5.3 Экспериментальные методы исследования чувствительности изделий полупроводниковой электроники к одиночным событиям при воздействии тяжелых заряженных частиц и протонов

Для определения параметров чувствительности ПП и ИС к одиночным событиям в настоящее время применяются следующие виды экспериментов:

• эксперименты на ускорителях протонов;

• эксперименты на ускорителях тяжелых ионов;

• эксперименты с использованием изотопных источников ТЗЧ;

• эксперименты с использованием ионных микропучков;

• эксперименты с использованием имитаторов.

Основными характеристиками чувствительности ИС и ПП к одиночным событиям при воздействии ТЗЧ и протонов являются зависимости сечения событий от ЛПЭ ТЗЧ и от энергии протонов. Зависимость сечения событий от ЛПЭ ТЗЧ (L) аппроксимируется функцией Вейбулла, а зависимость сечения от энергии протонов _р(E_p) — Функцией Бендела. Для восстановления зависимости (L) как минимум необходимо знать значения сечения насыщения ₀ и порогового значения ЛПЭ ТЗЧ L₀. Для восстановления зависимости _р(Е_р) необходимо знать значения сечения насыщения для вызванных протонами ОС _р0 и пороговую энергию протонов Е_р0. Если же экспериментальные методы позволяют получить значения сечения ОС для нескольких (порядка 5–7) значений ЛПЭ ТЗЧ или энергии протонов, то данные зависимости могут быть восстановлены путем аппроксимации с помощью метода наименьших квадратов. Экспериментальные методы, используемые для исследования чувствительности ИС и ПП к эффектам ОС, своей конечной целью имеют либо непосредственное восстановление зависимостей (L) и _р(E_p), либо определение параметров, входящих в аппроксимационные формулы для этих зависимостей (главным образом ₀, L₀, _р0, Е_р0).

5.3.1 Эксперименты на ускорителях протонов

Данные эксперименты являются идеальными для исследований чувствительности ИС и ПП к ОС, вызванным протонами космического пространства. Эти эксперименты позволяют получить значения сечения ОС для различных значений энергии протонов. Важным преимуществом таких экспериментов является то, что протоны с энергией порядка десятка мегаэлектронвольт и выше имею достаточно большие пробеги в кремнии и конструкционных материалах корпусов ИС, что обеспечивает «пролетную» геометрию эксперимента. В результате испытания ИС на ускорителях протонов можно проводить в их штатных корпусах при нормальном атмосферном давлении. Одним из недостатков экспериментов на ускорителях протонов является наведенная радиоактивность облучаемых образцов.

При исследованиях чувствительности ИС к ОС на ускорителях протонов как правило необходимо обеспечить диапазон энергий протонов порядка 20–1000 МэВ, причем для большинства ИС диапазон энергий свыше 100 МэВ обычно соответствует участку насыщения зависимости сечения ОС от энергии протонов _р(Е_р). Для изменения энергии протонов возможно применение фильтров различной толщины. При этом необходим учет «размытия» энергетического спектра протонного пучка.

Плотность потока протонов выбирается такой, чтобы с одной стороны исключить эффекты мощности дозы, а с другой стороны получить приемлемую статистику регистрируемых событий и обеспечить необходимую достоверность дозиметрического сопровождения. Для ускорителей, работающих в квазинепрерывном режиме облучения (например, синхроциклотрон ПИЯФ РАН), приемлемые значения средней плотности потока протонов лежат в диапазоне 10⁶–10⁸ протон/(см²с). Для ускорителей, работающих в импульсном режиме (например, У-10, ИТЭФ), перед началом испытаний необходимы эксперименты по определению оптимальных параметров импульса (длительность, ток пучка и т.п.), обеспечивающих отсутствие эффектов мощности дозы. Для этого может быть полезной, в частности, информация о порогах сбое- и отказоустойчивости для исследуемых ИС, полученная на источниках импульсного тормозного излучения. При обработке экспериментальных данных, полученных на ускорителях, работающих в импульсном режиме, необходимы специальные методы, учитывающие характер отклика исследуемых объектов и периодичность протонного облучения.

Флюенс протонов должен быть таким, чтобы с достаточной степенью уверенности можно было считать, что облучены все чувствительные области исследуемого объекта. Облучение при каждой энергии протонов следует проводить до набора достаточной статистики событий (в частности, для микросхем памяти рекомендуется получить количество сбоев порядка 10 % от информационной емкости ИС). Суммарный флюенс протонов за все этапы облучения должен быть таким, чтобы соответствующая поглощенная доза не превысила 10 % от значения, при котором происходит дозовый отказ исследуемого объекта. Если доза отказа не известна, то флюенс протонов на каждом этапе облучения следует выбирать таким образом, чтобы суммарная доза за все этапы облучения протонами не превысила 1 крад (для большинства ИС и ПП, предназначенных для применения в условиях космического пространства при такой поглощенной дозе параметрических отказов не наблюдается). Для каждого облучаемого объекта должна фиксироваться суммарная доза за все циклы облучения, и предварительно должна быть оценена предельная доза, определяющая его радиационную стойкость к дозовым эффектам.

Дозиметрическое сопровождение облучения на ускорителях протонов может осуществляться любым аттестованным методом. Чаще всего применяются методы с использованием цилиндров Фарадея, активационные методы, методы с использованием термолюминесцентных детекторов, ионизационных камер и др. Кроме того, представляется перспективным использование для дозиметрического сопровождения предварительно откалиброванных МДП-детекторов. Цель дозиметрического сопровождения экспериментов на ускорителях протонов — определить для каждого этапа облучения флюенс и энергию протонов. Средства дозиметрии должны обеспечивать требуемую погрешность измерения флюенса протонов (обычно не хуже 30 %).