Мощность дозы. Одиночные эффекты

Мощность дозы

Другая часть эффектов, связанных с мощностью дозы — это сверхбыстрый набор дозы, при котором в микросхеме генерируется настолько большое количество электронно-дырочных пар, что они не успевают рекомбинировать, и в чип вносится огромный электрический заряд, который рассасывается через линии земли и питания в течение значительного времени — на которое схема перестает работать. Это время называется «время потери работоспособности» и является основной характеристикой стойкости микросхемы или прибора к подобного рода эффектам. Кроме этого, большое количество внесенного в микросхему заряда серьезно изменяет потенциалы областей, соединенных с землей и с питанием — что может привести к возникновению тиристорного эффекта.

Именно эффекты высокой мощности дозы — то, ради стойкости к чему изначально развивалась технология «кремний на сапфире» и «кремний на изоляторе», потому что единственный способ уменьшить вносимый в схему заряд состоит в том, чтобы отделить активную область микросхемы от объема подложки, не дав заряду из подложки поучаствовать в процессе. Почему эти эффекты важны? Большая мощность дозы в течение небольшого времени — типичное следствие ядерного взрыва.

Одиночные эффекты

Одиночные эффекты связаны не с длительным воздействием излучения, а с измеримым эффектом от попадания единственной ионизирующей частицы. Их можно разделить на две большие группы:

1. Неразрушающие. К ним относятся сбои в разного рода запоминающих элементах (кэш-памяти, регистровых файлах, конфигурационной памяти ПЛИС и т. д. ), переходные процессы в комбинационной логике и в аналоговых схемах. Главная особенность этого вида эффектов — они не приводят к физическому разрушению микросхемы и могут быть исправлены программно или аппаратно. Более того, переходные процессы исправляются сами по себе через какое-то время (вопрос в том, насколько оно велико). Основной практический интерес представляют сбои в массивах памяти — просто потому, что они составляют львиную долю всех сбоев в силу большого количества памяти в современных микроэлектронных системах.
2. Разрушающие. К ним относятся тиристорный эффект и разнообразные, но, к счастью, редкие эффекты типа пробивания затвора или лавинного выгорания транзистора. Их отличительная черта — то, что они необратимо разрушают элемент микросхемы. В случае с тиристорным эффектом чип обычно (но не всегда! ) можно спасти, если быстро сбросить питание. Разрушающие эффекты представляют серьезную опасность для некоторых видов флэш-памяти и для приборов с высокими напряжениями и плотностями тока, самыми важными из которых являются силовые ключи.

Удельная энергоотдача ионизирующей частицы называется «линейная передача энергии» (ЛПЭ) и измеряется в МэВ, передаваемых за единицу длины пролета частицы в материале, на единицу плотности материала, то есть в (МэВ*см^3)/(мг*см) или в (МэВ*см^2)/мг. ЛПЭ нелинейно и немонотонно зависит от энергии частицы и взаимосвязана с длиной пробега, которая для актуальных в микроэлектронике частиц и материалов может составлять от сотен нанометров до сотен миллиметров.

Количество частиц, встречающихся в космосе, убывает с ростом ЛПЭ (см. рисунок 4). Важные значения — 30 (соответствует ионам железа) и 60 или 80 (после которых вероятность события считается пренебрежимо малой). Кроме этого, важной является цифра в 15 МэВ*см^2/(мг) — это максимальная ЛПЭ, которую могут иметь продукты ядерной реакции при попадании протона или нейтрона в кремний. Протоны — один из основных видов солнечного излучения, и хотя их собственная ЛПЭ невелика (десятые доли единицы), они оказывают существенное влияние из-за ядерных реакций и вторичной ионизации. Вторичная ионизация может возникать прямо в активной области, а может быть следствием попадания протона в атом какого-то материала с большим атомным номером — например, вольфрама или тантала. Тяжелые элементы активно используются в современной микроэлектронной технологии, например, для создания контактов от кремния к первому слою металлизации. Вторичная ионизация также является причиной, по которой не стоит для повышения радиационной стойкости паковать чипы в свинцовые коробки.

Рисунок 3. Зависимость ЛПЭ от энергии для разных типов частиц.

Отдельно стоит обратить внимание на ядра гелия (альфа-частицы) — не только потому, что их достаточно много в составе солнечной радиации, но и потому, что довольно много источников альфа-излучения можно встретить в обычной жизни.

Рисунок 4. Сравнение количества частиц разных типов за двухлетнюю миссию на орбите, по статье Xapsos et. al., «Model for Cumulative Solar Heavy Ion Energy and Linear Energy Transfer Spectra», IEEE TNS, Vol. 5, No. 6., 2007

1, 30 или 60 МэВ*см^2/(мг) — насколько это много? Порог сбоя стандартной ячейки памяти в технологии 7 нм находится намного ниже единицы, в 180 нм — в пределах от единицы до десятки. Применение специальной схемотехники позволяет поднять порог, например, до сотни, но обычно разумнее добиться цифры в 15 или 30 единиц, а остатки редких событий отфильтровать с помощью помехоустойчивого кодирования. 60 единиц — это цифра, обычно фигурирующая в требованиях по стойкости к разрушающим эффектам.