Популярні омани про радіаційну стійкість мікросхем. Частина 2

0
7


Початок статті…
З поодинокими збоями ситуація така: приблизний діаметр області, з якої йде збір заряду при попаданні одиночної частинки — близько одного мікрона, тобто більше розмірів комірки пам’яті, виконаної за глибоко субмикронным проектним нормам. І дійсно, експериментально виявляються так звані множинні збої, коли одна частинка викликає переключення відразу декількох біт. Більше того, із зменшенням проектних норм зменшується і енергія, необхідна для перемикання біта пам’яті, тобто до збоїв призводить більшу кількість влучень, ніж для чіпів, виконаних з більш грубим проектним нормам. У тому числі — потрапляння альфа-частинок з радіоактивних домішок в конструкційних матеріалах.
Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 2 технологии,электроника
Малюнок 9. Порівняння кількості збоїв від потрапляння одиночної частинки для двох різних варіантів 6T SRAM в технології з проектними нормами 65 нм. Джерело — А. Балбеков та ін., «Питання застосування НВІС по 65 нм КМОП технології в умовах впливу факторів космічного простору».
На рисунку 9 зображено експериментальні дані по одиночним збоїв в об’ємній технології 65 нм. Зліва — звичайна 6T-SRAM. Десять збоїв від одного попадання! Від такого код Хеммінга вас не захистить. Так що, якщо ми говоримо про комерційні мікросхемах, то на грубих проектних нормах з поодинокими збоями все буде трохи краще, ніж на тонких. Принаймні, вони залишаться поодинокими, і їх буде реально виправити за допомогою кодування. Але якщо мікросхема спеціально створюється для космічних застосувань, то в арсеналі розробника є величезна кількість архітектурних, схемних і топологічних рішень, здатних забезпечити високу стійкість одночасно з високою продуктивністю. У правій частині малюнка — теж 6T-SRAM, з точно такою ж електричної схемою, але з іншого топологією. Ціна поліпшень, прибирають численні збої, тиристорний ефект і підвищують стійкість до повної дозі — чотирикратне зростання площі. Звучить не дуже приємно, але ніхто не казав, що буде легко. Тим не менш, Radiation Hardening by Design працює і дозволяє досягати заздалегідь заданих показників стійкості на маленьких проектних нормах на будь об’ємної технології.
Чому заздалегідь заданих? Тому що досягнення різних рівнів стійкості вимагає застосування різних методів її підвищення, і для кожної технології і технічного завдання потрібний свій набір методів. Тоді чому б не застосовувати всі відразу, щоб точно було добре? Тому що досягнення радіаційної стійкості завжди відбувається за рахунок погіршення функціональних параметрів енергоспоживання, площі кристала, швидкості тощо), а вони є першим пріоритетом. Саме тому потрібні чіткі вимоги технічного завдання, як по функціональності, так і по стійкості. Правда, мікросхеми не так часто робляться для вирішення однієї задачі, особливо радстойкие, у яких тираж для кожного з наявних застосувань може становити кілька десятків штук. Але все ж хороше розуміння вимог дозволяє, наприклад, не використовувати кільцеві транзистори, сильно збільшують площу і струм споживання, і отримувати в результаті більш конкурентоспроможні продукти.
Око уважного читача напевно зачепився за слово «об’ємної» у фразі «заздалегідь заданих показників стійкості на маленьких проектних нормах на будь об’ємної технології». Не зайве воно там? Всім же відомо, що радстойкие мікросхеми потрібно робити технологією «кремній на ізоляторі» або «кремній на сапфірі».
Кремній на ізоляторі
За технологією «кремній на ізоляторі» давно і міцно закріпилася слава радиационностойкой. Коріння цього популярного омани йдуть у сиву давнину, коли попередник КНС, кремній на сапфірі, активно використовувався для військових розробок. Чому? Транзистори в такій технології електрично відокремлені один від одного і, що більш важливо, від підкладки. Це означає, що область збору радіаційно-індукованого заряду при короткочасному впливі на чіп випромінювання з високою потужністю дози, буде маленькою. Це, в свою чергу, суттєво зменшує час втрати працездатності — те, що потрібно для роботи в умовах атомної війни. І дійсно, ніякого іншого методу зниження часу втрати працездатності, крім повної діелектричної ізоляції, не існує.
Друга важлива частина міфу «КНІ = радстойкость» — це стійкість до тиристорному ефекту, в тому числі при впливі з високою потужністю дози. Тиристорний ефект або «клямка» — чи не найбільший головний біль розробників мікросхем і приладів для космосу, і не дивно, що технологія, що дозволяє позбавитися від нього, заслужила славу радиационностойкой. Але насправді ситуація знову дещо складніше.
Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 2 технологии,электроника
Малюнок 10. Перетин об’ємної КМОН-технології з паразитним тиристором.
Причина виникнення тиристорного ефекту — паразитна тиристорная структура, присутня всередині елементів об’ємної КМОП-технології. Якщо опору Rs і Rw досить великі, то ця тиристорная структура при попаданні зарядженої частинки може відкритися і закоротити землю чіпа з харчуванням, що, самі розумієте, недобре. Наскільки великі ці опори в реальних мікросхемах? Відповідь на це питання досить простий: контакт до підкладці або кишені — це зайва площа, тому їх кількість намагаються мінімізувати. А це, в свою чергу означає, що за замовчуванням тиристорний ефект у «звичайній» мікросхемі швидше, ніж ні. Правда, тиристорний ефект може статися не тільки від радіації, але і при дії, наприклад, електростатичного розряду або навіть просто від підвищеної температури і великої щільності струму при невдалій топології. У «звичайних» застосуваннях з тиристорним ефектом стикаються виробники силовий і автомобільної електроніки.
У значної частини космічних систем цілком допустима перезавантаження в разі непередбачених обставин, тобто можна спробувати застосувати підданий «засувці» чіп, поставивши в лінію живлення схему контролю струму споживання і скидання живлення при перевищенні норми. Це, власне, регулярно і робиться в ситуаціях, коли дуже треба застосувати високопродуктивну комерційну мікросхему, а чіпи захисту від тиристорного ефекту (Latchup Current Limiter) — досить популярний радстойкий продукт. Але у такого рішення є багато обмежень. Скинути харчування можна не скрізь і не завжди, перезавантаження в процесі виконання важливого маневру здатна поставити хрест на тривалій місії. Струм споживання сучасної мікросхеми може розрізнятися у багато разів залежно від режиму її роботи, тобто споживання в режимі «нічого не відбувається і є клямка» може бути менше, ніж у разі штатної роботи в іншому режимі. На який рівень ставити обмеження струму? Теж незрозуміло. Час, за який потрібно встигнути вимкнути живлення і запобігти руйнуванню чіпа, залежить від безлічі факторів, у тому числі від конкретної мікросхеми. Десь можна нікуди не поспішати і скидати харчування стільки разів, скільки буде потрібно, а де-то вже після першого-другого разу чіп все одно необоротно згорає.
У мікросхемі, виконаної за технологією КНС, тиристорного ефекту не може бути в принципі, тому що всі транзистори електрично розділені. І найкраще — те, що для досягнення стійкості до тиристорному ефекту не треба робити взагалі нічого. Тобто, комерційні мікросхеми, виготовлені за технологією КНС, теж абсолютно стійкі до неї, що сильно полегшує їх застосування в космосі. Так, наприклад, комерційний КНІ процесор буде керувати новим американським космічним кораблем «Оріон».
Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 2 технологии,электроника
Малюнок 11. Радіаційно-індуковані витоку в об’ємній КМОП-технології. Джерело — J. Schwank et.al., «Radiation effects in MOS oxides», IEEE TNS, Vol. 55, No. 4, 2008
В чому проблема? У тому, що, крім ефектів потужності дози і «засувки», є ще поодинокі збої і повна поглинена доза, з якими у КНІ-технології все далеко не так райдужно. На малюнку показані два шляхи витоку в об’ємній КМОП-технології. Обидва шляхи легко закриваються при правильному топологічному проектуванні — один використанням кільцевих n-канальних транзисторів, другий — за допомогою охоронних кілець. Ці рішення мають недоліки з точки зору функціонування схеми (обмеження на мінімальний розмір кільцевого транзистора, втрати площі при використанні охоронних кілець), але з точки зору забезпечення радіаційної стійкості вони дуже ефективні.
Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 2 технологии,электроника
Малюнок 12. Додатковий механізм витоку в КНІ технології.
У технології КНС є ще один шлях витоки з джерела в стік кордоні кремнію і прихованого оксиду. Прихований оксид набагато товщі підзатворного, а значить, у нього може накопичитися багато позитивного заряду. Якщо ми розглянемо «нижній» транзистор (права частина малюнка 12), для якого прихований оксид є подзатворним, то побачимо, що в нормальній ситуації напруга «істок-затвор» цього транзистора — нуль, а його граничне напруга — кілька десятків вольт, тобто струм через цей транзистор не тече. При опроміненні в прихованому оксиді накопичується позитивний заряд (на цей процес впливає геометрія основного транзистора, зокрема — товщина приладового шару кремнію), і граничне напруження «нижнього» n-канального транзистора падає. Як тільки воно падає нижче нуля, струм починає вільно текти через транзистор за некерованим нижнього каналу. Таким чином, з точки зору повної поглиненої дози технологія КНІ принципово суворо гірше об’ємної технології. Але, може бути, є спосіб якось виправити становище?
Зазвичай підкладка мікросхеми заземлена, але ж в КНІ нам нічого не заважає подати на неї не землю, а негативне напруга і таким чином закрити нижній транзистор? З одного боку, ідея здорова і вона активно використовується. Причому у випадку з повністю збідненим КНІ (FDSOI) і нормами 45-28 нм контроль потенціалу під прихованим оксидом використовується і при нормальному функціонуванні. З іншого боку, електричне поле в прихованому оксиді не тільки закриває паразитний транзистор, але і прискорює накопичення позитивного заряду в прихованому оксиді. В результаті, в залежності від параметрів техпроцесу і величини прикладеної негативного напруги, дозовая стійкість мікросхеми з поданими на підкладку негативним напругою може не тільки не покращитися, але і стати гірше! Далі, як це зазвичай водиться, є тонкощі, але принципово ситуація полягає в тому, що топологічні та схемотехнічні методи на об’ємній технології дозволяють домогтися практично будь-яких розумних рівнів стійкості до повної дозі, і під «розумними рівнями» я тут розумію, скажімо 100 Мрад(Si). На КНИ ж існують фундаментальні обмеження, і рівень стійкості конкретного техпроцесу може бути досить низьким. Обійти ці обмеження без втручання в технологію (зазвичай недоступного з комерційних міркувань) ніяк не можна, і дізнатися параметри дозового стійкості без дорогих випробувань теж не вийде.
Нітрохи не менш цікава й ситуація з поодинокими збоями в КНІ. З одного боку, в КНІ набагато менший об’єм, з якого збирається виділився при попаданні іонізуючої частинки заряд (хоча щодо точної форми цього обсягу багато років точаться суперечки між провідними вченими). З іншого боку, підзатворна область («тіло») КНІ МОН транзистора настільки мала, що потрапляння в неї навіть невеликого заряду здатне істотно підняти напругу в ній. Якщо напруга підніметься досить високо для відкривання pn-переходу істок-тіло, то включиться паразитний біполярний транзистор істок-тіло-сток, і заряд, внесений іонізуючою частинкою, помножиться на коефіцієнт підсилення цього транзистора. На практиці це означає падіння порогової ЛПЕ до рівнів нижче 1 Мев*см^2/(мг), тобто до збою призводить потрапляння в мікросхему чого завгодно. Звичайно ж, з паразитним тиристорним ефектом в КНІ можна впоратися — приєднавши подзатворную область до витоку транзистора або до землі/харчування. Але, по-перше, цього ніхто не робить у комерційних мікросхемах (бо немає необхідності), а по-друге, контакт до тіла — це втрата площі, особливо чутлива для ключів, де він повинен бути незалежним. У кожній клітинці кеш-пам’яті як мінімум два ключа, що призводить до значного зростання площі кеша і кристала в цілому. У той же самий час в об’ємній технології для придушення тиристорного ефекту і паразитного біполярного ефекту може бути достатньо одного контакту на 4-8 комірок пам’яті, так і навіть охоронні кільця можна зробити з меншими втратами площі, ніж на контакти до тіла транзистора в КНІ. Важливою перевагою КНС в глибоко субмікронних технологіях є те, що діелектрична ізоляція запобігає розповсюдженню заряду і численні збої з великою кратністю, які можуть з’являтися в об’ємній технології. Однак, розмір треку іонізуючої частинки можна порівняти з розмірами комірки пам’яті, і подвійні збої в КНІ цілком собі реєструються.
Загальна ситуація з радіаційною стійкістю технологією «кремній на ізоляторі» виглядає таким чином, що вона не «радіаційно стійкий сама по собі», а має ряд переваг і ряд недоліків щодо об’ємної технології. Частина недоліків КНІ можна обійти за допомогою спеціальних прийомів проектування, але те ж саме можна зробити і в об’ємній технології. Тому при виборі комерційної мікросхеми для використання в умовах дії радіації не можна покладатися на КНС як на панацею, а при виборі технології для розробки спеціалізованої радстойкой НВІС треба ретельно зважувати всі «за» і «проти» КНС та об’ємної технології для рішення конкретної задачі і забезпечення необхідних рівнів стійкості до різних радіаційних ефектів.
Висновок
Над забезпеченням радіаційної стійкості інтегральних мікросхем працюють сотні тисяч фахівців з усього світу, і осягнути неосяжне однієї науково-популярної статті неможливо. Та це й тема не для статті і навіть не для дисертації. У всякому разі, не для кандидатської дисертації. В силу специфіки формату, колеги-фахівці знайдуть тут досить спрощень, неточностей і може навіть фактичних помилок. Хотілося б, щоб ні, але повідомлення про необхідні правки приймаються в приват. Не претендуючи на повноту і новизну, я сподіваюся, що впорався з тим, щоб наочно описати найпопулярніші пов’язані з радіаційною стійкістю питання та помилки, а також донести до читача думку, що мікроелектроніка взагалі і космічна мікроелектроніка зокрема — одна з найбільш швидко прогресуючих галузей науки і техніки, тому перевірені часом знання і стереотипи на повірку часто виявляються застарілими, неповними або неправильними, а прості і очевидні рецепти ніхто не використовує, тому що насправді їх не існує.

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Please enter your comment!
Please enter your name here