Верификация лазерных испытаний ИС на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц с использованием импульсной гамма-установки

единенного в локальную сеть. В работе показана возможная реализация автоматизации испытаний на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. Возможность создавать объекты .NET в таких средах разработки как Lab View позволяет включить в процесс автоматизации средства функционального контроля на основе модульных приборов National Instruments ■

ВАСИЛЬЕВ1 Алексей Леонидович, к.т.н.;

ПЕЧЕНКИН2 Александр Александрович;

ЧУМАКОВ3 Александр Иннокентьевич, д.т.н.;

ЯНЕНКО4 Андрей Викторович, к.т.н.; АРТАМОНОВ5 Алексей Сергеевич, к.т.н.

ВЕРИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИС НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ИМПУЛЬСНОЙ ГАММА-УСТАНОВКИ

Представлена методика калибровки лазерных имитационных испытаний микросхем по локальным одиночным ионизационным эффектам с использованием малогабаритной импульсной гаммы-установки. Проведена апробация методики, и показана возможность повышения точности оценок эквивалентных значений линейных потерь энергии (ЛПЭ) для микросхем, выполненных по различным технологиям.

Technique of laser simulation tests verification using pulsed X-ray simulator is presented. Approbation technique is performed and opportunity of improving the accuracy estimations equivalent LET for various IC’s technologies is shown.

Широкое применение интегральных схем (ИС) в бортовой аппаратуре космических аппаратов требует оценки их чувствительности к воздействию отдельных ядер-ных частиц [1 – 3]. Эффективный метод оценки этой чувствительности основан на применении сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности [3 – 6]. Одним из недостатков этого метода является необходимость учета потерь лазерного излучения при его отражении слоями металлизации, поглощении в слоях поликремния и т.п., которые в современных БИС могут достигать более 90%. Развитый в настоящее времени способ учета этих эффектов по ионизационному отклику в цепи питания дает в ряде случаев ощутимую погрешность из-за неопределенности в значениях некоторых электрофизических параметров подложки [7]. В настоящей работе предлагается развитие этого метода, основанного на дополнительных испытаниях по методике локального облучения на импульсном ускорителе электронов в режиме генерации гамма-излучения.

С практической точки зрения наиболее удобным параметром для проведения верификации служит импульсная реакция цепи питания при локальном облучении фрагментов микросхем. В целях исключения влияния режима работы целесообразно эти измерения проводить в режиме короткого замыкания всех выводов ИС. При проведении этой процедуры рекомендуется:

• ♦    использовать интегратор с постоянной времени не менее 10 мкс в целях исключения влияния длительности и формы импульса ионизирующего излучения (ИИ);

• ♦    ограничить амплитуду сигнала ионизационной реакции (ИР) на уровне 0,2…0,3 В в целях исключения влияния отпирания p-n-переходов и влияния нелинейных эффектов.

Ионизационная реакция ИС, под которой понимается переходная реакция цепи питания ΔU(t) , в случае воздействия импульсного ионизирующего излучения и применения интегратора описывается соотношением:

где ΔQ – величина собранного заряда на интеграторе; R , C – эквивалентные параметры интегратора; t – текущее время; C = C_in+C_ic; C_ic – эквивалентная емкость ИС; C_in – емкость интегратора. Оценку величины заряда при локальном облучении на импульсной гамма-установке можно провести из соотношения:

где ΔQ_{а_u} – величина собранного заряда на интеграторе при облучении; q – заряд электрона (1,6×10^-19 Кл); g_o – скорость генерации (4,3×10¹³ пар/(рад×см³ в кремнии)); A_la – площадь коллиматора; A_ИС – площадь ИС; L_e – эффективная длина собирания носителей заряда; D_a – эквивалентная суммарная доза; К_а – коэффициент ослабления излучения слоем защиты.

Проведя дополнительные измерения при полностью перекрытом коллиматоре, можно учесть излучение, проходящее через слой защиты, и оценить ионизационную реакцию ΔU_а только от локального радиационного воздействия, проходящего через коллиматор.

Аналогично можно провести оценку заряда при локальном облучении на лазерном имитаторе:

^Qi^q-go-L/k.-Jn

где k_i – величина коэффициента пропорциональности между энергией лазерного излучения (ЛИ) и суммарной дозой с учетом коэффициента оптических потерь; J_l – энергия лазерного излучения.

Путем сравнения амплитуд ионизационных реакций (1)…(3) можно определить коэффициент пропорциональности k_i из соотношения:

q ⋅ g ⋅ A ⋅ L ⋅ D ⋅ ^l ⋅ ^l ≈ q ⋅ g ⋅ k ⋅ L ⋅ J ^o , (4) olae a            oi e lc ,

ΔUa Ca где Ul – амплитуда ИР при локальном лазерном облучении; Jlcо – значение энергии лазерного излучения, при которой получается приблизительно то же значение амплитуды иони- зационной реакции (ΔUl ≈ ΔUa) при облучении на гамма-установке локальным пятном площадью Ala (предполагается, что оснастка используется при обоих измерениях одна и та же); Ca, Cl – емкости в цепи интегратора при проведении измерений на гамма-установке и лазерном имитаторе.

Таким образом, коэффициент пропорциональности между поглощенной энергией и энергией лазерного излучения равен:

D, AU, С,

.

В связи с относительно большим диаметром коллиматора и возможными вариациями коэффициента оптических потерь по площади ИС необходимо на последующих этапах определять калибровочные коэффициенты k_ii для каждой i -й чувствительной области при диаметре лазерного пятна из диапазона 20…100 мкм. Значение коэффициента потерь для исследуемой области оценивается из соотношения:

Δ U li J lc  , kii =ki ⋅ΔUl ⋅Jli  ,

где U_li – амплитуда ИР i -й области с уменьшенным диаметром при энергии ЛИ, равной J_li .

Рассмотренная методика калибровки позволяет оценить пороговые значения ЛПЭ ионов по результатам испытаний на лазерной установке со сфокусированным лучом. Расчет ЛПЭ производится из величины поглощенной дозы и пороговой энергии лазерного излучения для возникновения эффекта J_li^o , которая, в свою очередь, определяется из зависимости пороговой энергии лазерного излучения от диаметра [7].

С учетом того, что эквивалентное значение ЛПЭ выражается через значение поглощенной дозы 1 рад = 6,25×104 МэВ/мг, итоговое соотношение для определения ЛПЭ преобразуется к виду:

L E T _{o i} ≈ 6 25 ⋅ 10⁴ ⋅ D _a ⋅ A _la ⋅ ^Δ _Δ ^U _{U a} ^li ⋅ ^C _C ^l _a ⁱ ⋅ ^J _J ^l _l ^{o i}          (7)

Важно отметить, что в ряде ИС с относительно однородными элементами и слоями металлизации, например, для большинства современных цифровых микросхем, можно отказаться от облучения на гамма-установке через коллиматор и проводить облучение всей микросхемы. В этом случае в соотношении (7) вместо площади коллиматора необходимо будет использовать площадь кристалла ИС AИС.

Экспериментальная апробация предложенной методики проводилась на малогабаритной импульсной гамма-установке «АРСА» и пикосекундном лазерном имитаторе ПИКО-3. Структурная схема экспериментальной установки показана на рис. 1

Измерение параметров ионизационной реакции на установке «АРСА» проводится в следующей последовательности:

• ♦    при мощности дозы порядка 10 9 рад/с анализируется ИР в цепи питания на токосъемном резисторе при облучении всей поверхности кристалла ИС (необходимо убедиться, что в этой области отсутствуют нелинейные эффекты); в случае отсутствия такой уверенности уменьшается мощность дозы ИИ и проводится контроль при меньшей мощности дозы;

  
  
  

  Осциллограф

  
  

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

10mV/div                  5 us/div

а

б

Рис. 2. БИС TMS320. Ионизационные реакции в цепи питания при локальном облучении: а) установка «АРСА» – облучение через коллиматор с уровнем воздействия 1,5×109 ед/с; б) лазерная установка ПИКО-3

• ♦    при этой же интенсивности снимается осциллограмма сигнала на интеграторе при облучении пучком всей поверхности кристалла ИС;

• ♦    на этой же интенсивности устанавливается коллиматор и измеряется ионизационная реакция ИС в 2…3 характерных точках поверхности кристалла ИС.

На следующем этапе проводится измерение ионизационной реакции на лазерном имитаторе при тех же условиях локального воздействия (диаметр пятна, характеристики интегратора):

• ♦    определяется энергия лазерного излучения, при которой характеристики ионизационной реакции в цепи питания совпадают с полученной на гамма-установке (допускает-

• ся измерения проводить при меньших уровнях лазерного воздействия, если ее энергия близка к пороговым энергиям повреждения поверхности кристалла ИС);

• ♦    оценивается интегральный коэффициент калибровки (соотношение (5));

• ♦    определяются локальные коэффициенты калибровки при облучении локальных чувствительных областей с диаметром оптического пятна 20…100 мкм (соотношение (6)).

Разработанная методика была апробирована на ряде ИС. В качестве примера на рис. 2 и рис. 3 . показаны типовые ионизационные реакции, полученные на МУ «АРСА» и лазерном имитаторе для процессора цифровой обработки сигнала типа TMS320C ( рис. 2 ) и ОЗУ типа K6R4008 ( рис. 3 ), первая из ко-

а