[한글번역]Study of SEL and SEU in SRAM Using Different Laser Techniques

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Dmitry V. Savchenkov, Alexander I. Chumakov, Andrey G. Petrov, Alexander A. Pechenkin, Andrey N. Egorov, Oleg B. Mavritskiy and Andrey V. Yanenko

 

Manuscript received April 08, 2013. Specialized Electronic Systems, 31 Kashirskoe shosse, Moscow, 115409, Russia, phone: +7 (495) 323-9034, fax: +7 (495) 324-0420, email: Dmitry V. Savchenkov, Andrey G. Petrov and Alexander A. Pechenkin are with the Department of Electronics of National Nuclear Research University “MEPhI”, Moscow, Russia, e-mails: dvsav@spels.ru, agpet@spels.ru, aapech@spels.ru Alexander I. Chumakov, Andrey N. Egorov, Oleg B. Mavritsky and Andrey V. Yanenko are with Specialized Electronic Systems, Moscow, Russia, phone: +7 (495) 323-9034, fax: +7 (495) 324-0420, e-mails: aichum@spels.ru, anegor@spels.ru, obmavr@spels.ru and avyan@spels.ru respectively.

 

Proc. RADECS 2013

 

Abstract

SRAM CY62256에 대해 집중 및 국부 레이저 조사 기법을 모두 사용하여 단일 이벤트 업셋(SEU) 및 단일 이벤트 래치업(SEL) 레이저 시험 결과를 제시한다. SEU 및 SEL 임계 선형 에너지 전달(LET) 추정을 위해 가변 레이저 파장을 사용하였다. 또한, 백사이드(backside) 레이저 조사 기법도 적용하였다. 레이저 시험 결과는 중이온 시험 결과와 비교하였다.

 

I. INTRODUCTION

레이저 단일 이벤트 효과(SEE) 시험은 SEE 특성에 대한 추가 정보를 제공하며, 예를 들어 집적회로(IC) 표면에 대한 매핑 정보를 얻을 수 있다. 레이저 시험의 주요 제한점은 레이저 에너지와 선형 에너지 전달(LET) 간의 비율 계수 K_l을 결정하는 데 어려움이 있다는 점이다. K_l을 결정하는 전통적인 방법은 다양한 LET 값을 사용하는 중이온 IC 시험에 기반한다. 중이온 시험과 집중 레이저 시험 결과에서 도출된 SEE 단면적 값을 비교함으로써 K_l을 얻을 수 있다. 이 계수를 추정하는 또 다른 방법으로는 레이저 실험만을 사용하는 국부 레이저 조사 기법이 있다 [1].

레이저 파장은 종방향 및 횡방향 전하 궤적 프로파일을 결정하는 중요한 요소이다. 종방향 전하 궤적 프로파일 I(z)는 파장에 따라 달라지는 흡수 계수 αo 에 의해 결정된다.

흡수 계수 α₀ 는 파장에 따라 크게 달라진다는 점에 주목할 필요가 있다. 예를 들어, 파장이 1.064 μm에서 0.78 μm로 변화하면 실리콘에서 α₀ 는 약 10 cm⁻¹에서 10³ cm⁻¹까지 변화한다. 따라서 K_l은 파장에 따라 달라질 것으로 예상된다. 하지만 K_ll에 영향을 줄 수 있는 다른 요인들도 많다. 우리는 레이저 에너지와 선형 에너지 전달 간의 비율 계수가 SEE 유형과 사용된 레이저 조사 기법에 따라 달라질 수 있다고 가정할 수 있다.

우리는 SRAM CY62256NLL에서 집중 및 국부 레이저 조사 기법과 다양한 레이저 파장(1.064, 1.0, 0.9, 0.85 μm)을 사용하여 SEL 및 SEU 효과를 조사하였다. 또한, 1.064 μm 파장을 사용한 실험에서는 전면 조사 외에 후면 레이저 조사도 함께 적용하였다.

 

II. EXPERIMENTAL TECHNIQUE

실험 조사는 0.53 μm에서 1.064 μm까지의 파장을 제공하는 세 개의 레이저 설비를 사용하여 수행되었다(표 1 참조). 본 연구에서는 1.064 μm 파장에서 PICO-3 레이저 설비를 사용하였다. PICO-4는 1.0 μm, 0.9 μm 및 0.85 μm 파장에서 작동하였으며, FEMTO-1은 0.87 μm 파장에서 작동하였다.

 

중이온 시험은 러시아 두브나에 위치한 합동 원자핵 연구소(Joint Institute for Nuclear Research)의 플레로프 핵반응 연구소(Flerov Nuclear Reaction Laboratory)에 있는 등시성 사이클로트론 U-400M을 사용하여 수행되었다(표 2 참조).

 

 

A. Local laser irradiation technique

SEE 레이저 시험 기법에는 크게 집속(focused) 기법과 국부(local) 기법의 두 가지가 있다. 국부 기법은 칩 상에서 SEE에 가장 민감한 여러 영역을 조사하는 것을 기반으로 한다 [1]. 첫 번째 단계에서는, 상대적으로 큰 스폿 직경(일반적으로 약 30 μm) 을 갖는 레이저 빔으로 칩 전체 표면을 스캔하여 가장 민감한 영역을 찾는다. 이와 같이 큰 레이저 스폿 직경을 사용하는 것이 국부 기법을 집속 기법과 구별하는 주요 특징 중 하나이다. 레이저 조사 중 발생하는 모든 SEE의 좌표는 저장되며, 칩 사진 위에 표시된다. 이를 통해 그림 1에 나타난 것과 같은 SEE 맵을 얻을 수 있다. 가장 민감한 영역이 표시된 칩 사진들은 그림 2에 제시되어 있다.

 

 

두 번째 단계에서는, 가장 민감한 영역에 대해 레이저 스폿 직경과 SEE 임계 에너지 간의 의존성이 결정된다. 예를 들어, SEL 임계 에너지와 스폿 직경의 관계를 나타낸 도표가 그림 3에 제시되어 있다. 이러한 실험적 의존성으로부터, 해당 민감 영역에서의 SEE 레이저 임계 에너지를 도출한다. 이는 의존성을 근사화한 후(민감 영역에 대한 RPP 모델 [2]을 사용), 이를 스폿 직경이 0인 범위까지 외삽함으로써 수행된다. SEE 임계 에너지는 우리가 사용한 전체 파장 집합에 대해 결정되었으며, 그 결과는 표 3과 표 4에 제시되어 있다. [3–5]에 따르면, LET 값은 다음과 같이 표현된다.

여기서 α₀는 레이저 흡수 계수, J₀는 집속된 레이저 에너지, R_λ는 반사 계수, K_m은 금속층, 폴리실리콘 등에서의 광학적 손실 계수, ρ는 Si의 밀도, ε_i는 전자–정공 쌍 생성을 위한 에너지, hν는 광자의 에너지이다. 이들 상수 값 중 K_m을 제외한 모든 값은 알려져 있으므로, K_m은 다른 관계식을 이용하여 제거할 필요가 있다.

 

IC의 어떤 민감 영역에 레이저를 조사하면, 전원 회로에서 일정한 광전류가 발생한다:

여기서 q는 전자 전하량, J_u는 레이저 에너지, g₀는 실리콘 내 캐리어 생성률, T_p는 레이저 펄스 지속 시간, L(t)는 시간에 따라 변하는 전하 수집 길이이다. 이 펄스를 측정하기 위해 그림 4에 나타난 회로를 사용한다. 여기서 C는 IC 내부 정전용량과 측정 장비의 정전용량의 합이다. R은 전류 수집 저항이다. IC는 이른바 포토다이오드 모드로 동작하는데, 이는 모든 입력 핀과 전원 핀이 서로 연결되어 포토다이오드의 캐소드(cathode)를 형성함을 의미한다. IC의 그라운드 핀은 애노드(anode) 역할을 한다. 이때 발생한 광전류는 전류 수집 저항에 전압 펄스를 유도하며, 그 파형은 그림 5에 제시되어 있다.

 

 

저항에서 얻어지는 전압 진폭은 다음과 같이 표현된다 [1].

여기서 L_{e_max}는 유효 전하 수집 길이의 최대값이다. 식 (2)와 식 (4)에서 K_m을 제거하면 다음의 관계식을 얻을 수 있다.

이 식에는 U_{R_max}/J_u, C, L_{e_max}의 세 가지 미지수가 포함되어 있다. 이 중 U_{R_max}/J_u 값은 실험을 통해 직접 결정된다. RC와 L_{e_max}의 값은 UR(t) 전압 펄스의 반치폭(ΔT₁/₂)과 일대일 대응 관계를 갖는다.

이들 값은 “DIODE-2D”라 불리는 이차원 모델링 응용 프로그램을 이용한 수치적 이온화 응답 시뮬레이션을 통해 도출된다(그림 6 및 그림 7).

CY62256NLL에서 SEU 및 SEL 임계 LET를 계산하는 데 필요한 모든 데이터는 표 3과 표 4에 제시되어 있다.

 

 

서로 다른 파장을 사용하여 얻은 결과들은 0.1064 µm 파장을 제외하면 서로 만족스러운 일치를 보인다. 그러나 상한 에너지를 초과하지 않는 0.1064 µm 전면(front-side) 조사 조건에서는 SRAM에서 SEU를 얻을 수 없었다. PICO-3과 PICO-4를 이용하여 추정한 SEE 임계 LET 간의 차이는 매우 크며, 이는 두 레이저의 펄스 지속 시간 차이만으로는 설명될 수 없다. 이에 대해 우리는, 이러한 거동의 원인이 PICO-3(단일 모드)와 PICO-4(다중 모드)가 생성하는 레이저 빔의 모드 구조 차이와 관련되어 있을 가능성만을 제안할 수 있다.

 

B. Focused laser and heavy ion testing techniques

집속 레이저 조사 기법을 사용할 경우, 다양한 에너지 조건에서 집속된 레이저 빔으로 칩 전체 표면을 스캔하여 레이저 에너지에 따른 실험적 SEE 단면적(cross section)을 획득한다. 비례 계수 Kl을 구하기 위해서는, 중이온 시험으로부터 얻은 서로 충분히 구별되는 두 개 이상의 SEE 단면적 값을 알고 있어야 한다. 레이저 시험 결과를 이용하면 LET에 따른 전체 SEE 단면적 의존성을 재구성할 수 있다.

표 5, 표 6 및 그림 8에는 레이저 에너지에 따른 SEL 및 SEU 단면적이 제시되어 있다. CY62256NLL에 대한 중이온 시험 결과는 표 7과 표 8에 제시되어 있다. 그림 9와 그림 10은 SEL과 SEU 모두에 대해 레이저 에너지 1 nJ가 LET 8 MeV·cm²/mg에 해당한다고 가정할 때, 이온 조사와 0.870 µm 레이저 시험에서 얻은 SEE 단면적과 LET의 관계를 나타낸 것이다.

SEU와 SEL에 대해 레이저로 추정된 LET 값들 사이에 존재하는 일부 차이는, 0이 아닌 집속 광 스폿 직경의 영향과 관련된 것으로 보인다. 대략적인 추정에 따르면, 이 효과의 기여도는 약 2.5 정도로 평가될 수 있다. 해당 값을 고려하면, SEU 임계 LET는 약 5 MeV·cm²/mg 수준으로 감소한다.

 

 

이러한 등가 LET 값들을 표 3과 표 4의 데이터와 비교해 보면, 국부 레이저 조사 기법은 다소 과대 평가된 결과를 제공함을 알 수 있다. 다만, 다른 많은 경우에서는 실험적인 이온 조사 데이터와 잘 상관되는 것으로 보고되어 있다 [1, 6].

우리의 견해로는, 이러한 현상은 칩 표면 전반에 걸친 금속 배선(metallization)의 비균일성에 기인할 수 있다. 실제로 메모리 셀 어레이의 중심부에서는 IC 주변부(periphery)에 비해 이온화 응답이 매우 작다.

 

III. CONCLUSION

CY62256NLL의 SEU 및 SEL 감도 파라미터는 레이저 시험과 중이온 시험을 통해 도출되었다. 서로 다른 레이저 조사 기법을 사용하여 칩 내 여러 민감 영역에 대해 SEL 및 SEU 임계 LET가 추정되었다. 민감 영역에 대한 등가 레이저 LET 값들은 서로 잘 일치하였으나, 레이저 시험 결과와 중이온 시험 결과 사이에는 일부 차이가 존재한다.

 

REFERENCES

[1] A.I. Chumakov et.al, Local Laser Irradiation Technique for SEE Testing of ICs / Proceedings of 2011 12th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems. (RADECS 2011), pp. 449 – 453.

[2] Radiation Effects on Embedded Systems/ Ed. by R. Velazco, P. Fouillat, R.Reis. Springer, 2007.

[3] Pouget V. Fundamentals of laser SEE testing and recent trends / RALFDAY 2009, EADS France, Suresnes, 11th September

[4] Chumakov A.I., Space Radiation Effects in ICs. – Moscow: Radio i Svyaz’, 2004, 320 p.

[5] S. Buchner et al., Laboratory Tests for Single-Event Effects. IEEE Trans. on Nucl. Sci., v. NS-43. No.2, 1996, p. 678-686.

[6] M.S. Gorbunov et al., Analysis of SOI CMOS Microprocessor’s SEE Sensitivity: Correlation of the Results Obtained by Different Test Methods. IEEE Trans. on Nucl. Sci. - 2012. - V.NS-59, No6. - P.1130- 1135.