5.1.1 Краткое описание основных видов ос Обратимые одиночные сбои (seu)
Одиночные сбои (SEU) возникают в результате проникновения в чувствительный объем ИС (как правило, это обратносмещенный p-n-переход) высокоэнергетических заряженных частиц. При этом вдоль трека частицы идет ионизация, то есть образуются электронно-дырочные пары. В результате при пролете частицы через область пространственного заряда (ОПЗ) обратно смещенного p-n-перехода последняя деформируется: образуется так называемая «воронка», то есть ОПЗ «вытягивается» вдоль трека частицы (см. рис. 5.1 [82]).
Рис. 5.1. «Воронка», образующаяся при попадании частицы в область p-n-перехода [82]
Возникающие в воронке электроны дрейфуют по направлению к переходу, а дырки — в противоположную сторону, вызывая ток подложки. Собранные электроны дают кратковременный импульс тока (первичный ток), способный вызвать сбой логического состояния ячейки. При этом микросхема остается в работоспособном состоянии. Процесс сбора электронов длится доли наносекунд. Кроме того, свободные электроны, сгенерированные вдоль трека частицы под воронкой, могут диффундировать в сторону ОПЗ, образуя вторичный (диффузионный) ток. Величина этого тока значительно ниже, чем первичного, однако длительность его значительно выше (вплоть до сотен наносекунд и даже до микросекунд).
ОС данного типа характерны для цифровых ИС, отдельные ячейки которых могут находиться в устойчивых логических состояниях (как правило, это БИС памяти, триггеры, регистры и т.п.) и проявляются в виде потери информации в отдельных ячейках вследствие попадания ТЗЧ (см. рис. 5.2).
Рис. 5.2. Иллюстрация процесса инверсии логического состояния ячейки памяти СОЗУ при воздействии ОЗЧ
После потери информации в ячейке информация может быть перезаписана, и в целом БИС остается в работоспособном состоянии. Другими словами, данный тип ОС относится к обратимым эффектам.
Одиночные события радиационного защелкивания (sel)
Одиночные события радиационного защелкивания (SEL) характерны для ИС КМОП-технологии, поскольку они содержат 4-слойные структуры p-n-p-n. В принципе, радиационное защелкивание может иметь место в ИС других технологических вариантов, где присутствуют такие четырехслойные структуры (обычно в случае использования межэлементной изоляции с помощью обратно смещенного p-n-перехода). При попадании тяжелой частицы в такую структуру вследствие ионизации возникает ток в базе паразитных биполярных транзисторов (как n-p-n- так и p-n-p-), что приводит к включению паразитной тиристорной структуры. В результате наблюдается резкое возрастание тока через структуру, что может привести к катастрофическому выгоранию (выгорание обычно происходит в течение сотен микросекунд). Напряжение удержания для паразитного тиристора как правило составляет порядка 1–1,5 В [82]. Если кратковременно отключить питание (до выгорания), то структура возвращается в работоспособное состояние.
Одиночный микродозовый эффект (sehe)
Одиночный микродозовый эффект (SEHE) — необратимое изменение функционирования отдельных битов в ИС статической или динамической памяти, обычно связанное с катастрофическим отказом в отдельных элементах прибора при попадании в него одной или нескольких тяжелых заряженных частиц (как правило, в подзатворном окисле МОП-транзистора) [82].
Одиночный микродозовый эффект проявляется как отказ функции записи инверсного логического состояния относительно текущего состояния в отдельной ячейке статического или динамического ОЗУ (эффект «впечатывания»). Впервые, SEHE экспериментально наблюдали в ИС статического ОЗУ емкостью 1 Мбит [83]. Более подробные исследования показали, что эффект связан с изменением порогового напряжения отдельного МОП-транзистора из состава ячейки памяти, вызванного прохождением через подзатворный диэлектрик одной или двух тяжелых заряженных частиц с высоким значением ЛПЭ (50–100 МэВсм2/мг) [84, 85]. SEHE экспериментально наблюдался как при воздействии тяжелых заряженных частиц, так и при воздействии протонов [86]. Аналогично обычным дозовым повреждениям в приборах МОП-технологии в случае возникновения SEHE функция записи поврежденной ячейки может быть восстановлена с помощью отжига при повышенной температуре окружающей среды или при воздействии ультрафиолетового излучения. При комнатной температуре характерные времена восстановления функции записи могут составлять месяцы и годы.
В ИС динамического ОЗУ было обнаружено два типа SEHE [87]. Особенность первого типа заключается в том, что количество наблюдаемых функциональных отказов ячеек памяти после воздействия тяжелых заряженных частиц является функцией времени регенерации и уменьшается с его увеличением. Данный вид отказа аналогичен SEHE в ИС статического ОЗУ, в которых количество наблюдаемых функциональных отказов ячеек памяти после воздействия тяжелых заряженных частиц уменьшается с увеличением времени выборки. Второй тип отказа в ИС динамического ОЗУ характеризуется отсутствием зависимости количества наблюдаемых функциональных отказов от времени регенерации. Предполагается, что данный тип отказов связан с пробоем затворов МОП-транзисторов, связывающих запоминающий конденсатор с шинами накопителя ИС ОЗУ. На схемотехническом уровне причина наблюдаемых отказов второго типа точно не установлена.