Влияние длины волны лазерного излучения на адекватность

УДК 621.38(06) Электроника
А.Н. ЕГОРОВ, Д.В. БОЙЧЕНКО, О.Б. МАВРИЦКИЙ,
А.Ю. НИКИФОРОВ, П.К. СКОРОБОГАТОВ
ЭНПО Специализированные электронные системы, Москва
ВЛИЯНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ НА АДЕКВАТНОСТЬ
МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ
ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В КМОП ИС
Исследована зависимость ионизационной реакции КМОП ИС объемной технологии от длины волны лазерного излучения в диапазоне от 1064 нм до 850 нм.
Определен оптимальный диапазон длин волн для адекватного моделирования
переходной ионизационной реакции КМОП ИС.
Импульсные лазерные источники широко используются для моделирования объемных (переходных) ионизационных эффектов в ИС. Для того
чтобы обеспечить однородное распределение интенсивности ионизации
по глубине кремния обычно используются импульсные твердотельные
лазеры на основе Nd:YAG с длиной волны 1064 нм [1]. Эта длина волны
соответствует глубине поглощения лазерного излучения около 700 мкм в
кремнии и является оптимальной по этому критерию для большинства
кремниевых приборов [2].
Однако малый коэффициент поглощения лазерного излучения с длинами волн, лежащими на краю основной полосы поглощения полупроводника, приводит к низкой эффективности использования энергии излучения имитатора. Большая часть энергии лазерного импульса проходит
сквозь кристалл ИС, не участвуя в процессе ионизации. Данное обстоятельство приводит к необходимости использования высокоинтенсивных
потоков лазерного излучения для обеспечения уровней воздействия, требуемых современными нормативными документами.
Эффективность использования энергии лазерного излучения может
быть повышена путем использования более коротких длин волн излучения, имеющих больший коэффициент поглощения и, как следствие, более
высокую интенсивность ионизации при той же мощности излучения. Однако реализация такого подхода требует оценки влияния роста неравномерности ионизации по глубине прибора на адекватность лазерного имитационного моделирования. Особенно актуально это для КМОП ИС объемной технологии, на ионизационную реакцию которых оказывают влияние процессы генерации носителей заряда в глубине подложки.
______________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
184
УДК 621.38(06) Электроника
Поэтому были проведены экспериментальные исследования реакции
КМОП ИС при воздействии лазерного излучения с различными длинами
волн с целью определения допустимого диапазона их изменения. Эксперименты были выполнены с использованием лазерного имитатора «РАДОН-8», который имеет в своем составе перестраиваемый Ti:Sapphire лазер с накачкой второй гармоникой (532 нм) твердотельного наносекундного Nd:YAG лазера. Такая комбинация источников позволяет получить
широкий диапазон перестройки и достаточную выходную энергию в пределах длин волн от 690 до 1000 нм при длительности импульса 11...18 нс.
Возможности вариации длин волн для промышленных ИС были исследованы на примере инвертора 564ЛН2В, выполненного по объемной
КМОП технологии. Полученные экспериментальные результаты представлены на рис. 1 в виде зависимости чувствительности тока питания S ph
= Icc/Il от длины волны лазерного излучения. Здесь Icc – амплитуда импульса тока цепи питания в мА, вызванного ионизацией, а I l – максимальная интенсивность импульса лазерного излучения в Вт/см 2. Максимальная
интенсивность излучения при эксперименте поддерживалась в районе 10 3
Вт/см2, чтобы исключить влияние нелинейных ионизационных эффектов
на формирование ионизационного тока цепи питания.
Эксперимент подтверждает
возможность
увеличения
эффективности
использования лазерного излучения при
уменьшении длины
волны. Для того чтобы использовать на
практике эту возможность,
необходимо
исследовать влияние
возникающей
при
этом неравномерноРис. 1. Экспериментально полученные зависимости
ионизационной чувствительности КМОП ИС
сти ионизации по
564ЛН2В от длины волны лазерного излучения
глубине кристалла на
адекватность лазерного имитационного моделирования.
Критерием адекватности в данном случае может служить сохранение
соотношения мгновенной и запаздывающей составляющих ионизационного тока цепи питания ИС, поскольку последняя из них формируется в
______________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
185
УДК 621.38(06) Электроника
глубине подложки, где сильнее сказывается неравномерность распределения ионизации. Типичные формы ионизационного тока структуры, полученные при различных длинах волн, приведены на рис.2.
Эти осциллограммы позволяют оценить вклад носителей, генерированных в глубине подложки, на спад импульса тока. Видно,
что только в диапазоне длин волн
от 1064 до 988 нм можно считать,
что форма ионизационного тока
цепи питания не слишком существенно искажается.
Однако сохранение формы
импульса ионизационного тока
цепи питания ИС не является
единственным и полным признаРис.2. Осциллограммы ионизационного
тока цепи питания КМОП ИС 564ЛН2В
ком адекватности лазерного имипри различных длинах волн
тационного моделирования. Для
практики важно исследовать влияние длины волны излучения на параметры ионизационной реакции ИС, определяющие ее стойкость к импульсному ионизирующему излучению, в частности, на время потери работоспособности (ВПР) по уровню выходного напряжения.
На рис. 3 приведены осциллограммы выходного напряжения
лог. «1» КМОП ИС 564ЛН2В
полученные экспериментально
для некоторых длин волн. При
этом интенсивность лазерного
излучения поддерживалась на
уровне, обеспечивающем постоянство эквивалентной мощности
дозы в ходе эксперимента. Полученные осциллограммы указывают на уменьшение длительноРис. 3. Осциллограммы выходного
сти импульса выходного напрянапряжения лог. «1» КМОП ИС
жения ИС при уменьшении дли564ЛН2В при различных длинах волн
ны волны, что приводит в результате к уменьшению ВПР.
______________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
186
УДК 621.38(06) Электроника
Экспериментально
измеренные значения
ВПР ИС 564ЛН2В по
уровню
выходного
напряжения лог «1»
для различных длин
волн волны приведены
на рис. 4. Эти результаты хорошо аппроксимрются
линейной
регрессией 1-го порядка изображенной на
рисунке.
Полученные результаты показывают, что
Рис. 4. Результаты экспериментальных измерений
зависимости ВПР ИС 564ЛН2В по уровню выходпри уменьшении длины
ного напряжения лог «1» от длины волны (прямая
волны от 1064 нм до
линия – регрессия 1-го порядка данных)
970 нм повышение неоднородности ионизации кремния по глубине подложки может привести к
30% уменьшению измеряемого ВПР ИС, выполненной по объемной
КМОП технологии. При этом полученное экспериментально преимущество в эффективности использования энергии лазерного излучения составляет около 5 раз (см. рис.1). Такой подход может быть использован
для снижения энергии излучения лазерных имитаторов при необходимости проведения испытаний во всем диапазоне требований нормативных
документов.
При уменьшении длины волны лазерного излучения до уровня
910…900 нм и ниже мы имеем серьезное нарушение адекватности лазерного имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов
в КМОП ИС, выполненных по объемной технологии.
Результаты проведенного исследования позволяют сделать предположение о том, что с уменьшением толщин активных объемов ИС можно
ожидать расширения диапазона допустимых длин волн лазерного излучения.
Список литературы
1. D.H.Habing, “Use of Laser to Simulate Radiation - induced Transients in Semiconductors
and Circuits”// IEEE Trans. Nuc. Sci., Vol. NS-12, No.6, p.91-100 (1965).
______________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
187
УДК 621.38(06) Электроника
2. A.Y. Nikiforov and P.K. Skorobogatov, "Dose rate laser simulation tests adequacy: Shadowing and high intensity effects analysis"// IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 43, no.6, pp. 3115-3121,
Dec. 1996.
______________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
188