Способ расчетно-экспериментальной оценки радиационной стойкости интегральных схем к воздействию отдельных заряженных частиц, основанный на локальном лазерном облучении

Предложенный способ относится к области исследований радиационной стойкости изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) к воздействию ионизирующих излучений.

Применение ИПЭ в радиоэлектронной аппаратуре космических аппаратов делает крайне актуальной задачу по оценке их стойкости к эффектам воздействия отдельных заряженных частиц (ОЗЧ) - высокоэнергетичных протонов и тяжелых ионов, входящих в состав ионизирующего излучения околоземного космического пространства. Возникающие одиночные радиационные эффекты (ОРЭ), несмотря на относительно невысокую вероятность появления в реальных условиях эксплуатации, могут приводить к функциональным, кратковременным или остаточным сбоям, а в ряде случаев и катастрофическим отказам, в работе отдельных узлов или всего космического аппарата. Наиболее часто проявляются ОРЭ, такие как одиночные сбои (ОС), одиночные тиристорные эффекты (ТЭ) и др. (подробнее см. в книге [“Soft Errors in Modern Electronic Systems”, Frontiers in Electronic Testing 41. Editor Nicolaidis M, Springer Science & Business Media, 2011. P. 21]).

Возможность вызывать в интегральной микросхеме (ИС) эффекты, аналогичные возникающим при воздействии ОЗЧ, с помощью ультракоротких импульсов лазерного излучения с длиной волны, соответствующей равномерному по глубине однофотонному поглощению в полупроводниковом материале ИПЭ, была положена в основу развития технических и методических средств лазерных испытаний электронных компонентов на стойкость к воздействию ионизирующего излучения. Обзор отечественных технических средств для указанных целей опубликован авторами в 2016 году [О.Б. Маврицкий, А.И. Чумаков, А.Н. Егоров, А.А. Печенкин, А.Ю. Никифоров «Технические средства проведения лазерных испытаний полупроводниковых элементов на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц», ПТЭ, 2016, №5, с. 5-29]. Наиболее широко применяемые лазерные установки за рубежом описаны в обзоре «Pulsed-Laser Testing for Single-Event Effects Investigations», Stephen P. Buchner, Florent Miller, Vincent Pouget and Dale P. McMorrow, IEEE Trans. Nucl. Sci., VOL. 60, NO. 3, 2013.

Так, например, из обзора «Pulsed-Laser Testing for Single-Event Effects Investigations», Stephen P. Buchner, Florent Miller, Vincent Pouget and Dale P. McMorrow, IEEE Trans. Nucl. Sci., VOL. 60, NO. 3, 2013, известен способ исследования радиационной стойкости ИС к воздействию ОЗЧ с помощью остросфокусированного импульсного лазерного излучения, рассматриваемый далее в качестве прототипа. В соответствии с данным способом поверхность исследуемой ИС сканируют лазерным излучением, перемещаясь от точки к точке по заданной координатной сетке и регистрируя наступление того или иного ОРЭ при фиксированном заданном значении энергии импульса. Для построения зависимости сечения эффекта от энергии импульса лазерного излучения проводят серию сканирований с последовательным увеличением энергии. Результат каждого сканирования может отображаться в виде координатной карты чувствительных областей. Наложение полученных карт чувствительности на изображение топологии ИС позволяет наглядно отображать наиболее чувствительные узлы ИС. Следует отметить, что эти данные не могут быть непосредственно использованы для количественных оценок параметров радиационной стойкости к воздействию ОЗЧ. При осуществлении данного метода для определения коэффициента пересчета энергии лазерного импульса в эквивалентные линейные потери энергии (ЛПЭ) ОЗЧ необходимо проведение калибровочных измерений на ускорителях ионов по крайней мере по двум-трем ионам с различными значениями ЛПЭ.

Способ, основанный на использовании остросфокусированного импульсного лазерного излучения, имеет ряд ограничений. В отличие от воздействия проникающего ионизирующего излучения, сфокусированное лазерное излучение не проходит сквозь металл, концентрация генерируемого в активной области ИС заряда в значительной степени неоднородна, даже при малом числе слоев металлизации. Причины неоднородности генерации носителей заряда схематично поясняются чертежами. На Фиг. 1 цифрами показаны возможные характерные случаи попадания/прохождения лазерного луча:

1) попадание в металлизацию,

2) прохождение рядом с металлизацией,

3) попадание непосредственно в активный слой,

4) прохождение n+/p+ приповерхностного слоя,

5) прохождение области поликремния, расположенной в пассивирующем слое двуокиси кремния (SiO₂).

Отмеченная неравномерность генерации носителей заряда могла бы быть учтена путем построения математической модели, учитывающей каждый из отмеченных выше случаев, однако учет влияния пассивирующих слоев, таких как SiO₂, или используемых в качестве промежуточных соединений слоев поликремния на практике затруднен отсутствием информации об их толщинах и заменяется введением обобщенных коэффициентов ослабления. При отражении и поглощении лазерного излучения в таких слоях современных субмикронных ИС может теряться до 99% энергии импульса.

Ограничение, обусловленное экранирующим действием многослойной металлизации при исследовании ИПЭ со стороны активного слоя, становится критичным в случае, когда металлизация используется для планаризации поверхности ИС. Кроме того, исследования со стороны приборного слоя невозможны для ИС, выполненных по технологии Flip-Chip, то есть с перевернутым кристаллом.

Связанные с наличием металлизации на поверхности ИС ограничения могут быть практически сняты путем облучения ИС со стороны подложки, так как поглощение в кремнии, из которого сделана подложка, существенно снижается при длинах волн более 1 мкм, и значительная часть излучения проходит сквозь подложку (см. выше упомянутые обзоры).

Однако и в этом случае применение остросфокусированного лазерного излучения для тестирования ИС ограничено для определенных типов микросхем, для которых калибровка данных лазерных измерений требует применения ионов малой энергии (от 3 до 6 МэВ/нуклон). При использовании геометрии со стороны подложки (характерные толщины подложки современных СБИС составляют 600-800 мкм) калибровка на таких ионах оказывается невозможной в силу того, что их длины пробега в кремнии меньше толщины подложки.

Из сказанного выше видно, что основной причиной недостатков описанного подхода с применением остросфокусированного лазерного излучения является невозможность определения величины и неоднородности коэффициента оптических потерь и, соответственно, концентрации неравновесных носителей.

Предлагаемый способ проведения лазерных испытаний ИПЭ на радиационную стойкость к воздействию ОЗЧ направлен на получение эквивалентных значений линейных потерь энергии без проведения калибровочных измерений на источниках ионов, основанный на локальном лазерном облучении (диаметр лазерного пучка варьируется от единиц до сотен микрон). В данном способе оценка коэффициента оптических потерь и концентрации неравновесного заряда проводится на основании непосредственных измерений ионизационного отклика в цепи питания в выбранных чувствительных точках. Практически оценка доли энергии лазерного излучения, дошедшей до активного слоя ИС, заменяется экспериментальными измерениями импульсного отклика, пропорционального сгенерированному заряду. При этом автоматически учитывается неравномерность чувствительности ИС к воздействию ОЗЧ по площади кристалла.

Техническим результатом предложенного способа является возможность осуществления исследований радиационной стойкости ИС, в том числе имеющих многослойную металлизацию, без необходимости использования калибровки с помощью ускорителей ионов при оценке эквивалентных линейных потерь энергии.

Предложенный способ оценки стойкости интегральных микросхем к ОРЭ от воздействия высокоэнергетичных ОЗЧ, включает сканирование кристалла микросхемы лазерным излучением, выявление наиболее чувствительных к ОРЭ областей, определение пороговых значений энергии лазерного излучения, при которых в указанных областях возникают ОРЭ, и оценку эквивалентного значения ЛПЭ отдельных заряженных частиц для каждой чувствительной области, а также сечения ОРЭ, отличающийся тем, что кристалл микросхемы сканируют пучком лазерного излучения диаметром в пределах от 30 до 100 мкм в плоскости приборного слоя кристалла схемы с синхронной регистрацией наличия или отсутствия ОРЭ; в выявленных чувствительных областях определяют наиболее чувствительные узлы, в каждом из которых снимают зависимость пороговой энергии лазерного излучения возникновения ОРЭ от диаметра пятна лазерного излучения в пределах его изменения от минимально возможного до 200 мкм; каждую из полученных зависимостей аппроксимируют математической моделью, и из параметров модели определяют пороговую энергию приведенного к остросфокусированному лазерного излучения; в тех же чувствительных узлах регистрируют ионизационный отклик в цепи питания схемы при двух значениях энергии лазерного излучения и двух значениях сопротивления нагрузки, при этом диаметр пятна лазерного излучения выбирается из диапазона от 10 до 200 мкм; на основе анализа амплитудно-временных характеристик ионизационного отклика по расчетным номограммам определяют эффективные емкость и сопротивление кристалла схемы и эффективные длины собирания заряда для каждой чувствительной области; определяют коэффициент пересчета энергии лазерного излучения в эквивалентные значения ЛПЭ для пороговой энергии приведенного к остросфокусированному лазерного излучения; далее кристалл интегральной схемы последовательно сканируют лазерным пучком с фиксированным значением диаметра пятна, увеличивая энергию импульсов лазерного излучения от порога возникновения ОРЭ до энергии, при которой количество зарегистрированных за цикл сканирования ОРЭ практически перестает расти (насыщается); для каждого значения энергии определяют эффективное значение ЛПЭ и соответствующее ему сечение ОРЭ, строят зависимость сечений ОРЭ от эффективных значений ЛПЭ и определяют величину сечения насыщения.

Преимущества способа локального облучения в сравнении с применением острой фокусировки поясняются чертежами. На примере многослойной структуры, схематично представленной в разрезе на Фиг. 2, хорошо видны отличия. При известном способе облучения ИПЭ остросфокусированным лазерным излучением исследуемый образец располагается в области пучка, где падающие лучи практически параллельны (Фиг. 2а). При «локальном» облучении образец располагается на некотором расстоянии от фокальной плоскости в расходящемся пучке (см. Фиг. 2б). В этом случае, помимо непосредственного прямого прохождения, благодаря расходимости лазерного пучка и таким эффектам, как однократное и множественные отражения, рассеяние, дифракция, вторичные отражения от границы воздух-SiO₂, интерференция, частичное поглощение в слоях n+/p+ поликремния и отражение от дна подложки, возникает возможность проникновения лазерного излучения в чувствительный объем, даже если ИС имеет многослойную металлизацию. В предлагаемом способе вместо сфокусированного пятна микронных размеров (от 2 до 3 мкм) область локального облучения обычно имеет диаметр от 30 до 200 мкм.

Предлагаемый способ расчетно-экспериментальной оценки радиационной стойкости интегральных схем к воздействию ОЗЧ, основанный на локальном лазерном облучении, базируется на расчетных соотношениях, поясняемых ниже.

Основные расчетные соотношения

При использовании лазерного излучения, обеспечивающего относительно равномерное однофотонное поглощение на глубине нескольких десятков микрон, эквивалентная величина ЛПЭ при остросфокусированном излучении определяется соотношением [А.И. Чумаков «Взаимосвязь эквивалентных значений линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц и энергии сфокусированного лазерного излучения», Микроэлектроника. Т. 40, №3, 2011, С. 163-169]:

, (1)

где α₀ - коэффициент межзонного поглощения лазерного излучения; J_пор.(0) - пороговое значение энергии импульса лазерного излучения, вызывающего ОРЭ, приведенное к остросфокусированному излучению (диаметр пучка D → 0); R_λ - коэффициент отражения от поверхности ИС; K_оп. - коэффициент потерь лазерного излучения на оптических неоднородностях (слои металлизации и поликремния), ρ - плотность полупроводника; ε_i - потери энергии ОЗЧ при пролете через полупроводник, приведенные к одной рожденной электронно-дырочной паре (3,6 эВ - для кремния); hν - энергия фотона лазерного излучения; - коэффициент пропорциональности между ЛПЭ и энергией лазерного излучения, который в общем случае зависит от длины волны лазерного излучения и параметров полупроводниковой структуры.

Для измерения амплитуды ΔU и длительности на полувысоте ΔТ_1/2 ионизационного отклика используется схема регистрации, представленная на Фиг. 3а, где исследуемая микросхема отображена в виде единого светочувствительного р-n перехода (фотодиода) с эквивалентной емкостью C_in и внутренним сопротивлением R_in; R_t сопротивление токосъемного резистора, регистрируются амплитуда сигнала отклика ΔU и длительность импульса на полувысоте ΔТ_1/2 (см. Фиг. 3б). При этом амплитуда сигнала может быть выражена как:

где е - модуль заряда электрона; g₀ - скорость генерации носителей заряда (4,3⋅10¹³ пар/(рад⋅см³); J_u - энергия импульса лазерного излучения при измерении ионизационного отклика; - коэффициент потерь лазерного излучения на оптических неоднородностях при регистрации ионизационного отклика, С - суммарная емкость, учитывающая C_in и C_l, где C_l - эквивалентная емкость внешних измерительных цепей; L_{e max} - эффективная длина собирания заряда.

Объединяя формулы (1) и (2), получаем:

Учитывая, что в соответствии с предложенной методикой (а) коэффициенты потерь лазерного излучения для локального и сфокусированного лазерного излучения равны, так как измерения ионизационной реакции проводятся в той же области кристалла, где наблюдется ОРЭ; и (б) вместо отношения ΔU/J_u может быть использовано усредненное соотношение<ΔU/J>(обосновано ниже), после подстановки констант расчетная формула эквивалентных ЛПЭ применительно к локальному облучению принимает вид:

Заявленный способ, основанный на локальном облучении ИС с использованием лазерных имитаторов, аналогичных описанным в патентах на полезную модель на основе лазерных установок, генерирующих короткие импульсы пико- [RU 168496 U1, опубликованный 06.02.2017] и фемтосекундного - [RU 169301 U1, опубликованный 14.03.2017] диапазона длительностей, предполагает алгоритм проведения испытаний образца ИПЭ на стойкость к ОРЭ, сущность которого поясняется чертежами. На Фиг. 4 представлены основные этапы проведения испытаний в условиях локального облучения как (при наличии такой возможности) со стороны активного слоя, так и со стороны подложки.

На первом этапе для выявления областей кристалла, чувствительных к ОРЭ, производится предварительное сканирование кристалла образца локальным импульсным лазерным излучением с диаметром пятна облучения D₀ от 30 до 100 мкм с шагом D₀/2. При этом поддерживается типичный для появления в образце ОРЭ (рекомендуемое значение от 100 до 500 нДж, соответственно) уровень энергии в импульсе излучения. Затем, в случае обнаружения множественных (более 3-х) ОРЭ, уровень энергии лазерного излучения последовательно с каждым сканированием понижается с целью выявления за несколько итераций не менее 3 наиболее чувствительных к ОРЭ областей кристалла. При отсутствии зарегистрированных ОРЭ энергию последовательно повышают вплоть до уровней плотности энергии лазерного излучения, которые примерно в 2 раза ниже предельной плотности энергии физического повреждения кристалла лазерным излучением (около 500 нДж для диаметра пятна облучения 30 мкм). Далее, для локализации чувствительных узлов проводят сканирование выявленных ранее чувствительных к ОРЭ областей кристалла, при этом диаметр пятна и энергию в импульсе постепенно уменьшают. На основании полученных данных определяют координаты точек, для которых пороговая энергия возникновения ОРЭ минимальна. В случае если кристалл испытываемого образца идентичен кристаллу образца той же партии, испытанному ранее, допускается использовать полученную ранее информацию о координатах областей, обладающих наименьшей пороговой энергией возникновения ОРЭ.

На втором этапе для каждой выявленной на предыдущем этапе чувствительной точки определяется зависимость пороговой энергии в импульсе лазерного излучения от диаметра пятна для получения пороговой энергии ОРЭ J_пор.(0) приведенного к остросфокусированному лазерного излучения, а также параметры оптимальной фокусировки: D_ио и Е_{ио,макс} - диаметр пятна и максимальная энергия лазерного излучения, используемые в дальнейшем на этапе регистрации ионизационного отклика (ИО). Для этого осуществляют следующие процедуры (см. блок справа сверху на Фиг. 4):

1) Измерение зависимости энергии лазерного излучения J_пор.(D), вызывающей ОРЭ, от диаметра пятна лазерного излучения D (см. Фиг. 5).

2) Полученная зависимость J_пор.(D) аппроксимируется математической моделью прямоугольной чувствительной области, проводится итерационный подбор параметров модели для минимизации среднеквадратичного отклонения.

3) Для определения оптимального диаметра пятна и максимальной энергии ЛИ для измерения ионизационного отклика проводится сравнение экспериментальных данных с аппроксимирующей зависимостью J_{пор.аппрокс.}(D) и выбирается оптимальное значение D_ио и соответствующее ему значение Е_{ио,макс} (точка наилучшего совпадения экспериментальных данных и аппроксимирующей зависимости).

4) Далее на основании экстраполяции аппроксимирующей зависимости J_{пор.аппрокс.}(D) в область малых D определяется пороговая энергия лазерного излучения, приведенного к остросфокусированному J_пор.(0).

Полученные во всех чувствительных точках значения J_пор.(0) усредняются для последующего использования средней величины при расчете эквивалентных значений на завершающем этапе.

На третьем этапе устанавливается связь между энергией лазерного импульса и избыточным зарядом, реально генерируемым в чувствительном объеме, что позволяет избежать дополнительной калибровки по ионам. Для оценки коэффициента оптических потерь регистрируются осциллограммы ионизационного отклика в цепи питания в каждой из выбранных ранее на этапе 1 точек с использованием параметров оптимальной фокусировки, определенных на этапе 2.

При этом исследуемый образец ИС подключается к измерительной цепи по схеме фотодиода с нулевым напряжением смещения, при этом образец включается без подачи напряжения питания (все входы объединяются с выводами питания, все общие выводы объединяются и подключаются к заземляющему выводу, выходные и двунаправленные линии не подключаются), а параметры R_t и измерительной цепи подбираются так, чтобы длительность наблюдаемого отклика лежала в диапазоне от 20 нс до 1 мкс. Измерения проводятся при двух значениях токосъемного резистора R_t. В диапазоне линейности изменения амплитуды U ионизационной реакции от величины энергии лазерного излучения J получают усредненную величину пропорциональности между амплитудой реакции и энергией лазерного излучения <∆U/J> (В/Дж) в каждой выбранной точке. После чего находится усредненное значение, используемое при последующем расчете эквивалентных значений ЛПЭ.

Из полученных осциллограмм ионизационного отклика в каждой из выбранных точек определяются длительности импульса на полувысоте ΔТ_1/2. Затем рассчитывается среднее значение <ΔТ_1/2> по выбранным точкам, используемое на следующем этапе.

На четвертом этапе проводится расчетно-экспериментальная оценка эффективных значений емкости C_i и сопротивления R_i кристалла схемы по расчетным номограммам на основе анализа и усреднения амплитудно-временных характеристик ионизационного отклика. Для этого в каждой из выбранных точек:

1) По расчетной номограмме зависимости длительности импульса ионизационной реакции на полувысоте ΔТ_1/2 в подложках n- и p-типов от величины эквивалентной постоянной времени RC при заданной длительности лазерного импульса по измеренной на предыдущем этапе ΔТ_1/2 определяется эквивалентная постоянная времени RC;

2) По полученной величине RC и значениям сопротивления токосъемного резистора рассчитываются значения эквивалентного сопротивления R_i и эквивалентной емкости C_i.

На пятом этапе по результатам усреднения значений, полученных на предыдущем этапе, находится величина <RC>, которая используется для оценки максимальной длины собирания заряда L_{e_макс.} по расчетным номограммам изменения максимальной длины собирания заряда в подложках n- и p-типов от величины RC схемы [А.И. Чумаков «Взаимосвязь эквивалентных значений линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц и энергии сфокусированного лазерного излучения», Микроэлектроника. Т. 40, №3, 2011, С. 163-169].

На шестом этапе по расчетной формуле (4) определяется эквивалентное значение линейных потерь энергии .

На седьмом этапе (на Фиг. 4 не отображен, так как в целом последовательность действий на данном этапе аналогична применяемой при использовании способа, взятого за прототип) для определения сечения насыщения по ОРЭ производится сканирование кристалла образца локальным импульсным лазерным излучением с диаметром оптического пятна не более 50 мкм (с учетом технологических проектных норм и размеров кристалла) и уровнем энергии, соответствующим эквивалентным значениям ЛПЭ более 60 МэВ см²/мг (определяется из полученной усредненной оценки значений пороговых ЛПЭ и соответствующей энергии лазерного излучения) и регистрируется N_ОРЭ - общее количество ОРЭ, зарегистрированное при сканировании области образца площадью S, в течение которого общее количество произведенных лазерных импульсов равно

Сечение по ОРЭ при каждом значении энергии лазерного импульса определяют из соотношения:

[см2] (5)

Заявляемый способ был реализован (применен) при испытаниях более 100 различных типов ИС (СБИС) различной степени интеграции (с техпроцессами от 2 мкм до 65 нм). В зависимости от типа испытываемого объекта локальное облучение применялось как со стороны активного слоя, так и со стороны подложки. Полученные заявленным способом оценки параметров радиационной стойкости к ОРЭ многократно сопоставлялись с результатами тестирования сфокусированным пучком (в тех случаях, когда это было возможным) с последующей калибровкой по измерениям на ионах. В чертежах приведены два примера результатов применения заявленного способа в сравнении с результатами испытаний ранее известными способами.

На Фиг. 6 приведены результаты испытаний 8-ми канального 12-ти разрядного АЦП фирмы National Semiconductors при облучении сфокусированным лазерным излучением с последующей калибровкой по ионам, позволяющие оценить эквивалентное значение ЛПЭ L_z ≈ 15 МэВ⋅см²/мг. Независимые испытания заявленным способом локального облучения также со стороны активного слоя (на врезках Фиг. 6 показаны временная форма ионизационного отклика и экспериментальная зависимость пороговой энергии лазерного излучения от диаметра пятна облучения) дали величину L_z = (10±5) МэВ⋅см²/мг, рассчитанную на основании только лазерных измерений, близкую к упомянутой выше.

На Фиг. 7 приведены результаты испытаний тестовой структуры, представляющей собой 8 блоков ячеек 6-ти транзисторной памяти, выполненные по 90-нм технологическому процессу. Пунктиром показана аппроксимированная зависимость сечения тиристорного эффекта, полученная на основании данных сканирований сфокусированным лазерным пучком сквозь подложку с учетом калибровки по результатам облучения вышеуказанными ионами со стороны приборного слоя (так как длина проникновения указанных ионов меньше толщины подложки), дающая возможность оценить эквивалентное пороговое значение ЛПЭ L_z ≈ 5 МэВ⋅см²/мг. Для сравнения на врезках Фиг. 7 показаны временная форма ионизационного отклика и экспериментальная зависимость пороговой энергии лазерного излучения от диаметра пятна облучения, полученные при испытаниях этого объекта заявленным способом локального облучения сквозь подложку, которые дали величину L_z = (4±2) МэВ⋅см²/мг.

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ расчетно-экспериментальной оценки радиационной стойкости интегральных схем к воздействию отдельных заряженных частиц, основанный на локальном лазерном облучении, обладает явными преимуществами, в особенности, при его применении сквозь подложку. В отличие от выступающего в качестве прототипа способа с применением сфокусированного лазерного излучения, заявленный способ позволяет получить корректные оценки параметров радиационной стойкости без калибровочных измерений на пучках ионов.

Заявленный способ по совокупности признаков является уникальным для проведения лазерных испытаний радиационной стойкости ИПЭ на основе Si к воздействию отдельных заряженных частиц.