Топологическая норма и радиационная стойкость

Топологическая норма

и радиационная стойкость

Существует распространенное мнение о том, что если топологическая норма, используемая при производстве микросхем, больше, чем 0,2 мкм, то микросхема является радиационно-стойкой. Не останавливаясь на достоверности этого утверждения, заметим, что из него не следует, что микросхемы с меньшей топологической нормой обязательно должны обладать слабой радиационной стойкостью. в статье рассматриваются способы повышения радиационной стойкости, применяемые в современных иС.

Александр ПоПович

Popovich@bae-radhard.ru

введение

Для начала необходимо сказать несколько слов о влиянии ионизирующего излучения на интегральные микросхемы. Отказы в работе микросхем могут вызывать кванты электромагнитного излучения, элементарные частицы и ионы с энергией более 10 кэВ, в космических лучах встречаются частицы с энергией более 3х 1020 эВ [1]. Эффекты, вызываемые ионизирующим излучением в микросхемах, в подавляющем большинстве случаев сводятся либо к генерации неравновесных электронно-дырочных пар, либо к образованию дефектов решетки полупроводника и дефектов диэлектрика. Под действием радиации в микросхемах наблюдаются два вида отказов: одни происходят в результате накопления дозы радиации, другие — в результате попадания одной частицы с высокой энергией. Подробная расшифровка терминов радиационной стойкости дана в [2].

К первому типу отказов относятся, например, рост задержек внутри ИС или изменение напряжений отсечек полевых транзисторов и логических уровней. Второй тип отказов принято называть одиночными событиями. К таким событиям относятся, например, SEL1 и SET2 [3]. При облучении малоэнергетичны-ми частицами такие явления не возникают совсем, однако с ростом энергии падающих частиц частота одиночных событий растет. Действие высокоэнергетичных частиц на вещество принято оценивать величиной LET3 — линейной передачи энергии, измеряемой в МэВ-см2/мг. Значение LET, начиная с которого частицы могут вызывать одиночные события, называется пороговым уровнем LET (LETtll), и именно оно приводится в документации. Например, SEU4 >37 МэВ-см2/мг

означает, что пороговое значение LET для SEU превышает 37 МэВ-см2/мг.

Многочисленные отечественные и зарубежные научные исследования [4-8] показали, что отказы первого типа вызваны накоплением заряда на ловушках внутри изолирующих и полупроводниковых слоев и на их границах и появлением каналов паразитных утечек (рис. 1). Уменьшение геометрических размеров элементов обычно не приводит к значительному ухудшению стойкости микросхем к отказам этого типа. К основным факторам, влияющим на стойкость микросхем к отказам первого типа, относятся толщина и режимы формирования подзатворного и изолирующего окислов. Производители ИС используют разные технологические цепочки, последовательность и температурные режимы ростовых и пост-ростовых операций, которые оказывают влияние на концентрацию примесей в диэлектрических слоях и уровень механических напряжений в них. Состав газовой фазы в процессах формирования окислов также оказывает существенное влияние на качество изолирующих слоев; так, например, зависимость плотности дефектов от концентрации хлора носит сложный характер, а увеличение его парциального давления выше оптимального ведет к значительному дефектообразованию в пленке формируемого окисла. Параметры техпроцессов на этой стадии влияют на характеристики нестехиометрического оксида на границах раздела. Кроме того, они ответственны за наличие водородосодержащих примесей в диэлектрике, которые при жестком облучении излучают протоны высоких и средних энергий. Особенности технологической карты операций нанесения и «вжигания» металлических

слоев тоже оказывают влияние на радиационную стойкость микросхем, поскольку на этой стадии могут возникнуть механические напряжения, ведущие к повышенному дефектообразованию и появлению глубоких уровней в полупроводниковых и диэлектрических слоях. Именно поэтому радиационная стойкость микросхем, выполненных по одним шаблонам, но на разных технологических линиях, может значительно отличаться. Подтверждением этому может служить тот факт, что в 2005 году корпорация Actel была вынуждена отказаться от производства своих радиационно-стойких ПЛИС на заводах Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (MEC) [9] и перенести все производство на завод United Microelectronics Corporation (UMC). Характерной особенностью настоящего времени является то, что количество разработчиков микросхем существенно превышает количество истинных производителей, многие известные фирмы производят кристаллы микросхем на одних и тех же фабриках, связано это как раз с высокой сложностью организации технологических процессов по производству современных микросхем.

Механизмы отказов, вызванные одиночными событиями, в корне отличаются от механизмов отказов первого рода. Эти отказы могут происходить в любое время, не требуя накопления какой-либо дозы. К таким оди-

Область

Рис. 1. Полевой транзистор под действием радиации

1 SEL (Single Event Latch) — вызванный ионизирующим излучением переход микросхемы в состояние повышенного потребления тока из-за срабатывания тиристора, образованного одним из транзисторов схемы в паре с его паразитным транзистором.

2 SET (Single Event Transient) — кратковременное изменение состояния логического выхода, вызванное ионизирующим излучением.

3 LET (Linear Energy Transfer) — потери энергии частицы вдоль трека, нормированные на плотность материала.

LET = 1/p-dE/dx; где р — плотность материала; dE/dx — скорость падения энергии частицы.

4 SEU (Single Event Upset) — обратимое изменение состояния регистра памяти ОЗУ или триггера, вызванное ионизирующим излучением.

ночным событиям относятся восстанавливаемые отказы — изменение состояния регистра памяти (SEU) или кратковременное изменение уровня на выходе логического элемента (SET), а также катастрофические отказы, которые ведут к потере функциональности системы либо навсегда, либо до снятия и восстановления питания. К катастрофическим отказам относятся SEL — переход микросхемы в состояние с высоким потреблением тока из-за тиристорного эффекта, SEFI — функциональный отказ устройства из-за одиночного события, SEB и SEGR — выход из строя микросхемы или логической ячейки в результате SEL. SHE — невосста-навливаемое залипание триггера или ячейки памяти в одном состоянии. Только первые два отказа (SEL и SEFI) не приводят к полному выходу устройства из строя и могут быть ликвидированы выключением питания и перезагрузкой. Именно одиночные отказы чувствительны к размеру элемента, поскольку чем меньше элемент, тем меньше его объем и емкость и тем меньше энергии достаточно для изменения его состояния.

Подавление одиночных сбоев является более сложной задачей, чем борьба с «медленными» отказами, поскольку общую накопленную дозу можно снизить на несколько порядков путем экранирования. Так, слой алюминия в 2 мм снижает накопленную дозу космического излучения в 100 раз [10, 11], однако, чтобы снизить дозу еще на два порядка, потребуется уже защита толщиной 8 мм. Этот парадоксальный факт легко объясняется тем, что состав космических лучей неоднороден. Если частицы низких энергий, как правило, задерживаются в тонком экране, то частицы высоких энергий могут с легкостью проникать сквозь него [12]. Поэтому состав излучения за экраном будет коренным образом отличаться от того, что был перед экраном, и, чтобы ослабить этот поток радиации, потребуется уже значительно более основательная защита. Тяжелые заряженные ионы и элементарные частицы высоких энергий могут взаимодействовать с веществом экрана и генерировать вторичные частицы, иногда даже более опасные для ИС [13]. Опыт показывает, что одиночные события, причиной которых являются космические лучи либо частицы, индуцированные ими, наблюдаются даже на уровне моря.

Методы борьбы с одиночными отказами подразделяются на две группы: борьба с SEL и его последствиями (SEFI, SEB и т. п.) и борьба с восстанавливаемыми отказами. Для преодоления SEL необходимо так сформировать топологию каждого элемента, чтобы избежать формирования паразитных транзисторов, которые в паре с основным могут образовать тиристор. Снижение напряжения питания также способствует увеличению стойкости ИС к SEL, поскольку, если оно ниже напряжения удержания паразитного тиристора, защелкивание либо

Таблица. Патенты США на способы увеличения стойкости микросхем к ионизирующему излучению

Номер патента США Оригинальное название Примерный перевод названия

7,468,904 Apparatus for hardening a static random access memory cell from single event upsets Топология SRAM-памяти с повышенной стойкостью к одиночным сбоям

7,337,160 Use of radiation-hardened chalcogenide technology for spaceborne reconfigurable digital processing systems Использование радиационно-стойкой халькогенидной технологии для переконфигурируемых космических процессорных систем

6,794,733 Increasing the susceptability of an integrated circuit to ionizing radiation Увеличение стойкости ИС к ионизирующему излучению

6,762,128 Apparatus and method for manufacturing a semiconductor circuit Метод и оборудование для производства полупроводниковых микросхем

6,716,728 Radiation hardened silicon-on-insulator (SOI) transistor having a body contact Устойчивый к радиации транзистор, выполненный по технологии КНИ с выводом корпуса

6,703,858 Logic architecture for single event upset immunity Логическая архитектура, устойчивая к одиночным событиям

6,668,342 Apparatus for a radiation hardened clock splitter Структура распределителя тактовых сигналов, устойчивая к радиации

6,665,161 Semiconductor circuit having increased susceptibility to ionizing radiation Полупроводниковая схема, имеющая пониженную чувствительность к ионизирующему излучению

6,487,134 Single-event upset tolerant latch for sense amplifiers Триггер-защелка, устойчивый к радиации для измерительных усилителей

6,456,138 Method and apparatus for a single upset (SEU) tolerant clock splitter Способ изготовления и структура распределителя тактовых сигналов, устойчивого к SEU

6,441,440 Semiconductor device and circuit having low tolerance to ionizing radiation Полупроводниковые приборы и схемы с пониженной чувствительностью к ионизирующему излучению

6,399,989 Radiation hardened silicon-on-insulator (SOI) transistor having a body contact Устойчивый к радиации транзистор, выполненный по технологии КНИ с выводом корпуса

6,369,630 Single-event upset hardened reconfigurable bi-stable CMOS latch Двухстабильная реконфигурируемая CMOS-ячейка, устойчивая к одиночным отказам

6,362,676 Method and apparatus for a single event upset (SEU) tolerant clock splitter Способ изготовления и структура распределителя тактовых сигналов, устойчивого к SEU

6,327,176 Single event upset (SEU) hardened latch circuit Триггер-защелка, устойчивый к радиации

6,285,580 Method and apparatus for hardening a static random access memory cell from single event upsets Структура и работа ячейки SRAM, устойчивой к ионизирующему излучению

6,282,140 Multiplexor having a single event upset (SEU) immune data keeper circuit Мультиплексор со схемой хранения данных, устойчивый к SEU

не возникнет, либо в течение незначительного времени прекратится [14]. Корпорация BAE Systems зарегистрировала значительное количество патентов, описывающих конструкции устойчивых к ионизирующему облучению транзисторов, логических ячеек, триггеров, коммутаторов и т. д., некоторые из них приведены в таблице.

Методы борьбы с SEU и SET основываются на том, что эти явления носят локальный характер во времени и пространстве. Другими словами, облако неравновесных носителей вдоль трека частицы имеет малое сечение и быстро рассасывается. Поэтому для подавления SET используют метод задержанного сигнала. На входе защищаемого от SET элемента ставят линию задержки и задают логику работы самого элемента так, чтобы он мог изменять свое состояние только тогда, когда на входе и выходе линии задержки сигналы одинаковы. Задержку в линии выбирают больше длительности импульса SET. При таких условиях SET-импульс не может одновременно изменить уровни на входе и выходе линии задержки и не нарушает работу элемента. Оборотной стороной этого решения является то, что оно снижает общее быстродействие, однако из-за незначительной длительности SET-импульса это снижение не сказывается на частотах до нескольких сотен МГц. Использование мощных усилителей на выходах элементов и шин сигналов с увеличенным сечением также снижает чувствительность микросхем к одиночным событиям, поскольку заряд, наведенный частицей, рассасывается в таких микросхемах быстрее и приводит к меньшему проседанию логических уровней.

Для борьбы с SEU используется резервирование ячеек памяти (так называемое троирование — TMR) (рис. 2). Суть этого подхода к проектированию ИС состоит в том, что каждый регистр или триггер заменяется на три соединенных параллельно по входам и мажоритарную схему на выходе. Поскольку все триггеры объединены по входам, на их выходах все время должны быть одинаковые уровни (за исключением моментов переходов, если задержки в триггерах отличаются). Если в результате SEU на одном из входов устанавливается неправильный уровень, то мажоритарная схема обнаруживает это и асинхронно возвращает сбившийся триггер в правильное состояние. Кроме того, в ее задачу входит формирование выходного уровня ячейки, который вычисляется путем

Обычный триггер

CLKB

CLK

Троированный триггер

і і гР>° <1—1__|——< ’— О

CLKB

Элемент мажоритарной схемы

Рис. 2. Структура обычного и троированного триггера

голосования: каких уровней больше на выходах триггеров, те и задают состояние выхода.

Еще одним способом борьбы с SEU является использование для хранения редко изменяемой информации ячеек FLASH, Antifuse или C-RAM вместо SRAM. Это защищает от SEU, поскольку энергия, необходимая для изменения состояния таких ячеек, намного больше энергии, требуемой для перекидывания триггера SRAM [15].

Предпродажное тестирование радиационно-стойких микросхем

За всю историю полупроводникового производства никакие усилия технологов не позволяли добиться 100%-ного выхода годных микросхем, это связано с тем, что все изготавливаемые в настоящее время подложки для роста микросхем содержат пусть небольшое, но ощутимое количество дефектов. За появление брака при производстве кристаллов микросхем ответственно наличие загрязняющих примесей и посторонних частиц в технологическом оборудовании, чистых помещениях и другие трудно контролируемые факторы. Но это еще полбеды, проблема в том, что среди микросхем, признанных годными и успешно прошедших все обычные тесты, далеко не все выдерживают воздействие ионизирующего излучения.

Поэтому все стандарты приемки радиационно-стойких микросхем предусматривают набор дополнительных тестов, проводимых на микросхемах, подвергнутых облучению. Доза, полученная микросхемами при этих испытаниях, иногда превышает дозу, планируемую за весь срок эксплуатации. Облученные микросхемы тестируются, отбраковываются, после чего производится высокотемпературная обработка (отжиг) годных кристаллов. После отжига параметры микросхем должны вернуться к параметрам необ-лученных с допусками, определяемыми стандартом, например MIL-STD-883 Class B. Эти операции значительно увеличивают стоимость радиационно-стойких микросхем по сравнению с промышленными аналогами, поскольку снижают количество годных микросхем в партии и требуют затрат на свое проведение. Однако практика показывает,

что если цена радиационно-стойких микросхем может превосходить цену промышленного аналога в 100 раз, то стоимость законченной системы, построенной на микросхемах, не тестированных на радиационную стойкость, значительно превышает стоимость системы, изготовленной из сертифицированных ИС [16].

Это связано, во-первых, с усложнением конструкции устройства с целью защиты микросхем от воздействия радиации. Во-вторых, со значительным увеличением объема тестов, необходимых для подтверждения радиационной стойкости изделия в целом. И, в-третьих, с тем, что при отказах микросхем в процессе тестирования (которые обязательно будут в силу причин, названных выше) придется проводить либо ремонт, либо замену модулей, что повлечет дополнительные расходы как средств, так и времени. Все это объясняет парадоксальный на первый взгляд факт более высокой стоимости систем на дешевых микросхемах.

Выводы

Радиационная стойкость ИС лишь отчасти обусловлена величиной топологической нормы производства. Существенную роль играют технологическая карта производства и топология элементов микросхем.

Схемотехнические решения и правильный выбор геометрии элемента позволяют значительно улучшить радиационную стойкость микросхем даже при небольших топологических нормах.

Использование троированных регистров позволяет значительно снизить уровень одиночных сбоев памяти.

Использование дешевых микросхем, не тестированных на радиационную стойкость, не снижает, а увеличивает стоимость конечного прибора, предназначенного для работы под действием ионизирующего облучения.

Литература

1. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e041.htm

2. Котельников Е. АС:е1 FAQ // Компоненты и технологии. 2010. № 6.

3. Gardner D. Programmable logic: Understanding the risks in military and aerospace applications. Microelectronics & Aerospace Electronics. October, 2005 — http://mae.pennnet.com/Articles/ Article_Display.cfm? Section=ARTCL&ARTICLE_ ID=238663&VERSION_NUM=2&p=32

4. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники / Под ред. Е. А. Ладыгина. М.: Советское радио, 1980.

5. Агаханян Т. М., Аствацатурьян Е. Р., Скоро-богатов П. К., Чумаков А. Н. // Микроэлектроника. 1984. Т. 13, вып. 5.

6. Ладыгин Е. А., Мельников Л. Л., Муратов В. Н. // Электронная промышленность. 1991. Вып. 4.

7. Hamimura H., Sakagami M. Prediction method for total dose effects on complimentary MOS IS using impulse response model for threshold voltage shift // J. of Nuclear Sci. & Tech. 28 [1] Jan 1991.

8. Holmes Siedle A., Adams L. Handbook of Radiation Effects. N. Y.: Oxford university press, 1993.

9. http://www.actel.com/documents/PDN0504_ MEC_RTSX-SU.pdf

10. Энциклопедия. Новые наукоемкие технологии в технике. Т. 16. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / Редакторы тома: Л. С. Новиков, М. И. Панасюк. М.: Энцитех. 2000.

11. Кузнецов Н. В., Ныммик Р. А., Панасюк М. И., Сосновец Э. Н., Тельцов М. В. Регистрация и прогнозирование поглощенных доз радиации от потоков солнечных протонов на борту орбитальных станций // Космические исследования. 2004. Т. 42. № 3.

12. http://nuclphys.sinp.msu.ru/partmat/pm01. htm

13. Юдинцев В. Радиационно-стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на земле // Электроника НТБ. 2007. № 5.

14. Устойчивое к радиации статическое оперативное запоминающее устройство с низким напряжением питания ядра — http://www. baesystems.com/ProductsServices/bae_prod_ eis_monolithic16Bsram.html

15. Сравнение радиационной стойкости FLASH и SRAM-микросхем — http://www.actel.com/ products/solutions/ser/

16. Методы повышения радиационной стойкости интегральных микросхем НПО «ИНТЕГРАЛ», предназначенных для условий работы в космических летательных аппаратах — http:// www.155la3.ru/datafiles/1817vf11.pdf