- •К.И. Таперо, в.Н. Улимов, а.М. Членов Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения Аннотация
- •Содержание
- •Введение
- •1 Основы физики взаимодействия ионизирующих излучений с полупроводниками
- •1.1 Краткое описание радиационных характеристик в окружающем пространстве
- •1.1.1 Радиационные условия в космическом пространстве Внешние воздействующие факторы космического пространства
- •Источники ионизирующих излучений в космическом пространстве
- •1.1.2 Ионизирующие излучения ядерного взрыва
- •1.1.3 Ионизирующие излучения атомных электростанций
- •1.2 Величины, характеризующие ионизирующее излучение и его взаимодействие с веществом
- •1.2.1 Некоторые величины и единицы, характеризующие ионизирующее излучение и его поле
- •1.2.2 Некоторые величины и единицы, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
- •1.2.3 Некоторые дозиметрические величины и единицы
- •Определение поглощенной дозы при постоянном значении лпэ ионизирующих частиц
- •Определение поглощенной дозы с учетом изменения лпэ ионизирующих частиц по мере прохождения их через образец
- •1.2.4 Некоторые величины и единицы, характеризующие изотопные источники ионизирующих излучений
- •1.3 Физические процессы при взаимодействии ионизирующих излучений с материалами электронной техники
- •1.3.1 Первичные радиационные эффекты при воздействии проникающей радиации на полупроводниковые материалы
- •1.3.2 Смещение атомов из узлов решетки при воздействии ионизирующих излучений
- •Смещение атомов при облучении нейтронами
- •Смещение атомов при облучении заряженными частицами
- •Смещение атомов при облучении гамма-квантами
- •1.3.3 Ионизация при воздействии проникающей радиации на полупроводниковые материалы Ионизация при облучении нейтронами
- •Ионизация при облучении заряженными частицами
- •Ионизация при облучении гамма-квантами
- •Эффект усиления дозы
- •1.3.4 Ядерные превращения при воздействии ионизирующих излучений
- •1.3.5 Термостабильные радиационные центры в полупроводниках
- •1.3.6 Изменение электрофизических параметров полупроводниковых материалов при радиационном облучении
- •2 Изменение электрофизических параметров биполярных приборных структур вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении
- •2.1 Диодные структуры
- •2.2 Транзисторные структуры
- •2.3 Устойчивость радиационных изменений электрических параметров полупроводниковых приборов
- •3 Дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и их влияние на характеристики полупроводниковых приборов и микросхем
- •3.1 Особенности строения структуры Si/SiO2
- •3.1.1 Особенности строения диоксида кремния
- •Кристаллические формы SiO2
- •Аморфный диоксид кремния
- •Дефекты в диоксиде кремния, отвечающие за накопление заряда
- •3.1.2 Особенности строения границы раздела Si/SiO2 Структура границы раздела
- •Дефекты на границе раздела Si/SiO2, отвечающие за накопление заряда
- •3.1.3 Влияние водорода и водородсодержащих соединений на свойства структуры Si/SiO2
- •3.2 Электрические методы исследований заряда в оксиде и плотности поверхностных состояний
- •3.2.1 Метод вфх
- •3.2.2 Метод подпороговых вах
- •3.2.3 Методы, основанные на измерении надпороговой вах транзисторов
- •3.2.4 Метод накачки заряда
- •3.3 Накопление и релаксация зарядов в структуре Si/SiO2 при радиационном облучении и отжиге
- •3.3.1 Общее описание процессов накопления заряда в структурах Si/SiO2 при радиационном облучении
- •3.3.2 Выход заряда
- •3.3.3 Перенос дырок через SiO2
- •3.3.4 Накопление и нейтрализация заряда на ловушках в оксиде
- •3.3.5 Механизм нейтрализации заряда в оксиде
- •3.3.6 Особенности накопления поверхностных состояний при радиационном облучении
- •3.3.7 Латентное накопление поверхностных состояний
- •3.3.8 Накопление поверхностных состояний в зависимости от интенсивности излучения
- •3.3.9 Отжиг поверхностных состояний
- •3.3.10 Механизм накопления поверхностных состояний
- •3.3.11 Граничные ловушки
- •3.4 Влияние космической радиации на характеристики приборов и микросхем, изготовленных на основе моп-структур
- •3.4.1 Изменение характеристик моп-транзисторов и кмоп-логических элементов при радиационном облучении
- •3.4.2 Влияние конструктивно-технологических характеристик на радиационную стойкость моп-структур
- •3.4.3 Радиационные эффекты в моп-структурах с ультратонкими оксидами
- •3.4.4 Некоторые особенности дозовых радиационных эффектов в мдп-структурах с альтернативными диэлектриками
- •3.4.5 Влияние полевых оксидов на радиационную стойкость ис
- •3.4.6 Особенности проявления дозовых радиационных эффектов в микросхемах, изготовленных по кни-технологии
- •3.5 Особенности радиационных испытаний приборов и микросхем на основе моп- и кмоп-структур
- •3.5.1 Корреляция между отдельными транзисторами и микросхемами
- •3.5.2 Наихудший электрический режим
- •3.5.3 Влияние на радиационную стойкость высокотемпературной нагрузки (наработки) перед облучением
- •3.5.4 Выбор источников ионизирующих излучений при проведении радиационных испытаний моп и кмоп ис
- •3.5.5 Процедуры радиационных испытаний, учитывающие влияние факторов низкой интенсивности облучения
- •4 Особенности деградации биполярных приборов и микросхем при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения (эффект eldrs)
- •4.1 Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик биполярных транзисторов
- •4.2 Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик биполярных интегральных схем
- •4.3 Физические модели эффектов низкоинтенсивного облучения биполярных приборов и микросхем
- •4.4 Проблема экспериментального моделирования воздействия излучений низкой интенсивности на биполярные изделия
- •4.5 Выводы
- •5 Одиночные события в бис при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства
- •5.1 Основные виды и классификация одиночных событий
- •5.1.1 Краткое описание основных видов ос Обратимые одиночные сбои (seu)
- •Одиночные события радиационного защелкивания (sel)
- •Одиночный микродозовый эффект (sehe)
- •Одиночный эффект прерывания функционирования (sefi)
- •Эффект выгорания (seb)
- •Эффект пробоя диэлектрика (segr)
- •Одиночный эффект вторичного пробоя в моп-транзисторах (ses)
- •Одиночные события, связанные с импульсной переходной ионизационной реакцией (set)
- •5.1.2 Основные параметры чувствительности полупроводниковых приборов и микросхем к одиночным событиям
- •5.2 Физические процессы, приводящие к возникновению одиночных событий
- •5.2.1 Общее описание процессов возникновения одиночных событий
- •5.2.2 Образование носителей заряда (ионизация)
- •5.2.3 Рекомбинация неравновесных носителей заряда
- •5.2.4 Перенос неравновесных носителей
- •5.2.5 Сбор заряда
- •5.3 Экспериментальные методы исследования чувствительности изделий полупроводниковой электроники к одиночным событиям при воздействии тяжелых заряженных частиц и протонов
- •5.3.1 Эксперименты на ускорителях протонов
- •5.3.2 Эксперименты на ускорителях ионов
- •5.3.3 Эксперименты с изотопными источниками
- •5.3.4 Эксперименты с использованием ионных микропучков
- •5.3.5 Эксперименты с использованием имитаторов
- •Литература
4.5 Выводы
Анализируя представленные результаты исследований эффекта низкоинтенсивного облучения (эффект ELDRS) в биполярных ПП и ИС с точки зрения разработки методики ускоренных испытаний, можно сделать следующие основные выводы [71].
Облучение биполярных изделий при интенсивности излучения менее 10–2 рад/с может вызывать на порядок большие изменения параметров, чем при интенсивности свыше 10–50 рад/с при одной и той же суммарной дозе облучения (величина эффекта).
Величина эффекта сложным образом зависит от целого ряда параметров, в первую очередь, от технологии изготовления ПП и ИС, вида контролируемого параметра и температуры облучения. Возможны ситуации, при которых по одному из параметров изделия эффект наблюдается, по другим — отсутствует.
Методики ускоренных испытаний, адекватно отражающей результаты облучения при воздействии излучений КП низкой интенсивности, пока не разработано. Метод облучения при повышенных температурах требует или введения коэффициентов запаса, или проведения дополнительных испытаний с целью определения оптимального соотношения мощности дозы и температуры.
Оптимальное соотношение мощности дозы и температуры облучения, определенное в эксперименте, может зависеть не только от типа изделия, но и от контролируемого параметра этого изделия.
5 Одиночные события в бис при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства
Обеспечение стойкости изделий полупроводниковой электроники к эффектам одиночных событий (ОС) при воздействии отдельных заряженных частиц (ОЗЧ) космического пространства является актуальной задачей. В настоящее время порядка 40–50 % от всего объема радиационных испытаний, проводимых в интересах предприятий космической отрасли, приходится на данную тематику. Для современных БИС с высокой степенью интеграции достаточно попадания одной ОЗЧ в чувствительный объем прибора, чтобы произошел сбой в его функционировании. ОС могут носить как обратимый характер, вызывая, например, кратковременную потерю информации, хранимую в элементарных ячейках БИС запоминающих устройств, так и приводить к полной потере работоспособности ИС, например, вследствие эффекта защелкивания в паразитных структурах КМОП ИС. По своей природе ОС являются ионизационными эффектами, т.е. причиной их возникновения является ионизация при взаимодействии высокоэнергетических ОЗЧ с материалом БИС. Вследствие сбора заряда неравновесных носителей в чувствительном объеме облучаемого прибора возникают кратковременные ионизационные токи. В зависимости от схемотехники облучаемого прибора и его конструктивно-технологического исполнения эти токи могут привести к различной реакции: потеря информации в отдельных ячейках памяти; сбои в функционировании контроллеров и процессоров; появление импульсных сигналов на выходах аналоговых схем; возникновение в цепи питания большого тока с последующим катастрофическим отказом облучаемого прибора и др.
5.1 Основные виды и классификация одиночных событий
Одиночные события (ОС) — радиационные эффекты, причиной возникновения которых является взаимодействие отдельной (одной) ядерной частицы с активной областью прибора. Данные эффекты относятся к сравнительно новому классу «микродозиметрических» радиационных эффектов в электронных приборах и носят принципиально вероятностный характер.
Основными видами ОС в электрорадиоизделиях (ЭРИ) при воздействии ОЗЧ КП являются следующие [5, 29].
SEU (Single Event Upset) — одиночные обратимые сбои в ЭРИ с регулярной логикой, проявляющиеся в виде потери информации в отдельных ячейках.
SEL (Single Event Latchup) — одиночные события радиационного защелкивания, вызванные включением паразитных тиристорных структур при попадании ОЗЧ КП в чувствительный объем ЭРИ.
SEHE (Single Event Hard Error) — одиночный микродозовый эффект, связанный с локальным выделением энергии в чувствительном объеме активных элементов ЭРИ при попадании ОЗЧ КП с последующим «дозовым» отказом данного элемента; после термического отжига обычно наблюдается возврат в рабочее состояние.
SEFI (Single Event Functional Interrupt) — одиночный эффект функционального прерывания (наиболее характерен для функционально сложных БИС, таких как микропроцессоры, контроллеры и т.п.).
SEB (Single Event Burnout) — одиночный эффект выгорания в мощных МДП-транзисторах, связанный с открыванием паразитного биполярного транзистора при попадании ОЗЧ КП.
SEGR (Single Event Gate Rupture) — одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика в МДП-структурах при попадании ОЯЧ КП.
SES (Single Event Snappback) — одиночный эффект вторичного пробоя в n-МОП-транзисторах.
SET (Single Event Transient) — переходная ионизационная реакция, вызванная попаданием ОЯЧ КП в чувствительную область ЭРИ; эффект может проявляться в виде импульсов тока в выходных цепях в аналоговых ЭРИ и в ЭРИ смешанного типа, а также может привести к искажению информации в высокочастотных оптических линиях передачи информации.
Все одиночные события при воздействии ОЗЧ КП можно разделить на две группы: обратимые и необратимые (катастрофические). К первой группе относятся такие эффекты, как SEU, SEFI, SET. Ко второй группе относятся эффекты SEL, SEH, SEB, SEGR, SESB. Необратимые события могут привести к катастрофическим отказам ИС, и для восстановления рабочего состояния, как правило, требуется отключение питания и переинициализация ИС (в случае эффекта SEHE для возвращения работоспособного состояния необходим отжиг). Обратимые события, или сбои, к катастрофическим отказам непосредственно не ведут, и для восстановления нормального работы ИС не нужно отключать питание. Однако такие сбои могут быть серьезной помехой для нормального функционирования аппаратуры.