Mécanismes de base et Effets sur les composants

Schedule
Déroulement de la présentation
•
Environnement spatial : R. Ecoffet (CNES)
•
Mécanisme de base : D. Peyre (ASTRIUM SAS)
•
Moyens de test au sol : F. Bezerra (CNES)
•
Assurance radiation SEE : Ph. Calvel (AAS)
•
Assurance Radiation TID : R. Mangeret (ASTRIUM SAS)
Introduction
• L ’environnement radiatif naturel peut affecter la fiabilité des systèmes
électroniques
dans l’espace: ions lourds, protons et électrons piégés,
dans l’atmosphère: protons, neutrons
•
•
•
•
au sol: neutrons
Quels sont les mécanismes et les différents effets?
Quels sont les moyens, procédures et méthodes de test?
Sait-on se protéger des effets singuliers ?
Sait-on se protéger des effets cumulés ?
Mécanismes de base et Effets sur les composants
•
Plan:
Dose cumulée
Effets sur les circuits
Mécanismes
Effets sur les composants MOS / CMOS & Bipolaires
SEP (Single Event Phenomena)
Mécanismes
Effets sur les composants MOS / CMOS et bipolaires
Phénomène physique :
Génération de charges dans les semiconducteurs et isolants
•
Mécanismes:
Rayonnement incident (X, ions lourds, protons, électrons, neutrons…)
Interaction Nucléaire / Electrostatiq
Photoélectron énergétique
Ionisation
Cascade secondaire
Thermalisation
Paires électron-trou
¾Coefficient de génération: Nombre de paires créées par unité
de volume par l'absorption d'une dose unité
¾Energie moyenne de création d'une paire: 3,6 eV dans Si
Effets de dose: les mécanismes
Création de paires électrons-trous dans les
oxydes: Ep=18eV
Séparation par le champ électrique: « yield »
Evacuation des électrons (<1ps)
Transport plus lent des trous: Hopping ou multiple
piégeage-dépiégeage
Piégeage sur des pièges profonds
Dépiégeage (émission thermique et effet tunnel)
Création d'états d'interface
Effets de dose: mécanismes
SiO2
Si
Bande de conduction
+
+++
Bande de valence
Grille
Piégeage profond
+
Hopping
Effets de dose: mécanismes, ex sur CMOS
Dérives de caractéristiques électriques
•
MOST: Tension seuil, pente en faible inversion
VT(t) =VT(0)+ ΔVT(t)
dox
ind
VT ( t ) = VT 0 + 1 / Cox ∫0 dx ( x / dox ) ρ ox ( x , t )
Cox capacité de l'oxyde
ρ (x,t) Distribution de la charge dans l'oxyde
variation initiale en dox2
•
Transistors bipolaires: courants de fuite augmente, gain
diminue, isolation latérale par oxyde
Effets de dose: mécanismes
Effets de dose
•
Ex:Dégradation des caractéristiques en faible inversion
Effet de dose gamma
Composant NMOS MHS 20206A 9309 Bloc 1 (G) T01
Id = f(Vg) à Vd = 50 mV
Id (A)
1E-3
1E-4
Fluence (krad)
0
1E-5
10
1E-6
20
1E-7
25
1E-8
30
1E-9
40
1E-10
1E-11
50
1E-12
60
-1.0
0.0
1.0
Vg (V)
Effets de dose
•
Niveau de durcissement lié à la technologie de l'oxyde:
faible bilan thermique pour éviter les contraintes à
l'interface Si-SiO2 et diminuer la densité de pièges
profonds.
• Oxyde de grille mince (10nm-20nm) peu sensible
•
Oxyde de champ: LOCOS plus épais (1µm) donne fuite
inter composants par inversion en surface de Si type P
•
Durcissement:
Transistors N sans bord
anneaux de garde très dopés P+ mais perte de
densité d'intégration.
Effets de dose
•
Tenue en dose difficile à prédire: les qualités de l'oxyde
n'apparaissent pas dans les caractéristiques électriques
•
Un non contrôle des fabrications (COTS) peut amener
une grande dispersion du niveau de durcissement pour
un même type de composant.
•
Les pires cas de polarisation et de débits de dose définis
pour les circuits CMOS ne s'appliquent pas aux circuits
intégrés bipolaires
Transistor bipolaire & circuits linéaires
a) Vertical NPN
Collector
n+
b) Substrate PNP
Emitter
Base
n+
Emitter
Oxide
Base
Oxide
p
n+
p
p+
p+
p+
n-epi
p+
n-epi
n+
p-substrat
p-substrat (collector)
b) Lateral PNP
Emitter
Collector
Base
Oxide
n+
p
p
p+
p+
n-epi
n+
p-substrat
Coupe schématique des types de transistors utilisés dans un circuit linéaire.
Dégradation Transistor bipolaire
• L'effet principal de la dose sur un transistor est la
diminution du gain : Δ(1/β)=K.DN avec N#1à faible niveau
de dose.
• Les dégradations des transistors PNP sont plus graves
(faible gain initial). Le PNP lateral est le plus critique.
Δ1E+00
(1/β)
PNP substrat
1E-01
PNP lateral
NPN
1E-02
Super NPN
1E-03
Super NPN/P
1E-04
1E+01
1E+02
1E+03
1E+04
PNP
lateral/P
Dose (Krad)
A partir de Johnston IEEE ToNS NS26, N°6, 1979, et Palkutti (/P) 1976
Dégradation circuits linéaires
• Les CI bipolaires non durçis présentent une tenue
pouvant varier entre 5Krad et 200Krad.
• De fortes inhomogénéités d'un lot à l'autre et au sein d'un
même lot peuvent être observées.
• Paramètres les plus critiques : I/Voffset, Ib, SR, AVO
LM137; Co60; DR0,1Krad/h
0
LM124; Co60; DR10Krad/h
25
20
-10
15
-20
10
-30
5
-40
0
0
MMS data
5
10
15
20
25
Dose (Krad)
Variation de la tension de fonctionnalité sur 6 pièces d'un même lot.
0
MMS data
20
40
60
80
100
Dose (Krad)
Variation de la tension d'offset sur 12 pièces d'un même lot
Débit de dose : Technologie bipolaire
(AH Johnston, NSRE 1994)
Effet du débit de dose sur différents circuits linéaires :
le maximum de dégradation est obtenu à faible débit de dose
Débit de dose : Technologie bipolaire
Iio3a (nA)
Iio3a (nA)
100
100
0
200 Krad/h
0
-100
-100
-200
-200
Mean (340 Rad/h)
-300
-300
340 Rad/h
-400
15 Krad/h
Mean (200 Krad/h)
-400
-500
-500
-600
-600
-700
-700
-800
end of low dose rate irradiation
-800
0
10
20
30
Total Dose (Krad)
40
50
60
0
100
200
300
400
500
600
700
Time (h)
Influence du débit de dose (LM139 Motorola)
Innéficacité d'un recuit post irradiation à simuler le faible débit de dose
(T. Carriere et al., NSRE 1995)
Effets de dose:
Moyens de simulation expérimentale
•
But: Ioniser les oxydes, reproduire la dose totale (Si02), le
débit de dose, les profils de génération.
•
Machines flash X <10 krad
•
Sources radioactives: Co60
•
Tubes X: émission de X caractéristiques superposés à un
spectre continu de freinage
•
Accélérateurs de particules: e- (1 à 10 MeV)
Eγ=1.17 et 1.33 MeV
Conclusion sur la dose
nsibilité des composants liée:
• Aux oxydes fonctionnels (Dérive de Vth ~dox²): contrôles au niveau de la
fabrication, durcissement prévisible (amincissement, croissance lente des isolants..)
• Aux oxydes de passivation : pas de contrôle possible, sauf action spécifique
(anneaux de garde, dopage P++ inter-transistor + transistor arrière…)
• Test en dose recommandé en cas d’absence d’éléments de traçabilité:
(lot de diffusion, wafer fab, fabricant de puce, date code…)
Mécanismes de base : Ions Lourds , protons
• Ionisation très brutale (Tc<<1s).
• Les charges crées dans le Silicium génèrent une impulsion de courant; les
conséquences du piégeage de charges dans les oxydes sont négligeables
(sauf dans le cas SHE).
=> Les zones sensibles sont essentiellement les jonctions PN, lieu où les charges
crées peuvent être collectées et engendrer des SEP.
Trajectoire de l'ion
Jonction PN sensible
Collection par
champ électrique
(Qd)
+
--+
Impulsion de
courant
Composante rapide (Qd + Qf)
θ
Wd
-+ ++
+ - -+
+- +
- + - Funneling: Aspiration de charges (Qf)
-+
Diffusion (Qdf)
Composante retardée (Qdf)
0 0,2 0,4
1
10
Temps (ns)
100
Effet Singulier: Les mécanismes
Interaction neutron, protons --> noyaux cibles
n,p
Energie déposée ou libérée
noyau de recul
particules secondaires
n,p
+- -+ + - + + - + - +-+
+ - + - + - + -+- ++-+-+
-+-+-+
Ionisation
Déplacements
paires electron-trou
Collection
Diffusion, Drift
Charge collectée
Courant
P
N
Effet Singulier
Si
Mécanismes d ’interaction
Faible énergie: noyau global
p , p’
p
Si
p
Elastique
excitation du noyau
n
p
Si
p
p
Méson π
Energies moyennes:
Réactions nucléon-nucléon
Hautes énergies: Résonances
Section efficace d ’interaction (barn)
•
Unité: 1 barn=10-24 cm 2
•
Parcours moyen pour 1 barn/atome:
silicium: M=28
ρ=2,3 g/cm3 soit 5 1022 Atomes/cm3
----> d=20cm
•
Probabilité d ’interagir sur 1µm:
#10-4/20= 510-6
Collisions non-élastiques
Si
n,p
Si
Si+n, p
n'
Si+n,
p
n/p,α
Mg
He
Al
p
Traces des Produits secondaires
SiO2
4
P+
1
2
N
3
Produits secondaires
•
Issus de l ’interaction du neutron ou proton avec les noyaux des atomes
constituants le composant
• Composants silicium: noyaux cibles
•
Silicium
(Le constituant le plus important en nombre)
Oxygène
(SiO2: Oxyde de grille et de passivation)
Al, Cu
(métallisations)
W Ti Co
(vias, Siliciures)
B,P,As
(Dopants, BPSG,…)
Produits secondaires:
noyau cible (collision élastique et inélastiques)
fragment de noyau cible (dissymétrique en masse)
Le produit secondaire le plus lourd est le noyau cible
Ionisation le long de la trace de l ’ion secondaire
eAtomes de Si
ee-
Trace de l ’ion
e-
e-
Diamètre de la trace ionisée: 0.1 à 0.5 µm
Définition Ions Lourds
• LET (Linear Energy Transfer) :
LET est l'énergie moyenne déposée (ΔEt) par unité de parcours (Δx) de l'ion incident,
ramenée à la densité du matériau cible (ρ) .
Unité : Me-Vcm2/mg.
• Section efficace (σ):
Nombre d'évènements NSEP rapporté au nombre d'ion incidents Ni:
Unité : cm2
σ =
N SEP
Ni
σsat
cm2
Courbe expérimentale
typique
LET
LET (MeVcm2mg-1 )
LETth
Définitions protons
•
Energie Protons :
La probabilité d'interaction nucléaire p-Si et les
caractéristiques des secondaires (LET & range)
dépendent de l'énergie des protons : la grandeur
dimensionnant n'est plus le LET mais l'énergie des
protons incidents .
Unité : MeV.
σ =
Section efficace (σ):
N SEP
Ni
Nombre d'évènements NSEP rapporté au nombre de
protons incidents Ni:
σ
Unité : cm2
sat
cm2
Courbe expérimentale
typique
Proton
LET Ebergy (MeV)
Eth
Effets : SEP (Single Event Phenomena)
•
SEU, SET, SHE, SEFI : corruption d’état
•
SEL (Latch-up sur CMOS), SEB (Burnout : MOSFET de puissance) :
destruction
SEU (Single Event Upset)
•
Changement d'état logique d'une cellule provoqué
par le passage d'un ion lourd ou proton conduisant
par exemple à:
Apparition de point mémoire faux dans une
mémoire.
Défaut de fonctionnement d'un microprocesseur.
VDD
Vcc
s
ot Bit Line
s
T1
Bit Line
T1
T3
d
d
d
d
T2
T4
s
T3
OFF
ON
OFF
ON
T2
s
T4
zone
sensible au
SEU
Sources de courant équivalentes à l'injection de charge générant un SEU dans une cellule SRAM
SEU / conditions d'application
Le taux de SEU dépend des conditions
d'activation du composant, notamment :
Section efficace SEU (cm2)
Programme d'activation sur un
microprocesseur.
1E+00
1E-01
1E-02
1E-03
Etat logique de la cellule mémoire
(sensibilité différente des transitions
1E-04
Programme 1
1E-05
Programme 2
0->1 et 1->0.
1E-06
Programme 3
LET (Mev mg/cm2)
1E-07
0
Fréquence d'utilisation et la température
de la puce.
20
40
60
Response SEU d'un micro controlleur (MMS Data)
80
SEU sur C.I. Linéaires
• Le passage d'un ion lourd génère un transitoire en sortie d'un circuit
analogique.
• Ce transitoire peut être d'amplitude et de durée suffisante pour induire
une erreur sur un CI numérique connecté au CI analogique.
Koga IEEE ToNS Dec. NS6 1993
SEL (Single Event Latch up) : Effets destructifs
•
Amorçage d'un thyristor parasite.
Peut affecter tous circuits CMOS ou bipolaire disposant de
structures PNPN ou NPNP.
•
Désamorçage en coupant l'alimentation. Risque
d'autoalimentation par les broches E/S sur les CI CMOS.
Structure PNPN
Schéma équivalent
P
N
P
N
P
N
P
P
N
P
N
N
P
N
Structures PNPN dans les circuits bipolaires
Contact collecteur
P
Base
N+
Emetteur
N+
Base
N
Collecteur
2
Couche enterrée N+
1
1 PNPN vertical
2 PNPN latéral
Substrat P
Densité d’intégration actuelle :
peu de sensibilité en ions lourds
Caractéristique électrique d'une structure PNPN
I
Ilu
Droite de charge
Ih
Vh
Vlu
Val
V
Vdd
Structures PNPN dans les circuits CMOS
Vdd
Vss
Vss
P+
N+
P+
R2
R4
R1
N+
N Well
Coupe
R3
Substrat P
Vue de
dessus
Activité de la structure PNPN
Si le photo/iono-courant base-collecteur du transistor
NPN est Ib1:
Ib1
β1 Ib1
β2β1Ib1
Vdd
2
Ib2
Il faut β2β1>1
Ic2
Ic1
1
Ib1
Ex: β1=100, β2 =0.1
Vss
Il faut considérer les transistors à très faible gain:
faible injection
mauvais coefficient de transport
Latchup et évolutions technologiques
•TTL: dopée à l'or, durée de vie des porteurs faible pour maintenir temps de
saturation faible.
Pas de Latchup
•TTL LS: Temps de commutation rapide obtenu en empêchant la saturation par
diode shottky, dopage à l'or abandonné, durée de vie des porteurs élevée, gain
des transistors parasites augmente,
Latchup possible
•Amplificateurs opérationnels: Les différences de dessin peuvent permettre le
latchup chez certains fabriquants. Surveiller les changements de masque.
•Hybrides: Vérifier l'origine des puces.
SHE (Single Hard Error)
•
Dégradation locale par dose cumulée le long de la trace d'un ion incident :
Affecte les CI submicroniques, par exemple SRAM & DRAM >1Meg. Apparition
de points mémoires collés aux lieu d'impact des ions.
C. Dufour et al. IEEE ToNS V39, N°6, 1992
Peut affecter tout VLSI sub microniques (microprocesseurs ...)
trajet de l'ion
trajet de l'ion
grille
grille
source
drain
source
drain
++++++++++++++++++
++++++++++
p+
p+
Substrat N
Dépot de charges + et - le long de la trace de l'ion et
notamment dans l'oxide de grille
p+
p+
Substrat N
Après le passage de l'ion, des charges positives restent
piègées dans l'oxide de grille et induisent un courant de
fuite Ids
Burn Out
•
Affecte les MOSFET de puissance canaux N (MOS-P
insensibles).
• Le passage d'un ion polarise en directe la jonction EB du
bipolaire parasite
• Second claquage du bipolaire parasite selon la tension
Drain-Source : génération d'un courant Ids élevé qui
détruit le composant par emballement thermique.
MOSFET à CANAL N
(-V)
p+
Gate
n+
p
source
n+
p
p+
n
Bipolaire parasite
n+
drain
Single Event Gate Rupture
Claquage de la grille d'un
transistor MOS induite par le
passage d'un ion lourd.
Significatif en condition de
fort champ electrique dans
la grille, ecriture dans une
EEPROM, MOSFET de
puissance surbloqué...
Coupe d'un MOSFET de puissance montrant le mécanisme conduisant au SEGR
(Allenspach et all, Trans on Nucl Sci, NS41, 2160 (1994)
Conclusion
• L'augmentation de la densité des composants se traduit par :
1- L'apparition de nouveaux mécanismes de défaillances induits par
les radiations.
2- Une tendance à l'accroissement de la sensibilité aux SEP et plus
faiblement à la dose.
• La maîtrise de l'effet des radiations sur les composants n'est pas
encore acquise .