Общее описание процессов возникновения одиночных событий
При воздействии на ИС излучения космического пространства одиночные события, главным образом, возникают вследствие взаимодействия кристалла ИС с высокоэнергетическими протонами и ТЗЧ. Для авиации также важным фактором, определяющим частоту возникновения ОС, является воздействие высокоэнергетических нейтронов.
Ниже приведены основные источники высокоэнергетических частиц, вызывающих возникновение ОС в БИС [5].
· Галактические и солнечные космические лучи (ГКЛ и СКЛ), представляющие собой потоки протонов и ТЗЧ. ГКЛ, помимо протонов и альфа-частиц, включают другие химические элементы (вплоть до атомов урана) с энергией в диапазоне от 1 до 104 МэВ и плотностью потока 0,1–100 см–2ч–1. СКЛ, помимо протонов и альфа-частиц, состоят из ядер от углерода до никеля (с преобладанием кислорода) с энергией
1–100 МэВ/нуклон.
· Высокоэнергетические протоны радиационных поясов Земли.
· Естественный радиационный фон, который помимо альфа-, бетта- и гамма-излучения содержит тяжелые ядра с энергией более 1 ГэВ и атомным номером более 20 (жесткое галактическое излучение).
· Высокоэнергетические продукты распада радиоактивных элементов в керамических деталях корпусов, пластмассе, стекле, золоте. Такими элементами могут являться 235U, 238U, 232Th, 91Zr, которые в результате распада эмитируют альфа-частицы с энергией до 10 МэВ и интенсивностью 4×10–3–1×102 част.×см–2×ч–1.
В настоящее время определены две основные группы частиц, вызывающих ОС [4, 5, 12, 82, 88]. К первой группе относят частицы, способные вызвать ОС за счет первичных ионизационных потерь — все ионы за исключением водорода (хотя в некоторых последних публикациях приводятся данные по регистрации сбоев от первичных ионизационных потерь при облучении протонами в некоторых БИС памяти с субмикронной топологической нормой). Ко второй группе принадлежат частицы, вызывающие одиночные события за счет ионизации вторичными частицами. К данной группе относят высокоэнергетические протоны, электроны, гамма-кванты и нейтроны (основной вклад здесь дают эффекты, вызванные высокоэнергтическими протонами, для авиации также существенен фактор высокоэнергетичных нейтронов; вклад электронов и гамма-квантов в общую частоту событий пренебрежимо мал). В общем, возможны три механизма генерации неравновесных электронно-дырочных пар в материале при воздействии высокоэнергетических частиц КП:
· за счет ионизационных потерь первичных заряженных частиц;
· за счет ионизационных потерь первично выбитых атомов из узлов кристаллической структуры при упругом рассеивании;
· за счет ионизационных потерь вторичных частиц, образующихся в процессе ядерных реакций.
Общим подходом к описанию физических процессов, приводящих к возникновению как обратимых, так и необратимых событий, является концепция критического заряда и чувствительного объема, согласно которой событие происходит, если в чувствительном объеме микросхемы собирается генерируемый излучением заряд некоторой критической величины [4, 5, 12, 82, 88]. В свою очередь для этого необходимо, чтобы в чувствительном объеме в результате воздействия излучения выделилась энергия, превосходящая некоторую пороговую величину, определяемую конструктивно-технологическими параметрами облучаемого прибора. С этой точки зрения одиночные события можно рассматривать как пороговые эффекты.
При использовании концепции критического заряда и чувствительного объема следует ожидать ступенчатый вид зависимости s(L) или s(Ер). Однако данные зависимости имеют вид плавно нарастающих кривых (см. рис. 5.6, 5.7), аппроксимирующихся формулами (5.2) или (5.5). В литературе имеются два подхода к объяснению зависимостей данного вида. Первый из них исходит из того, что из-за индивидуальных особенностей, связанных с разбросом технологических параметров отдельных элементарных ячеек БИС, величина порогового критического заряда не является постоянной и изменяется от некоторого минимума до максимума, соответствующего выходу зависимостей s(Ер), s(L) на насыщение. Этот случай соответствует ситуации, когда ТЗЧ либо ядро отдачи кремния, возникающее в чувствительном объеме при воздействии протонов, проходит непосредственно через область сбора заряда чувствительного объема, например, обедненную область p-n-перехода в элементарной ячейке ИС, и выделившийся заряд неравновесных носителей практически полностью собирается областью сбора в чувствительном объеме. Второй подход, который широко обсуждается во многих работах последних лет, основан на том предположении, что для всех элементарных ячеек в данной БИС величина порогового заряда Q0 является постоянной, но величина энергии которая должна выделяться в чувствительном объеме, чтобы был собран заряд не менее Q0, может изменяться в достаточно широком интервале. Поэтому ТЗЧ могут пересекать чувствительный объем на достаточном удалении от области сбора заряда и при этом обеспечивать величину собранного заряда неравновесных носителей в ней не менее Q0 при достаточной величине энерговыделения в отрезке трека частицы в пределах чувствительного объема. Таким образом, согласному данному подходу, не существует строго определенной величины энерговыделения в чувствительном объеме при прохождении ТЗЧ, приводящей к ОС, а существует только постоянная для всех ячеек БИС величина собранного заряда Q0, при достижении которой наблюдается ОС.
Процесс возникновения ОС в БИС вследствие попадания высокоэнергетической частицы проиллюстрирован на рис. 5.8 [12]. Высокоэнергетическая частица проходит через защиту космического аппарата (КА), корпус и кристалл ИС. При попадании ТЗЧ в кристалл ИС энергия первичного иона в полупроводнике передается атомам решетки и электронам. Эта энергия расходуется на образование высокоэнергетических электронов, фотонов и фононов, и, в конечном счете, на образование электронно-дырочных пар. Данные электроны зоны проводимости и дырки валентной зоны перемещаются по полупроводнику в соответствии с законами физики твердого тела. На контактах микросхемы происходит сбор заряда, и эти носители заряда в соединительных линиях прибора образуют токи проводимости и/или токи смещения. Данные токи приводят к изменению потенциалов различных узлов в схеме. Таким образом, процесс, вызванный тяжелым ионом, приводит к непредвиденным изменениям потенциалов в микросхеме. Такие нежелательные изменения потенциала могут привести к изменению логического состояния (SEU), возникновению нежелательных импульсов (SET), появлению деструктивных токов или напряжений (SEB, SEGR, SES).
Рис. 5.8. Иллюстрация процесса возникновения сбоя в ячейке памяти [12]
Рис. 5.9. Последовательность физических процессов при попадании высокоэнергетических ТЗЧ в кристалл БИС, приводящих к возникновению ОС [12]
Более подробно процесс возникновения ОС при воздействии высокоэнергетических частиц КП проиллюстрирован на рис. 5.9 [12]. Энергия первичного иона в полупроводнике передается атомам решетки и электронам. Эта энергия расходуется на образование высокоэнергетических электронов, фотонов и фононов, и, в конечном счете, на образование электронно-дырочных пар. Данные электроны зоны проводимости и дырки валентной зоны перемещаются по полупроводнику, подчиняясь законам физики твердого тела. На контактах микросхемы происходит сбор заряда, и эти носители заряда образуют токи проводимости и/или токи смещения в соединительных линиях прибора. Эти токи изменяют заряды емкостей, в результате чего повышаются или понижаются потенциалы различных узлов в схеме. Таким образом, процесс, вызванный тяжелым ионом, привел к непредвиденным изменениям потенциалов в микросхеме. Такие нежелательные изменения потенциала могут привести к изменению логического состояния (SEU), возникновению нежелательных импульсов (SET), появлению деструктивных токов или напряжений (SEB, SEGR, SEL).
Взаимодействие первичного высокоэнергетического иона с кристаллом облучаемой БИС как правило происходит в течение 10–13–10–11 с, при этом диаметр трека может составлять 10–100 нм [1]. Образование вторичных высокоэнергетических частиц (каскада фотонов, фононов и горячих электронов) длятся порядка 10–13–10–10 с и происходит в пределах
10–1000 нм от оси трека первичного иона. Термолизация «горячих» носителей и образование электронно-дырочных пар с равновесными значениями энергии, определяющимися уровнями Ec и Ev, происходит в течение 10–12–10–6 с. Размеры области, в которой сосредоточены данные неравновесные носители заряда, могут составлять 0,1–10 мкм от оси трека первичной частицы. Процессы образования токов неравновесных электронов, изменения потенциалов узлов и зарядки/разрядки емкостей могут протекать от нескольких пикосекунд до миллисекунд в зависимости от схемотехники облучаемой БИС, ее конструктивно-технологического исполнения и места попадания первичной частицы.