Микроэлектроника, 2019, T. 48, № 4, стр. 295-299

1. ВВЕДЕНИЕ

Высокая чувствительность БИС и СБИС к воздействию ионизирующего излучения обуславливает необходимость оценки параметров их чувствительности к радиационным эффектам [1–3]. Особенно актуальной является оценка чувствительности КМОП СБИС по тиристорным эффектам (ТЭ), которые могут привести к катастрофическим отказам как самой микросхемы, так и источников питания и всей электронной аппаратуры в целом.

Общепринятая практика оценки стойкости СБИС по ТЭ при радиационном воздействии основана на контроле усредненного тока, протекающего в цепи питания, стандартными измерительными средствами, которые могут обеспечить отслеживание динамики изменения тока в диапазоне единиц и десятков мс [2, 4]. При обнаружении ТЭ этими средствами происходит его парирование путем кратковременного отключения питания СБИС. В рамках такого подхода к регистрации ТЭ достаточно сложно отследить возможные нестационарные ТЭ, длительность которых может составлять единицы мкс. Нестационарным (нестабильным) тиристорным эффектом считается эффект кратковременного включения паразитной n–p–n–p-структуры с последующим самопроизвольным (без отключения питания микросхемы) отключением. Возможная причина возникновения подобных нестационарных ТЭ может быть связана с эффектами “просадки” питания, т.е. с падением напряжения на внутренних элементах СБИС и внешних элементах оснастки [5, 6]. При этом следует отметить, что величина “просадки” питания в сильной степени зависит как от характеристик самой паразитной n–p–n–p-структуры, так и от условий проведения эксперимента, в частности, от напряжения питания, температуры окружающей среды, режима функционирования СБИС и ряда других факторов.

В настоящей работе представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований нестабильных ТЭ в КМОП СБИС.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Экспериментальные исследования проводились на лазерной установке наносекундной длительности, ускорителях протонов и ионов, а для более полной локализации ТЭ на кристалле – на лазерной установке со сфокусированным излучением пикосекундной длительности [7]. На рис. 1, 2 в качестве примера представлены типовые осциллограммы развития стационарного и нестационарного ТЭ при воздействии тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) [8]. В качестве объектов экспериментальных исследований возникновения ТЭ при воздействии ТЗЧ использовались два типа КМОП СБИС: ОЗУ AS7С1026 и ПЛИС EPF10K30, имеющие высокую чувствительность по ТЭ. Объектом исследований на лазерной установке 10-наносекундной длительности была тестовая 90 нм КМОП СБИС.

Рис. 1.

Типовая осциллограмма тока в цепи питания при возникновении стационарного тиристорного эффекта.

Рис. 2.

Типовая осциллограмма тока в цепи питания при возникновении нестационарного ТЭ.

При проведении исследований оценивалось влияние напряжение питания и собственного тока потребления микросхемы на возникновение тиристорного эффекта. Варьирование собственного тока потребления достигалось в ПЛИС EPF10K30 изменением режима функционирования (статический и динамический). В ОЗУ AS7С1026 в качестве варьированного параметра использовалось напряжение питания. Характер изменения тока в цепи питания при однородном лазерном облучении изучался в 90 нм КМОП СБИС.

Наиболее неожиданные экспериментальные результаты были получены для ПЛИС. Оказалось, что чувствительность микросхемы по тиристорному эффекту в динамическом режиме с загруженной конфигурацией значительно ниже, чем в статическом режиме без загрузки конфигурации. Более подробные исследования ПЛИС на лазерной установке со сфокусированным излучением выявили, что в статическом режиме в ПЛИС включается множество тиристорных структур с различными значениями токов в установившемся состоянии. При проведении исследований в динамическом режиме с загруженной микропрограммой ряд тиристорных структур не включались. Дополнительные исследования показали, что тиристорные структуры в микросхеме разделяются на две группы по критерию напряжения удержания (2.4 и 1.6 В в статическом режиме). Отсутствие ТЭ в динамическом режиме характерно для тиристорных структур с напряжением удержания около 2.4 В, что очень близко к напряжению питания микросхемы (номинальное напряжение 2.5 В). В качестве примера на рис. 3 приведены вольт-амперные характеристики для нестационарной тиристорной структуры.

Рис. 3.

Вольт-амперные характеристики нестабильной тиристорной структуры в ПЛИС.

Видно, что в динамическом режиме при напряжении питания 2.5 В тиристорный эффект не развивается, однако при повышении напряжения до 2.7 В регистрируется тиристорный эффект с напряжением удержания 2.6 В. В статическом режиме напряжение удержания составляет около 2.4 В, что позволяет зарегистрировать ТЭ в процессе облучения. Такое поведение может быть обусловлено значительной величиной тока потребления ПЛИС в динамическом режиме, который, в данном случае, составляет величину около 60 мА при 1 мА в статическом режиме. Если перевести ПЛИС в статический режим работы, ток потребления в котором составляет около 1 мА, то этого тока оказывается недостаточно для срыва ТЭ.

В микросхеме ОЗУ имеет место как стационарный (рис. 1), так и нестационарные одиночные ТЭ. На рис. 4 в качестве примера представлены осциллограммы для двух типовых случаев возникновения нестационарных ТЭ при облучении 1 ГэВ протонами. Переход от нестационарного ТЭ к стационарному ТЭ происходит при уменьшении напряжения питания. На первом этапе можно наблюдать периодические возникновения и срывы одиночных ТЭ (рис. 4а). При уменьшении питания регистрируется одиночный нестационарный ТЭ, который срывается за единицы мкс (рис. 4б).

Рис. 4.

Осциллограммы токов в цепи питания при возникновении нестационарного ТЭ в ОЗУ для различных питаний: а) V_cc = 5 В, б) V_cc = 4.9 В.

Совместное проявление колебательных процессов наряду с тенденций срыва имело место при импульсном лазерном облучении всего кристалла 90 нм КМОП СБИС (рис. 5). При этом следует обратить внимание, что значения токов в данном примере могут составлять единицы ампер, а длительность нестационарного тиристорного эффекта составлять десятки мкс. Важно отметить, что в течение этого времени СБИС не функционирует. Более того, за счет броска питания возможна и потеря информации. Поэтому одним из возможных критериев проявления нестационарного ТЭ является потеря функционирования СБИС в результате воздействия.

Рис. 5.

Нестационарной ТЭ в 90 нм КМОП СБИС при облучении 10 нс импульсом лазерного облучения всего кристалла.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Схемотехническое моделирование тиристорного эффекта осуществляется, как правило, с помощью относительно простой двух-транзисторной эквивалентной схемы [2, 3, 8]. По сравнению с классической, в эту схему добавлен резистор R_из (рис. 6), отражающей влияние омического падения напряжения при протекании ионизационного или динамического тока на элементах внешней оснастки. Дополнительно в эквивалентную схему введена емкость всей СБИС (C_ис), которая может влиять на динамические характеристики включения/выключения ТЭ, а также резистор R_ис, отражающий эквивалентное значение внутреннего активного сопротивления самой СБИС. Величина емкости C_ис относительно большая и в современных СБИС может составлять 1–10 нФ, а внутренне сопротивление R_ис может составлять доли-единицы Ом.

Рис. 6

. Упрощенная эквивалентная схема для моделирования ТЭ.

Введение резисторов R_из и R_ис в эквивалентную схему позволяет, в первом приближении, учесть эффект “просадки” питания по аналогии с эффектом возникновения окон “защелкивания” [9]. Очевидно, что в реальной СБИС резистор R_ис распределен по всей площади кристалла и оказывает разное влияние для различных паразитных n–p–n–p-структур. Тем не менее, во многих случаях он позволяет учесть влияние эффекта “просадки” питания на чувствительность к ТЭ.

В момент возникновения ТЭ, как правило, возникает значительный скачок импульса тока в цепи питания, который потом уменьшается до своего стационарного значения (рис. 1). Выброс тока в начальный момент времени обусловлен как влиянием емкости, так и возможным разогревом кристалла ИС при протекании значительного тока, приводящего к росту эквивалентного резистора R_ис. Очевидно, что при определенных условиях это падение напряжение на резисторах R_ис и R_из может привести к тому, что напряжение на самой локальной тиристорной структуре окажется меньше напряжения удержания, и ТЭ сорвется с типовой осциллограммой, приведенной на рис. 2.

По мере уменьшения напряжения питания за счет первоначального большего значения тока в ТЭ, происходит его срыв. Однако он не успевает полностью сорваться, так как ток ТЭ падает, и паразитная структура может вновь включаться. Процесс повторяется. Обращает на себя внимание, что в КМОП СБИС ОЗУ, чем дальше находится очередной срыв от своего начального значения, тем больше оказывается длительность нахождения в состоянии нестабильного ТЭ. На наш взгляд, такое поведение обусловлено внутренним разогревом кристалла СБИС, за счет чего несколько увеличивается его чувствительность к ТЭ.

Дальнейшее снижение напряжения питания в КМОП СБИС ОЗУ приводит к однократному нестабильному ТЭ (рис. 4б).

Представленные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что контроль ТЭ в рамках классической процедуры измерения стационарного тока потребления оказывается не всегда корректным. Другими словами, возможна ситуация, когда может быть пропущен нестационарный ТЭ. Казалось, что в этом случае схема сама себя парировала от ТЭ. Но может оказаться, что при ее нахождении в состоянии ТЭ возможна потеря информации в ряде регистров и ячейках памяти, причем она может быть массовой. А это означает, что никакая схема коррекции информации в памяти, предусмотренная разработчиком для случая возникновения однократных сбоев, не сможет восстановить потерянную информацию. Такой эффект экспериментально наблюдался в ПЛИС при ее испытаниях в динамическом режиме. Вместо регистрации одиночного ТЭ при облучении ионами имела место потеря функционирования ПЛИС из-за изменения информации в конфигурационной памяти. Однако разделить эти эффекты от обычных одиночных сбоев в ячейках конфигурационной памяти затруднительно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены результаты расчетно-экспериментального моделирования, которые свидетельствуют о возможности возникновения в КМОП СБИС нестабильных тиристорных эффектов при воздействии ТЗЧ и импульсов ионизирующего излучения. Основная причина возникновения нестационарных ТЭ связана с динамическим эффектом “просадки” питания, из-за чего возможен как полный, так и частичный срыв ТЭ.

Классические методики регистрации ТЭ по установившемуся току в цепи питания в ряде случаев не гарантируют его регистрацию. Вместе с тем, возникновение нестабильного ТЭ способно привести к большим изменениям хранящейся информации в регистрах, триггерах и ячейках памяти.