным оптическим излучением.

Следует также отметить потенциально более широкие возможности лазерных методов, с помощью которых относительно просто определить:

♦ размеры чувствительных областей для каждого одиночного эффекта, которые могут использоваться при оценках показателей стойкости;

♦ места локализации областей возникновения одиночных эффектов;

♦ места локализации областей возникновения катастрофических отказов и их параметры;

♦ «живучесть» образцов после нахождения их в состоянии ТЭ;

♦ статические и динамические характеристики возникновения одиночных эффектов (например, ток и напряжения удержания ТЭ);

♦ эффективность применения различных способов по защите от одиночных эффектов и т.п.

Ограничения метода заключаются в невозможности моделирования ряда эффектов (микродозовых или «прокола» диэлектрика), а также доступа к поверхности кристалла при наличии оптически непрозрачных покрытий. В частности, в современных сверхболь-

ших интегральных схемах (СБИС) часто используется планаризция поверхности кристалла за счет практически сплошного покрытия его слоем металлизации, что резко увеличивает коэффициент оптических потерь. В ряде случаев для достижения эффекта требуется энергия, которая может за счет оптических эффектов повредить поверхность кристалла СБИС за счет оптических эффектов. Альтернативным методом в этом случае является облучение кристалла с тыльной стороны.

Сравнение погрешностей расчетно-экспериментальных методов оценки параметров чувствительности с использованием моделирующих и имитирующих установок

Точность определения параметров чувствительности зависит от различных факторов, в том числе от достоверной статистики, числа значимых экспериментальных данных, методов оптимизации (поиска) параметров чувствительности и т.п. Оценить общую погрешность крайне затруднительно. Например, в одной из версии ОЯОТ (НИИ КП) при совершенно адекватных экспериментальных данных (с известными параметрами чувствительности) получались отрицательные значения пороговых ЛПЭ [12]. Тем не менее опыт показывает, что погрешность определения порогового значения ЛПЭ достигает 50%, а сечений насыщения — более 100%. Точность потенциально повышается при увеличении количества экспериментальных данных при разных значениях ЛПЭ.

Основные погрешности испытаний на пучках ионов

В ходе испытаний на ускорителях ионов регистрируется количество эффектов в потоке ионов с определенной энергией и определяется сечение эффекта для нескольких значений ЛПЭ (Ь2). Таким образом, помимо методических погрешностей, обусловленных выбором критериальных параметров и способами их регистрации, существуют погрешности определения трех основных параметров: Ь2, Моэ, Ф. Важ-

но отметить, что в ряде случаев в силу физико-технологических ограничений, например, относительно толстых слоев (около 20...30 мкм) защитной пленки существующие эффекты могут быть не зарегистрированы на пучках ионов.

Оценка производится исходя из данных на тип иона и его энергию. Данное значение относится только к величине ЛПЭ на поверхности кристалла. Какое значение ЛПЭ будет действовать непосредственно в чувствительной области, спрогнозировать трудно, так как в большинстве случаев неизвестны толщина защитного покрытия (например окисла) и параметры чувствительной области. При наличии защитных покрытий (иногда не видимых при беглом осмотре) оценка ЛПЭ оказывается совершенно неправильной.

Оценка параметров чувствительности по одиночным эффектам в современных цифровых БИС с толщиной защитного слоя не более 5.7 мкм дает погрешность в значении ЛПЭ не более 10% для большинства типов ионов (короткопробежных), используемых на ускорителях У-400 и У-400М (ОИЯИ, г. Дубна). Следует отметить, что при облучении ионами под углами к поверхности ИС, отличными от нормального, ошибка определения значения ЛПЭ в активной области возрастает. Таким образом, заранее сказать о погрешности оценки ЛПЭ во многих случаях оказывается крайне затруднительно.

Оценка общего флюенса Ф и его неоднородности в настоящее время имеют относительно невысокую погрешность — на уровне единиц процентов. Необходимо отметить, что при оценках флюенсов надо корректно проводить оценку «мертвого» времени, когда в процессе воздействия происходит переконфигурация БИС или отключение питания при парировании ТЭ. Наиболее сложной является оценка погрешности при определении количества одиночных эффектов. В зависимости от выбранной методики погрешности (различия) в результатах могут достигать порядка и более. Проанализируем основные источники погрешностей на примере испытаний ИМС на чувствительность к ТЭ.

Критерием ТЭ часто является пороговое возрастание тока потребления,

однако, аналогичное поведение наблюдается также при сбоях в конфигурационном запоминающем устройстве ПЛИС или при сбоях в цепях управления флэш-памяти. Таким образом, при контроле ТЭ только по росту тока потребления могут быть зафиксированы ложные события - погрешность может равняться бесконечности.

Влияние режима работы ИС, в первую очередь, выражается в зависимости чувствительности по ТЭ от напряжения источника питания. Отличия при увеличении даже на 5% могут приводить к увеличению чувствительности на 20%. Рост температуры сказывается на повышении чувствительности по ТЭ. При испытаниях на пучках ионов в вакууме самопроизвольное постепенное повышение чувствительности может быть вызвано разогревом кристалла из-за часто возникающих ТЭ.

По влиянию накопленной дозы на ТЭ имеются противоречивые результаты. Тем не менее для изделий, которые имеют невысокий уровень стойкости, должны соблюдаться ограничения на величину накопленной дозы. Дополнительно следует отметить, что в ряде ИС при наборе флюенса наблюдается заметный рост тока потребления, который может превышать пороговое значение, установленное для регистрации ТЭ.

Стохастическая природа взаимодействия корпускулярного ионизирующего излучения с веществом приводит к статистической погрешности. Когда эффектов всего несколько десятков, погрешность может составлять более 10%. Таким образом, основные погрешности оценки параметров чувствительности — это физико-технологические (из-за коротких пробегов ионов) и методические.

Основные погрешности испытаний на лазерном имитаторе

При испытаниях на лазерных имитаторах параметры чувствительности определяются из соотношений (1), (2). Оценка эквивалентного значения пороговой ЛПЭ 1г. производится исходя из пересчета энергии лазерного излучения, приведенного к некоторому асимптотическому остросфокусированному значению Jo. Рассмотрим основные пог-

решности в определении Jo и К.

Оценка собственно энергии лазерного излучения производится с точностью несколько процентов. Однако значение определяется исходя из асимто-тической зависимости, основанной на модели прямоугольного параллелепипеда. Точность оценки зависит от размеров чувствительной области. При ее размерах в несколько микрон (наиболее типовая ситуация для современных субмикронных ИС), точность укладывается в 10.15%. При меньших размерах точность оценок ухудшается, но обычно не превышает 50%. Коэффициент пропорциональности К. может быть оценен расчетным или расчетно-экспериментальным способами. Расчетный метод может давать неопределенность в несколько раз. Наиболее оптимальный способ основан на регистрации ионизационной реакции ИС при локальном воздействии в месте возникновения одиночного эффекта, но при существенно меньшей энергии лазерного излучения. Основную погрешность в этом случае дает неопределенность в типе используемой подложки (следует отметить, что большинство современных суб-микронных БИС выпускаются на подложках р-типа). Неопределенность в типе подложки дает погрешность на уровне разницы квадратных корней из коэффициентов диффузии для подложек различного типа. При отсутствии сведений о подложке это дает неопределенность около 25%. Погрешность существенно увеличивается, если применяются тонкопленочные структуры. Как правило, для большинства современных ИС погрешность оценки эквивалентного значения пороговой ЛПЭ не превышает 20.40% при использовании подобной методики. Погрешность существенно снижается (до 20%) при использовании калибровки на импульсной гамма-установке с применением методики локального облучения. Оценка общего флюенса Ф при определении сечения одиночных эффектов по формуле (2) производится из общего количества импульсов лазерного изучения, падающих на кристалл ИС, отнесенных к площади кристалла. Из-за потенциальной возможности непопадания импульсов сфокусированного лазерного излучения вглубь чувствительной области при наличии много-

слойной металлизации, сканирование необходимо проводить локальным лазерным излучением с диаметром более 5 мкм и с учетом возможности появления в этом случае эффектов в смежных областях. Погрешность оценки флюенса может быть оценена на уровне 10%.

Выводы

Таким образом, с учетом доступных на сегодняшний день установок, ни один из существующих методов не позволяет «под ключ» провести испытания на стойкость к воздейст-вию отдельных ядерных частиц. Однозначно выбрать из двух рассмотренных подходов (лазерные имитацион-

ные методы и моделирующие установки) один, наиболее приемлемый по информативности и точности результатов испытаний, в настоящее время не представляется возможным. При неграмотном использовании любого метода возможно появление больших погрешностей. Рациональный состав используемых методов может быть определен только после анализа конструкции изделия с учетом требуе-мого набора необходимых результатов. В большинстве случаев наибо-лее эффективным и достоверным является подход, основанный на взаимосогласованном и взаимодополняющем применении как моделирующих установок, так и лазерных имитаторов

Литература

1. Messenger G.C., Ash. M.S. Single Event Phenomena. N.Y.: Chapman&Hall, 1997. -368 p.

2. The Radiation Design Handbook. European Space Agency. ESTEC, Noordwijk, the Nederland, 1993. - 444 p.

3. Pickel C. Single event effects rate prediction./ IEEE Trans. on Nucl. Sci., 1996. - V. 43. - № 2. - P. 483 - 495.

4. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИМС. -М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.

5. Беляков В.В., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Першенков В.С., Скоробогатов П.К., Согоян А.В. Расчетно-экспериментальные методы, прогнозирования, эффектов одиночных сбоев в элементах современной микроэлектроники./ Микроэлектроника, 2003. — Т. 32. — № 2. — С. 134 — 151.

6. Allen G. R. Compendium, of Test Results of Single Event Effects Conducted, by the Jet Propulsion. Laboratory./ 2008 IEEE Radiation Effects Data Workshop Record.

7. Чумаков А.И. Однопараметрическая, модель для. оценки чувствительности ИС к эффектам одиночных сбоев при воздействии высокоэнергетичных протонов./ Микроэлектроника, 2004. — Т. 33. — № 2. — С. 122 — 128.

8. Pouget V. Fundamentals of laser SEE testing and. recent trends./ RALFDAY, 2009. -EADS France, Suresnes - 11th September.

9. Jones R. et al. Comparison, between SRAM SEE cross-section, from, ion beam, testing with those obtained, using a new picosecond, pulsed, laser facility./ IEEE Trans. on Nucl. Sci., 2000. - V. NS-47. - №4. - P. 539 - 544.

10. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Яненко А.В. Возможности, использования локального лазерного излучения для. моделирования эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц в ИМС./ Микроэлектроника, 2004. - Т. 33. -№ 2. - С. 128 — 133.

11. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Баранов С.В., Васильев А.Л., Яненко А.В. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц./ Микроэлектроника, 2008. — Т. 37. — № 1. — С. 45 — 51.

12. Анашин В.С., Емельянов В.В, Зебрев Г.И. и др. Программный комплекс «ОСОТ» для. прогнозирования, скорости одиночных сбоев в условиях компического пространства./ Радиационная, стойкость электронных систем. — СТОЙКОСТЬ-2008. — М.: МИФИ, 2008. - С. 165 - 166.