Utilisation complémentaire de l'absorption à deux photons (TPA) et des tests SEE des particules
Les tests SEE des dispositifs microélectroniques sont complexes et plusieurs méthodes peuvent être nécessaires pour optimiser les mesures et obtenir une valeur précise des taux d'erreur. Les tests SEE par particules et par impulsions laser sont les deux principales méthodes de test SEE, mais aucune n'est parfaite à elle seule. Voici quelques inconvénients de chaque méthode :
Méthode des particules :
- La méthode des particules à faisceau large stimulera plusieurs modes différents en même temps et la contamination croisée entre ces modes constitue un problème.
- Il n'y a aucune information spatiale ni temporelle sur l'origine de l'erreur
- Pour les dispositifs dotés d'un boîtier à puce inversée, le faisceau d'ions ne peut pas pénétrer à travers l'épaisse couche diélectrique pour atteindre le volume sensible du dispositif.
- Le long temps de lecture ne permettra pas de savoir quand l'erreur s'est produite ou dans quel état se trouvait la mémoire lorsque l'erreur s'est produite.
Méthode d'impulsion laser :
- L'impulsion optique ne traverse pas le métal. Certains dispositifs microélectroniques sont recouverts de pièces métalliques, ce qui peut poser problème.
- Pour l'absorption à deux photons (TPA), décrite dans une note technique antérieure, la variation de l'uniformité du dispositif ou de l'irradiance laser fera varier considérablement la charge déposée en raison d'une dépendance carrée sur l'intensité de l'impulsion laser.
- Bien que les tests par impulsion laser démontrent où se trouvent les nœuds sensibles, ils ne fournissent pas une mesure précise des taux d’erreur.
Pour les raisons ci-dessus, il est recommandé d'effectuer des tests par impulsions laser en tandem avec des tests de particules pour un test SEE complémentaire, afin d'identifier les nœuds sensibles, les modes d'erreur possibles et d'obtenir des taux d'erreur précis.
Afin d'analyser plus en détail les propriétés de ces deux techniques de test complémentaires, un test SEE utilisant une méthode TPA suivie d'un test aux ions lourds est envisagé sur un dispositif SDRAM [Référence 1]. Le TPA a été choisi pour tester ce dispositif en particulier car sa partie supérieure était recouverte de métaux. Le faisceau laser TPA pouvait pénétrer le dispositif par l'arrière, doté d'un boîtier à puce retournée, et illuminer les cellules mémoire. La figure 1 présente le schéma du test TPA. L'objectif du microscope focalisait le faisceau sur un diamètre d'environ un micron et traversait le diélectrique protecteur transparent sans générer de charge dans la matrice protectrice, la longueur d'onde du laser étant supérieure à la longueur d'onde maximale possible pour qu'un électron traverse la bande interdite du silicium (1,26 micron).
Figure 1 : Test TPA de la SDRAM
Le faisceau laser produit des porteurs de charge uniquement au foyer, lorsque son intensité est maximale. Le faisceau, de l'ordre du micron, examine les nœuds sensibles du circuit et élimine le risque de contamination croisée des modes, qui se produit lors des tests de particules. La figure 2 montre l'objectif du microscope qui focalise le faisceau sur la partie du circuit dotée d'un boîtier à puce retournée.
Figure 2 : L'objectif du microscope focalise le faisceau laser sur le circuit SDRAM
En raison de la dépendance de la section efficace du TPA au carré de l'irradiance, toute hétérogénéité à l'arrière du dispositif testé (DUT) et toute variation de l'irradiance laser modifient considérablement la charge délivrée au volume sensible, ce qui complique considérablement l'évaluation du transfert d'énergie linéaire (TEL) équivalent du faisceau laser. C'est pourquoi les tests particulaires sont indispensables pour obtenir des courbes section efficace/TEL afin de calculer les taux d'erreur. La figure 3 illustre la courbe section efficace/énergie d'impulsion, ainsi que la courbe section efficace équivalente/LET.
Figure 3 : Comparaison de la section efficace du laser pulsé et de la méthode des particules par rapport aux courbes LET
Dans la figure ci-dessus, σLS, E0. σs et L0 représentent respectivement la section efficace de saturation du laser, l'énergie de seuil SEE du laser, la section efficace de saturation des particules et l'énergie de seuil SEE des particules.
Pour le test de la SDRAM, le dispositif sous test (DUT) a été placé exactement sous la caméra et le faisceau laser. Le faisceau infrarouge de l'illuminateur et le faisceau laser ont été focalisés sur le volume sensible. Lors du déplacement de la platine de translation par le faisceau laser, le dispositif sous test a été scanné et l'image du DUT a été observée par la caméra infrarouge. Une bande au centre de la SDRAM contenait la majeure partie de la logique de commande et ses caractéristiques étaient identifiables au microscope, comme illustré à la figure 4.
Figure 4 : La structure en peigne résolue au centre de la SDRAM, observée sur l'image, contenait la majeure partie de la logique de contrôle et était à l'origine de la plupart des erreurs logiques.
Cependant, la matrice de mémoire était située de chaque côté de cette bande au centre de la SDRAM et la résolution du microscope (près de 1 micron) n'était pas suffisamment élevée pour résoudre ses caractéristiques comme illustré dans la figure 5.
Figure 5 : La résolution du microscope n’était pas suffisamment élevée pour distinguer les cellules mémoire individuelles
Les types d’erreurs qui ont été observés lors de ces tests étaient
- SEU (Single Effect Upset), où l'état d'un bit a été inversé
- Petites erreurs logiques, causant 20 bouleversements
- Erreurs de blocage, provoquant jusqu'à 20-4096 perturbations
- SEFI (Single Effect Functional Interrupt), qui nécessitait un cycle d'alimentation pour la récupération
Les tests aux ions lourds ont été influencés par les tests TPA. Leurs principaux objectifs étaient d'identifier la vulnérabilité au SEFI, de comparer les modes d'erreur induits par les tests laser et les tests aux ions lourds, et enfin de déterminer les courbes section efficace/LET pour différents modes d'erreur tels que SEU, SEL et SEFI. Une stratégie prédéfinie pour les tests aux ions lourds consistait à masquer certaines parties du circuit logique afin de séparer les erreurs du circuit logique des erreurs des cellules mémoire. Cependant, les tests laser ont démontré que la logique de commande est également dispersée dans la matrice mémoire et que, par conséquent, cette stratégie de masquage ne serait pas efficace.
Plusieurs ions lourds ont été utilisés lors des tests, notamment des faisceaux de Ne, Ar, Kr et Xe, mais une erreur SEFI n'a été observée qu'une seule fois lors d'un test d'ions lourds Kr. Le LET de ce faisceau d'ions Kr était d'environ 22 Mevcm²/mg et les symptômes de ce mode d'erreur étaient très similaires à ceux des tests par impulsion laser. Un redémarrage du système a été nécessaire pour le supprimer, et il est probable que ce mode d'erreur ne se soit produit que pendant une petite partie du fonctionnement de la SDRAM.
En conclusion, les tests laser TPA constituent un outil très efficace pour évaluer la réponse SEE d'un système avant les tests aux ions lourds. L'induction et l'observation de l'apparition de différents modes d'erreur grâce à la méthode de test par impulsion laser permettent de mieux comprendre les attentes lors des tests aux ions lourds et de se préparer en termes de méthodes de test, de matériel, de logiciels et d'analyse avant de se rendre dans une installation de test aux ions lourds.
Allied Scientific Pro a conçu un système SPA basé sur un laser pulsé pour les tests SEE, susceptible d'évoluer vers un système TPA. Une vidéo du système est disponible via le lien suivant :
https://photos.app.goo.gl /qRxrgvGaDejq416V8
Référence : R.Ladbury et.al, Tests laser TPA et SEE à ions lourds : techniques complémentaires pour l'évaluation d'événements uniques SDRAM, transaction IEEE sur la science nucléaire (TNS), décembre 2009.