eng
Выпуск #1/2017
Ю.Московская
Общий методический подход к оценке радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе
Общий методический подход к оценке радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе
Просмотры: 4705
Разработан и обоснован общий методический подход к оценке радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе. Проанализированы основные особенности БИС на БМК в части задач обеспечения и оценки их радиационной стойкости, обобщены доминирующие радиационные эффекты в БИС на БМК.
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.50.59
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.50.59
Теги: gate array integrated circuit radiation resistance базовый кристалл интегральная схема радиационная стойкость
Базовые матричные кристаллы (БМК) представляют собой универсальные кристаллы-заготовки, расположенные на полупроводниковой пластине. Базовые элементы (КМОП) располагаются на кристалле в узлах прямоугольной матрицы. При изготовлении рабочих микросхем используют единый набор фотошаблонов для всех структурных элементов, за исключением слоев коммутации. Изготовление конкретной БИС на БМК осуществляется путем коммутации КМОП-транзисторов с помощью однослойной или многослойной разводки.
Основным преимуществом полузаказных БИС на БМК по сравнению с эквивалентными заказными микросхемами является значительное сокращение сроков проектирования и изготовления изделий, прежде всего за счет использования специализированных САПР и относительно малого числа дополнительных технологических операций, обеспечивающих реализацию конкретной микросхемы на готовой полупроводниковой "базе".
БИС на БМК характеризуются следующими особенностями:
фиксированной геометрической структурой полупроводниковых областей, существенно упрощающей автоматическое размещение и трассировку элементов;
малым числом дополнительных фотошаблонов, значительно сокращающим затраты при производстве БИС;
развитой библиотекой логических элементов и типовых схемотехнических решений, что заметно упрощает процесс разработки логического проекта, уменьшает время и повышает качество проектирования;
наличием в составе некоторых БМК как цифровых, так и цифро-аналоговых и аналоговых элементов.
Применение полузаказных БИС на БМК в аппаратуре космических и ядерных комплексов требует обеспечения и оценки радиационной стойкости изделий в ходе их проектирования и изготовления. Оценка радиационной стойкости БИС основана на рациональном (необходимом и достаточном) объеме испытаний с обеспечением необходимой информативности путем учета доминирующих радиационных эффектов, а также параметров-критериев годности, режимов и условий работы БИС.
ДОМИНИРУЮЩИЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В БМК И ПОЛУЗАКАЗНЫХ БИС НА ИХ ОСНОВЕ
В БМК и полузаказных БИС на их основе доминируют следующие виды радиационных эффектов:
дозовые ионизационные эффекты при воздействиях гамма-частиц, электронов и протонов;
ионизационные эффекты мощности дозы при воздействии гамма-импульса;
эффекты структурных повреждений при воздействии нейтронов и протонов;
локальные ионизационные эффекты при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ).
В БИС, реализованных в рамках наноразмерных КМОП-процессов, при дозовом воздействии ионизирующего излучения наблюдается [1–4] возникновение радиационно-индуцированных токовых утечек по цепи питания вследствие накопления зарядов в "толстом" изолирующем окисле, сдвиги пороговых напряжений МОП-транзисторов (этот эффект менее значим для современных микросхем), деградация крутизны (подвижности) и подпорогового размаха передаточной характеристики. При этом с уменьшением проектных норм доминирующим механизмом деградации КМОП-элементов становятся радиационно-индуцированные токи утечки.
Характерной особенностью объемных КМОП-технологий является наличие двух составляющих радиационно-индуцированного тока утечки – межтранзисторной и внутритранзисторной, которые обусловлены наличием "толстых" диэлектрических слоев (как правило, Shalow-Tranch-Isolation). При импульсных воздействиях возникают эффекты мощности дозы: тиристорный эффект, катастрофический отказ, "просадка" – падение напряжения в цепи питания вследствие протекания мощных импульсных радиационно-индуцированных токов.
КМОП-структуры имеют низкую чувствительность к эффектам структурных повреждений вследствие того, что активные элементы используют основные носители заряда [5].
Воздействие ОЯЧ может приводить к эффектам катастрофических отказов и тиристорным эффектам, а также к одиночным сбоям [6, 7], возникающим в регистрах ячеек памяти и других последовательностных устройствах. Специфичным классом радиационных эффектов, имеющим важное значение для БИС на БМК с уменьшением проектных норм и, как следствие, ростом предельных частот функционирования, являются цифровые "иголки" (Digital SET) – кратковременные помехи на линиях, которые приводят к ложным переключениям триггера или пропускам тактового сигнала [8–10]. Такие "иголки" могут быть внешними и внутренними. Внешние "иголки" представляют опасность для микросхем, подключенных непосредственно к выводам БМК, и могут нарушить работу устройства в целом. Внутренние "иголки" в асинхронных схемах могут изменить логику работы устройства в БМК и повлиять на работоспособность. Если комбинационная схема, в которой возникла "иголка", оканчивается запоминающим элементом, то возможно "ложное" переключение триггера. "Иголки" характеризуются амплитудой и длительностью импульса. Типовые длительности для КМОП-процессов 90–130 нм составляют от 100 до 2 000 пс.
ОБЩАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ БМК И БИС НА ИХ ОСНОВЕ
Целями оценки радиационной стойкости могут являться как аттестация конструктивно-технологической платформы БМК (технологического процесса и средств проектирования БИС на его основе) для прогнозирования (гарантирования) типовых (ожидаемых) и предельных уровней стойкости готовых изделий, так и квалификация готовых БИС на БМК (зашивок) в части обеспечения заданных уровней радиационной стойкости или оценки их стабильности и запаса. Основной задачей при организации оценки радиационной стойкости БИС на БМК является обеспечение рационального сочетания информативности и технико-экономической эффективности испытаний с целью гарантирования эксплуатационных характеристик при приемлемых временных и финансовых затратах.
Объектами испытаний и оценки радиационной стойкости могут являться следующие элементы:
совокупность базовой конструкции и библиотеки элементов БМК в форме специальной тестовой зашивки, наиболее информативно-характеризующей свойства и характеристики БМК (по сути, имитатор БМК для испытаний) и называемой типовой оценочной схемой (ТОС) (жаргонное название – "нулевая зашивка"). Требования к составу и принципы формирования ТОС описаны в [11, 12];
конкретная полузаказная БИС на БМК (жаргонное название – "рабочая зашивка"), выполняющая лишь заданную функцию и использующая, как правило, только часть библиотечных элементов БМК.
Следует отметить, что в современной инженерной практике, как правило, проводят квалификационные испытания ТОС при завершении ОКР на создание БМК, после чего выполняют контроль каждой партии пластин с "базой" в объеме требований подгруппы "Е" ОСТ В 11 0998 (ОСТ В 11 1010) по результатам испытаний той же ТОС. Результаты контроля распространяют на все зашивки БМК, изготовленные в рамках контролируемой производственной партии "базы".
Радиационную стойкость цифровых БМК определяют следующие основные критериальные параметры:
функционирование;
статические электрические параметры, включая выходные напряжения (при соответствующей нагрузке), токи утечки и токи потребления (статические и динамические);
динамические параметры, включая задержки распространения, времена выборки, предельные рабочие частоты, зависимости типа минимального напряжения питания от частоты и пр.;
наличие и пороги тиристорных эффектов (ТЭ) и катастрофических отказов (КО).
В ходе разработки методики радиационных испытаний проводят выбор наиболее радиационно-чувствительных критериальных параметров с целью уменьшения объемов измерений и контроля работоспособности без потери информативности.
Наиболее ресурсоемкие процедуры проектирования, производства и аттестации выполняются на этапе освоения БМК и распространяются на полузаказные БИС на их основе. Эксплуатационные параметры БИС определяются параметрами БМК и подтверждаются квалификационными испытаниями. В целях подтверждения указанных в технической документации параметров проводится проверка опытной партии аттестационной БИС и выпускаются групповые технические условия [13].
Если заданный (требуемый) уровень радиационной стойкости БИС на БМК соответствует без запаса нормативному уровню стойкости, указанному в ТУ, то в общем случае для обеспечения необходимого уровня гарантий следует проводить контрольные радиационные испытания каждой рабочей зашивки БМК. Основные подходы к функциональному контролю БИС на БМК в процессе радиационных испытаний приведены в таблице.
Оба представленных подхода к функциональному контролю БИС на БМК являются довольно ресурсоемкими, так как для каждой рабочей зашивки БИС требуется выполнить полный цикл подготовки и проведения радиационных испытаний.
Вместе с тем, если в ходе радиационных испытаний ТОС, изготовленных в рамках общей производственной партии БМК, при контроле партий пластин (подгруппа Е по ОТУ) или, в будущем, периодических испытаниях (радиационные испытания в составе периодических не предусмотрены действующими ОТУ на микросхемы интегральные, но предполагаются к введению в их новых редакциях) обеспечивается достаточный запас фактически определенного уровня радиационной стойкости ТОС относительно нормативного уровня БМК, и при этом ТОС задействует все библиотечные элементы, используемые в составе рабочей зашивки, при необходимых полноте и информативности их контроля, то допустимо распространить результаты радиационных испытаний ТОС на соответствующую рабочую зашивку БИС. Это позволит существенно сократить расходы на производство и обеспечить повышение технико-экономических показателей продукции. Следует отметить, что такой подход применим для всех типов полузаказных БИС, изготовленных в рамках данной производственной партии пластин, а после введения радиационных испытаний в состав периодических – для всех партий пластин, изготовленных в подконтрольный период, на которые допустимо распространить полученные результаты испытаний ТОС.
Радиационные испытания БИС на БМК проводятся методами, установленными ГОСТ РВ 5962-004.10-2012, в радиационно-испытательных центрах на аттестованных установках по программе-методике, оформленной в установленном порядке. Целесообразно обеспечить рациональное сочетание использования имитирующих и моделирующих установок, при котором основной объем радиационных испытаний проводится на имитаторах (рентгеновских, лазерных), а дозиметрическое обеспечение осуществляют на основе калибровки на моделирующих установках (изотопных гамма-источниках, установках тормозного гамма-излучения, ускорителях заряженных частиц). При этом регулярный характер полупроводниковых областей в составе кристалла БМК, единые нормы плотности металлизации и, главное, единство испытываемой ТОС значительно упрощают калибровку и допускают распространение ее результатов на более широкий набор испытываемых изделий [14, 15].
Наиболее перспективным для оперативных оценки и прогнозирования радиационной стойкости БМК и БИС на их основе в условиях разработки и производства представляется проведение радиационных испытаний и исследований кристаллов ТОС, а в необходимых случаях и рабочих зашивок, без их корпусирования с использованием автоматизированных рабочих мест на основе лазерных и рентгеновских имитаторов, зондовых станций и комплектов универсального автоматизированного измерительного оборудования [16]. Структура автоматизированного зондового комплекса, широко используемого автором в практике испытаний, представлена на рисунке.
На этапе разработки БМК осуществляются разработка или адаптация технологии изготовления, обеспечивающей требования ТЗ, в том числе по радиационной стойкости, разработка функциональных ячеек, разработка (в качестве типового представителя) аттестационной ИС, включающей все базовые ячейки и позволяющей подтвердить в результате квалификационных испытаний заданные в ТЗ параметры [17].
Обеспечение и оценка радиационной стойкости в ходе проектирования БМК требуют проведения моделирования, экспериментальных исследований и, при необходимости, доработки библиотек стандартных элементов с учетом данных о радиационной стойкости. В качестве элементов, дополняющих стандартные компоненты набора средств проектирования, необходимы SPICE-модели с радиационными параметрами, правила проектирования для обеспечения сохранения показателей стойкости и достоверности используемых для прогнозирования моделей, библиотеки радиационно-стойких элементов, а также радиационно-стойкие параметризированные ячейки [18, 19].
Таким образом, создание ТОС для оценки и прогнозирования радиационной стойкости всех узлов и блоков БМК, а также ее радиационные испытания и исследования с обеспечением необходимых информативности и достоверности являются обязательными элементами базового маршрута проектирования БМК и БИС на их основе.
В процессе изготовления БМК и БИС на их основе необходимо поддерживать уровень качества, установленный при квалификации изделия с соблюдением порядка мероприятий по контролю стабильности технологических процессов в части обеспечения радиационной стойкости [11]. Последний включает следующие основные мероприятия:
контроль РС изделий на непрерывной или периодической основе по результатам испытаний ТОС;
статистический контроль технологического процесса и встроенный в процесс контроля показателей радиационной стойкости с использованием ТОС и параметрических мониторов.
Контроль качества и радиационной стойкости изделий может проводиться на периодической основе при следующих условиях:
реализован непрерывный встроенный в процесс контроль обеспечения радиационной стойкости на основе испытаний параметрических мониторов на пластине с использованием зондовых установок или испытаний корпусированных тестовых структур;
установлены корреляционные показатели для тестовых элементов, ТОС и готовых изделий;
имеется достаточный запас по фактическому уровню стойкости изделий, определенный по результатам радиационных испытаний и исследований ТОС, относительно нормативного уровня стойкости БМК;
реализуется ритмичный график выпуска партий изделий, и объем партий достаточен для статистически точной оценки результатов испытаний.
В случае невыполнения перечисленных выше условий следует осуществлять непрерывный контроль производственных партий, то есть контролировать каждую партию пластин по подгруппам Е1, Е2, Е3 в соответствии с ОСТ В 11.0998-99 или ОСТ В 11 1010-2001.
ВЫВОДЫ
Разработан и обоснован общий методический подход к оценке радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе, который заключается в обеспечении необходимого состава контрольно-испытательных мероприятий, включая создание и радиационные испытания типовой оценочной схемы, проводимых на этапах проектирования и изготовления БМК и БИС на их основе. Благодаря этому обеспечивается рациональное сочетание достоверности и информативности оценки (гарантий) радиационной стойкости с технико-экономической эффективностью производства изделий.
Проанализированы основные особенности БИС на БМК в части обеспечения и оценки их радиационной стойкости, кратко обобщены доминирующие радиационные эффекты в БИС на БМК.
Представлены основные элементы общей методики оценки радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе, описан порядок выбора объектов испытаний (ТОС или рабочие зашивки), кратко рассмотрено испытательное оборудование с акцентом на возможности радиационных испытаний кристаллов БИС без их корпусирования, отмечены особенности дозиметрического сопровождения, в частности, относительная простота калибровки для БИС на БМК.
Отмечены содержание и основные этапы работ по оценке радиационной стойкости БИС на БМК на этапах проектирования и изготовления.
Реализация предлагаемых общеметодических подходов и комплекса мероприятий позволяет обеспечить востребованность и конкурентоспособность БИС на БМК для применения в аппаратуре с повышенными требованиями к радиационной стойкости.
Автор выражает свою признательность А.Ю.Никифорову, А.Н.Денисову, А.В.Улановой, В.В.Коняхину за ценные консультации и помощь в подготовке статьи.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. – М.: Радио и связь, 1994. 164 с.
Таперо К.И., Улимов В.Н., Членов А.М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. – М., 2009. 246 с.
Калашников О.А., Уланова А.В. Радиационные эффекты в цифровых микросхемах. Доминирующие радиационные эффекты в элементах ИС. Радиационная стойкость изделий ЭКБ : Научн. изд. / Под ред. проф. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ "МИФИ", 2015. С. 315–360.
Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K., Egorov A.N., Gromov D.V. Selection of optimal parameters of laser radiation for simulating ionization effects in silicon bulk-technology microcircuits // Russian Microelectronics. 2014. Vol. 43. № 2. P. 133–138.
Kalashnikov O.A. Statistical variations of integrated circuits radiation hardness // 12th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2011, Sevilla, Spain, Sept. 19–23. 2011. P. 661–664.
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. С. 45–51.
Чумаков А.И., Васильев А.Л., Козлов А.А., Кольцов Д.О., Криницкий А.В., Печенкин А.А., Тарараксин А.С., Яненко А.В. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства // Микроэлектроника, 2010. Т. 39. № 2. С. 85–90.
Chumakov A.I., Pechenkin A.A., Egorov A.N., Mavritsky O.B., Baranov S.V., Vasil’ev A.L., Yanenko A.V. Estimating IC susceptibility to single-event latchup // Russian Microelectronics. 2008. Vol. 37, № 1. P. 41–46.
Chumakov A.A., Pechenkin D.V., Savchenkov A.G., Yanenko A.V., Kessarinskiy L.N., Nekrasov P.V., Sogoyan A.V., Tararaksin A.I., Vasil’ev A.L., Anashin V.S., Chubunov P.A. Compendium of SEE comparative results under ion and laser irradiation // 14th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2013, Oxford, United Kingdom, Sept. 23–27. Article number 6937390.
Savchenkov D.V., Chumakov A.I., Petrov A.G., Pechenkin A.A., Egorov A.N., Mavritskii O.B. Yanenko A.V. Study of SEL and SEU in SRAM using different laser techniques // 14th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2013, Oxford, United Kingdom. Sept. 23–27. Article number 6937411.
Московская Ю.М., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Никифоров А.Ю., Уланова А.В., Бобровский Д.В.
Состав и принцип формирования типовой оценочной схемы для оценки радиационной стойкости базовых матричных кристаллов и полузаказных бис на их основе // Наноиндустрия. 2017. № 1(71). С. 60–69.
Московская Ю.М., Сорокоумов Г.С., Бобровский Д.В., Никифоров А.Ю., Уланова А.В., Денисов А.Н., Сницар В.Г., Жуков А.А. Рациональный состав типовой оценочной схемы для контроля радиационной стойкости партий пластин базовых матричных кристаллов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016 : Сб. тр. / Под общ. ред. акад. А.Л.Стемпковского. – М.: ИППМ, 2016. Ч. IV. С. 153–157.
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серий базовых матричных // Известия высших учебных заведений. – МИЭТ. 2015. № 5. Т. 20. C. 497–504.
Artamonov A.S., Sangalov A.A., Nikiforov A.Y., Telets V.A., Boychenko D.V. The new gamma irradiation facility at the National Research Nuclear University MEPhI. 2014 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW 2014), Paris, France, Jul. 14–18, 2014. P. 258–261. Article number 7004600.
Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K. Physical principles of laser simulation for the transient radiation response of semiconductor structures, active circuit elements, and circuits: A nonlinear model // Russian Microelectronics. 2006. Vol. 35. No. 3. P. 138–149.
Елесин В.В., Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чуков Г.В. Комплекс методических, аппаратных и программных средств для автоматизированных исследований параметров полупроводниковых СВЧ ИС в условиях испытаний на радиационную стойкость // Спецтехника и связь. 2011. № 4–5. С. 28–32.
Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пос. / Под общ. ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Nikiforov A.Y., Sogoyan A.V. Modeling of high-dose-rate pulsed radiation effects in the parasitic MOS structures of CMOS LSI circuits //
Russian Microelectronics. 2004. Vol. 33. No. 2. P. 80–91.
Chumakov A.I. Modeling rail-span collapse in ICs exposed to a single radiation pulse // Russian Microelectronics. 2006. Vol. 35. № 3. P. 156–161.
Основным преимуществом полузаказных БИС на БМК по сравнению с эквивалентными заказными микросхемами является значительное сокращение сроков проектирования и изготовления изделий, прежде всего за счет использования специализированных САПР и относительно малого числа дополнительных технологических операций, обеспечивающих реализацию конкретной микросхемы на готовой полупроводниковой "базе".
БИС на БМК характеризуются следующими особенностями:
фиксированной геометрической структурой полупроводниковых областей, существенно упрощающей автоматическое размещение и трассировку элементов;
малым числом дополнительных фотошаблонов, значительно сокращающим затраты при производстве БИС;
развитой библиотекой логических элементов и типовых схемотехнических решений, что заметно упрощает процесс разработки логического проекта, уменьшает время и повышает качество проектирования;
наличием в составе некоторых БМК как цифровых, так и цифро-аналоговых и аналоговых элементов.
Применение полузаказных БИС на БМК в аппаратуре космических и ядерных комплексов требует обеспечения и оценки радиационной стойкости изделий в ходе их проектирования и изготовления. Оценка радиационной стойкости БИС основана на рациональном (необходимом и достаточном) объеме испытаний с обеспечением необходимой информативности путем учета доминирующих радиационных эффектов, а также параметров-критериев годности, режимов и условий работы БИС.
ДОМИНИРУЮЩИЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В БМК И ПОЛУЗАКАЗНЫХ БИС НА ИХ ОСНОВЕ
В БМК и полузаказных БИС на их основе доминируют следующие виды радиационных эффектов:
дозовые ионизационные эффекты при воздействиях гамма-частиц, электронов и протонов;
ионизационные эффекты мощности дозы при воздействии гамма-импульса;
эффекты структурных повреждений при воздействии нейтронов и протонов;
локальные ионизационные эффекты при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ).
В БИС, реализованных в рамках наноразмерных КМОП-процессов, при дозовом воздействии ионизирующего излучения наблюдается [1–4] возникновение радиационно-индуцированных токовых утечек по цепи питания вследствие накопления зарядов в "толстом" изолирующем окисле, сдвиги пороговых напряжений МОП-транзисторов (этот эффект менее значим для современных микросхем), деградация крутизны (подвижности) и подпорогового размаха передаточной характеристики. При этом с уменьшением проектных норм доминирующим механизмом деградации КМОП-элементов становятся радиационно-индуцированные токи утечки.
Характерной особенностью объемных КМОП-технологий является наличие двух составляющих радиационно-индуцированного тока утечки – межтранзисторной и внутритранзисторной, которые обусловлены наличием "толстых" диэлектрических слоев (как правило, Shalow-Tranch-Isolation). При импульсных воздействиях возникают эффекты мощности дозы: тиристорный эффект, катастрофический отказ, "просадка" – падение напряжения в цепи питания вследствие протекания мощных импульсных радиационно-индуцированных токов.
КМОП-структуры имеют низкую чувствительность к эффектам структурных повреждений вследствие того, что активные элементы используют основные носители заряда [5].
Воздействие ОЯЧ может приводить к эффектам катастрофических отказов и тиристорным эффектам, а также к одиночным сбоям [6, 7], возникающим в регистрах ячеек памяти и других последовательностных устройствах. Специфичным классом радиационных эффектов, имеющим важное значение для БИС на БМК с уменьшением проектных норм и, как следствие, ростом предельных частот функционирования, являются цифровые "иголки" (Digital SET) – кратковременные помехи на линиях, которые приводят к ложным переключениям триггера или пропускам тактового сигнала [8–10]. Такие "иголки" могут быть внешними и внутренними. Внешние "иголки" представляют опасность для микросхем, подключенных непосредственно к выводам БМК, и могут нарушить работу устройства в целом. Внутренние "иголки" в асинхронных схемах могут изменить логику работы устройства в БМК и повлиять на работоспособность. Если комбинационная схема, в которой возникла "иголка", оканчивается запоминающим элементом, то возможно "ложное" переключение триггера. "Иголки" характеризуются амплитудой и длительностью импульса. Типовые длительности для КМОП-процессов 90–130 нм составляют от 100 до 2 000 пс.
ОБЩАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ БМК И БИС НА ИХ ОСНОВЕ
Целями оценки радиационной стойкости могут являться как аттестация конструктивно-технологической платформы БМК (технологического процесса и средств проектирования БИС на его основе) для прогнозирования (гарантирования) типовых (ожидаемых) и предельных уровней стойкости готовых изделий, так и квалификация готовых БИС на БМК (зашивок) в части обеспечения заданных уровней радиационной стойкости или оценки их стабильности и запаса. Основной задачей при организации оценки радиационной стойкости БИС на БМК является обеспечение рационального сочетания информативности и технико-экономической эффективности испытаний с целью гарантирования эксплуатационных характеристик при приемлемых временных и финансовых затратах.
Объектами испытаний и оценки радиационной стойкости могут являться следующие элементы:
совокупность базовой конструкции и библиотеки элементов БМК в форме специальной тестовой зашивки, наиболее информативно-характеризующей свойства и характеристики БМК (по сути, имитатор БМК для испытаний) и называемой типовой оценочной схемой (ТОС) (жаргонное название – "нулевая зашивка"). Требования к составу и принципы формирования ТОС описаны в [11, 12];
конкретная полузаказная БИС на БМК (жаргонное название – "рабочая зашивка"), выполняющая лишь заданную функцию и использующая, как правило, только часть библиотечных элементов БМК.
Следует отметить, что в современной инженерной практике, как правило, проводят квалификационные испытания ТОС при завершении ОКР на создание БМК, после чего выполняют контроль каждой партии пластин с "базой" в объеме требований подгруппы "Е" ОСТ В 11 0998 (ОСТ В 11 1010) по результатам испытаний той же ТОС. Результаты контроля распространяют на все зашивки БМК, изготовленные в рамках контролируемой производственной партии "базы".
Радиационную стойкость цифровых БМК определяют следующие основные критериальные параметры:
функционирование;
статические электрические параметры, включая выходные напряжения (при соответствующей нагрузке), токи утечки и токи потребления (статические и динамические);
динамические параметры, включая задержки распространения, времена выборки, предельные рабочие частоты, зависимости типа минимального напряжения питания от частоты и пр.;
наличие и пороги тиристорных эффектов (ТЭ) и катастрофических отказов (КО).
В ходе разработки методики радиационных испытаний проводят выбор наиболее радиационно-чувствительных критериальных параметров с целью уменьшения объемов измерений и контроля работоспособности без потери информативности.
Наиболее ресурсоемкие процедуры проектирования, производства и аттестации выполняются на этапе освоения БМК и распространяются на полузаказные БИС на их основе. Эксплуатационные параметры БИС определяются параметрами БМК и подтверждаются квалификационными испытаниями. В целях подтверждения указанных в технической документации параметров проводится проверка опытной партии аттестационной БИС и выпускаются групповые технические условия [13].
Если заданный (требуемый) уровень радиационной стойкости БИС на БМК соответствует без запаса нормативному уровню стойкости, указанному в ТУ, то в общем случае для обеспечения необходимого уровня гарантий следует проводить контрольные радиационные испытания каждой рабочей зашивки БМК. Основные подходы к функциональному контролю БИС на БМК в процессе радиационных испытаний приведены в таблице.
Оба представленных подхода к функциональному контролю БИС на БМК являются довольно ресурсоемкими, так как для каждой рабочей зашивки БИС требуется выполнить полный цикл подготовки и проведения радиационных испытаний.
Вместе с тем, если в ходе радиационных испытаний ТОС, изготовленных в рамках общей производственной партии БМК, при контроле партий пластин (подгруппа Е по ОТУ) или, в будущем, периодических испытаниях (радиационные испытания в составе периодических не предусмотрены действующими ОТУ на микросхемы интегральные, но предполагаются к введению в их новых редакциях) обеспечивается достаточный запас фактически определенного уровня радиационной стойкости ТОС относительно нормативного уровня БМК, и при этом ТОС задействует все библиотечные элементы, используемые в составе рабочей зашивки, при необходимых полноте и информативности их контроля, то допустимо распространить результаты радиационных испытаний ТОС на соответствующую рабочую зашивку БИС. Это позволит существенно сократить расходы на производство и обеспечить повышение технико-экономических показателей продукции. Следует отметить, что такой подход применим для всех типов полузаказных БИС, изготовленных в рамках данной производственной партии пластин, а после введения радиационных испытаний в состав периодических – для всех партий пластин, изготовленных в подконтрольный период, на которые допустимо распространить полученные результаты испытаний ТОС.
Радиационные испытания БИС на БМК проводятся методами, установленными ГОСТ РВ 5962-004.10-2012, в радиационно-испытательных центрах на аттестованных установках по программе-методике, оформленной в установленном порядке. Целесообразно обеспечить рациональное сочетание использования имитирующих и моделирующих установок, при котором основной объем радиационных испытаний проводится на имитаторах (рентгеновских, лазерных), а дозиметрическое обеспечение осуществляют на основе калибровки на моделирующих установках (изотопных гамма-источниках, установках тормозного гамма-излучения, ускорителях заряженных частиц). При этом регулярный характер полупроводниковых областей в составе кристалла БМК, единые нормы плотности металлизации и, главное, единство испытываемой ТОС значительно упрощают калибровку и допускают распространение ее результатов на более широкий набор испытываемых изделий [14, 15].
Наиболее перспективным для оперативных оценки и прогнозирования радиационной стойкости БМК и БИС на их основе в условиях разработки и производства представляется проведение радиационных испытаний и исследований кристаллов ТОС, а в необходимых случаях и рабочих зашивок, без их корпусирования с использованием автоматизированных рабочих мест на основе лазерных и рентгеновских имитаторов, зондовых станций и комплектов универсального автоматизированного измерительного оборудования [16]. Структура автоматизированного зондового комплекса, широко используемого автором в практике испытаний, представлена на рисунке.
На этапе разработки БМК осуществляются разработка или адаптация технологии изготовления, обеспечивающей требования ТЗ, в том числе по радиационной стойкости, разработка функциональных ячеек, разработка (в качестве типового представителя) аттестационной ИС, включающей все базовые ячейки и позволяющей подтвердить в результате квалификационных испытаний заданные в ТЗ параметры [17].
Обеспечение и оценка радиационной стойкости в ходе проектирования БМК требуют проведения моделирования, экспериментальных исследований и, при необходимости, доработки библиотек стандартных элементов с учетом данных о радиационной стойкости. В качестве элементов, дополняющих стандартные компоненты набора средств проектирования, необходимы SPICE-модели с радиационными параметрами, правила проектирования для обеспечения сохранения показателей стойкости и достоверности используемых для прогнозирования моделей, библиотеки радиационно-стойких элементов, а также радиационно-стойкие параметризированные ячейки [18, 19].
Таким образом, создание ТОС для оценки и прогнозирования радиационной стойкости всех узлов и блоков БМК, а также ее радиационные испытания и исследования с обеспечением необходимых информативности и достоверности являются обязательными элементами базового маршрута проектирования БМК и БИС на их основе.
В процессе изготовления БМК и БИС на их основе необходимо поддерживать уровень качества, установленный при квалификации изделия с соблюдением порядка мероприятий по контролю стабильности технологических процессов в части обеспечения радиационной стойкости [11]. Последний включает следующие основные мероприятия:
контроль РС изделий на непрерывной или периодической основе по результатам испытаний ТОС;
статистический контроль технологического процесса и встроенный в процесс контроля показателей радиационной стойкости с использованием ТОС и параметрических мониторов.
Контроль качества и радиационной стойкости изделий может проводиться на периодической основе при следующих условиях:
реализован непрерывный встроенный в процесс контроль обеспечения радиационной стойкости на основе испытаний параметрических мониторов на пластине с использованием зондовых установок или испытаний корпусированных тестовых структур;
установлены корреляционные показатели для тестовых элементов, ТОС и готовых изделий;
имеется достаточный запас по фактическому уровню стойкости изделий, определенный по результатам радиационных испытаний и исследований ТОС, относительно нормативного уровня стойкости БМК;
реализуется ритмичный график выпуска партий изделий, и объем партий достаточен для статистически точной оценки результатов испытаний.
В случае невыполнения перечисленных выше условий следует осуществлять непрерывный контроль производственных партий, то есть контролировать каждую партию пластин по подгруппам Е1, Е2, Е3 в соответствии с ОСТ В 11.0998-99 или ОСТ В 11 1010-2001.
ВЫВОДЫ
Разработан и обоснован общий методический подход к оценке радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе, который заключается в обеспечении необходимого состава контрольно-испытательных мероприятий, включая создание и радиационные испытания типовой оценочной схемы, проводимых на этапах проектирования и изготовления БМК и БИС на их основе. Благодаря этому обеспечивается рациональное сочетание достоверности и информативности оценки (гарантий) радиационной стойкости с технико-экономической эффективностью производства изделий.
Проанализированы основные особенности БИС на БМК в части обеспечения и оценки их радиационной стойкости, кратко обобщены доминирующие радиационные эффекты в БИС на БМК.
Представлены основные элементы общей методики оценки радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе, описан порядок выбора объектов испытаний (ТОС или рабочие зашивки), кратко рассмотрено испытательное оборудование с акцентом на возможности радиационных испытаний кристаллов БИС без их корпусирования, отмечены особенности дозиметрического сопровождения, в частности, относительная простота калибровки для БИС на БМК.
Отмечены содержание и основные этапы работ по оценке радиационной стойкости БИС на БМК на этапах проектирования и изготовления.
Реализация предлагаемых общеметодических подходов и комплекса мероприятий позволяет обеспечить востребованность и конкурентоспособность БИС на БМК для применения в аппаратуре с повышенными требованиями к радиационной стойкости.
Автор выражает свою признательность А.Ю.Никифорову, А.Н.Денисову, А.В.Улановой, В.В.Коняхину за ценные консультации и помощь в подготовке статьи.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. – М.: Радио и связь, 1994. 164 с.
Таперо К.И., Улимов В.Н., Членов А.М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. – М., 2009. 246 с.
Калашников О.А., Уланова А.В. Радиационные эффекты в цифровых микросхемах. Доминирующие радиационные эффекты в элементах ИС. Радиационная стойкость изделий ЭКБ : Научн. изд. / Под ред. проф. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ "МИФИ", 2015. С. 315–360.
Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K., Egorov A.N., Gromov D.V. Selection of optimal parameters of laser radiation for simulating ionization effects in silicon bulk-technology microcircuits // Russian Microelectronics. 2014. Vol. 43. № 2. P. 133–138.
Kalashnikov O.A. Statistical variations of integrated circuits radiation hardness // 12th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2011, Sevilla, Spain, Sept. 19–23. 2011. P. 661–664.
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. С. 45–51.
Чумаков А.И., Васильев А.Л., Козлов А.А., Кольцов Д.О., Криницкий А.В., Печенкин А.А., Тарараксин А.С., Яненко А.В. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства // Микроэлектроника, 2010. Т. 39. № 2. С. 85–90.
Chumakov A.I., Pechenkin A.A., Egorov A.N., Mavritsky O.B., Baranov S.V., Vasil’ev A.L., Yanenko A.V. Estimating IC susceptibility to single-event latchup // Russian Microelectronics. 2008. Vol. 37, № 1. P. 41–46.
Chumakov A.A., Pechenkin D.V., Savchenkov A.G., Yanenko A.V., Kessarinskiy L.N., Nekrasov P.V., Sogoyan A.V., Tararaksin A.I., Vasil’ev A.L., Anashin V.S., Chubunov P.A. Compendium of SEE comparative results under ion and laser irradiation // 14th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2013, Oxford, United Kingdom, Sept. 23–27. Article number 6937390.
Savchenkov D.V., Chumakov A.I., Petrov A.G., Pechenkin A.A., Egorov A.N., Mavritskii O.B. Yanenko A.V. Study of SEL and SEU in SRAM using different laser techniques // 14th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2013, Oxford, United Kingdom. Sept. 23–27. Article number 6937411.
Московская Ю.М., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Никифоров А.Ю., Уланова А.В., Бобровский Д.В.
Состав и принцип формирования типовой оценочной схемы для оценки радиационной стойкости базовых матричных кристаллов и полузаказных бис на их основе // Наноиндустрия. 2017. № 1(71). С. 60–69.
Московская Ю.М., Сорокоумов Г.С., Бобровский Д.В., Никифоров А.Ю., Уланова А.В., Денисов А.Н., Сницар В.Г., Жуков А.А. Рациональный состав типовой оценочной схемы для контроля радиационной стойкости партий пластин базовых матричных кристаллов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016 : Сб. тр. / Под общ. ред. акад. А.Л.Стемпковского. – М.: ИППМ, 2016. Ч. IV. С. 153–157.
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серий базовых матричных // Известия высших учебных заведений. – МИЭТ. 2015. № 5. Т. 20. C. 497–504.
Artamonov A.S., Sangalov A.A., Nikiforov A.Y., Telets V.A., Boychenko D.V. The new gamma irradiation facility at the National Research Nuclear University MEPhI. 2014 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW 2014), Paris, France, Jul. 14–18, 2014. P. 258–261. Article number 7004600.
Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K. Physical principles of laser simulation for the transient radiation response of semiconductor structures, active circuit elements, and circuits: A nonlinear model // Russian Microelectronics. 2006. Vol. 35. No. 3. P. 138–149.
Елесин В.В., Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чуков Г.В. Комплекс методических, аппаратных и программных средств для автоматизированных исследований параметров полупроводниковых СВЧ ИС в условиях испытаний на радиационную стойкость // Спецтехника и связь. 2011. № 4–5. С. 28–32.
Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пос. / Под общ. ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Nikiforov A.Y., Sogoyan A.V. Modeling of high-dose-rate pulsed radiation effects in the parasitic MOS structures of CMOS LSI circuits //
Russian Microelectronics. 2004. Vol. 33. No. 2. P. 80–91.
Chumakov A.I. Modeling rail-span collapse in ICs exposed to a single radiation pulse // Russian Microelectronics. 2006. Vol. 35. № 3. P. 156–161.
Отзывы читателей
