автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и средства прогнозирования и обеспечения стойкости сегнетоэлектрических запоминающих устройств к воздействию радиационных факторов

На правах рукописи

Оиои I

Экз. №

ОРЛОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

1ЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

05.13.05- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

2 6 ДПР

Москва - 2012 г.

005019436

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФ!' (НИЯУ МИФИ)

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Телец Виталий Арсеньевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Синкевич Владимир Федорович Кандидат технических наук Стешенко Владимир Борисович

Ведущая организация: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт

автоматики имени Н.Л.Духова»

Защита состоится 21 мая 2012 г. в 15 час. 00 мин. На заседании диссертационного совета Д212.130.02 в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» по адресу: 115409 Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 324-84-98,323-91-76

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан 17 апреля 2012

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляр^ заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, ^п-— П.К. Скоробогатов

профессор

Общая характеристика работы

Диссертация направлена на решение важной научно-технической задачи ) развитию методов и средств прогнозирования1 и обеспечения радиационной стойкости тнетоэлектрических запоминающих устройств (СЗУ), имеющей существенное значение 1я разработки перспективных высоконадежных электронных устройств вычислительной хники и систем управления космического и другого специального назначения, 1учшения их функциональных и эксплуатационных характеристик.

Актуальность темы диссертации

Проблема создания современных и перспективных высокоинтеллектуальных систем юмической техники (КТ), стойких к воздействию ионизирующего излучения (ИИ), шяется актуальной и может быть решена на основе применения радиационно-стойкой [ектронной компонентной базы (ЭКБ), важнейшими представителями которой являются якросхемы запоминающих устройств (ЗУ).

На момент постановки задачи исследований достаточно хорошо изучено шиационное поведение интегральных микросхем ЗУ, выполненных по объемной КМОП :хнологии (на комплементарных транзисторах металл-окисел-полупроводник - МОП), становлены основные эффекты и механизмы отказов этих ЗУ и определены предельные ювни их стойкости при воздействии различных радиационных факторов. Уровни 'ссбоиной работы (УБР) КМОП ЗУ, выполненных по объемной технологии при лпульсных ионизирующих воздействиях (ИИВ) составляет 108-109ед/с, а пороги дозовых жазов - 104-105ед. Однако такие уровни стойкости являются недостаточными для ¡еспечения требований, предъявляемых к аппаратуре КТ.

Современные отечественные радиационно-стойкие микросхемы ЗУ, выполненные ) технологии с диэлектрической изоляцией элементов (КНС - кремний на сапфире КНИ - кремний на изоляторе), наряду с высокой стойкостью к ИИВ (до 10" ед/с) фактеризуются относительно низкой дозовой стойкостью, сопоставимой с КМОП ЗУ.

При применении традиционных ЗУ необходимо также учитывать существующие ;сплуатационные ограничения: для оперативных запоминающих устройств нергозависимость), для ПЗУ (большое время записи, ограниченное число циклов записи-[итывания информации и небольшой срок сохранности информации). Итогом «оголетнего развития схемотехники энергонезависимых ЗУ с электрическим стиранием

В данной работе под понятием прогнозирование понимается предвидение технического

"»ультата на основе расчетно-экспериментального моделирования радиационных реакций СЗУ.

3 О

информации являются перепрограммируемые ЗУ, сохраняющие данные при отключени напряжения питания (ФЛЭШ ЗУ), однако радиационная стойкость накопите,-и периферийных цепей этих ЗУ определяется, как правило режимом стиранн и недостаточна для выполнения требований тактико-технических заданий (ТТ при разработке изделий КТ.

Эти обстоятельства вынуждают разработчиков искать новые пути и подход: к повышению эксплуатационных характеристик и радиационной стойкости.

Одна из перспективных технологий радиационно-стойких ЗУ основаг на использовании эффекта спонтанной поляризации сегнетоэлектрических материале и создании на их основе СЗУ (Ferromagnetic Random Access Memory - FRAIV Иностранные фирмы-изготовители рекламируют СЗУ, как энергонезависимы оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), с практически неограниченным числс циклов записи-считывания информации, высоким быстродействием и большим сроке сохранности данных, с низкой потребляемой мощностью и потенциально высокс радиационной стойкостью.

Результаты анализа применимости ЭКБ иностранного производства (ИГТ при разработке изделий КТ, показывают устойчивую тенденцию роста применения СЗ (рисунок 1). СЗУ ИП с объемом памяти до 256 К широко применяются в изделиях КТ.

1.

L Ь

Шш . - ■ ■ 1

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

■ Всего изделий КТ с использованием СЗУ

■ Число изделий КТ с использованием СЗУ, к которым заданы требования стойкости к ИИ

Рисунок 1 - Динамика применяемости СЗУ ИП в изделиях КТ

В то же время анализ имеющейся информации показал, что до настоящего времени [¡следования СЗУ в условиях воздействия радиационных факторов имеют частный фактер и не систематизированы. Представленные в литературе материалы исследований экспериментальные данные в основном сводятся к описанию наблюдаемых эдиационных эффектов в сегнетоэлектриках и в примитивных структурах на их основе, тсутствуют достоверные экспериментальные данные о радиационной стойкости икросхем СЗУ. Практически не исследованы доминирующие эффекты и механизмы эвреждения и отказов базовых элементов микросхем СЗУ при воздействии различных эдиационных факторов и их зависимости от конструктивно-технологических ;обенностей, режимов и условий эксплуатации. Отсутствуют типовые методики гпытаний и оценки радиационной стойкости СЗУ с использованием моделирующих ;тановок и имитаторов. В частности, не обоснована возможность и не исследованы :обенности и границы применимости имитационных испытаний с учетом специфики СЗУ.

Поэтому возникла актуальная научная задача, которая заключается в необходимости азвития существующих и разработки новых методов и средств прогнозирования обеспечения радиационной стойкости СЗУ.

Состояние исследований по проблеме.

Вопросам создания и развития микросхем сегнетоэлектрических ОЗУ посвящено «чительное число работ, начиная с середины восьмидесятых годов. С 1991 года соответствии с государственным оборонным заказом в НПО «Адрон» проводилась НИР Исследование и разработка энергонезависимых ЗУ с произвольной выборкой использованием сегнетоэлектриков, устойчивых к СВВФ по группе ЗУ», шифр «Радиан», редприятием была разработана рабочая конструкторская документация, но впоследствии аботы из-за прекращения финансирования были приостановлены. С этого времени ггулярно публиковалась информация о частных результатах проводимых исследований данном направлении, однако ни конкретных описаний микросхем, ни данных о их радиационной стойкости так и не появилось.

Вопросам создания радиационно-стойких запоминающих устройств, выполненных о КМОП и КНС (КНИ) технологиям, посвящены многочисленные работы т.н. Машевича П.Р., Гуминова В.Н. (ОАО «Ангстрем»), д.т.н. Барбашова В.М., т.н. Герасимова Ю.М., к.т.н. Григорьева Н.Г. (НИЯУ МИФИ).

Вопросам анализа, моделирования и разработки энергонезависимой памят посвящены работы д.т.н. Шелепина Н.А (ОАО «НИИМЭ и Микрон»), к.т.н. Согояна А.Е к.т.н. Севрюкова А.Н. (НИЯУ МИФИ).

Значимый вклад в развитие методических и технических средств kohtpoj параметров ЗУ в процессе дистанционных радиационных испытаний сделан в работ; к.т.н. Беляева В.В., к.т.н. Калашникова O.A. (НИЯУ МИФИ), к.т.н. Фигурова В.< и Емельянова В.В. (ФГУП «НИИП»), что обеспечило повышение объема испытани увеличения их информативности и достоверности. В наибольшей степени вопрос расчетно-экспериментального моделирования, прогнозирования и разработки методр радиационных испытаний ЗУ развиты в трудах д.т.н. Никифорова A.IC д.т.н. Чумакова А.И., к.т.н. Улановой A.B., к.т.н. Яненко А.В, к.т.н. Васильева А.Е представляющих научную школу НИЯУ МИФИ.

Поскольку функционально СЗУ близки к традиционным ЗУ по основным блока кристалла, за исключением конструкции ячеек памяти (ЯП) при рассмотрении вопросе оценки и прогнозирования их радиационной стойкости в общем случае может бьп использован накопленный опыт радиационных исследований обычных ЗУ. Однак при этом необходимо учитывать специфику радиационного поведения отдельнь: элементов СЗУ, функциональные и паразитные связи между ними с учетом высоко степени интеграции. Оригинальные технологические и топологические решения СЗ требуют развития существующих методических и технических средств прогнозирована и оценки их радиационной стойкости.

Таким образом, к началу диссертационной работы возникло методическс противоречие - между появлением и широким практическим использованием новог перспективного класса микросхем памяти - СЗУ и недостаточной изученность! их доминирующих радиационных эффектов и механизмов отказов, а также отсутствие методик и систематизированных результатов их радиационных испытаний. Возникл необходимость выявить наиболее радиационно-чувствительные элемент и функциональные блоки СЗУ, определить типовые уровни отказов и сбоев СЗ по доминирующим радиационным эффектам при воздействиях различных радиационны факторов, а также разработать рекомендации по повышению их радиационной стойкости.

Целью диссертации является повышение эффективности существующих разработка новых научно обоснованных методических и технических средств рогнозирования и обеспечения радиационной стойкости элементов и функциональных злов СЗУ по доминирующим радиационным эффектам ИИ.

Достижение указанной цели стало возможным на основе решения комплекса аучно-исследовательских и прикладных задач, включающих:

- анализ тенденций развития СЗУ и особенностей применения в изделиях В и КТ заданными требованиями по радиационной стойкости;

- проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований эминирующих радиационных эффектов в СЗУ и их элементах в широких диапазонах зменения режимов работы и уровнях ИИ;

- развитие методических и технических средств испытаний СЗУ на стойкость ИИВ, обеспечивающих выявление и диагностирование информационных сбоев

реальном времени непосредственно в процессе и после испытательного воздействия;

- получение и систематизацию экспериментальных данных по радиационной гойкости СЗУ, установление закономерностей их радиационного поведения и разработке екомендаций по обеспечению радиационной стойкости СЗУ;

- разработку рекомендаций по выбору и применению радиационно-стойких СЗУ аппаратуре КТ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено, что реакция микросхем СЗУ на радиационные воздействия пределяется суперпозицией откликов радиационно-стойкого накопителя информации, эстоящего из ячеек памяти (ЯП) на основе сегнетоэлектриков и стандартных ериферийных элементов СЗУ, выполненных по объемной КМОП-технологии,

обуславливающих эффекты и закономерности радиационного поведения, характерные ля КМОП технологии, определены наиболее критичные функциональные узлы, гвечающие за радиационный отклик микросхем СЗУ и экспериментально подтверждено, го радиационная стойкость СЗУ определяется не изменениями характеристик ггнетоэлектрика, а радиационно-индуцированной деградацией элементов периферии, го позволит разработчикам СЗУ провести мероприятия по повышению радиационной гойкости;

- впервые развита физическая модель сбоя сегнетоэлектрической Я при импульсном воздействии, позволяющая оценить уровень стойкости Я при воздействии различной формы, длительности и интенсивности ИИ в различнь моменты временной диаграммы функционирования СЗУ; результаты моделироваш позволили выявить критичный режим функционирования СЗУ и рассчитать вероятное" возникновения сбоя в СЗУ при импульсном воздействии;

- впервые развита физическая модель импульсной реакции накопителя СЗ на воздействие импульсного рентгеновского излучения (ИРИ) с энергией в диапазор 10...200кэВ, учитывающая радиационно-термические, термомеханичесю и пьезоэлектрические процессы, а также ионизационную проводимость сегнетоэлектрик На основе расчетного моделирования показано, что уровень поглощенной доз в сегнетоэлектрике при воздействии ИРИ превышает равновесное значение в кремни более, чем на порядок из-за неоднородного энерговыделения в элементах СЗ'! при наличии в конструкции СЗУ материалов с большими атомными номерами (титана-цирконат свинца, платина);

- научно обоснованы и методически сформулированы методики экспериментальны исследований СЗУ, развивающие существующие методы испытаний и контрол параметров и позволяющие выявлять наиболее радиационно-чувствительные элемент СЗУ, исследовать специфическое для СЗУ радиационное поведение и повышающр информативность исследований.

Практическая значимость работы:

- разработаны и апробированы методики экспериментальных исследовани и испытаний микросхем СЗУ на моделирующих и имитирующих установка; обеспечивающие выявление специфических для СЗУ радиационных эффекте и повышающие информативность исследований;

-впервые проведены испытания более чем 10 типов микросхем СЗУ на стойкост к радиационному воздействию по всем основным видам эффектов (объемная ионизаци: поглощенная доза, локальные радиационные эффекты при воздействии отдельных ядерны частиц (ОЯЧ));

- в ходе работы получены оригинальные результаты экспериментальны исследований СЗУ ведущих зарубежных изготовителей;

-результаты диссертации внедрены во ОАО «Ангстрем», ФГУП «ФНПЦ НИИИС мени Ю.Е.Седакова», ОАО «ЦНИИ «Циклон», ОАО «ЦНИИ «Комета», ОАО «ЭНПО :ПЭЛС», филиале ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России» при разработке, методическом беспечении, организации и проведении радиационных испытаний отечественных зарубежных СЗУ, а также аппаратуры систем управления на их основе - в частности космических системах;

- результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по НИР составным частям ОКР («Прочность», «Вереница», «Вельвет», «Локомобилыцик»,

Литературовед», «Лицей», «Личность-ку», «Дикарь», «Литтос-ку», «Лисичанск-ку», Джут-ку»), выполненных по заказам Минобороны России и предприятий оборонного омплекса;

- полученные в диссертации результаты реализованы в нормативных документах: Минобороны России, в том числе в РД В 319.03.52 «Микросхемы интегральные

полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах азработки, производства и поставки. Общая методика лазерных имитационных спытаний в широком диапазоне уровней и длительностей импульсов специальных (акторов, а также температуры среды», проекте РД госкорпорации «Росатом» «Методы ценки изделий микроэлектроники и наноэлектроники на радиационную стойкость локальным радиационным эффектам при воздействии факторов ядерного взрыва», также в более чем 20 методиках и протоколах испытаний СЗУ.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Физические модели прогнозирования функциональных сбоев и отказов [икросхем СЗУ вследствие объемных ионизационных эффектов в широком диапазоне ежимов и условий эксплуатации, отражающие приоритет реакций периферийных стройств над реакциями сегнетоэлектрических ЯП и учитывающие вклады, ак функциональных элементов, так и паразитных структур;

2. Теоретически обоснованные и экспериментально подтверждённые результаты шзического моделирования особенностей ионизационных эффектов в элементах акопителя СЗУ под действием ИРИ, включающего анализ вклада всех существенных роцессов: радиационно-термических, термомеханических и пьезоэлектрических, а также онизационной проводимости диэлектрика, показывающие, что при воздействии ИРИ

до уровня флюенса 1 кал/см2, не обнаружено значительных бросков напряжени связанных с генерацией и распределением механических возмущений;

3. Методики экспериментальных радиационных исследований микросхем СЗ'! развивающие существующие методы испытаний и контроля параметре и обеспечивающие выявление специфических для СЗУ радиационных эффекте и повышающие информативность исследований;

4. Результаты экспериментальных исследований радиационного поведет и испытаний СЗУ ведущих зарубежных изготовителей по объемным и дозовым эффекта! а также по эффектам от отдельных ядерных частиц, подтверждающие обоснованное! предложенных методических и технических средств моделирования и прогнозирован! радиационного поведения СЗУ, обеспечивающие достоверной информацие разработчиков изделий КТ.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на российских научны конференциях «Радиационная стойкость электронных систем» (Лыткарино, 2002-2010 гг. научных сессиях МИФИ (Москва, 2001-2010 гг.); семинаре «Проблемы создащ специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур», (г. Нижни Новгород, 2009-2011 гг.).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работа (в период с 2001 по 2011 гг.), в том числе 3 - в реферируемых журналах и 1 - без соавторе

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 133 страницы, в том чис/ 45 рисунков, 35 таблиц, список литературы из 102 наименований и состоит из введени четырех глав, заключения и списка литературы.

Содержание диссертации Исследование применяемости, технического уровня и тенденций развития СЗУ отечественного и иностранного производства.

Постановка задачи диссертации

Выполнение тактико-технических требований, предъявляемых к изделиям КТ, може быть обеспечено только на основе применения специальной радиационно-стойкой ЭКГ Наиболее широкое применение типа СЗУ нашли в изделиях космической техник! В частности, они используются в блоке определения пространственной ориентации изделиГ в инерциальной геоцентрической системе координат звезд, в аппаратуре радионавигации,

локе управления системой наведения антенн, в комплексе автоматики и стабилизации, командно-измерительной системе, бортовом информационно-вычислительном комплексе, ппаратуре дальномерно-доплеровской системы, аппаратуре сбора и передачи информации, ортовом синхронизирующем устройстве, командно-измерительной системе.

Разработчиками изделий КТ, при обосновании их выбора, указываются следующие войства СЗУ: энергонезависимость, низкие управляющие напряжения, совместимые КМОП-схемами обрамления, малые времена записи и чтения, длительные времена нергонезависимого хранения информации (не менее 5 лет), большое число циклов апись/чтение (1012-10и), а также доступность данного класса СБИС: множество (зготовителей, разнообразие предлагаемых типономиналов при приемлемой стоимости. 1а сегодняшний день развитие технологии СЗУ входит в стратегические планы многих едущих мировых производителей интегральных микросхем. Данные прогноза развития "ЗУ ИП представлены в таблице 1.

'аблица 1 - Прогноз изменения информационной емкости и технологий производства арубежных СЗУ

Параметр Год производства

2001 2004 2007 2010 2013 2016

Минимальный топологический азмер элемента, нм 500 180 130 100 70 50

]м кость стандартного СЗУ, бит 1 М 64 М 256 М 1 Г 4 Г 16Г

!ремя выборки адреса, не 80 40 20 10 8 6

!ремя цикла, не 160 70 32 16 12 10

1апряжение питания, В 3,0 1,8 1,2 1,0 0,7 0,7

'азмер ячейки, мкм 15,0 0,52 0,17 0,15 0,04 0,02

архитектура конденсаторной труктуры Планерная (planar) Пьедестал (stack) 3D

архитектура ячейки СЗУ 2Т-2С 1Т-1С

/1инимальный заряд [ереключения, мкКл/см2 4,4 17,2 40,0

!ремя хранения при 85°С, лет 10

1исло циклов переключений 1012 1015 более 10'6

Физический принцип хранения информации в электрически поляризованном материале с широкой петлей гистерезиса обеспечивает высокую устойчивость СЗУ к внешним воздействиям2.

2 Сегнетоэлектрический эффект - это возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля

11

В настоящее время в СЗУ используют два основных материала: цирконат-титана свинца - ЦТС (PZT - Pb(Zr, Ti)03) и танталат висмута стронция - TBC (SBT - SrBi2Ta209 В качестве материала электродов в основном применяется платина (Pt) с адгезионным подслоями титана (Ti) и оксида титана (ТЮ2), а также в комбинации с иридием (1г).

Ведущими производителями освоено производство двух доминирующих классов Я] СЗУ, отличающиеся по внутренней архитектуре: 1Т-1С и 2Т-2С, представленны на рисунке 2.

Словарная шина

I

Vc

X

Управляющая шина

управляющая шина

-а

В

-а

»

Ui

а) б)

Рисунок 2 - Конструкции ячеек СЗУ с архитектурой 1Т-1С (а), 2Т-2С (б)

СЗУ с внутренней архитектурой 1Т-1С, как правило, используют для гражданског применения т.к. они более компактны и позволяют спроектировать схемы больше информационной емкости. Однако такой тип ячеек обладает существенным недостатком на разрядной шине при считывании формируется слабый недифференциальны информационный сигнал. Обработка такого сигнала требует построения достаточн сложной схемы формирования опорного сигнала и усилителей считывания. Схемы таког типа обладают низкой помехозащищенностью и возможность их применения в изделия КТ представляется сомнительной.

Кроме того, такая структура является менее устойчивой при радиационно: воздействии вследствие потенциально низкого уровня бессбойной работы (УБР) схемь Данных о производстве СЗУ ИП повышенных категорий качества (space, millitaiy в литературе не обнаружено.

В СЗУ 2Т-2С две ячейки типа 1Т-1С программируются в противоположны направлениях и в ячейке имеются две разрядные линии с инверсными сигналам!

Используется дифференциальный канал для восприятия сигналов, что повышает помехоустойчивость и надежность хранения данных. Основным преимуществом ЯП 2Т-2С СЗУ является высокая помехоустойчивость, а также потенциальная стойкость к воздействию магнитных и электромагнитных полей, а также ионизирующих излучений. Применение СЗУ данного типа ЯП обосновано для вычислительных средств, используемых при создании современных и перспективных высокоинтеллектуальных систем изделий КТ.

В настоящее время технология СЗУ значительно отстает от лидирующих производителей традиционных ЗУ. В связи с этим предполагается, что развитие параметров СЗУ в ближайшие годы будет идти ускоренными темпами с четырехкратным увеличением объема производства при уменьшении размеров в 1,5 раза.

Разработки отечественных радиационно-стойких СЗУ проводятся ОАО «Ангстрем» (PZT, информационная емкость до 1 М) и ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова» (SBT, создание элементов СЗУ). В ОАО «Интеграл» (Республика Беларусь) проводится опытно-конструкторская работа «Исследование и разработка элементной базы для энергонезависимой памяти с сегнетоэлектрическим диэлектриком и разработка микросхемы FRAM ЗУ емкостью 64 К, зарубежный аналог FM24C256-ST, Ramtron», шифр «Сегмент-1», окончание 2013 г. Разработки СЗУ ориентированы на структуры ЯП 2Т-2С.

При массовом применении СЗУ ИП данные о радиационной стойкости в зарубежных источниках ограничены. При этом существуют определенные проблемы при применении СЗУ ИП в изделиях КТ:

- фирмы-изготовители при проектировании СЗУ не применяют радиационно-стойких библиотек элементов и не гарантируют при поставке высокой радиационной стойкости СЗУ ИП;

- отсутствуют данные о методиках проведения радиационных испытаний и контроле работоспособности СЗУ при испытаниях (контролируемые параметры и их значения);

- в иностранных источниках практически нет информации об уровнях радиационной стойкости СЗУ.

Проведенный анализ показывает, что в силу построения схем управления («периферии») СЗУ по стандартной КМОП технологии микросхемы СЗУ обладают потенциально высокой чувствительностью к воздействию ИИ. Необходимо решить задачу получения и систематизации данных о радиационной стойкости СЗУ, определению

наиболее критичного режима функционирования и механизмов радиационных отказов СЗУ при радиационных воздействиях с выделением основных чувствительных узлов и режимов работы разных типов СЗУ.

Решение данной задачи сопряжено с разработкой общих методических подходов при исследовании радиационных характеристик СЗУ.

Анализ доминирующих механизмов отказов СЗУ вследствие радиационных эффектов

Расчетно-экспериментальная оценка чувствительности СЗУ проводилась на основе концепции доминирующих радиационных эффектов, к которым относятся эффекты объемной ионизации, поверхностные (дозовые) эффекты, локальные одиночные радиационные эффекты. Раздельно проанализировано влияние радиационных эффектов на периферию и накопитель СЗУ.

Сбои СЗУ при воздействии импульсного ИИ связаны с потерей информации в выходных КМОП-каскадах усилителя считывания, изменениями выходных логических уровней, а также условиями работы интегральной схемы (ИС). Сбои выражались в переключении выходного уровня в противоположное состояние при статическом считывании данных (рисунок 3).

' Г"Ч"' Ч " " г

п

Логический "(Г J J. ИИВ-7«10*ед/с

iijiiiijitiifiiiij

iiji ii i]ii iij iii I]I

20мВ/дел; 250нс/дел

(a)

:....:..ИИВ-М0 ед/с. Логический "О1

—та*

У> У и Л -

;500мВ/деп; 2,5мкс/деп

(б)

Рисунок 3 - Экспериментальные осциллограммы импульсной реакции выходных напряжений низкого логического уровня СЗУ MB85R256H, ф. Fujitsu Semiconductor (емкость 256 К) при разных значениях ИИВ: 7'109ед./с (а) и ГЮ10ед./с (б)

Повторное считывание без перезаписи ЯП приводило к восстановлению информации и верному считыванию, что может свидетельствовать о сбое в выходных КМОП-каскадах

усилителя считывания, а не в накопителе. Характер радиационного отклика был нестабильным и, вероятно, зависел от момента ИИВ в рамках временной диаграммы.

Обобщение полученных расчетно-экспериментальных данных более 10 типов СЗУ показывает, что для большинства современных СЗУ, изготовленных по объемной технологии, УБР составляет 1,Г109...2,7'Ю10ед./с; уровни сохранности информации лежат в диапазоне величин 2,7'Ю10...7,5'ЮП ед./с (для сравнения: уровни сохранности КМОП БИС ОЗУ лежат в диапазоне 1,02-Ю9...7,17-Ю10); уровни тиристорного эффекта составляют 1,010й...7,51011 ед./с (для КМОП БИС ОЗУ - от 1,62-108 до 8,610й ед./с).

Проведено расчетно-экспериментальное схемотехническое моделирование сбоев в ЯП СЗУ проведено с использованием программного комплекса «БОЭЯ», адаптированного, при участии автора, и включало этап моделирования ЯП 2Т-2С и усилителя считывания. В качестве параметра, характеризующего ионизационный отклик транзисторов при ИИВ, в «ЭОЗГЪ) применяется отношение амплитуды ионизационного тока при заданном уровне ИИВ (1РЬ) к току открытого транзистора (10).

Рисунок 4 - Диаграммы сигналов ВЬ и ЫВЬ при воздействии длительностью ИИВ 2 не (измеренный на уровне 0,5) и интенсивностью, характерной для ионизационного тока, равного 20% от тока открытого МОП транзистора, в разные моменты времени (а), (б)

По итогам моделирования ЯП СЗУ установлено, что сбой возникает в промежутки времени, соответствующие началу работы усилителя считывания, пока регенерация данных не началась (рисунок 4). В остальные моменты времени сбои в накопителе

не наблюдаются вплоть до предельных уровней воздействия, соответствующих уровням при которых фототок сравнивается или превышает ток открытого транзистора (порядкЕ

Характер дозовой деградации параметров СЗУ оказались сопоставимы с ОЗУ, выполненными по объемной КМОП технологии, однако необходимо отметить отсутствие эффекта стирания информации из накопителя, что потенциально позволяет использоват! СЗУ для хранения критически важной информации. Выходные уровни и динамический тоь потребления в процессе дозового воздействия изменялись слабо. Наиболее чувствительным параметром при воздействии является статический ток потребленш в режиме хранения, рисунок 5.

Уровень стойкости СЗУ определяется выходом за критериальные значения статического тока потребления в режиме хранения (уровни стойкости порядка 10103 ед.) и функциональными отказами (уровни стойкости порядка 30...50 1 03 ед.).

С целью выявления вклада в дозовый функциональный отказ накопителя и КМОП-периферии был проведен эксперимент по облучению кристалла СЗУ РМ18Ь08, ф. Яат^оп через отверстие в специально изготовленной свинцовой маске, рисунок 5.

Рисунок 5 - Экспериментальные осциллограммы зависимости тока потребления в режиме

хранения FM18L08-70-SG, ф. Ramtron (FRAM 1), MB85R256H, ф. Fujitsu Semiconductor (FRAM 2) и типового КМОП ОЗУ 256 К при стационарном воздействии. Среднее значение начального тока lees составляет: для FRAM 1 - 3,4 мкА, для FRAM 2 - 0,4 мкА, для КМОП ОЗУ 256К - 10 мкА

1012ед./с).

13 юе -

§д • №1_fram 1

Рисунок 6 - Области облучения кристалла БИС СЗУ РМ18Ь08:

1 - область накопителя;

2 - накопитель, усилитель считывания и селектор адресов

3 - накопитель и усилитель считывания

На разных образцах кристалла СЗУ РМ18Ь08 облучались области I, 2 и 3, определялись уровни дозового отказа всего кристалла, при этом контролировались все параметры СЗУ и регистрировалась информационная карта накопителя с учетом физической организации адресов.

На рисунке 6 представлены построенные с учетом физической адресации карты дозового отказа СЗУ РМ18Ь08 при облучении областей 2 и 3 через диафрагму диаметром 2 мм. При облучении только области накопителя через отверстие 1 ошибок не наблюдается до уровня воздействия >106ед.

Уровень стойкости СЗУ при облучении области 2 составил 70 Крад при тестировании алгоритмами Марш_С и Маст+ и 80 Крад при тестировании алгоритмами длительностью 4N. До уровня воздействия 110 Крад ошибки наблюдались в строго локализованных областях, а после 120 Крад по всему накопителю (рисунок 7,6). Такой результат подтверждает наличие в области 2 схем дешифраторов строк и столбцов, деградация характеристик которых влияет на функционирование СЗУ. Уровень стойкости СЗУ при облучении области 3 составил 80 Крад, при уровне воздействия 90 Крад ошибки наблюдались как при тестировании алгоритмами длительностью 10N, так и 4N. Распределение ошибок по накопителю носило строго локализованный характер вплоть до уровня облучения 500 Крад с выходом на насыщение при уровне 270 Крад (рисунок 7,г). Поэтому можно заключить, что в области 3 облучению подвергались только ЯП и усилительные каскады.

(а) (б) (в) (г)

Рисунок 7 - Информационные карты полученных дозовых отказов БИС СЗУ РМ18Ь08, ф. Н.ат1гоп, построенные с учетом физической адресации для разных уровней воздействия: (а) - 110103 ед., область 2; (б) - 120 1 03 ед., область 2; (в) - 270 1 03 ед., область 3; (г) - 500'Ю3 ед., область 3. Черные области — отказ

Таким образом, экспериментально подтверждено, что дозовая стойкость микросхем СЗУ определяется КМОП-периферией. Методика локального воздействия оказалась эффективной для определения стойкости СЗУ, а также определения наиболее чувствительных блоков.

Проведенный анализ показал, что специфика радиационной реакции ячейки СЗУ на воздействие импульсного рентгеновского излучения (ИРИ) с энергией 10-200 кэВ определяется несколькими группами доминирующих эффектов.

Первую группу составляют радиационно-термические эффекты, обусловленные нагревом элементов ячейки СЗУ (рисунок 8) при воздействии ИРИ. Величину максимально возможного нагрева пленки ЦТС можно оценить из соотношения:

ДТгаах~0/с, (1)

где £> - поглощенная доза, с - удельная теплоемкость ЦТС (350 Дж/кг-К). Проведенный анализ показывает, что при флюенсе 1 кал/см2 нагрев сегнетоэлектрика составит ДТтах~70°С, а платиновых электродов - до 200°С. При флюенсе энергии 2-3 кал/см2 температура платиновых электродов может превысить температуру Кюри прилегающих слоев сегнетоэлектрика.

Вторую группу составляют термомеханические эффекты, обусловленные импульсным характером нагрева элементов ячейки СЗУ. Наличие в конструкции СЗУ материалов с большими атомными номерами (ЦТС, платина) приводит к неоднородному

энерговыделению в элементах схемы при ИРИ, неравномерному разогреву элементов ячейки и как следствие - возникновению механических напряжений, которые, в свою очередь, приводят к генерации импульсов напряжений на электродах конденсатора с сегнетоэлектрическим диэлектриком.

Рисунок 8 - Конструкции ячеек 1Т-1С СЗУ (планарная конструкция)

Амплитуду импульса напряжения Ди на обкладках сегнетоэлектрического конденсатора ЯП можно оценить из соотношения: р с ,/

Аи~ —--с/33о£ДГт„, (2)

С £■„£•

где Р - модуль вектора поляризации, 8 - площадь обкладок, С - емкость конденсатора, е - максимальный компонент тензора диэлектрической проницаемости, а - коэффициент линейного теплового расширения, Е - модуль Юнга, ё33 — характерное значение пьезоэлектрического коэффициента. Для указанных значений параметров при флюенсе ИРИ 1 кал/см2 амплитуда импульса напряжения на обкладках конденсатора ЯП СЗУ составляет Ди ~ 0,3 В. Проведенный расчет с учетом геометрии ячейки (рисунок 8) согласуется с представленной оценкой.

Третья группа эффектов, специфических для воздействия ИРИ, обусловлена неравновесным характером энерговыделения из-за наличия в конструкции ячейки элементов с большими атомными номерами. При этом уровень поглощенной дозы в окрестности сегнетоэлектрического элемента памяти возрастает по сравнению с равновесным случаем («усиление дозы»).

Моделирование процессов энерговыделения в ячейке, представленной на рисунке 8,

показывает, что при воздействии ИРИ величина эффекта усиления дозы в области локализации управляющего МОП-транзистора составляет около 2 раз (рисунок 9).

о

-0.5 -1 -1.5

£

* -2 -2.5 -3 -3.5 -4

1.4 |д(ого31)

Рисунок 9 - Диаграмма усиления дозы в ячейке СЗУ

В работе показано, что при организации и проведении испытаний СЗУ на стойкость к ИРИ методически важно определить источник испытательного воздействия. В случае КМОП ИС испытания проводят с использованием эквивалентного гамма-излучения. Однако расчеты показывают, что при воздействии ИРИ уровень поглощенной дозы в сегнетоэлектрике более, чем на порядок превышает аналогичный показатель в кремниевой подложке (рисунок 10).

При проведении радиационных испытаний на гамма-установках уровни поглощенных доз в кремнии и ЦТС практически совпадают, что не позволяет оценить указанную особенность ИРИ. Более объективная оценка стойкости СЗУ к ИРИ может быть получена при проведении испытаний именно па рентгеновских источниках. Проведенные автором расчеты показали, что отличие поглощенной дозы рентгеновского излучения составляет около 3-х раз вместо 10-15 при воздействии гамма-излучения, что представлено на рисунке 10.

14 -

Л

- РИ

-гамма-излучение

- Импульсное РИ

12 -

10 -

0

О

2

4

6

8

10

12

2, МКМ

Рисунок 10 — Расчетный профиль распределения поглощенной дозы в модельной структуре 51 (5 мкм) / Р1 (0,05 мкм)/ ЦТС (0,15 мкм)/ Р1 (0,2 мкм) /81 (5 мкм) при воздействии излучения тормозного спектра импульсного РИ, РИ (с максимальной энергией 45 кэВ) и гамма-излучения

Методические и технические средства экспериментальных исследований СЗУ

Существующие методы радиационных исследований ЗУ подразумевают воздействие ИИ моделирующих установок на ИС в целом, при этом затруднено получение информации о радиационном поведении отдельных функциональных блоков СЗУ на условия функционирования узлов СЗУ.

Для исследования радиационной стойкости СЗУ необходимы такие средства, которые позволяли бы проводить исследования раздельно накопителя и «периферии»:

- локальное радиационное воздействие па СЗУ по эффектам объемной ионизации. Формирование области локального воздействия должно проводиться с помощью установки, формирующей сфокусированное лазерное импульсное излучение, путем введения «расфокусировки» (смещения поверхности кристалла из плоскости острой фокусировки). В этом случае диаметр области локального воздействия зависит от расстояния плоскости поверхности кристалла СЗУ до плоскости фокусировки с учетом эффективного угла расходимости пучка для используемого микрообъектива;

- локальное радиационное воздействие на СЗУ по поверхностным радиационным эффектам. Формирование области локального воздействия должно

проводиться с помощью выбора материала и толщины для металлической маски (свинцовая фольга толщиной 0,1...0,2 мм), формирующей форму области локального рентгеновского излучения, с учетом спектра рентгеновского излучения имитатора;

- локальное радиационное воздействие на СЗУ для воспроизведения эффектов от отдельных ядерных частиц. Воздействие на СЗУ с применением лазерного имитатора с импульсным расфокусированным (локальным) лазерным излучением позволяет, по сравнению со сфокусированным лазерным воздействием, снижать влияние металлизации и в десятки раз увеличивать производительность сканирования кристалла для определения наиболее чувствительных к одиночным эффектам областей.

Разработаны методики испытаний СЗУ на радиационную стойкость, обеспечивающие достоверный контроль их характеристик в процессе воздействия ИИ на основе рационального сочетания испытаний на моделирующих установках и имитаторах.

Возможность и высокая эффективность применения локального лазерного излучения для КМОП ОЗУ показана в работах Чумакова А.И., Яненко A.B., Печенкина A.A. Для периферийных схем СЗУ, построенных по КМОП технологии по тем же принципам, что и в КМОП СОЗУ, эти методы применимы. Импульсное локальное лазерное излучение вызывает ионизацию полупроводниковых структур накопителя СЗУ, подобную ионизации от тяжелых заряженных частиц, и может быть использовано для исследования локальных радиационных эффектов в области накопителя с известными ограничениями (влияние высокой плотности металлизации, отсутствие ионизации областей окисла), ряд из которых удается преодолеть, используя облучение сфокусированным импульсным лазерным излучением со стороны подложки.

Полученные экспериментальные данные (рисунок 11) подтверждают возможность использования импульсного сфокусированного и локального лазерного излучения для исследования локальных радиационных эффектов в СЗУ. В рассмотренных методах локальное радиационное воздействие подразумевает фрагментарное воздействие на области кристалла СЗУ, то есть пространственную локализацию воздействия.

Область сегнетоэпектрического накопителя

Рисунок 11 - Ионизационная реакция (собирание заряда в области сегнетоэлектрического накопителя) несмещенных р-п-переходов при воздействии сфокусированным лазерным

излучением на СЗУ РМ33256-0 со встроенным микропрограммным управлением

Результаты экспериментальных исследований СЗУ на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц по одиночным эффектам

Исследования СЗУ проводились с использованием ускорителей ионов и протонов, а также лазерных имитаторов локального радиационного воздействия. Исследования были направлены на получение параметров чувствительности по эффектам сбоев (одиночные и функциональные сбои, проявляющиеся как искажения или потеря информации) и по эффектам отказов (тиристорных эффектов при воздействии ОЯЧ).

Исследования показали, что некоторые СЗУ не свободны от тиристорного эффекта при воздействии ОЯЧ, что обусловлено применением КМОП элементов в периферии (рисунки 12, 13). Радиационное поведение СЗУ в части тиристорного эффекта является типовым за исключением отсутствия ТЭ в области накопителя, что типично для БИС памяти, произведенной по объемной КМОП технологии.

Рисунок 12 - Локализация областей возникновения тиристорных эффектов в СЗУ РМ33256 обозначенных крестами, полученная на лазерном имитаторе «ПИКЛ-3» при воздействии на кристалл СЗУ с тыльной стороны лазерным излучением с диаметром 10 мкм

и энергией 30 нДж

1.00Е-03

1.00Е-04

г 1.00Е-05

1.00Е-06

т

40 60 _ЛПЭ. МэВ./(мг/см2)

Рисунок 13 - Экспериментальная зависимость сечения тиристорных эффектов в СЗУ РМ33256 при воздействии ионами с различными линейными потерями энергии (ЛПЭ)

Проявление локальных радиационных эффектов в части одиночных сбоев для СЗУ, напротив, сильно отличается от типичного и проявления в БИС памяти типа ОЗУ. Исследования показали, что в режиме хранения потери информации в накопителе при воздействии ОЯЧ не происходят. Но, несмотря на высокую стойкость самого накопителя СЗУ по одиночным эффектам, одиночные сбои в СЗУ наблюдаются в режиме циклической записи-считывания.

В ходе исследований отрабатывались предложенные автором алгоритмы функционального контроля для получения параметров чувствительности СЗУ в режимах записи и считывания. Проведенный анализ экспериментальных данных показал, что сбои в «периферии» могут приводить к потере информации сразу в нескольких ячейках или даже целых блоках накопителя данных. При этом наблюдается зависимость чувствительности СЗУ по эффектам сбоев от частоты обращения к СЗУ, что подтверждает возникновение сбоев в периферийных схемах СЗУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной научный результат диссертации заключается в следующем:

- подтверждено предположение, что радиационная стойкость современных СЗУ, вследствие объемных, поверхностных и локальных одиночных ионизационных эффектов в широком диапазоне уровней воздействия, определяется периферийными цепями и установлено экспериментально, что уровень радиационной стойкости СЗУ к НИИ не выше, а к стационарному воздействию даже ниже, чем стойкость ОЗУ, выполненной по стандартной КМОП технологии. При воздействии ТЗЧ в СЗУ возникают сбои, по своему проявлению и последствиям существенно отличающиеся от сбоев в БИС памяти типа ОЗУ или ПЗУ (ФЛЭШ, ППЗУ и т.п.);

-установлено, что сбои сегнетоэлектрической ЯП при импульсном воздействии возникают в промежутке времени, соответствующем началу работы усилителя считывания, в остальные моменты времени сбои в ЯП СЗУ не наблюдаются вплоть до предельных уровней воздействия ИИВ;

- выявлены и исследованы особенности реакции накопителя СЗУ на воздействие импульсного рентгеновского излучения (ИРИ) с энергией в диапазоне 20...200кэВ и выделены несколько групп процессов, наиболее существенным образом влияющих на импульсную реакцию сегнетоэлектриков: радиационно-термические, термомеханические и пьезоэлектрические, а также ионизационная проводимость диэлектрика;

-установлено, что при воздействии ИРИ до уровня флюенса порядка 1 кал/см2, не возникает значительных бросков напряжения, связанных с генерацией и распространением механических возмущений; определено, что при воздействии ИРИ может происходить радиационный нагрев платиновых обкладок и вещества ЦТС до температуры Кюри (ТК~290°С) за счет существенно большего уровня поглощенной

дозы, при которой изменяется поляризация;

- показано, что уровень поглощенной дозы в сегнетоэлектрике при воздействии ИРИ превышает равновесное значение в кремнии более чем на порядок из-за неоднородного энерговыделения в элементах СЗУ при наличии в конструкции СЗУ материалов с большими атомными номерами (титанат-цирконат свинца, платина).

Основной практический результат работы заключается в следующем:

- развиты методики экспериментальных исследований СЗУ с учетом особенностей их внутренней архитектуры и доминирующих радиационных эффектов, которые позволяют в процессе экспериментальных исследований обнаружить места возникновения сбоев или отказов;

- получены результаты сравнительных экспериментальных исследований СЗУ зарубежных изготовителей позволят разработчикам изделий КТ при заданных требованиях по стойкости достоверно проводить анализ выполнения требований ТТЗ с применением СЗУ.

Таким образом, в ходе работы над диссертацией достигнута ее основная цель, а именно проведены исследования и получены результаты, направленные на повышение эффективности существующих и разработки новых научно обоснованных методических и технических средств прогнозирования и обеспечения радиационной стойкости по доминирующим радиационным эффектам ИИ элементов и функциональных узлов СЗУ, необходимых для комплектования изделий КТ.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Телец В.А., Негина Ю.С., Орлов A.A. Направления, базовые составляющие и условия развития изделий микросистемной техники специального назначения// Известия ВУЗОВ. Электроника.-2005.- №6.- С.9-20.

2. Орлов A.A., Уланова A.B., Боруздина А.Б. Обеспечение радиационной ггойкости микросхем энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств// Спецтехника и связь.- 2011.- №4-5.- С. 52-56.

3. Орлов A.A., Согоян A.B., Герасимов В.Ф. Особенности поведения микросхем памяти на сегнетоэлектриках при воздействии импульсного рентгеновского излучения// Спецтехника и связь.- 2011.- №4-5.- С. 57-58.

4. А.С.Артамонов, Д.В.Бойченко, А.Ю.Никифоров, A.A. Орлов Рентгеновские 1митационные методы: состояние и перспективы// Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2009»,- 2009,- №12. - С.157-159.

5. Орлов A.A., Петров А.Г., Уланова A.B. Исследование характеристик сегнетоэлектрических ОЗУ (FRAM) 256 Кбит при воздействии ионизирующих излучений// Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2010». - №13. - С.25-26.

6. Орлов A.A. Вопросы применения ЭРИ иностранного производства при использовании в аппаратуре военной и космической техники с заданными требованиями по радиационной стойкости// Военная электроника и электротехника. -2010,- С.209-216.

7. Артамонов A.C., Бойченко Д.В., Герасимов В.Ф., Демидов A.A., Егоров А.Н., Игнатов A.A., Калашников O.A., Киргизова A.B., Никифоров А.Ю., Орлов A.A., Скоробогатов П.К., Согоян A.B., Телец В.А., Фигуров B.C., Чумаков А.И., Яненко A.B. РД В 319.03.52-2004 Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общая методика лазерных имитационных испытаний в широком диапазоне уровней и длительностей импульсов специальных факторов, а также температуры среды,-22 ЦНИИИ Минобороны России,- 2004,- С.27.

8. Бобровский Д.В., Васильев А.Л., Герасимов В.Ф., Криницкий A.B., Малинин В.Г., Никифоров А.Ю., Орлов A.A., Печенкин A.A. Телец В.А., Улимов В.Н., Чумаков А.И., Яненко A.B. РД В 319.03.58-2010 Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы испытаний и оценки стойкости интегральных схем и мощных МДП-транзисторов по эффектам отказов от воздействия отдельных высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства,-22 ЦНИИИ Минобороны России.-2010,- С.44.

Подписано в печать 16.04.2012 г. Печать лазерная цифровая Тираж 100 экз.

Типография Aegis-Print 115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Тел.: 8 (495) 785-00-38, 8 (926) 850-53-16 www.autoref.ae-print.ru

61 12-5/3573

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ОРЛОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ РАДИАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Авто р:_

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Телец Виталий Арсеньевич

Москва-2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................................4

Глава 1 Исследование применяемости, технического уровня

и тенденций развития сегнетоэлектрических запоминающих

устройств (СЗУ) отечественного и иностранного производства.......................13

1.1 Анализ применяемости СЗУ в космической технике (КТ)...........................13

1.2 Принцип работы, материалы и технологии для изготовления СЗУ...........22

1.3 Аналю схемотехники ячеек памяти СЗУ..........................................................28

1.4 Анализ схемотехники СЗУ...................................................................................32

1.5 Обоснование и постановка основных задач исследований...........................34

Глава 2 Аналго доминирующих механизмов отказов СЗУ

вследствие радиационных эффектов........................................................................36

2.1 Доминирующие радиационные эффекты СЗУ.................................................36

2.2 Доминирующие отказы периферийных узлов СЗУ........................................39

2.3 Анализ доминирующих механизмов сбоев и отказов ячейки СЗУ.............40

2.4 Набор критериальных параметров для оценки стойкости СЗУ...................56

2.5 Выводы......................................................................................................................58

Глава 3 Методические и технические средства

экспериментальных исследований СЗУ...................................................................60

3.1 Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований СЗУ.....................................................................................................................60

3.2 Особенности применения имитационных методов

исследований СЗУ на радиационную стойкость....................................................64

3.3 Технические средства экспериментальных

исследований СЗУ по эффектам мощности дозы..................................................70

3.4 Технические средства экспериментальных

исследований СЗУ по дозовым эффектам...............................................................77

3.5 Технические средства экспериментальных

исследований СЗУ по одиночным эффектам..........................................................81

3.6 Выводы......................................................................................................................89

2

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований СЗУ

при воздействии ионизирующих излучений...........................................................91

4.1 Результаты экспериментальных исследований СЗУ

при воздействии импульсного ионизирующего излучения.................................91

4.2 Результаты экспериментальных исследований СЗУ

при воздействии стационарного ионизирующего излучения.............................95

4.3 Результаты экспериментальных исследований СЗУ по одиночным эффектам при воздействии отдельных

заряженных частиц.....................................................................................................104

4.4 Рекомендации по обеспечению высокого уровня

радиационной стойкости СЗУ.................................................................................115

4.5 Выводы...................................................................................................................120

Заключение..............................................................................................................................121

Список литературы................................................................................................................124

Список сокращений...............................................................................................................133

Введение

Диссертация направлена на решение важной научно-технической задачи по развитию методов и средств прогнозирования1 и обеспечения радиационной стойкости сегнетоэлектрических запоминающих устройств (СЗУ), имеющей существенное значение для разработки перспективных высоконадежных электронных устройств вычислительной техники и систем управления космического и другого специального назначения, улучшения их функциональных и эксплуатационных характеристик.

Актуальность темы диссертации

Проблема создания современных и перспективных высокоинтеллектуальных систем космической техники (КТ), стойких к воздействию ионизирующего излучения (ИИ), является актуальной и может быть решена на основе применения радиационно-стойкой электронной компонентной базы (ЭКБ), важнейшими представителями которой являются микросхемы запоминающих устройств (ЗУ) [1-3].

На момент постановки задачи исследований достаточно хорошо изучено радиационное поведение интегральных микросхем ЗУ, выполненных по объемной КМОП технологии (на комплементарных транзисторах металл-окисел-полупроводник - МОП) [4-9]. Установлены основные эффекты и механизмы отказов этих ЗУ и определены предельные уровни их стойкости при воздействии различных радиационных факторов. Уровни бессбойной работы (УБР) КМОП ЗУ, выполненных по объемной технологии, при

8 9

импульсных ионизирующих воздействиях (ИИВ), составляет 10 -10 ед/с, а пороги дозовых отказов - 104-105ед [10]. Однако такие уровни стойкости являются недостаточными для обеспечения требований, предъявляемых к аппаратуре КТ [11].

1 В данной работе под понятием прогнозирование понимается предвидение технического

результата на основе расчетно-экспериментального моделирования радиационных

реакций СЗУ

Современные отечественные радиационно-стойкие микросхемы ЗУ, выполненные по технологии с диэлектрической изоляцией элементов (КНС -кремний на сапфире и КНИ — кремний на изоляторе), наряду с высокой стойкостью к ИИВ (до 1011 ед/с) характеризуются, как правило, относительно низкой дозовой стойкостью, сопоставимой со стойкостью КМОП ЗУ [12-16].

При применении традиционных ЗУ необходимо также учитывать существующие эксплуатационные ограничения: для ОЗУ (энергозависимость), для ПЗУ (большое время записи, ограниченное число циклов записи-считывания информации и небольшой срок сохранности информации). Итогом многолетнего развития схемотехники энергонезависимых ЗУ с электрическим стиранием информации являются перепрограммируемые ЗУ, сохраняющие данные при отключении напряжения питания (ФЛЭШ-ЗУ), однако радиационная стойкость накопителя и периферийных цепей этих ЗУ определяется, как правило, режимом стирания, и недостаточна для выполнения требований тактико-технических заданий (ТТЗ) при разработке изделий КТ [17].

Одна из перспективных технологий радиационно -стойких ЗУ основана на использовании эффекта спонтанной поляризации сегнетоэлектрических материалов и создании на их основе СЗУ или FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) [18]. Иностранные фирмы-изготовители рекламируют СЗУ как энергонезависимые оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) с практически неограниченным числом циклов записи-считывания информации, высоким быстродействием и большим сроком сохранности данных, с низкой потребляемой мощностью и потенциально высокой радиационной стойкостью [18-25].

Результаты анализа применимости ЭКБ иностранного производства (ИП) при разработке изделий КТ, показывают устойчивую тенденцию роста применения СЗУ. СЗУ ИП с емкостью до 256 К широко применяются в изделиях КТ, системах связи и др. [26].

5

В то же время анализ имеющейся информации показал, что до настоящего времени исследования СЗУ в условиях воздействия радиационных факторов имеют частный характер и не систематизированы. Представленные в литературе материалы исследований и экспериментальные данные в основном сводятся к описанию наблюдаемых радиационных эффектов в сегнетоэлектриках и в примитивных структурах на их основе [27-30]. Отсутствуют достоверные экспериментальные данные о радиационной стойкости микросхем СЗУ. Практически не исследованы доминирующие эффекты и механизмы повреждения и отказов базовых элементов микросхем СЗУ при воздействии различных радиационных факторов и их зависимости от конструктивно-технологических особенностей, режимов и условий эксплуатации. Отсутствуют типовые методики испытаний и оценки радиационной стойкости СЗУ с использованием моделирующих установок и имитаторов. В частности, не обоснована возможность и не исследованы особенности и границы применимости имитационных испытаний с учетом специфики СЗУ.

Поэтому возникла актуальность решения научной задачи, заключающейся в необходимости развития существующих и разработки новых методов и средств прогнозирования и обеспечения радиационной стойкости СЗУ.

Состояние исследований по проблеме

Вопросам создания и развития микросхем сегнетоэлектрических ОЗУ посвящено значительное число работ, начиная с середины восьмидесятых годов [31, 32]. В 1991 г. в соответствии с государственным оборонным заказом в НПО «Адрон» проводилась НИР «Исследование и разработка энергонезависимых ЗУ с произвольной выборкой с использованием сегнетоэлектриков, устойчивых к СВВФ по группе ЗУ», шифр «Радиан». Предприятием была разработана рабочая конструкторская документация, но впоследствии работы из-за прекращения финансирования были

приостановлены. С этого времени и за рубежом регулярно публиковалась

б

информация о частных результатах проводимых исследований в данном направлении, однако ни конкретных описаний микросхем, ни данных по их радиационной стойкости так и не появилось [33-37].

Вопросам создания радиационно-стойких запоминающих устройств, выполненных по КМОП и КНС (КНИ) технологиям, посвящены многочисленные работы к.т.н. Машевича П.Р., Гуминова В.Н. (ОАО «Ангстрем»), д.т.н. Барбашова В.М., к.т.н. Герасимова Ю.М., к.т.н. Григорьева Н.Г. (НИЯУ МИФИ). Вопросам анализа, моделирования и разработки энергонезависимой памяти посвящены работы д.т.н. ШелепинаН.А (ОАО «НИИМЭ и Микрон»), к.т.н. СогоянаА.В., к.т.н. Севрюкова А.Н. (НИЯУ МИФИ).

Значимый вклад в развитие методических и технических средств контроля параметров ЗУ в процессе дистанционных радиационных испытаний сделан в работах к.т.н. Беляева В.В., к.т.н. Калашникова O.A. (НИЯУ МИФИ), к.т.н. ФигуроваВ.С. и Емельянова В.В. (ФГУП «НИИП»), что обеспечило повышение объема испытаний, увеличения их информативности и достоверности. В наибольшей степени вопросы расчетно-экспериментального моделирования, прогнозирования и разработки методик радиационных испытаний ЗУ развиты в трудах к.т.н. Улановой A.B., к.т.н. Яненко А.В, к.т.н. Васильева A.B., представляющих научную школу НИЯУ МИФИ.

Поскольку функционально СЗУ близки к традиционным ЗУ по основным блокам кристалла, за исключением конструкции ячеек памяти (ЯП), при рассмотрении вопросов оценки и прогнозирования их радиационной стойкости в общем случае может быть использован накопленный опыт радиационных исследований обычных ЗУ [10]. Однако при этом необходимо учитывать специфику радиационного поведения отдельных элементов СЗУ, функциональные и паразитные связи между ними, учитывая высокую степень интеграции. Оригинальные технологические и топологические решения СЗУ требуют развития

7

существующих методических и технических средств прогнозирования и оценки их радиационной стойкости

Таким образом, к началу диссертационной работы возникло противоречие между появлением и широким практическим использованием нового перспективного класса микросхем памяти - СЗУ и недостаточной изученностью их доминирующих радиационных эффектов и механизмов отказов, а также отсутствием методик и систематизированных результатов их радиационных испытаний. Возникла необходимость выявить наиболее радиационно-чувствительные элементы и функциональные блоки СЗУ, определить типовые уровни отказов и сбоев СЗУ по доминирующим радиационным эффектам при воздействиях различных радиационных факторов, а также разработать рекомендации по повышению их радиационной стойкости.

Целью диссертации является повышение эффективности существующих и разработка новых научно обоснованных методических и технических средств прогнозирования и обеспечения радиационной стойкости элементов и функциональных узлов СЗУ по доминирующим радиационным эффектам ИИ.

Достижение указанной цели стало возможным на основе решения комплекса научно-исследовательских и прикладных задач, включающих:

- анализ тенденций развития СЗУ и особенностей применения в изделиях КТ с заданными требованиями по радиационной стойкости;

- проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований доминирующих радиационных эффектов в СЗУ и их элементах в широких диапазонах изменения режимов работы и уровнях ИИ;

- развитие методических и технических средств испытаний СЗУ на стойкость к ИИВ, обеспечивающих выявление и диагностирование информационных сбоев в реальном времени непосредственно в процессе и после испытательного воздействия;

- получение и систематизацию экспериментальных данных по радиационной стойкости СЗУ, установление закономерностей их радиационного поведения и разработке рекомендаций по обеспечению радиационной стойкости СЗУ;

-разработку рекомендаций по выбору и применению радиационно-стойких СЗУ в аппаратуре КТ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено, что реакция микросхем СЗУ на радиационные воздействия определяется суперпозицией откликов радиационно-стойкого накопителя информации, состоящего из ЯП на основе сегнетоэлектриков и стандартных периферийных элементов СЗУ, выполненных по объемной КМОП-технологии, и обуславливающих эффекты и закономерности радиационного поведения, характерные для КМОП технологии, определены наиболее критичные функциональные узлы, отвечающие за радиационный отклик микросхем СЗУ и экспериментально подтверждено, что радиационная стойкость СЗУ определяется не изменениями характеристик сегнетоэлектрика, а радиационно-индуцированной деградацией элементов периферии, что позволит разработчикам СЗУ провести мероприятия по повышению радиационной стойкости;

- развита схемотехническая модель сбоя сегнетоэлектрической ЯП при импульсном воздействии, позволяющая оценить уровень стойкости ЯП при воздействии различной формы, длительности и интенсивности ИИ в различные моменты временной диаграммы функционирования СЗУ; результаты моделирования позволили выявить критичный режим функционирования СЗУ и рассчитать вероятность возникновения сбоя в СЗУ при импульсном воздействии;

- развита физическая модель импульсной реакции накопителя СЗУ на воздействие импульсного рентгеновского излучения (ИРИ) с энергией в диапазоне 10...200кэВ, учитывающая радиационно-термические, термомеханические и пьезоэлектрические процессы, а также ионизационную

9

проводимость сегиетоэлектрика. На основе расчетного моделирования показано, что уровень поглощенной дозы в сегнетоэлектрике при воздействии ИРИ превышает равновесное значение в кремнии более, чем на порядок ю-за неоднородного энерговыделения в элементах СЗУ, при наличии в конструкции СЗУ материалов с большими атомными номерами (титанат-цирконат свинца, платина);

- научно обоснованы и методически сформулированы методики экспериментальных исследований СЗУ, развивающие существующие методы испытаний и контроля параметров и позволяющие выявлять наиболее радиационно-чувствительные элементы СЗУ, исследовать специфическое для СЗУ радиационное поведение и повышающие информативность исследований.

Практическая значимость работы:

- разработаны и апробированы методики экспериментальных исследований и испытаний микросхем СЗУ на моделирующих и имитирующих установках, обеспечивающие выявление специфических для СЗУ радиационных эффектов и повышающие информативность исследований;

- впервые проведены испытания более чем 10 типов микросхем СЗУ на стойкость к радиационному воздействию по всем основным видам эффектов (объемная ионизация, поглощенная доза, локальные радиационные эффекты при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ));

- в ходе работы получены оригинальные результаты экспериментальных исследований СЗУ ведущих зарубежных изготовителей;

- результаты диссертации внедрены в ОАО «Ангстрем», ФГУП «ФНПЦ НИИИС имени Ю.Е.Седакова», ОАО «ЦНИИ «Комета», ОАО «ЭНПО СПЭЛС», филиале ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России» при разработке, методическом обеспечении, организации и проведении радиационных испытаний отечественных и зарубежных СЗУ, а также аппаратуры систем

управления на их основе - в частности в космических системах;

- результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по НИР и составным частям ОКР («Вереница», «Вельвет», «Локомобилыцик», «Литературовед», «Лицей», «Личность-ку», «Дикарь», «Литтос-ку», «Лисичанск-ку», «Джут-ку»), выполненных по заказам Минобороны России и предприятий оборонного комплекса;

- полученные в диссертации рез