CC BY
209
ЕГОРОВ1 Андрей Николаевич; МАВРИЦКИЙ2 Олег Борисович;
ЧУМАКОВ3 Александр Иннокентьевич, д.т.н.; НИКИФОРОВ4 Александр Юрьевич, д.т.н.; ТЕЛЕЦ5 Виталий Арсеньевич, д.т.н.;
ПЕЧЕНКИН6 Александр Александрович; ЯНЕНКО7 Андрей Викторович, к.т.н.; КОЛЬЦОВ8 Дмитрий Олегович;
САВЧЕНКОВ9 Дмитрий Владимирович
ЛАЗЕРНЫЕ ИМИТАТОРЫ «ПИКО» ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
В работе приведено описание разработанных в ЭНПО «СПЭЛС» лазерных имитационных комплексов семейства «ПИКО», основанных на использовании сфокусированного лазерного излучения, пикосекундной длительности и предназначенных для проведения научных исследований и испытаний интегральных схем на стойкость к воздействию высокоэнергетичных отдельных заряженных частиц. Обсуждаются, основные требования, к лазерным имитаторам, подобного класса, представлены. краткое описание и технические характеристики созданных комплексов.
Ключевые слова: отдельная ядерная частица; одиночный сбой; радиационная, стойкость; пикосекундные лазерные импульсы; лазерные имитационные испытания.
This work describes the «PICO» laser simulation systems family, utilizing focused picosecond laser pulses for ICs single event effects investigations and tests. The main requirements for such systems are discussed; technical characteristics of designed facilities are presented.
Keywords: single heavy ion; single event effect; radiation hardness; picosecond, laser pulses; laser simulation tests.
Ш
ирокое применение больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем, а также силовых и высоковольтных транзисторов в качестве электронной компонентной базы (ЭКБ) космической аппаратуры и авионики требует проведения работ по оценке их чувствительности к локальным одиночным радиационным эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) — ионов и протонов космического пространства (КП). К наиболее важным локальным одиночным радиационным эффектам относятся одиночные сбои и тиристорные эффекты [1 — 3].
Основной метод оценки параметров чувствительности ЭКБ к воздействию ОЯЧ основывается на результатах испытаний на ускорителях ионов и протонов, которые являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими. К тому же, в силу статистического характера взаимодействия излучения с веществом, данные методы являются неэффективными при сравнении различных
схемно-технологических методов обеспечения радиационной стойкости ЭКБ. Поэтому в настоящее время развиваются альтернативные методы, основанные на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности [4 — 11]. Было показано, что эффекты, вызываемые в полупроводниковых приборах сфокусированными ультракороткими лазерными импульсами пикосекундной длительности, в наибольшей степени сравнимы с эффектами от воздействия ОЯЧ. При воздействии ОЯЧ в кристалле генерируется ионизационный трек из плотной электрон-дырочной плазмы. Практически к аналогичному результату приводит и поглощение в объеме полупроводника сфокусированного пикосекундного лазерного импульса. Оба эти взаимодействия происходят за времена существенно более короткие, чем время электрического отклика большинства микроэлектронных приборов. Хотя пространственное распределение генерируемого при
поглощении сфокусированного пикосекундного лазерного импульса в объеме полупроводника заряда заметно отличается от формы трека космической частицы, в обоих случаях создается локальный неравновесный сгусток заряда, способный вызвать появление эквивалентного эффекта в ЭКБ. Моделирование воздействия ОЯЧ на ЭКБ с помощью лазерного импульса имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционным воздействием пучка частиц:
♦ лазерный луч может быть сфокусирован до микронных (и даже суб-микронных для коротких длин волн) размеров; это дает возможность локализации чувствительных элементов с микронной точностью;
♦ воспроизводимое лазерное облучение с правильно подобранной энергией в отличие от возбуждения пучком частиц не вызывает остаточных разрушений;
♦ лазерный импульс может быть точно синхронизован с тактовой частотой
1 - научный сотрудник ЭНПО «СПЭЛС»;2 — научный сотрудник ЭНПО «СПЭЛС»;3 - технический директор, ЭНПО «СПЭЛС»;
4 — генеральный директор, ЭНПО «СПЭЛС»;5 — директор, ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;6 — научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;
7 — ведущий специалист ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;8 — аспирант ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;9 — мл. научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ».
работы тестируемого прибора, позволяя изучать динамическую чувствительность к одиночным сбоям в различных режимах его работы;
♦ лазерное тестирование не требует помещения исследуемого прибора в вакуумную камеру, а дополнительные приборы функционального контроля и управления могут располагаться в непосредственной близости от него; это обстоятельство имеет особое значение при проведении тестирования на одиночные сбои устройств с высоким быстродействием;
♦ лазеры имеют меньшую стоимость, чем источники пучков частиц, более радиационно безопасны, экологичны, удобны в обращении и управлении, легко поддаются автоматизации.
Описанные особенности позволяют утверждать, что сфокусированное излучение пикосекундных лазеров может успешно применяться для имитации эффектов, возникающих в полупроводниковых приборах под действием ОЯЧ КП. В настоящее время лазерное излучение применяется для моделирования:
♦ одиночных сбоев, представляющих собой изменение логического состояния ячейки памяти (или триггера), возникающего вследствие перехода закрытого транзистора в проводящее состояние при воздействии на него ОЯЧ;
♦ одиночных переходных процессов, проявляющихся как короткие всплески тока, способные приводить к аномальному поведению других компонент, практически всегда присутствующих в бортовой аппаратуре, таких как логические элементы, функционально зависимые от возбуждаемого элемента;
♦ тиристорного эффекта и последующего катастрофического отказа, возникающего при активации паразитных структур микросхем:
♦ пробоя и последующего катастрофического отказа мощных и высоковольтных транзисторов и ряда других эффектов.
Применение методов тестирования ЭКБ пикосекундными лазерными импульсами позволяет, сканируя поверхность кристалла, прецизионно локализовать чувствительные к описанным
эффектам области и найти пороги возникновения эффектов.
Разработка, практическая реализация и совершенствование данных методов привели к созданию лазерных имитаторов (ЛИ) серии «ПИКО», основанных на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности. В данной работе рассматриваются характерные особенности созданных ЛИ, а также их основные технические характеристики.
Основные требования к лазерным имитаторам для исследования эффектов от ОЯЧ. Лазерные имитаторы ПИКО и ПИКО-2
В ходе работ по совершенствованию методов лазерных имитационных испытаний на стойкость к воздействию ОЯЧ были сформулированы основные требования к лазерным имитаторам:
♦ длительность лазерного импульса не более 100 пс;
♦ работа на 2-х длинах волн — 1,064 и
0,532 мкм;
♦ возможность изменения энергии лазерного импульса на 4 - 5 порядков;
♦ контроль энергии каждого лазерного импульса, воздействующего на ЭКБ;
♦ визуальное наблюдение поверхности кристалла испытываемого прибо-
ра и точки фокусировки лазерного излучения;
♦ возможность прецизионного трехмерного перемещения образца ЭКБ в ручном режиме и по заданной программе (сканирование).
С учетом указанных требований за последние 15 лет было разработано несколько поколений экспериментальных комплексов для имитационных испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию ОЯЧ КП, использующих сфокусированное лазерное излучение пикосекундной длительности. Все они в той или иной мере реализуют структурную схему, представленную на рис. 1. Излучение пикосекундного лазера, пройдя через систему ослабления излучения, фокусируется с помощью микрообъектива на исследуемый кристалл ЭКБ в пятно диаметром несколько микрон в зависимости от длины волны и качества исходного пучка. Энергия лазерного импульса контролируется с помощью измерителя энергии, на который отводится небольшая доля основного лазерного пучка. Трехкоординатная система позиционирования обеспечивает прецизионное перемещение образца ЭКБ в объектной плоскости и подстройку фокусировки пучка на поверхности кристалла. Визуальное наблюдение и фотографирование топологии осуществляется с помощью ПЗС-камеры, сигнал с которой пода-
Рис. 1. Общая структурная схема экспериментального лазерного комплекса, использующего сфокусированное лазерное излучение
Рис. 2. Структурная схема и внешний вид лазерной установки ПИКО-2.
1 - полупроводниковый лазер; 2 - пикосекундный лазер РЬ-2143/БИ; 3 - наносекундный лазер РАДОН 51ЕМ; 4 - фокусирующая система; 5 - управляющий компьютер; 6 - микроскоп БИОЛАМ-М;
7 - трехкоординатный предметный столик; 8 - исследуемая ЭКБ; 9 - измеритель энергии; 10 - ПЗС-камера;
11 - 14 - система управления и функционального контроля
ется на монитор или в управляющим компьютер. Задание режимов работы и функциональный контроль ЭКБ производится с помощью системы функционального контроля, также подключенной к компьютеру. Лазерные установки по описанной схеме позволяют моделировать воздействие различных по типу и энергии частиц на любой выбранный элемент ЭКБ путем регулирования геометрии ионизационного «трека» — глубины проникновения излучения (изменением длины волны) и диаметра пучка (изменением степени фокусировки). В 1995 г. на основе пикосекундного лазера конструкции МИФИ на неодимовом стекле с пассивной синхронизацией мод был создан лазерный имитатор ПИКО-1, имевший следующие характеристики: длина волны излучения 1055 и 527 нм, энергия в импульсе до 100 мкДж, длительность импульса
7.. .10 пс. Основными недостатками лазера, использованного в ЛИ ПИКО-1, были большие габариты и низкая стабильность выходной энергии, крайне затруднявшая проведение измерений порогов возникновения локальных радиационных эффектов. Дальнейшим развитием линейки лазерных имитаторов серии «ПИКО» явился ЛИ ПИКО-2, разработанный и созданный в ЭНПО «СПЭЛС» в 2002 г. В состав имитатора ПИКО-2 вошел пикосекундный лазер с пассивной синхронизацией мод PL2143/SH производства фирмы EKSPLA, оснащенный преобразователем во вторую
гармонику и встроенным декадным ослабителем выходной энергии лазерного излучения, позволяющим варьировать ее в широких пределах. Максимальная энергия лазерного импульса в объектной плоскости составляла до 1 мДж (при нестабильности не более 5%), а длительность импульса
— около 25 пс. Отличительной особенностью данной установки явилось то, что помимо пикосекундного лазера в состав комплекса также был включен разработанный ЭНПО «СПЭЛС» наносекундный лазерный источник РАДОН- 51ЕМ. Кроме лазерных источников, ЛИ ПИКО-2 включал систему фокусировки, позиционирования и визуального контроля объекта исследования с ручным управлением на основе отечественного микроскопа БИ-ОЛАМ-М, а также систему диагностики сбоев и функционального контроля исследуемых ЭКБ.
Наиболее существенными недостатками данного ЛИ явилось отсутствие компьютерного управления позиционированием образца ЭКБ, а также то, что основным режимом работы лазеров в составе комплекса был режим генерации одиночных импульсов. Генерация последовательности импульсов хотя и была возможна, но происходила на весьма низкой частоте — не более 10 Гц. Все это резко ограничивало применение ЛИ ПИКО-2 для сканирования больших по площади кристаллов. Вместе с тем в последнее время в связи с повышением требований к радиационной стойко-
сти аппаратуры авиакосмического применения возникла острая необходимость проводить как исследования, так и массовые испытания новейших типов ЭКБ с большой площадью кристалла. Это потребовало разработки новых поколений ЛИ, представляющих более широкие возможности по автоматизации процессов сканирования и регистрации ионизационной реакции, функциональных сбоев и отказов ЭКБ.
Лазерные имитационные комплексы ПИКО-3 и ПИКО-4
Результатом недавних усилий специалистов ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» по совершенствованию характеристик пикосекундных лазерных имитаторов явился разработанный и введенный в эксплуатацию в 2007 г. лазерный имитационный комплекс ПИКО-3. В качестве лазерного источника в данном ЛИ применен современный малогабаритный высокостабильный твердотельный пикосекундный лазер с диодной накачкой РЬ-2201^Н фирмы Е^РЬА со встроенным преобразователем во вторую гармонику, работающий на частоте повторения импульсов до 1000 Гц.
Пикосекундный лазер генерирует импульсы излучения длительностью 70 пс на двух переключаемых длинах волн с энергией (в области облучения объекта) соответственно 15 мкДж (Л1 = 1064 нм) и 8 мкДж (Л2 = 532 нм). Примененная оптическая схема (вы-
Рис. 3. Блок-схема и внешний вид лазерного имитатора ПИКО-3.
1 - пикосекундный лазер РЬ2201; 2 - плавный ослабитель; 3 - ПЗС видеокамера; 4 - система фокусировки; 5 - трехкоординатная система позиционирования объекта; 6 - оптическая плита
сокостабильный задающий генератор + регенеративный усилитель) и конструкция лазера обеспечивают близкий к гауссовому поперечный профиль лазерного пучка (ТБМт М2~ 1,2) при нестабильности импульса по энергии не более 2%. Лазер оснащен встроенными системами выделения одиночного импульса из цуга пикосекундных импульсов с контрастом не менее 1000:1 и цифрового измерения энергии каждого импульса. Выходная оптическая система лазера формирует и пространственно совмещает коллимированные пучки диаметром 6 мм на обеих длинах волн. Лазер не требует системы принудительного водяного охлаждения и имеет компьютерное управление режимами работы. Система ослабления, встроенная в узел фокусировки, предназначена для плавной регулировки коэффициента ослабления энергии излучения, падающего на исследуемый объект, в диапазоне
1...105. Она состоит из поляризационных призм, одна из которых оснащена прецизионным шаговым приводом вращения. Конструкция позволяет управлять ослабителем программно и вручную.
Система позиционирования объекта, предназначенная для сканирования объекта лазерным лучом с высокой точностью, выполнена в виде предметного столика с тремя прецизионными шаговыми приводами с наименьшим
шагом перемещения 0,125 мкм в горизонтальной плоскости XY и 0,16 мкм в Z-направлении. Диапазон перемещений составляет 100*100*25 мм по X, Y и Z соответственно. Максимальная скорость сканирования составляет 500 мкм/с.
Контрольно-измерительный блок на базе персонального компьютера предназначен для управления комплексом и функционального контроля тестируемой ЭКБ. Регистрация
импульсов ионизационной реакции и токов защелки осуществляется с помощью блока сопряжения и коммутации, подключаемого к компьютеру через универсальный параллельный адаптер. Блок оснащен всеми необходимыми программными и аппаратными средствами для регистрации отдельных сбоев и наблюдения тиристорного эффекта в КМОП ЭКБ. При исследовании тиристорного эффекта предусмотрена возможность записи
Рис. 4. Лазерный имитационный комплекс ПИКО-4
ВЦ
16.01.2012 13:26:44
Рис. 5. Карта локализации тиристорного эффекта в БИС ОЗУ1637РУ1
осциллограмм временного отклика и автоматическая защита исследуемого устройства от перегрузки по току.
В 2011 г. в ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» был запущен в эксплуатацию лазерный имитационный комплекс ПИКО-4 (рис. 4), вобравший в себя все лучшие технологические решения в области лазерного моделирования воздействия ОЯЧ на ЭКБ. От предыдущих моделей его отличает возможность изменения длины волны лазерного импульса в широком диапазоне, для чего в состав комплекса был включен блок перестройки длины волны на основе оптического пара-метри-ческого генератора PG503 (EKSPLA). Основными особенностями блока перестройки являются: работа в
двух диапазонах длин волн, простота управления, а также малая расходимость и хорошее качество лазерного пучка на выходе, что дает возможность сфокусировать его в пятно малого диаметра (до 2...3 мкм в зависимости от длины волны). Пикосекундные лазерные импульсы с длиной волны в диапазоне 700.1000 нм позволяют моделировать эффекты воздействия ОЯЧ с различными линейными потерями энергии в ЭКБ не только на основе кремния, но и других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия), в то время как более длинноволновый диапазон (1150.2200 нм) применяется при облучении кремниевой ЭКБ со стороны подложки, при этом воз-
буждение неравновесных носителей происходит за счет эффекта двухфотонного поглощения.
В перспективе планируется расширить диапазон длительностей лазерных импульсов в фемтосекундную область, соответствующая модель лазерного имитационного комплекса находится в состоянии разработки.
В качестве примера использования лазерных имитационных комплексов «ПИКО» для моделирования эффектов от ОЯЧ, на рис. 5 приведены результаты сканирования БИС ОЗУ 1637РУ1 сфокусированным лазерным лучом. На фотографии кристалла, полученной методом панорамной съемки, знаком белым отмечены точки возникновения тиристорного эффекта, которые регистрировались в автоматическом режиме с фиксацией координат. В данной БИС было обнаружено, что тиристорные эффекты возникают по краям банков памяти. Важно подчеркнуть, что при проведении подобного сканирования в режиме обратной связи поддерживается одно и то же расстояние до поверхности кристалла, что исключает необходимость прецизионной установки поверхности кристалла нормально к падению лазерного луча.
Другой пример иллюстрирует возможности комплексов «ПИКО» для исследования локальных радиационных эффектов в БИС в зависимости от изменения температуры, электрического или функционального режимов и т.п. В частности, на рис. 6 представлены осциллограммы развития тиристорного эффекта при разных напряжения питания БИС ОЗУ AS7C1026D-TI. Из пред-
а б в
Рис. 6. Осциллограммы развития ТЭ в БИС ОЗУ АБ7С1026В-Т1 при разных напряжениях питания:
а) исс = 5,5 В; б) исс = 5,0 В; в) исс = 4,6 В
ставленных на рис. 6 осциллограмм можно определить необходимые электрические параметры для регистрации схемами парирования тиристорного эффекта. При этом особо следует подчеркнуть, что только подобный метод позволяет зафиксировать нестационарный тиристорный эффект (рис. 6в).
Заключение
Развитие лазерных имитационных установок, основанных на сфокусиро-
ванном лазерном излучении пикосекундной длительности, дает возможность эффективно и с минимальными затратами моделировать эффекты, возникающие в полупроводниковой ЭКБ под действием ОЯЧ КП. Разработанные лазерные экспериментальные комплексы ПИКО-1 — ПИКО-4 предназначены для проведения научных исследований и испытаний широкого класса перспективных изделий полупроводниковой микро- и наноэлектроники на стойкость к воздействию
высокоэнергетичных отдельных ядерных частиц и обладают высокими технико-эксплуатационными характеристиками. Комплексы являются оригинальной разработкой, не имеющей аналогов в России.
Работа выполнена в ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» и в Институте экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ) НИЯУ «МИФИ», в том числе, на основании Госконтракта с Минобрнауки России от 22.10.2010 г. No13.G36.31.007
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. - М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.
2. Messenger G.C., Ash M.S. Single Event Phenomena. - N.Y.:Chapman & Hall, 1997. - 368 p.
3. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б. и др. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при. воздействии, отдельных ядерных частиц./ Микроэлектроника, 2008. — Т. 37. — № 1. — С. 45 — 51.
4. Чумаков А.И. Взаимосвязь эквивалентных значений линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц и энергии сфокусированного лазерного излучения./ Микроэлектроника, 2011. — Т. 40. — № 3. — С. 163 — 169.
5. Buchner S., et al. Laboratory Tests for Single-Event Effects. / IEEE Trans. on Nuclear Science, 1996 - V. NS-43. - № 2. - PP. 678 - 686.
6. Jones et al. Comparison, between SRAM SEE cross-section, from, ion beam, testing with those obtained using a new picosecond, pulsed laser facility./ IEEE Trans. on Nuclear Scienceю, 2000. - V. NS-47. -№ 4. - PP. 539 - 544.
7. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Яненко А.В. Возможности использования локального лазерного излучения для моделирования эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц в ИС./ Микроэлектроника, 2004. — Т. 33. — № 2. - С. 128 - 133.
8. Никифоров А.Ю., Чумаков А.И., Яненко А.В., Артамонов А.С., Калашников О.А., Скоробогатов П.К., Телец В.А., Брянда О.Е., Герасимов В.Ф., Улимов В.Н. Методы, испытаний на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства и импульсную электрическую прочность./В сб.: Модель космоса: Научно-информ.. изд.: В 2 т./Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. — Т.2: Воздействие космической среды, на материалы и оборудование космических аппаратов. —М.: КДУ, 2007. — С. 815 — 833.
9. 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. — № 1. — С. 45 — 51.
10. Чумаков А.И. Радиационные эффекты, в ИС от. отдельных ядерных частиц/В сб.: Модель космоса: Научно-информ.. изд.: В 2 т./ Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. — Т.2: Воздействие космической среды, на материалы и оборудование космических аппаратов. — М.: КДУ, 2007. — С. 494 — 518.
11. Чумаков А.И. Оценка параметров чувствительности БИС по одиночным, эффектам с помощью лазерного излучения./Сб. трудов 4-й Всерос. научн.-техн. конф. «Проблемы, разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем-2010».
— М.: ИППМ РАН, 2010. — С. 265 — 268.
ПН
)1.2012 13:26:45
