Методы и средства исследования радиационных эффектов в интегральных схемах запоминающих устройств с использованием локального воздействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Яненко, Андрей Викторович

• Яненко, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яненко, Андрей Викторович

Глава 1 Проблемы оценки радиационной стойкости БИС ОЗУ.

1.1. Доминирующие радиационные эффекты.

1.2. Типовые уровни радиационной стойкости полупроводниковых приборов и интегральных схем и узлов на их основе.

1.3. Особенности проявления доминирующих радиационных эффектов в БИС ОЗУ.

1.4. Выводы.

Глава 2 Методы и средства локального радиационного воздействия на

БИС ОЗУ по эффектам объемной ионизации.

2.1. Оценка показателей радиационной стойкости БИС ОЗУ к импульсному ионизирующему излучению по объемным ионизационным эффектам по результатам испытаний на МУ и имитаторах.

2.2. Эффект просадки питания.

2.3. Моделирование эффекта «просадки» питания в БИС ОЗУ.

2.4. Выводы.

Глава 3 Исследование возможностей средств локального воздействия на

БИС ОЗУ по поверхностным радиационным эффектам.

3.1. Оценка показателей радиационной стойкости БИС ОЗУ к дозовым эффектам по результатам испытаний на МУ и имитаторах.

3.2. Методика локального радиационного воздействия.

3.3. Релаксация функциональных отказов.

3.4. Методика ускоренных испытаний «облучение-релаксация».

3.5. Выводы.

Глава 4 Исследования локальных радиационных эффектов в БИС ОЗУ

4.1. Оценка показателей радиационной стойкости БИС ОЗУ к локальным радиационным эффектам по результатам испытаний на МУ и имитаторах.

4.2. Экспериментальные исследования БИС ОЗУ на чувствительность к локальным радиационным эффектам.

4.3. Методика локального воздействия на имитирующих установках.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства исследования радиационных эффектов в интегральных схемах запоминающих устройств с использованием локального воздействия»

Диссертация направлена на решение важной научно-технической задачи по оценке,- прогнозированию и обеспечению радиационной стойкости интегральных схем. оперативных запоминающих устройств? (ОЗУ) при воздействии ионизирующих излучений (ИИ) искусственного и естественного происхождений ■ имеющей существенное значение для построения высоконадежных электронных устройств систем: управления военного, космического и другого спе-. циального назначения, улучшения , их функциональных и эксплуатационных'характеристик.

Актуальность темы диссертации

Технические и эксплуатационные: характеристики перспективных систем управления и контроля во многом обусловлены: электрическими, и. функциональными, характеристиками^ входящих в их состав оперативных запоминающих устройств - электронных узлов; реализующих; функции записи, хранения и считывания; информации? [1-3]. Запоминающие!устройства реализуются-в виде больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС): Основным, элементно-технологическим; базисом построения: БИС ЗУ в настоящее время является КМОП (на комплементарных метал-окисел-полупроводник (МОП) транзисторах) [4-6]. При этом отечественный?уровень технологии обеспечивает достижение: информационной емкости КМОП-БИС ОЗУ до 1 Мбит и постоянных ЗУ (ПЗУ) - до 4 Мбит [2].

Современные тактико-технические требования; предъявляемые;к:аппаратуре [3, 7-9] и, соответственно, к элементной базе систем управления специального назначения [2, ,3, 9-11] (ракетно-космической и другой; военной; техники, систем связи, а также физического' эксперимента), определяют условия;их эксплуатации при; радиационных воздействиях. При этом одними из наиболее уяз- -вимых элементов современных электронных систем к ИИ являются БИС ОЗУ вследствие реализации в них максимальной степени интеграции и сравнительно небольших уровней внутренних электрических помех для переключения отдельных ячеек памяти [5,6, 12].

Основными показателями стойкости БИС ОЗУ к ИИ являются (1) предельный уровень воздействия, при котором не происходит необратимых отказов БИС; (2) уровень сохранности информации (УСИ) - максимальный уровень воздействия, при котором обеспечиваются сбоеустойчивость - неискаженные хранение, считыванием запись (для,ОЗУ) заданного информационного кода; (3) уровень бессбойной работы (УБР) - максимальный уровень импульсного- ИИ, при котором все параметры БИС находятся в-заданных нормах, а также (4) частота возникновения сбоев и вероятность возникновения отказов в полях высо-коэнергетичных относительно тяжелых ядерных частиц.

Начало исследованиям по проблеме радиационной стойкости изделий электронной техники (ИЭТ) положено в середине 60-х годов' основные модельные представления о радиационных эффектах сформулированы в* работах [4, 5,ЛЗ-15], опубликованных в-70-х - начале 90-х годах. Выданный*период проблема обеспечения'радиационной стойкости ИЭТ считалась одной из приоритетных и решалась на государственном уровне. Следует отметить, что технический уровень микросхем памяти с момента опубликования указанных трудов претерпел качественные изменения и в настоящее время достиг функциональной и технологической сложности больших и сверхбольших БИС и СБИС с субмикронными размерами активных элементов. В, настоящее время развитие отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) и обеспечение ее радиационной стойкости является приоритетной государственной задачей [16], о чем свидетельствуют последние постановления директивных органов.

Особую важность развития номенклатуры и исследований БИС ОЗУ определяет то обстоятельство, что БИС ОЗУ с одной стороны образуют самостоятельный класс изделий в составе группы однородной продукции «Микросхемы интегральные». С другой стороны интегральные ОЗУ входят в состав многих более сложных устройств типа микропроцессоров, ПЛИС и т.п. и являются базовыми функциональными узлами в составе таких перспективных классов изделий микроэлектроники как многоканальные системы сбора и обработки данных, а также цифровые процессоры обработки сигнала. Именно на БИС ОЗУ отрабатываются, в первую очередь, многие перспективные схемно-технологические решения. Таким образом, представляется вполне обоснованным выбор БИС ОЗУ в качестве основного объекта исследований в диссертации.

Современный этап развития БИС памяти характеризуется следующим: повышение требований к тактико-техническим характеристикам аппаратуры специальных систем управления требует, с одной стороны, создания БИС запоминающих устройств большой информационной емкости, которые, очевидно, обладают повышенной чувствительностью к радиационным воздействиям (по сравнению с ИС малой степени интеграции), а с другой стороны - сверхстойких БИС запоминающих устройств для критических узлов систем управления; в условиях низких объемов микроэлектронного производства (в отдельных случаях на уровне отдельных производственных партий или количества, необходимого для проведения испытаний), его неритмичности и прерывистости требуется поиск новых решений в области повышения стабильности и рентабельности технологических процессов, разработки и внедрения новых высоко эффективных методов оценки, прогнозирования, обеспечения и контроля радиационной стойкости на всех этапах жизненного цикла изделий [17]; в условиях недостаточного развития российской микроэлектронной промышленности и невозможности производства БИС запоминающих устройств большой информационной емкости сложилась практика частичного комплектования узлов систем управления БИС ОЗУ иностранного' производства, для которых требуется подтверждение их радиационной стойкости. При этом, как правило, отсутствует информация о схемотехнике, особенностях технологии, топологических нормах проектирования, что делает практически невозможным применение методов расчетного моделирования для оценки радиационной стойкости этих БИС ОЗУ.

Используемые в практике радиационных испытаний на моделирующих установках методические и технические средства функционального и параметрического контроля, были эффективными только для ИС ОЗУ сравнительно малой степени интеграции, например, для регистровых ОЗУ с ограниченным количеством ячеек памяти. Глубокий функциональный контроль микросхем памяти сравнительно большой информационной емкости, в том числе, по критерию сохранности информации при испытаниях на моделирующих установках (МУ), как правило, не проводился, так как это было сопряжено с техническими трудностями дистанционного контроля в процессе облучения. Поэтому показатели PC БИС памяти, определенные по результатам традиционных радиационных испытаний на моделирующих установках, характеризовались недостаточно высокой информативностью. В настоящее время особенности применения современных БИС памяти в современных системах управления предопределяют необходимость расширения системы параметров-критериев, в частности введения динамических параметров, и повышения полноты функционального контроля при радиационных испытаниях.

Обеспечение радиационной стойкости БИС памяти на этапе проектирования и производства осуществлялось расчетно-экспериментальными методами на основе знаний о радиационном поведении отдельных элементов, без учета паразитных связей между ними, что было оправдано при невысокой степени интеграции разрабатываемых ИС памяти.

С повышением степени интеграции БИС памяти применение выработанных методов прогнозирования и обеспечения их радиационной стойкости ограничивается следующими основными факторами: резко повышается ресурсоемкость прямых расчетных методов вследствие увеличения числа элементов БИС; возрастает роль паразитных связей между всеми элементами, что проявляется в существенном усложнении характера радиационного поведения БИС памяти, влиянии на стойкость режима работы, информационного кода, частоты функционирования, условий применения; возрастает разброс стойкости между микросхемами даже одной партии вследствие проявления технологически не контролируемых паразитных связей между элементами и вспомогательными структурами; усиливается роль интегрирующих эффектов, обусловленных совокупной реакций отдельных, в том числе, и паразитных структур; затрудняется анализ влияния отдельных узлов и элементов БИС на уровень радиационной стойкости БИС в целом.

Перечисленные выше факторы обуславливают необходимость увеличения общего объема радиационных испытаний схем памяти и смещения информационного выхода испытаний в область исследований радиационного поведения в различных режимах функционирования и условиях применения, в том числе выявления особенностей радиационного поведения узлов и элементов БИС памяти.

Существующие в настоящие время методы и средства проведения радиационных испытаний, в том числе и с использованием МУ, базируются на применении ионизирующего воздействия на все электронное изделие [18, 19], что в ряде случаев затрудняет поиск и локализацию областей и структур БИС ОЗУ, приводящих к их отказам и сбоям;

- в ряде структур паразитные эффекты маскируются интегрированной ионизационной реакции всей БИС ОЗУ, что в ряде случаев может привести к недооценке этих эффектов при проведении.испытаний по традиционной методологии;

- алгоритмические тесты, применяемые для поиска и идентификации неисправностей в функциональных узлах БИС ОЗУ, как правило, оказываются неэффективными при проведении радиационных испытаний из-за резкого увеличения продолжительности их выполнения для современных БИС ОЗУ большого объема;

- в настоящее время реально отсутствуют методики идентификации наиболее чувствительных элементов и узлов, определяющих уровни радиационных отказов и сбоев БИС ОЗУ, что является заметным препятствием на пути выработки рекомендаций по повышению их радиационной стойкости.

На решение указанных задач по развитию методов и средств исследования радиационных эффектов в интегральных схемах (ИС) оперативных запоминающих' устройств (ОЗУ) с использованием локального воздействия и направлена диссертация.

Важность и актуальность темы диссертации отражена в «Основах политики Российской федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002, в соответствии с которыми создание ра-диационно-стойкой электронной компонентной базы отнесено к одной из приоритетных задач в области ее дальнейшего развития при разработке, производстве и применении в стратегически значимых системах.

Состояние исследований по проблеме.

Вопросам моделирования, оценки и прогнозирования радиационной стойкости БИС ОЗУ посвящены многочисленные работы к.ф-м.н. Полякова И.В. (ОАО «НПП «Сапфир») [20-22], Калинина А.В., к.т.н. Машевича П.Р. [9], Романова А.А. (ОАО «Ангстрем»), к.т.н. Герасимова Ю.М1, к.т.н. Григорьева Н.Г. (МИФИ) и других специалистов [4, 5, 23-30]. В трудах д.т.н. Петросянца К.О. и к.т.н. Харитонова И.А. [31-33] (МИЭМ) были разработаны методы электрического моделирования и предложены SPICE-модели сбоев отдельных ячеек памяти.

Отдельные вопросы по развитию методических и технических средств контроля параметров БИС ЗУ в процессе радиационного эксперимента на моделирующих установках (МУ) предложены к.т.н. Калашниковым О.А. (МИФИ) [34-36], к.т.н. Фигуровом B.C. и Емельяновым В.В. (ФГУП «НИИП») [37-41]. Глубокий функциональный контроль микросхем памяти сравнительно большой информационной емкости, в том числе, по критерию сохранности информации при испытаниях на МУ, как правило, не проводился, так как это было сопряжено с техническими трудностями дистанционного контроля в процессе облучения. Поэтому показатели радиационной стойкости БИС ОЗУ, определенные по результатам традиционных радиационных испытаний на МУ, характеризовались недостаточно высокой информативностью.

Имитационные методы радиационных испытаний (физические модели полупроводниковых элементов, методики и первые результаты имитационных испытаний) интегральных микросхем были развиты в работах д.т.н. Скоробога-това П.К. [42], д.т.н. Никифорова А.Ю. [20-22, 43, 44], д.т.н. Чумакова А.И. [4548], к.т.н. Барбашова В.М. [49], к.т.н. Калашникова 0,А.[35], Согояна А.В. [50, 51] (МИФИ), что обеспечило повышение объема испытаний, увеличения информативности функционального и параметрического контроля интегральных микросхем по сравнению с испытаниями на моделирующих установках. В работе Киргизовой А.В. [52] (МИФИ) было развиты методические и технические средства и проведено исследование радиационного поведения специальных ра-диационно-стойких КМОП КНС ОЗУ в зависимости от режима работы и влияния записанного информационного кода на уровень сохранности информации с целью повышения сбоеустойчивости этого класса ИС при воздействии импульсного ионизирующего излучения.

Однако, в условиях быстрого роста степени интеграции микросхем памяти, увеличения информационной емкости, расширения их функциональной номенклатуры, разработанные для имитационных испытаний методические и технические средства уже не обеспечивали достаточной эффективности и информационной полноты испытаний. Применяемые методики и средства исследований на момент начала работы над диссертацией были ориентированы на использование традиционных подходов при исследовании параметров радиационной стойкости ИС ОЗУ, а именно:

- радиационное воздействие осуществляется на БИС в целом, принимаются специальные меры по обеспечению равномерности ионизирующего воздействия на кристалл БИС [18,19];

-.оценка радиационной стойкости и исследования радиационного поведения параметров-критериев БИС ОЗУ делается на основе контроля ограниченного набора электрических (как правило, статических) параметров и функционального контроля БИС ОЗУ (как правило, упрощенного, с использованием гладких кодов);

- оценка радиационной стойкости и исследования радиационного поведения параметров-критериев БИС ОЗУ проводилась для ограниченного (как правило, только статический режим хранения и выборки данных) режимов функционирования БИС ОЗУ.

Таким образом, к началу диссертационной работы методики и средства идентификации наиболее чувствительных элементов и узлов ИС ОЗУ, определяющих уровни доминирующих радиационных отказов и сбоев в ИС ОЗУ с учетом проявления интегральных эффектов «просадки» питания при импульсном, стационарном ИИ и воздействии отдельных ядерных частиц были проработаны недостаточно, что является заметным препятствием на пути выработки рекомендаций по повышению их радиационной стойкости. Имеющиеся на момент начала работы аппаратно-программные средства эксперимента не обеспечивали возможности полноценного автоматизированного управления (в том числе и дистанционного для применения на моделирующих установках), tфункционального контроля и диагностирования их элементов и функциональных узлов на стойкость ко всем доминирующим радиационным эффектам (объемной и поверхностной ионизации, эффектам от отдельных ядерных частиц).

Целью диссертации является повышение эффективности существующих и разработка новых научно обоснованных методических и технических средств оценки показателей радиационной стойкости элементов и функциональных узлов БИС ОЗУ с помощью локального радиационного воздействия. Достижение данной цели позволит уточнить модели радиационных отказов и сбоев БИС ОЗУ, выявлять элементы и узлы, а также радиационные эффекты, определяющие радиационную стойкость микросхем памяти.

Указанная цель достигается решением в работе следующих задач:

- разработка и апробирование метода исследования БИС ОЗУ на основе импульсного расфокусированного (локального) лазерного излучения;

- анализ возможности использования локального лазерного излучения для определения чувствительных элементов и фрагментов БИС по эффектам объемной ионизации;

- анализ и разработка модели эффекта «просадки» питания в БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии;

- разработка и апробирование метода локального облучения БИС ОЗУ рентгеновским излучением; анализ и моделирование эффекта релаксации («отжига») функциональных отказов ячеек памяти БИС ОЗУ, вызванных дозовыми эффектами;

- разработка аппаратно-программных средств для проведения экспериментальных радиационных исследований БИС ОЗУ с помощью методик локального радиационного воздействия (средства воздействия, контроля параметров и алгоритмы функционального контроля БИС ОЗУ).

Научная новизна работы состоит в разработке:

- метода локального облучения импульсным локальным лазерным излучением для определения наиболее радиационно-чувствительных элементов и узлов;

- методик определения параметров чувствительности элементов и фрагментов БИС по эффектам объемной ионизации на основе предложенного метода локального лазерного излучения, исключающие влияния эффекта «просадки» питания;

- модели интегрированной ионизационной реакции в цепи питания БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии, учитывающей эффект «просадки» питания, которая позволяет прогнозировать уровни функциональных сбоев БИС ОЗУ по результатам исследования ионизационной реакции тока потребления;

- специализированного алгоритма функционального контроля БИС ОЗУ на основе псевдослучайного кода для использования при исследованиях функциональных отказов и сбоев при импульсном и стационарном ионизирующем воздействии;

- метода локального облучения рентгеновским излучением для определения наиболее радиационно-чувствительных элементов и узлов и оценки радиационной стойкости функциональных блоков БИС ОЗУ по поверхностным радиационным эффектам.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны методики и аппаратно-программные средства для исследований БИС ОЗУ различной организации и их функциональных блоков на стойкость к доминирующим радиационным эффектам (объемной и поверхностной ионизации, эффектам от отдельных ядерных частиц) на моделирующих и имитирующих установках с использованием локального воздействия. Разработанные методические и технические средства обеспечивают диагностирование функциональных и параметрических отказов БИС ОЗУ непосредственно в процессе и после ионизирующего воздействия и внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении испытаний БИС ОЗУ на МУ и имитаторах.

2. Разработана и апробирована расчетно-экспериментальная методика прогнозирования уровня функциональных отказов в БИС ОЗУ при низкой интенсивности по результатам ускоренных испытаний при высокой интенсивности стационарного ИИ на основе метода облучение-релаксация;

3. Разработан при участи автора имитационный стенд «Радон-9Ф» на основе сфокусированного лазерного излучения наносекундной длительности, который используется в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении испытаний на чувствительность БИС ОЗУ к тиристорным эффектам от воздействия отдельных ядерных частиц.

3. Впервые в России проведены испытания БИС ОЗУ на ускорителях протонов и имитирующих установках на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. С помощью разработанных автором средств выявлены причины отказа аппаратуры БВС-14М828 из состава изделия 14Ф137.

4. Полученные в диссертации результаты реализованы в нормативных документах, развивающих положения КГВС «Климат-7», в том числе, в РД В 319.03.22 - 97, РД В 319.03.24- 97, РД В 319.03.38-2000, РД В 2002.12, РД В 319.03.52-2004, ОСТ В 11 073.013 (ч.Ю) «Микросхемы интегральные. Методы испытаний на специальную стойкость и импульсную электрическую прочность».

5. Результаты диссертационной работы были использованы при написании учебного пособия МИФИ «Радиационные эффекты в БИС ОЗУ при воздействии импульсного ионизирующего излучения на моделирующей установке АРСА: Лабораторная работа»;

6. Результаты диссертации вошли в отчетные материалы по НИР и составным частям ОКР («Кашира», «Андромеда», «Хурал», «Колун», «Апликация», «Мурена», «Абонемент», «Маломерка», «Сверло С2», «Литературовед», «Лицей» и др.)[53-63], выполняемых по заказам Минобороны РФ, Росатома и предприятий оборонного комплекса.

7. Проведены испытания более 30 типов БИС ОЗУ различной организации отечественного и иностранного производства, в том числе КМОП БИС ОЗУ 1637РУ13, 537РУ30, 530РУ2ММ, 1637РУ1У, 537РУ6, 1637РУ1У, 1635РУ1,

1645РУ1У и других. По результатам испытаний оформлено более 35 протоколов испытаний, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Миландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС».

Результаты, выносимые на защиту:

1. Метод исследования БИС ОЗУ на основе импульсного локального (расфокусированного) лазерного излучения, который позволяет выявлять функциональные блоки и элементы, определяющие радиационную стойкость БИС ОЗУ, и оценить предельно достижимые уровни стойкости.

2. Методики поиска областей чувствительности БИС ОЗУ к тиристорным эффектами и определения параметров чувствительности элементов и фрагментов БИС ОЗУ по эффектам объемной ионизации, исключающие влияния эффекта «просадки» питания локального лазерного излучения.

3. Модель интегральной ионизационной реакции тока потребления БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии, которая позволяет учесть эффект «просадки» питания и прогнозировать уровень сохранности информации в БИС ОЗУ при воздействии импульсного ИИ с заданными амплитудно-временными характеристиками по результатам исследования ионизационной реакции в цепи питания микросхемы.

4. Метод локального воздействия рентгеновским излучением на БИС ОЗУ, который позволяет определять наиболее радиационно-чувствительные к поверхностным радиационным эффектам функциональные блоки БИС ОЗУ.

5. Расчетно-экспериментальная. методика прогнозирования уровня функциональных отказов БИС ОЗУ при низкой интенсивности ИИ по экспериментальным данным набора и релаксации функциональных отказов в блоке ячеек памяти при высокой интенсивности излучения.

6. Специализированный алгоритм функционального контроля БИС ОЗУ с использованием псевдослучайного кода, более эффективно выявляющий радиационные отказы в функциональных блоках БИС ОЗУ без увеличения времени выполнения теста и позволяющий в несколько раз повысить эффективность использовании времени облучения на моделирующей установке при исследовании локальных радиационных эффектов.

7. Результаты экспериментальных исследований радиационного поведения и испытаний основных типов отечественных КМОП БИС ОЗУ по объемный и дозовым эффектам, а также по эффектам от отдельных ядерных частиц, подтверждающие обоснованность предложенных методических и технических средств моделирования и прогнозирования радиационного поведения БИС ОЗУ.

8. Специализированные и адаптированные аппаратно-программные средства проведения функционального и электрического контроля БИС ОЗУ в ходе радиационных испытаний на моделирующих и имитирующих установках.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Российских научных конференциях, в том числе "Радиационная стойкость электронных систем" (Лыткарино, 2002-2008 гг.); "Электроника, микро- и на-ноэлектроника" (г.Кострома 2003 г., г.Вологда 2005 г., г.Гатчина 2006 г.), на научных сессиях МИФИ (Москва, 1999-2008 гг.); на зарубежных конференциях: XVII Международный Симпозиум по ядерной электронике JINES-97 (г. Варна, 15-21 сент., 1997), «Radiation and its Effects on Components and Systems» (RADECS) (Греция, 2006 г.), 9th Workshop on Electronics for LHC Experiments (Нидерланды, 2003 г.), Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NSREC) (США, 1996, 1997).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в более чем 35 работах, в том числе в 13 (в период с 2003 по 2008 гг.), 8 без соавторов, 2 в реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 146 страниц, в том числе 68 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 108 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Яненко, Андрей Викторович

4.4. Выводы

1. Анализ экспериментальных данных, полученных автором при исследовании локальных радиационных эффектов в ИС, показывает, что при воздействии высокоэнергетических ядерных частиц на БИС ОЗУ основными радиационными эффектами являются одиночные сбои и тиристорный эффект (эффект «защелкивания»). Потенциально возможные эффекты типа «залипших» битов в ходе многочисленных экспериментальных исследований для БИС ОЗУ разного уровня интеграции обнаружены не были.

2. Современные методики радиационных исследований БИС ОЗУ по локальным радиационным эффектам с использованием источников ядерных частиц подразумевают воздействие на БИС в целом, при этом затруднена идентификация наиболее чувствительных элементов и узлов. Альтернативная методика, основанная на применении сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности, имеет ограничения, связанные с экранировкой слоями металлизации, которая для современных СБИС может превышать 90%.

3. В работах автора была показана принципиальная возможность использования локального лазерного облучения вместо сфокусированного, при этом снижается влияние металлизации и увеличивается производительность сканирование кристалла при определении наиболее чувствительных областей. Анализ ионизационной реакции в полупроводниковых структурах БИС ОЗУ при воздействии локального лазерного излучения различного диаметра показывает, что зависимость пороговой энергии лазерного излучения от диаметра пятна будет практически постоянной, если размеры лазерного пятна не превышают размеров чувствительной области. При увеличении диаметра лазерного пятна изменение пороговой энергии излучения будет близко к квадратичной зависимости для эффектов одиночных сбоев и описываться линейной функцией для эффектов «защелкивания». Автором предложены инженерные модели чувствительных областей для эффектов одиночных сбоев и «защелкиваний», с помощью которых удается хорошо описать полученные экспериментальные результаты.

4. Проведенное при участии автора численное двумерное моделирование типовых тестовых структур для эффектов одиночных сбоев и защелкиваний показывает применимость предложенных инженерных моделей. Впервые показана и обоснована возможность использования локального лазерного излучения наносекундной длительности при оценке параметров чувствительности БИС ОЗУ по тиристорному эффекту. Адекватность расчетного моделирования подтверждена при исследовании тиристорного эффекта в специально разработанной тестовой структуре. Численное моделирование и экспериментальные результаты показывают, что наиболее чувствительная область паразитной тиристорной структуры расположена около границы п-кармана.

5. Впервые проведен комплекс экспериментальных исследований локальных радиационных эффектов в ряде БИС ОЗУ на лазерной установке со сфокусированным излучением. Подтверждено, что наиболее чувствительные области к тиристорному эффекту размещаются на краях карманов КМОП БИС ОЗУ.

6. Результаты проведенных автором экспериментальных исследований показали в ряде случаев завышение более чем на порядок значений пороговых энергий, полученных при однородном лазерном облучении по сравнению с локальным воздействием. Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии корреляции между уровнями сбоев БИС ОЗУ при воздействии однородного по кристаллу БИС импульсного ионизирующего излучения и отдельных ядерных частиц. Следовательно, результаты испытаний БИС ОЗУ на импульсных моделирующих установках или имитаторах, нельзя использовать для оценки пороговых линейных потерь энергии заряженных частиц по эффектам сбоев и тиристорному эффекту.

7. Разработан и апробирован автором автоматизированный экспериментальный комплекс для проведения исследований БИС ОЗУ на стойкость к эффектам от отдельных ядерных частиц на моделирующих и имитирующих установках. В состав разработанного комплекса входят специализированный блок функционального контроля, средства управления удаленным доступом, и специализированная программная среда для проведения функционального и электрического контроля БИС ОЗУ. Разработанный автором специализированный алгоритм функционального контроля дает повышение эффективности использования времени пучка частиц примерно на 40% при возможности за один цикл обращений к накопителю БИС ОЗУ выявлять одиночные сбои и функциональные отказы в ячейках памяти. Разработанный комплекс и алгоритм успешно апробированы при проведении испытаний БИС ОЗУ на ускорителях протонов на базе ПИЯФ и ИТЭФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом диссертации являлось решение актуальной научно-технической задачи по по развитию методов и средств исследования радиационных эффектов в интегральных схемах (ИС) оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) с использованием локального воздействия, имеющей существенное значение для оценки, прогнозирования и обеспечения радиационной стойкости БИС ОЗУ, что необходимо для построения высоконадежных электронных устройств систем управления военного, космического и другого специального назначения, улучшения их функциональных и эксплуатационных характеристик.

Проведенный обобщенный анализ проблемной ситуации позволил констатировать отсутствие к началу диссертационной работы методик и средств идентификации наиболее чувствительных элементов и узлов, определяющих уровни радиационных отказов и сбоев в ИС ОЗУ, что является заметным препятствием на пути выработки рекомендаций по повышению их радиационной стойкости.

Поэтому целью диссертации являлось повышение эффективности существующих и разработка новых научно обоснованных методических и технических средств оценки показателей радиационной стойкости элементов и функциональных узлов БИС ОЗУ с помощью локального радиационного воздействия.

Основные научные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Предложен и разработан метод локального облучения БИС ОЗУ на основе импульсного расфокусированного лазерного излучения, позволяющий выявлять наиболее радиационно-чувствительные фрагменты и функциональные блоки БИС ОЗУ по эффектам объемной ионизации. На основе предложенного метода разработана и апробирована' базовая методика, которая позволяет исключить эффект «просадки» питания и в десятки раз повысить эффективность сканирования кристалла при поиске областей, чувствительных к сбоям и тири-сторным эффектам.

2. Разработана и апробирована модель для описания интегральной ионизационной реакции в цепи питания БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии, которая учитывает эффект «просадки» питания и позволяет прогнозировать уровень сохранности информации в. БИС ОЗУ при воздействии импульсного ИИ по результатам исследования ионизационной реакции тока потребления. Проведен анализ и моделирование-эффекта «просадки» питания в БИС ОЗУ при импульсном ионизирующем воздействии, в результате которого выявлено, что эффект «просадки» питания является доминирующим механизмом, приводящим к функциональным сбоям БИС ОЗУ. Установлено, что внешне эффект «просадки» питания» в БИС ОЗУ проявляется через насыщение зависимости амплитуды импульсного тока потребления от уровня воздействия и локализацию области адресов ячеек памяти, для которых Показано, что из-за влияния эффекта «просадки» могут маскироваться-, тиристорные. эффекты в БИС ОЗУ, поэтому использование интегрального импульсного ионизирующего воздействия для «отбраковки» БИС ОЗУ по чувствительности к тиристорному эффекту от отдельных ядерных частиц может приводить к неверным результатам.

3. Проведен анализ и расчетно-экспериментальное моделирование эффектов объемной ионизации при воздействии локального лазерного излучения' на элементы БИС ОЗУ, в результате которого показана применимость локального лазерного излучения для определения параметров чувствительности элементов и фрагментов БИС ОЗУ по эффектам объемной ионизации.

4. Предложен, разработан и апробирован метод локального воздействия рентгеновским излучением, который позволяет экспериментально определять функциональные блоки БИС ОЗУ с наименьшей радиационной стойкостью.

5. Предложен, разработан и апробирован специализированный алгоритм функционального контроля БИС ОЗУ на основе псевдослучайного кода для использования при исследованиях функциональных отказов и сбоев от отдельных ядерных частиц, а также при* импульсном и стационарном ионизирующем воздействии, который обладает большей способностью выявления радиационных отказов в функциональных блоках БИС ОЗУ по сравнению с тестами, использующими гладкие и регулярные коды, без увеличения времени выполнения теста, позволяет в несколько раз повысить эффективность использовании времени облучения на моделирующей установке при исследовании одиночных эффектов.

Основной практический результат диссертации заключается в разработке аппаратно-программных средств и методик для исследований БИС ОЗУ и их функциональных блоков на стойкость к доминирующим радиационным эффектам с использованием локального воздействия на имитирующих установках. Разработанные методические и технические средства обеспечивают диагностирование функциональных и параметрических отказов современных БИС ОЗУ непосредственно в процессе и после ионизирующего воздействия и внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении испытаний БИС ОЗУ на моделирующих установках и имитаторах.

Частные практические результаты работы и их реализация:

1. При участи автора разработан имитационный стенд «Радон-9Ф» на основе сфокусированного лазерного излучения наносекундной длительности, который используется в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении испытаний на чувствительность БИС ОЗУ к тиристорным эффектам от воздействия отдельных ядерных частиц.

2. Проведено экспериментальное исследование, анализ и моделирование эффекта релаксации («отжига») функциональных отказов ячеек памяти БИС ОЗУ, вызванных поверхностными ионизационными эффектами, в результате которого установлено, что в некоторых случаях число функциональных отказов БИС ОЗУ является-функцией сдвига порогового напряжения МОП-транзистора. Разработана расчетно-экспериментальная методика прогнозирования функциональных отказов в БИС ОЗУ при низкой интенсивности по экспериментальным данным набора и релаксации функциональных отказов, полученным при относительно высокой интенсивности.

3. Проведены испытания более 30 типов БИС ОЗУ различной организации отечественного и иностранного производства, в том числе КМОП БИС ОЗУ 1637РУ13, 537РУ30, 530РУ2ММ, 1637РУ1У, 537РУ6, 1637РУ1У, 1635РУ1, 1645РУ1У и других. По результатам испытаний оформлено более 35 протоколов испытаний, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Миландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС». Впервые в России проведены испытания БИС ОЗУ на ускорителях протонов и имитирующих установках на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. С помощью разработанных автором средств выявлены причины отказа аппаратуры БВС-14М828 из состава изделия 14Ф137.

4. Результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по ряду НИР и составным частям ОКР («Кашира», «Андромеда», «Хурал», «Колун», «Апликация», «Мурена», «Абонемент», «Маломерка», «Сверло С2», «Литературовед», «Лицей» и др.), выполняемых по заказам Минобороны РФ, Роса-тома и предприятий оборонного комплекса, реализованы в нормативных документах, развивающих положения КГВС «Климат-7», в том числе, в РД В 319.03.22 - 97, РД В 319.03.24 - 97, РД В 319.03.38-2000, РД В 2002.12, РД В 319.03.52-2004, ОСТ В 11 073.013 (ч.Ю) «Микросхемы интегральные. Методы испытаний на специальную стойкость и импульсную электрическую прочность», были использованы при написании учебного пособия МИФИ.

Таким образом, в ходе работы над диссертацией достигнута ее основная цель, а именно повышена эффективность существующих и разработаны новые научно обоснованные методические и технические средства оценки показателей радиационной стойкости элементов и функциональных узлов БИС ОЗУ с помощью локального радиационного воздействия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яненко, Андрей Викторович, 2009 год

1. Концепция развития изделий микроэлектроники военного и специального назначения на период до 2005 года / Ю.И.Степанов, М.И.Критенко, С.А.Малюдин и др. Мытищи: 22 ЦНИИИ МО, 1999. - 43 с.

2. Критенко М.И., Малюдин С.А., Телец В.А. Развитие элементной базы средств связи и вычислительной техники и современное состояние электронной промышленности // Научная сессия МИФИ-2000: Сб. научн. трудов,Т.1. -М.:МИФИ, 2000. С.75-76.

3. Антимиров В.М. Тенденции развития элементной базы и архитектуры перспективных ЦВС // Ракетно-космическая техника. 1987. - сер. XI. - Вып. 4. — С. 30-37.

4. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 256 с.

5. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. М.: Радио и связь, 1994. - 164 с.

6. Radiation Design Handbook. European Space Agency. ESTEC, Noordwijk, the Ne-derlands, 1993.-444p.

7. Антимиров В.М. Развитие архитектуры высоконадежных управляющих вычислительных систем // Проектирование и изготовление МЭА. Сер. 10. Микроэлектронные устройства: сб. науч. тр. / ЦНИИ Электроника. М., 1988 . - Вып. 2 (271). - С.7-15.

8. Антимиров В.М. Особенности построения магистрально-модульных вычислительных систем // Ракетно-космическая техника. 1990. - Вып. 1. - С.5-11.

9. Ачкасов В.Н., Антимиров В.М. Машевич П.Р. Особенности реализации современных вычислительных комплексов для бортовых систем управления // Космонавтика и ракетостроение. 2005. - №18. - С.45-51.

10. ОСТ В 11 998-99. Микросхемы интегральные. Общие технические условия. -Мытищи: 22 ЦНИИИ МО, 2000. 138 с.

11. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.

12. Ionizing Radiation Effects in MOS devices and Circuits/ ed. by T.P.Ma and P.V.Dressendorfer. New York: J.Willey & Songs, 1989. - 608 p.

13. Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Атомиздат, 1969. - 312 с.

14. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 256 с.

15. ОСТ 11.073.013-03. Часть (10). Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Испытания на стойкость к воздействию специальных факторов и импульсную электрическую прочность.

16. Nikiforov A.Y., Poljakov I.V. Test CMOS/SOS RAM for Transient Radiation Upset Comparative Research and Failure Analysis // IEEE Trans, on Nuclear Science. -1995. Vol.NS-42. - No.6. - PP.2138-2142.

17. Nikiforov A.Y., Poljakov I.V. CMOS/SOS RAM Transient Radiation Upset and "Inversion" Effect Investigation // IEEE Transaction on Nuclear Science. — 1996. -Vol.NS-43. No.6. - PP.2659-2664.

18. Деревянко Ю.Б., Липский A.K. Влияние предварительной дозы гамма-облучения на сбоеустойчивость БИС ОЗУ // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика радиационного воздействия на РЭА. 2003. Вып.1-2. - С.41-44.

19. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.А. Математические модели элементов интегральной электроники. -М.: Сов.радио, 1976. - 304 с.

20. Петросянц К.О., Харитонов И.А. Модели МДП и биполярных транзисторов для схемотехнических расчетов БИС с учетом радиационного воздействия // Микроэлектроника. 1994. - Т.23. -Вып.1. - С.21-34.

21. Харитонов И. А. Разработка и исследование схемотехнических моделей элементов радиационно-стойких МДП БИС: Диссертация на соискание ученой степени к-та техн. наук. М., 1998. - 155 с.

22. Особенности контроля функционирования БИС в ходе радиационных испытаний / Калашников О.А., Никифоров А.Ю., Демидов А.А., Яненко А.В. // Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-98». — М., 1998. Вып.1. -С.111-112.

23. Калашников О.А. Методы исследования и проектирования цифровой электронной аппаратуры, функционирующей в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения. Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н. М.:МИФИ, 1994.-205 с.

24. Система комплексного имитационного моделирования полупроводниковых приборов и интегральных схем СКИМ / А.С.Артамонов, В.Ф.Герасимов,

25. A.Ю.Никифоров и др. // Электронная промышленность. -1996. № 2. - С. 16-19.

26. Метод измерений вольт-амперных характеристик паразитных тиристорных структур, возбуждаемых в КМОП ИС при воздействии фактора И2 / Байков

27. B.В., Фигуров B.C., Демидов А.А., Кобызев Г.Н. // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика радиационного воздействия на РЭА. 1999. - Вып.3-4.1. C.68-72.

28. Таперо К.И., Емельянов В.В. Исследования одиночных событий в КМОП СБИС СОЗУ емкостью 1 Мбит при воздействии тяжелых заряженных частиц // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика радиационного воздействия на РЭА. -2001.-Вып.3-4. С.85-89.

29. Таперо К.И., Емельянов В.В. Исследования сбоеустойчивости микросхем статических ОЗУ и АЦП при воздействии импульсного ионизирующего излучения // Вопросы атомной науки и техники, сер. Физика радиационного воздействия на РЭА. 2001. - Вып.3-4. - С.91-94.

30. Скоробогатов П.К. Расчетно-экспериментальное моделирование воздействия импульсных гамма и рентгеновских излучений на кремниевые ППП и ИС: Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук. — М.:МИФИ, 1999. — 401 с.

31. Никифоров А.Ю. Моделирование эффектов воздействия испульсного ионизирующего излучения в интегральных преобразователях информации на кремниевых и карбидкремниевых структурах: Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук. М., 2003. - 256 с.

32. Исследование чувствительности элементов цифровых БИС к одиночным сбоям на лазерной фокусирующей установке / Белянов А.А., Исаев М.П., Новиков С.Г., Чумаков А.И. // Спец. электроника. Серия 3. Микроэлектроника. 1991. -Вып.1. - С.42-43.

33. Чумаков А.И. Методы и средства моделирования доминирующих радиационных эффектов в интегральных схемах при воздействии высокоэнергетичных ядерных частиц: Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук. -М., 1998.-270 с.

34. Барбашов В.М. Специализированные оперативно запоминающие устройства бортовых цифровых вычислительных машин с повышенной радиационной стойкостью: автореферат диссертации на соискание ученой степени к-та техн. наук. М., 1998.-20 с.

35. Согоян А.В. Прогнозирование стойкости КМОП ИС к совместному воздействию стационарного ионизирующего излучения и температуры: Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н. М.:МИФИ, 1997. - 187 с.

36. Согоян А.В., Киргизова А.В., Куркович А.И. Исследование радиационной реакции тестовых структур КМОП БИС ОЗУ // Радиационная стойкость электронных систем "Стойкость-2004". М.:СПЭЛС, 2004. - Вып.7. - С.99-100.

37. Киргизова А.В. Прогнозирование эффектов функциональных сбоев в микросхемах запоминающих устройств на структурах «кремний-на-сапфире» при импульсных ионизирующих воздействиях. Диссертация на соиск. уч. ст. к.т.н. -М.:МИФИ, 2007. 220 с.

38. Проведение расчетно-экспериментальных исследований для эффектов воздействия от первичного излучения. Отчет за 3-й этап по НИР "Сверло-С2" / Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Артамонов А.С., Яненко А.В. и др. М.гЭНПО СПЭЛС, 2008. - 96 с.

39. Проведение обобщений результатов испытаний интегральных схем и полупроводниковых приборов по перечню №3. Отчет за 3-й этап по НИР «Истра-7ЭС-С» / Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Артамонов А.С., Яненко А.В. и др. -М.:ЭНПО СПЭЛС, 2008. 31 с.

40. Holmes-Siedle A., Adams L. Handbook of Radiation Effects. N.Y.: Oxford University Press, 1993.-479p.

41. Мырова Л.О., Попов В.Д., Верхотуров В.И. Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений. М.: Радио и связь, 1993. - 268 с.

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

43. Chumakov A.I., Yanenko A.V. Radiation and Postirradiation Functional Upsets in a CMOS SRAM // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1996. - Vol.NS-43. - No.6. -PP.3109-3114.

44. Pease R.L. et al. Comparison of proton and neutron carrier removal rates // IEEE Trans.on Nucl. Sci. 1987. - Vol.NS-34, No.6. - PP.1140-1146.

45. Dale C.J., et. al. High energy electron induced displacement damage in silicon // IEEE Transactions on nuclear Science. 1988. - Vol.NS-35. - No.6. - PP.1208-1214.

46. Barillot C. In-flight observed anomalies and failures. Short course. - 3rd European Symposium. RADiations and their Effects on Components and Systems. RADECS 95. 18 September 1995. Arcachon, France. CI, p.1-23.

47. Radiation Tolerant and Radiation Hardened Microelectronics, http://www.mrcmicroe.com/RadiationEffects.htm

48. Сравнение уровней сбоев и отказов ОЗУ при локальных и однородных лазерных облучениях / Чумаков А.И., Яненко А.В., А.Н.Егоров, О.Б.Маврицкий и др. // Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-99». М.:СПЭЛС, 1999. - Вып.2. - С.127-128.

49. Massengil T.L.W., Diehl S.E. Transient Radiation Upset Simulation of CMOS Memory Circuits //IEEE Trans, on Nuclear Science. 1984. - Vol.31. - No.6. - PP. 13371343.

50. R.L.Woodruff, D.A.Nelson, S.Scherr. Predicting Transient Upset in Gate Arrays // IEEE Trans, on Nuclear Science. 1987. - Vol.NS-34. -No.6. - PP.1426-1430.

51. Протокол испытаний БИС 1637РУ1У на стойкость к воздействию спецфакторов. ЖКНЮ.ИИЛ05.07.03-ПР. СПЭЛС, 2005. - 48 с.79.