eng
Содержание
Ñîäåðæàíèå
Предисловие редактора перевода 14
Предисловие 16
Редакторы 18
Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике 21
1.1.
Введение 21
1.2.
Источники ионизирующего излучения 22
1.2.1.
Космическое пространство 22
1.2.2.
Наземная среда 24
1.2.3.
Антропогенные источники ионизирующего излучения 26
1.3.
Эффекты полной дозы ионизации 27
1.3.1.
МОП-транзисторы (MOSFET) 31
1.3.2.
Биполярные приборы 35
1.4.
Структурные повреждения (DD) 37
1.4.1.
Приборы с зарядовой связью (CCD) 40
1.5.
Одиночные радиационные эффекты 41
1.5.1.
Одиночные сбои (SEU) в ЗУ SRAM 43
1.6.
Заключение 47
Список литературы 47
Глава 2. Моделирование радиационных эффектов методом Монте-Карло 50
2.1.
Введение 50
2.2.
Краткая история методов Монте-Карло 51
2.3.
Определение метода Монте-Карло 53
2.4.
Достоинства методов Монте-Карло в задачах моделирования
радиационных эффектов в полупроводниковых приборах 54
2.4.1.
Одиночные радиационные эффекты (SEE) 55
2.4.2.
Эффекты полной ионизационной дозы 58
2.4.3.
Дозовые эффекты смещения 58
2.5.
Моделирование переноса излучения методом Монте-Карло 60
2.5.1.
Метод Монте-Карло для описания переноса излучения и учета
взаимодействий 60
2.5.2.
Учет видов частиц и взаимодействий 61
2.5.3.
Перенос электронов: ускоренное моделирование и пороговая
энергия 62
2.5.4.
Методы снижения дисперсии 66
6
Содержание
2.5.5.
Выводы по применению метода Монте-Карло в моделировании
переноса излучения 67
2.6.
Примеры инструментов метода Монте-Карло 68
2.6.1.
MCNP 68
2.6.2.
GEANT4 69
2.6.3.
FLUKA 69
2.6.4.
PHITS 70
2.7.
Краткие выводы 70
Литература 71
Глава 3. Полное руководство по множественным сбоям в статическом ОЗУ,
изготовленном по декананометровой КМОП-технологии 77
3.1.
Введение 77
3.2.
Экспериментальная установка 80
3.2.1.
Значение тестового алгоритма для подсчета множественных сбоев 80
3.2.2.
Испытательная установка 80
3.2.2.1.
Источник альфа-частиц 80
3.2.2.2.
Нейтронная установка 81
3.2.2.3.
Установки тяжелых ионов 81
3.2.2.4.
Протонная установка 81
3.2.3.
Испытуемые устройства 82
3.3.
Результаты экспериментов 84
3.3.1.
MCU как функция источника излучения 85
3.3.2.
Зависимость MCU от проектирования кармана: использование
тройного кармана 85
3.3.3.
MCU как функция угла наклона при экспериментах
с тяжелыми ионами 87
3.3.4.
MCU как функция проектных норм 88
3.3.5.
MCU как функция дизайна: плотность контактов к карману 90
3.3.6.
MCU как функция напряжения питания 91
3.3.7.
MCU как функция температуры 92
3.3.8.
MCU как функция архитектуры ячеек памяти 92
3.3.9.
MCU как функция места проведения испытаний в LANSCE
или в TRIUMF 94
3.3.10.
MCU как функция подложки: объемный кремний
по сравнению с кремнием на изоляторе 94
3.3.11.
MCU как функция тестового паттерна 95
3.4.
Трехмерное моделирование в TCAD возникновения MCU 96
3.4.1.
Биполярный эффект в технологиях с тройным карманом 97
Содержание 7
3.4.1.1.
Структуры, в которых контакты к карманам расположены
близко к СОЗУ 97
3.4.1.2.
Структуры, в которых контакты к карманам расположены
далеко от СОЗУ 101
3.4.2.
Детализация чувствительных областей для современных
технологий 102
3.4.2.1.
Моделирование двух ячеек статического ОЗУ в строке 104
3.4.2.2.
Моделирование двух ячеек статического ОЗУ в столбце 104
3.4.2.3.
Выводы и схема чувствительных областей статического ОЗУ 105
3.5.
Общие выводы: расположение по значимости параметров,
влияющих на чувствительность к MCU 106
3.5.1.
Схема распределения областей, чувствительных к SEE 106
3.6.
Приложение 1 107
Литература 109
Глава 4. Радиационные эффекты в запоминающих устройствах DRAM 112
4.1.
Введение 112
4.2.
Основы DRAM 114
4.2.1.
Принцип работы 114
4.2.2.
Типы DRAM 117
4.3.
Радиационные эффекты 118
4.3.1.
Одиночные радиационные эффекты (SEE) 118
4.3.1.1.
SEU 119
4.3.1.2.
«Залипание» битов 122
4.3.1.3.
SEFI и пакетные ошибки 124
4.3.1.4.
Тиристорный эффект (SEL) 127
4.3.1.5.
Увеличение тока 128
4.3.2.
Ионизационные дозовые эффекты 128
4.3.2.1.
Время хранения данных 128
4.3.2.2.
Ошибки в данных 130
4.3.2.3.
Увеличение тока 131
4.3.2.4.
Функциональный отказ 131
4.4.
Заключение 132
Литература 132
Глава 5. Радиационные эффекты в схемах флеш-памяти 136
5.1.
Введение 136
5.2.
Технология плавающего затвора 137
5.3.
Радиационные эффекты в ячейках с плавающим затвором 140
5.3.1.
Дозовые эффекты в ячейках памяти 141
5.3.2.
Одиночные эффекты в ячейках памяти 143
8
Содержание
5.4.
Радиационные эффекты в периферийных схемах 148
5.4.1.
Дозовые эффекты в периферийных схемах 148
5.4.2.
Одиночные эффекты в периферийных схемах 149
5.5.
Выводы 151
Литература 151
Глава 6. Радиационные эффекты в микропроцессоре 157
6.1.
Введение 157
6.1.1.
Фундаментальные механизмы мягких сбоев и схемы 157
6.1.2.
Краткое содержание главы и ее структура 161
6.2.
Структура микропроцессора 162
6.2.1.
Конвейерная обработка, спекулятивное
и архитектурное состояние 163
6.2.2.
Распределение тактовых импульсов и I/O 168
6.2.3.
Схемы СнК 170
6.3.
Общие радиационные эффекты в микропроцессорах 170
6.4.
SEE в микропроцессорах 172
6.4.1.
SЕЕ в кеш-памяти 173
6.4.1.1.
Повышение сбоеустойчивости кеш-памяти и ошибки,
наблюдаемые в кремнии 178
6.4.1.2.
Обнаружение и исправление ошибок 181
6.4.1.3.
Пример SEE в кеш-памяти 181
6.4.2.
Сбои регистра 182
6.4.2.1.
Пример сбоя регистрового файла 183
6.4.3.
SEE конвейера и исполнительного блока 184
6.4.3.1.
Ошибки конвейера 185
6.4.3.2.
Устранение ошибок конвейера в HERMES 187
6.4.4.
Зависимость от частоты 188
6.4.5.
Влияние температуры 190
6.5.
Специальные вопросы 192
6.5.1.
Проектирование тестовых воздействий при испытаниях на SEE 192
6.5.2.
SEE обычно обнаруживаются в наиболее слабых элементах 193
6.5.3.
Сети и связь на кристалле 195
6.5.4.
MBU и зависимость от угла в микропроцессорах 196
6.5.5.
Поведение микропроцессора RHBD 197
6.5.6.
Комплексное испытание системы 199
6.5.7.
Формирование реакции системы 200
6.6.
Выводы 201
Литература 202
Содержание 9
Глава 7. Проектирование защелок и триггеров, устойчивых к мягким сбоям 207
7.1.
Введение 207
7.1.1.
Защелки и триггеры с низкой сбоеустойчивостью 208
7.1.1.1.
Схемы защелок и временные параметры 208
7.1.1.2.
Схемы триггеров и синхронизация 209
7.1.2.
Механизмы сбоев 211
7.1.2.1.
Одиночные сбои и «иголки» 211
7.1.2.2.
Сбор заряда несколькими узлами 212
7.1.3.
Повышение сбоеустойчивости с помощью технологического
процесса 214
7.2.
Конструктивные методы исключения мягких ошибок в защелках
и триггерах 215
7.2.1.
Резервирование схемы 215
7.2.1.1.
Методы дублирования 216
7.2.1.2.
Двойная ячейка со взаимной блокировкой 217
7.2.2.
Временное резервирование 218
7.2.3.
Комбинированные методы 219
7.2.3.1.
DF-DICE 220
7.2.3.2.
Временное резервирование триггера типа DICE 221
7.2.3.3.
Триггер с бистабильной схемой с перекрестными связями
и дублированием 222
7.2.3.4.
Фильтрующие элементы в обратной связи защелки 224
7.2.3.5.
Взаимосвязь топологии и схемотехники 226
7.2.4.
Схемы элементов задержки 229
7.2.4.1.
Получение задержек с инверсией 229
7.2.4.2.
Элемент задержки с малым потреблением тока 230
7.2.4.3.
Резервированный элемент задержки с малым напряжением
на затворе 231
7.2.5.
Классификация и сравнение 231
7.3.
Методы уровня проектирования для анализа отказоустойчивости 233
7.3.1.
Моделирование на уровне схем 233
7.3.1.1.
Моделирование сбоев 233
7.3.2.
Устранение накопления заряда несколькими узлами (MNCC) 236
7.3.2.1.
Пространственное разнесение узлов для обеспечения
устойчивости к MNCC 237
7.3.2.2.
Сбои в нескольких узлах и пространственное разделение 239
7.3.2.3.
Систематический анализ сбоев 241
7.3.2.4.
Упорядочивание группы узлов 246
7.3.2.5.
Оценка снижения сечения MNCC 251
7.4.
Выводы 252
10
Содержание
Литература 253
Глава 8. Обеспечение надежности троированных схем ПЛИС на основе
статического ОЗУ 256
8.1.
Введение 256
8.2.
Обзор данных по SEU и MCU для ПЛИС 258
8.3.
Защита схем ПЛИС тройным модульным резервированием 264
8.3.1.
Проблемы проектирования схем 265
8.3.2.
Проблемы проектных ограничений компонентов 266
8.3.3.
Применение схем и архитектурные проблемы 267
8.4.
Ошибки пересечения доменов (DCE) 268
8.4.1.
Метод и установка для испытаний 269
8.4.2.
Результаты испытаний с помощью внесения ошибок
и на ускорителе 273
8.4.3.
Обсуждение результатов 275
8.4.4.
Вероятность DCE 279
8.5.
Обнаружение SBU, MCU и проблемы проектирования 281
8.5.1.
Сопутствующая работа 283
8.5.2.
Обзор STARC 285
8.5.3.
Учебная задача: пространство решений проблем надежности
при ограничениях площади 288
8.6.
Выводы 290
Литература 291
Глава 9. Методы борьбы с одиночными эффектами для аналоговых
и цифроаналоговых схем 295
9.1.
Введение 295
9.2.
Снижение накопленного заряда 297
9.2.1.
Проектирование подложки 297
9.2.2.
Устранение сбоев на уровне топологии 299
9.2.2.1.
Разделение узлов и топология с перемешиванием 302
9.2.2.2.
Дифференциальное проектирование 303
9.3.
Снижение критического заряда 307
9.3.1.
Резервирование 308
9.3.2.
Усреднение (аналоговое резервирование) 309
9.3.3.
Резистивная развязка 310
9.3.4.
Резистивно-емкостная (RC) фильтрация 310
9.3.5.
Изменение полосы пропускания, коэффициента усиления,
быстродействия и рабочего тока 313
9.3.6.
Уменьшение окна уязвимости 317
9.3.7.
Снижение числа высокоимпедансных узлов 319
Содержание 11
9.3.8.
Повышение сбоеустойчивости с помощью растекания заряда 320
9.3.9.
Повышение сбоеустойчивости с помощью расщепления узла 323
9.4.
Краткие выводы 328
Литература 329
Глава 10. Монолитные КМОП-сенсоры с гибридной пикселеподобной
стационарной выходной электроникой обработки сигналов: исследования
ионизационных дозовых эффектов и объемных повреждений 336
10.1.
Введение 336
10.2.
Монолитные КМОП-сенсоры для отслеживания
заряженных частиц 338
10.3.
DNW MAPS, изготовленные по КМОП-технологии
с топологической нормой проектирования 130 нм,
использующей тройной карман 339
10.3.1.
Описание объектов исследования и последовательности
облучения 340
10.3.2.
Ионизационные дозовые эффекты 342
10.3.2.1.
Зарядовая чувствительность и форма отклика 342
10.3.2.2.
Эквивалентный шумовой заряд 348
10.4.
MAPS, изготовленные по КМОП-технологии с топологической
нормой проектирования 180 нм, использующей четверной карман 352
10.4.1.
Описание объектов исследования и последовательности
облучения 353
10.4.2.
Ионизационные дозовые эффекты 354
10.4.2.1.
Зарядовая чувствительность 355
10.4.2.2.
Эквивалентный шумовой заряд 359
10.5.
Объемные повреждения в гибридных пикселеподобных MAPS 360
10.6.
Выводы 366
Благодарности 366
Литература 367
Глава 11. Радиационные эффекты в формирователях изображения на основе
КМОП-активных пиксельных сенсоров 370
11.1.
Введение 370
11.1.1.
Контекст 370
11.1.2.
APS, CIS и монолитные активные пиксельные сенсоры 371
11.1.3.
Основные сведения о радиационных эффектах 372
11.2.
Введение в CIS 373
11.2.1.
Обзор технологий CIS 373
11.2.2.
Выбранные для анализа радиационных эффектов важные
концепции CIS 379
12
Содержание
11.2.2.1.
Полная емкость потенциальной ямы и напряжение захвата 379
11.2.2.2.
Источники темнового тока 381
11.2.2.3.
Случайные телеграфные шумовые сигналы:
DC-RTS и SF-RTS 385
11.3.
Одиночные радиационные эффекты 387
11.4.
Интегральные радиационные эффекты в периферийных схемах 389
11.5.
Влияние интегральных радиационных эффектов
на работоспособность пикселей 390
11.5.1.
Ионизационные дозовые эффекты 390
11.5.1.1.
Обзор основных эффектов и механизмов деградации 390
11.5.1.2.
Специфические эффекты, свойственные структурам
с прикрепленным фотодиодом 397
11.5.1.3.
Повышение радиационной стойкости пикселей CIS 400
11.5.2.
Эффекты структурных повреждений 402
11.5.2.1.
Обзор 402
11.5.2.2.
Темновой ток, неоднородность темнового тока и RTS 404
11.6.
Заключение 407
Литература 408
Глава 12. Радиационные эффекты естественного происхождения в приборах
с зарядовой связью 421
12.1.
Введение 421
12.2.
Одиночные радиационные эффекты в ПЗС 422
12.2.1.
Радиационные эффекты в ПЗС 423
12.2.2.
Детекторы излучений, основанные на ПЗС 425
12.3.
Естественные радиационные эффекты в ПЗС: тематическое
исследование 428
12.3.1.
Описание эксперимента 429
12.3.2.
Экспериментальные результаты 430
12.3.3.
Результаты моделирования 435
12.3.4.
Подтверждение модели на высотах, характерных для авионики 441
12.4.
Заключение 444
Благодарности 444
Литература 445
Глава 13. Радиационные эффекты в оптоволокне и оптоволоконных сенсорах 449
13.1.
Введение 449
13.2.
Основные радиационные эффекты в оптоволокне 451
13.2.1.
Радиационно индуцированные точечные дефекты
и структурные изменения 451
13.2.2.
Радиационно наведенные потери 453
Содержание 13
13.2.3.
Радиационно наведенная эмиссия 455
13.2.4.
Уплотнение и радиационно индуцированные изменения
показателя преломления 455
13.3.
Внутренние и внешние параметры, влияющие на радиационный
отклик оптоволокна 456
13.3.1.
Параметры, связанные с оптоволокном 456
13.3.2.
Внешние параметры 458
13.4.
Основные применения и задачи 460
13.4.1.
Для оптоволокна 460
13.4.1.1.
Исследования для международного термоядерного
экспериментального реактора (ITER) 461
13.4.1.2.
Исследования для мегаджоулевого лазера 461
13.4.1.3.
Исследования для Большого адронного коллайдера (LHC) 462
13.4.1.4.
Оптоволокно, легированное редкоземельными
элементами, и усилители для космического применения 462
13.4.2.
Для волоконно-оптических сенсоров 463
13.4.2.1.
Оптоволоконные брэгговские решетки (FBG) 463
13.4.2.2.
Оптоволокно как система дозиметрии 464
13.4.2.3.
Распределенные сенсоры 465
13.5.
Многоуровневое моделирование от самого начала до системного
уровня: последние успехи 467
13.6.
Выводы 470
Литература 471
Предисловие редактора перевода
Воздействие ионизирующей радиации на полупроводниковые структуры при-
водит к их деградации, что во многом определяет сроки службы электронной
аппаратуры, работающей в экстремальных условиях эксплуатации. Для косми-
ческой радиоэлектронной аппаратуры вопрос обеспечения ее радиационной
стойкости является ключевым при достижении длительных сроков активного
существования. Исследования радиационных эффектов в материалах и компо-
нентах выполняются в нашей стране и за рубежом с начала освоения микро-
электронных приборов, однако ввиду постоянно развивающихся технологий
производства, увеличения сложности радиоэлектронных структур и устройств,
появления электроники на новых физических принципах, задачи изучения
влияния радиации на характеристики их работоспособности по-прежнему
остаются актуальными.
Книга представляет собой сборник тематических обзоров и статей веду-
щих зарубежных специалистов в области радиационной физики обширной
номенклатуры функциональных классов изделий электроники и может быть
интересна широкому кругу читателей, поскольку содержит информацию как
о базовых механизмах радиационных эффектов и основных методах модели-
рования воздействия ионизирующих излучений на вещество, так и о результа-
тах большого объема расчетных и экспериментальных исследований различ-
ных технологий проектирования и производства электронных компонентов.
Основное внимание уделено описанию влияния ионизирующих излучений
различной природы на цифровые интегральные схемы, такие как различные
виды запоминающих устройств и микропроцессоры, а также изделия оптоэ-
лектроники. Информация о методах проектирования сбое- и отказоустойчи-
вых цифровых, аналоговых, аналого-цифровых микросхем может быть при-
менена специалистами электронной промышленности при выполнении работ
по импортозамещению радиационно-стойкой электронной компонентной
базы. Последние 4 главы посвящены описанию исследований радиационных
эффектов в современных оптоэлектронных приборах и структурах, таких как
КМОП-сенсоры, фотоприемные устройства, приборы с зарядовой связью, оп-
товолоконные приборы.
Для удобства читателей в данном издании приведен перечень англоязыч-
ных сокращений и аббревиатур с их переводом на русский язык. Для более углу-
бленного изучения отдельных проблемных вопросов, рассмотренных в книге,
рекомендуется воспользоваться источниками из списков библиографии, при-
веденными в конце каждой главы, многие из которых доступны в сети Интер-
нет. Желаю плодотворной работы с книгой!
Предисловие редактора перевода 15
При возникновении неразрешенных вопросов в области обеспечения стой-
кости и проведения испытаний изделий электронной компонентной базы и ра-
диоэлектронной аппаратуры к воздействию различных видов ионизирующих
излучений специалисты филиала АО «Объединенная ракетно-космическая
корпорация» — «Научно-исследовательский институт космического приборо-
строения» будут рады оказать помощь и провести необходимые консультации.
Руководитель филиала
АО «Объединенная ракетно-космическая корпорация» —
«Научно-исследовательский институт
космического приборостроения»
Шашков Алексей Алексеевич
Предисловие
Существует невидимый враг, который непрерывно угрожает работе электро-
ники — ионизирующее излучение (ИИ). От уровня моря и до космического
пространства — оно буквально повсюду. На уровне моря и тем более на вы-
сотах полета авиации атмосферные нейтроны, возникающие при взаимодей-
ствии космических лучей с атмосферой, непрерывно облучают электронные
устройства. Альфа-частицы, излучаемые радиоактивными веществами в со-
ставе материалов микросхем, также представляют серьезную угрозу для на-
земного оборудования. В космическом пространстве спутники и другие кос-
мические аппараты (КА) под действием естественных радиационных поясов
Земли, солнечной активности и галактических космических лучей (ГКЛ)
могут подвергаться негативному воздействию высокоэнергетических ча-
стиц, таких как протоны, электроны и других более тяжелых частиц. И, на-
конец, искусственная радиация, вызванная антропогенными факторами
такими как атомные электростанции или эксперименты в области физи-
ки высоких энергий может оказывать экстремальные уровни воздействия
на оборудование.
В зависимости от типа и характеристик падающего излучения и облу-
чаемого устройства могут возникать разные эффекты, как необратимые
«жесткие», так и обратимые «мягкие». Одиночные радиационные эффекты
(ОРЭ) — это стохастические (случайные) события, возникающие вследствие
попадания одиночной частицы в устройство. Если частицей будет выделено
достаточное количество энергии в чувствительный объем устройства, то мо-
гут возникнуть различного рода отклонения в его работе — от повреждения
информации, хранящейся в ячейке памяти, до катастрофического выгорания
мощного МОП-транзистора.
В других же случаях это постепенное накопление дефектов, вызванных
несколькими частицами вследствие длительного воздействия ИИ, что, в свою
очередь, приводит к дрейфу параметров электронных компонентов (напри-
мер сдвигу порогового напряжения или росту потребляемой мощности). Та-
кого рода эффекты могут привести к повреждению диэлектрического слоя
(суммарная накопленная (полная) доза ионизации [TID — total ionizing dose])
1 Книга представляет собой сборник из 13 глав, написанных разными авторами. Редакци-
онный перевод глав книги выполнен следующими специалистами: А. С. Конюхов (предисловие,
главы 1, 4), П. А. Чубунов (предисловие, главы 1, 4), Г. И. Зебрев (главы 2, 5), М. С. Горбунов (главы
3, 6–9), К. И. Таперо (главы 10–13). Поскольку исходный материал имеет разобщенную от автора
к автору стилистику изложения, текст глав книги, включая терминологию, аббревиатуры, сокра-
щения и смысловое содержание, представлен в редакции первоисточника. В некоторых случаях
для обеспечения более доступного восприятия материала книги отечественными читателями ре-
дакторы-переводчики дают пояснения в виде сносок по тексту.
Предисловие 17
или объемных полупроводниковых материалов (структурные повреждения
[DD — displacement damage]). Также могут наблюдаться эффекты так называ-
емого отжига, которые снижают или иногда увеличивают темпы деградации
устройства.
Как правило, стойкость электронных компонентов к ИИ космическо-
го пространства (КП) проверяется посредством ускоренных наземных ис-
пытаний, которые позволяют инженерам за несколько часов смоделировать
условия воздействия ИИ, эквивалентного нескольким годам в естественных
условиях. Данные испытания проводятся при помощи источников радиоак-
тивного излучения или ускорителей частиц.
Знание механизмов, лежащих в основе воздействия ИИ на электронные
компоненты, имеет первостепенное значение для разработки соответству-
ющих методик обеспечения радиационной стойкости (RHA). Наземные ис-
пытания могут лишь частично воспроизвести весь спектр и характеристики
ИИ КП, особенно что касается мощности дозы и энергии частиц. Кроме того,
постоянно растущая стоимость испытаний изделий электронной техники
на стойкость к ИИ КП ввиду увеличения сложности и разнообразия передо-
вых технологий требует глубокого понимания базовых механизмов данного
процесса для максимально эффективного использования испытательного
времени.
Цель этой книги — дать читателю широкое представление о влиянии ИИ
на современные полупроводниковые приборы и методах повышения их стой-
кости. В ней собраны труды экспертов высочайшего уровня в области ради-
ационных эффектов, представляющих промышленность, научно-исследова-
тельские лаборатории и научное сообщество. Благодаря наличию справочных
материалов, тематических исследований и обновленных ссылок эта книга
подходит как для новичков, желающих поближе познакомиться с радиацион-
ными эффектами, так и для экспертов в области радиации, которые хотят от-
крыть для себя что-то новое.
Книга построена следующим образом: в первых двух главах дается общее
представление о радиационных эффектах, и базовых механизмах, лежащих
в их основе, а также рассказывается о методе Монте-Карло для моделирова-
ния переноса ИИ и воздействия излучения на электронику. Затем идет серия
глав, посвященных новейшим цифровым приборам коммерческого назначе-
ния, включая энергозависимую, энергонезависимую память (SRAM, DRAM
и флеш-память) и микропроцессоры. В следующих главах рассматриваются
конструктивные решения по повышению стойкости цифровых схем, ПЛИС
и комбинированных аналоговых схем, включая тематическое исследование
считывающей электроники пиксельных сенсоров, применяемых для ис-
следований в области физики высоких энергий. И, наконец, последние три
18 Предисловие
главы посвящены радиационным эффектам в приборах формирования изо-
бражений (датчиках CMOS [КМОП]) и CCD [ПЗС]) и волоконно-оптических
приборах.
MATLAB® является зарегистрированной торговой маркой компании
MathWorks. Для получения дополнительной информации по продукту, пожа-
луйста, обращайтесь по адресу:
Компания MathWorks
3 Apple Hill Drive
Natick, MA 01760-2098 США
Tel: 508-647-7000
Fax: 508-647-7001
E-mail: info@mathworks.comWeb: www.mathworks.com
Ðåäàêòîðû
Марта Багатин (Marta Bagatin) получила степень Laurea (бакалавра) с отли-
чием в области электронной техники в 2006 году и докторскую степень по ин-
форматике и информационным технологиям в 2010 году в университете Падуи,
Италия. В настоящее время она ведет свою научно-исследовательскую деятель-
ность на кафедре информационных технологий университета Падуи. Ее на-
учные интересы направлены на изучение влияния радиации на надежность
электронных устройств, и главным образом на энергонезависимые полупро-
водниковые запоминающие устройства. Марта является автором и соавтором
около 40 статей в специализированных научных журналах по радиационным
эффектам и их влиянию на надежность оборудования, около 50 материалов,
подготовленных для международных конференций, а также автором двух глав
в книге. Она регулярно принимает участие в работе комитетов международных
конференций по радиационным эффектам, таких как конференция по ядер-
ным и космическим радиационным эффектам (NSREC) и конференция по ра-
диационным эффектам в компонентах и системах (RADECS), а также является
рецензентом в многочисленных научных журналах.
Симоне Жерарден (Simone Gerardin) получил степень Laurea (бакалавра)
с отличием в области электронной техники в 2003 году и докторскую степень
по электронике и телекоммуникационным технологиям в 2007 году в универси-
тете Падуи, Италия. В настоящее время он является доцентом того же универ-
ситета. Его исследования направлены на изучение обратимых и необратимых
сбоев в современных приборах на основе CMOS-технологии, индуцируемых
ионизирующим излучением, а также на их взаимосвязь со старением устройства
и электростатическими разрядами (ЭСР). Симоне является автором и соавто-
ром около 60 статей, опубликованных в научных журналах, более 60 докладов
для конференций, трех глав книги, а также автором двух обучающих курсов,
подготовленных в рамках международных конференций по радиационным эф-
фектам. В настоящее время он является помощником редактора журнала IEEE
Transactions on Nuclear Science и рецензентом ряда научных журналов, а также
членом руководящей группы по радиационным эффектам.
Ответственный редактор Криштоф (Крис) Иньевски (Krzysztof [Kris] Iniewski)
возглавляет R&D-подразделение(подразделение, занимающееся инновацион-
ными разработками и развитием) в Redlen Technologies — молодой компании
в Ванкувере, Канада. Революционный процесс производства современных
полупроводниковых материалов компании Redlen открывает доступ к мето-
дам радиационной визуалицации нового поколения — полностью цифровым
и более точным. Крис также является президентом компании CMOS Emerging
Technologies Research Inc. (http://www.cmosetr.com), охватывающей в своей
20 Редакторы
деятельности такие высокотехнологичные сферы, как средства коммуника-
ций, микропроцессорные системы, оптоэлектроника и сенсоры. На протяже-
нии своей карьеры доктор Иньевски занимал различные преподавательские
и руководящие должности в университете Торонто, университете Альбер-
ты, университете им. Саймона Фрейзера (SFU) и в компании PMC-Sierra Inc.
Он подготовил более 100 научных статей для международных журналов и на-
учных конференций. Является обладателем международных патентов, выдан-
ных в Соединенных Штатах, Франции, Германии и Японии. Часто выступает
с докладами и консультирует множество компаний на международном уровне.
Он написал и отредактировал несколько книг для таких издательств, как CRC
Press, Cambridge University Press, IEEE Press, John Wiley & Sons, McGraw-Hill,
Artech House и Springer Science + Business Media. Крис считает своей личной це-
лью с помощью инновационных инженерных решений внести вклад в рацио-
нальное и экологически-ориентированное развитие общества, а также здоро-
вый образ жизни. В свободное от работы время Крис ходит в походы, увлекается
парусным спортом, катается на лыжах или велосипеде, наслаждаясь красота-
ми Британской Колумбии. С ним можно связаться по электронной почте: kris.
iniewski@gmail.com.
ÃËÀÂÀ 1
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
 ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ
ÝÔÔÅÊÒÛ
 ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÅ
Симоне Жирарден и Марта Багатин
1.1. Ââåäåíèå
Ионизирующее излучение (ИИ) может представлять серьезную угрозу для
корректной работы электроники как в условиях Земли (из-за атмосферных
нейтронов и радиоактивных веществ в составе материалов микросхем), так
и в значительно большей степени в космическом пространстве в следствие воз-
действие захваченных частиц, частиц, испускаемых Солнцем, и галактических
космических лучей (ГКЛ). Другой важной причиной для тщательного изуче-
ния радиационных эффектов в электронных компонентах является антропо-
генная (искусственная) радиация, создаваемая биомедицинским оборудовани-
ем, атомными электростанциями и экспериментами в области физики высоких
энергий.
Основополагающий принцип воздействия ИИ заключается в выделении
энергии в облучаемом материале. В результате такого воздействия радиация мо-
жет вызвать множество различных эффектов: повреждение битов памяти, сбои
в цифровых и аналоговых схемах, рост потребляемой мощности, снижение про-
изводительности, а в наихудших случаях — полную потерю работоспособности.
Анализ радиационных эффектов необходим при проектировании элек-
тронных систем, предназначенных для работы в спутниках и космических ап-
паратах, но он также обязателен и при разработке высоконадежных наземных
систем, таких как банковские серверы, биомедицинское оборудование, авиони-
ка, автокомпоненты.
В данной главе нами будут рассмотрены наиболее актуальные радиацион-
ные условия и проанализированы три основные категории радиационных эф-
фектов: суммарно накопленная доза ионизации (TID — total ionizing dose), де-
фекты смещения (DD — displacement damage), а также одиночные радиационные
22 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
эффекты (ОРЭ или SEE — single event eff ects). Первые две представляют собой
постепенный дрейф (изменение) параметров приборов вследствие деграда-
ции диэлектрических и полупроводниковых материалов из-за непрерывного
воздействия различных ионизирующих частиц. Данные эффекты в основном
встречаются в КП или из-за воздействия искусственных источников радиации.
Одиночные эффекты (SEE), наоборот, возникают из-за стохастического (слу-
чайного) взаимодействия одиночной высокоэнергетической частицы с чув-
ствительной областью электронного прибора. Данный тип эффектов может
возникать как в КП, так и на Земле.
1.2. Èñòî÷íèêè èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ
Электронные приборы часто должны функционировать в условиях мощного
ионизирующего излучения. Чтобы обеспечить стабильную работу компонен-
тов, необходимо точно знать характерные особенности той среды, в которой им
предстоит функционировать. Мы начнем этот раздел с иллюстрации косми-
ческой среды, одной из самых суровых с точки зрения радиации. После этого
рассмотрим ионизирующее излучение земного происхождения, для которого
характерны нейтроны и альфа-частицы. И в конце обсудим антропогенные ис-
точники радиации, такие как атомные электростанции и эксперименты в об-
ласти физики высоких энергий.
1.2.1. Космическое пространство
Как видно на рис. 1.1, существует три основных источника ионизирующего из-
лучения в космическом пространстве [1]:
1) галактические космические лучи (ГКЛ),
2) солнечные космические лучи (СКЛ) — частицы, генерируемые Солнцем
во время солнечных событий,
3) частицы, захваченные магнитосферой планет.
Известно, что ГКЛ формируются за пределами нашей Солнечной системы,
но их источник и механизм ускорения до сих пор до конца не изучены. В ос-
новном они состоят из протонов, но также содержат и все остальные элементы,
и их энергия может достигать очень высоких значений, вплоть до 1011 ГэВ, что
говорит об их высокой проникающей способности и фактическом отсутствии
способов экранирования с использованием разумного количества материала.
Плотность потока ГКЛ составляет порядка нескольких частиц на квадратный
сантиметр в секунду.
Ко второй категории ИИ КП относятся частицы СКЛ. В состав СКЛ вхо-
дят все встречающиеся в природе элементы от протонов до урана. Плотность их
1.2. Источники ионизирующего излучения 23
потока зависит от солнечного цикла и может достигать значений более 105 ча-
стиц/см2/с с энергией >10 МэВ/нуклон. Солнечная активность носит цикличе-
ский характер, при котором семь лет высокой активности чередуются с четырь-
мя годами низкой активности. Ключевым проявлением данного цикла является
изменение числа солнечных пятен. В период нисходящей фазы пика солнечной
активности солнечные события наблюдаются чаще. К ним относятся корональ-
ные выбросы массы и солнечные вспышки. Первые — это извержения плазмы,
возникающие из-за ударной волны с последующим выбросом частиц. Солнеч-
ные вспышки, наоборот, возникают, когда усиление коронального магнитного
поля вызывает внезапный всплеск энергии. В дополнение к солнечным собы-
тиям происходит непрерывная прогрессирующая потеря массы Солнцем, при
которой протоны и электроны приобретают энергию, достаточную для преодо-
ления его гравитации. Эти частицы имеют собственное магнитное поле, кото-
рое может взаимодействовать с магнитным полем планет. Что интересно, сол-
нечный цикл также модулирует поток галактических космических лучей: чем
выше солнечная активность, тем ниже поток космических лучей за счет экра-
нирующего эффекта солнечных частиц. Кроме того, Солнце взаимодействует
с магнитосферой планет и, в частности, с магнитосферой Земли. Давайте те-
перь подробней остановимся на Земле.
Магнитное поле Земли имеет две составляющие: внутреннюю и внешнюю,
образованную солнечным ветром и способно захватывать заряженные частицы.
Эти частицы, попав в магнитное поле Земли, движутся по спирали вокруг си-
ловых линий от одного полюса к другому. Кроме того, они движутся в продоль-
ном направлении, но с меньшей скоростью. Направление движения при этом
зависит от их заряда. Захваченные магнитным полем Земли частицы формиру-
ют два отдельных пояса: внешний, состоящий по большей части из электронов,
и внутренний пояс, состоящий из электронов и протонов. Потоки электронов
Земля
Галактические и
внегалактические
космические лучи
Захваченные
частицы
Солнечные
космические
лучи
Солнце
Рис. 1.1. Схематическое изображение трех основных источников радиации
в космосе: ГКЛ, СКЛ, частицы, захваченные магнитосферой Земли
24 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
с энергией выше 1 МэВ могут достигать значений 106 частиц/см2/с; для прото-
нов эти значения доходят до 105 частиц/см2/с.
Характерной особенностью радиационных поясов Земли является Южно-
Атлантическая аномалия (ЮАА), в области которой радиационные пояса рас-
полагаются ближе всего к Земле. ЮАА обусловлена тем, что ось магнитного
поля образует угол 11° относительно оси север — юг, при этом ее центр распо-
ложен не в центре Земли, а на расстоянии примерно 500 км от него, из-за чего
происходит провал магнитного поля в районе Южной Атлантики. ЮАА — это
область, где чаще всего случаются ошибки и сбои в работе спутников, функци-
онирующих на низких орбитах.
Из-за сложности окружающей среды, а также большой зависимости от сол-
нечного цикла и орбиты трудно оценить количество ионизирующих частиц,
поражающих систему в космосе. Кроме того, доза радиации, получаемая кон-
кретным электронным прибором, также зависит от его расположения внутри
КА или спутника из-за экранирующего эффекта окружающих материалов.
В космосе очень важно не перегружать электронные системы с точки зрения
запаса прочности и надежности из-за дороговизны запуска дополнительных
килограммов и дефицита электроэнергии на борту. Для разработчиков стали
доступны инновационные средства моделирования, позволяющие прогнози-
ровать накопление дозы и разрабатывать системы с соответствующим запасом.
1.2.2. Наземная среда
Атмосферные нейтроны и альфа-частицы, выделяемые радиоактивными ком-
понентами материалов микросхем, являются двумя основными источниками
обратимых сбоев в электронных устройствах на уровне земли [2, 3].
Несмотря на то что нейтроны имеют нулевой заряд, они могут косвенно
ионизировать материал, поскольку способны инициировать ядерные реак-
ции, образуя тем самым заряженные вторичные частицы, которые, в свою оче-
редь, могут выделять заряд в чувствительном объеме электронного устройства.
Если выделенный заряд будет накапливаться в чувствительных узлах, то в ра-
боте устройств могут наблюдаться сбои Атмосферные нейтроны образуются
вследствие взаимодействия космических лучей с внешними слоями атмосфе-
ры и являются одними из наиболее распространенных ионизирующих (кос-
венно) частиц на уровне моря (рис. 1.2; [4]). Космические лучи подразделяют-
ся на первичные (главным образом протоны и ядра гелия), исходящие из КП
за пределами нашей Солнечной системы, и вторичные, образованные за счет
взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой. По мере того как
космические лучи проходят через слои атмосферы, они взаимодействуют с ато-
мами азота и кислорода, генерируя тем самым каскад вторичных частиц. В про-
цессе этого взаимодействия образуется множество разных частиц (протоны,
1.2. Источники ионизирующего излучения 25
пионы, мюоны, нейтроны) и электромагнитная составляющая. Эти частицы,
в свою очередь, обладают достаточной энергией, чтобы создать новые каскады
частиц. В процессе проникновения космических лучей в атмосферу Земли ко-
личество частиц сначала увеличивается, а потом уменьшается по мере того, как
экранирующее действие атмосферы начинает преобладать над ростом числа ча-
стиц. Как видно на рис. 1.2, поток атмосферных нейтронов растет с увеличени-
ем высоты, достигая своего пика на уровне 15 км, именно поэтому авиационная
радиоэлектронная аппаратура наиболее подвержена негативному воздействию
нейтронов.
Зависимость потока нейтронов от энергии (E) показывает зависимость 1/E.
С точки зрения радиационных эффектов существует две основные категории
энергии нейтронов, которые представляют интерес:
• тепловые нейтроны (энергия около 25 мэВ), для которых характерно
большое сечение взаимодействия с изотопом бора 10В, часто встречаю-
щегося в интерметаллических слоях интегральных схем или в качестве
примеси;
• нейтроны с энергией более 10 МэВ, способные инициировать ядерные
реакции с материалами микросхем, такими как кремний и кислород, что
приводит к образованию заряженных вторичных частиц.
Кроме того, в зависимости от высоты поток нейтронов определяется и дру-
гими факторами, такими как солнечная активность, широта и атмосферное
давление. В качестве эталонного принято значение потока нейтронов над
Нью-Йорком, которое составляет 14 н/см2/час для нейтронов с энергией выше
10 МэВ. Для расчета потока нейтронов в других районах существуют соответ-
ствующие таблицы.
1
10
100
1000
10,000
100,000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Поток нейтронов, см–2с–1
Высота, км
Авионика
Рис. 1.2. Поток нейтронов в наземном пространстве как функция высоты. (Дан-
ные из: http://seutest.com/cgi-bin/FluxCalculator.cgi)
26 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
Альфа-частицы, выделяющиеся при распаде радиоактивных элементов
материалов интегральных схем (ИС), являются вторым источником радиаци-
онно-индуцированных эффектов в электронике, функционирующей в земных
условиях. Большинство обратимых сбоев, возникающих на уровне моря, связа-
ны с распадом таких альфа-активных элементов, как 238U, 234U, 232Th, 190Pt, 144Nd,
152Gd, 148Sm, 187Re, 186Os, и 174Hf. Эти элементы могут применяться при производ-
стве ИС преднамеренно, но также могут попадать туда в виде нежелательных
примесей. Несмотря на то что такие альфа-частицы обладают слабой ионизи-
рующей способностью, обратимые сбои, индуцируемые этими частицами, вы-
ходят на передний план относительно тех, что индуцируются атмосферными
нейтронами. Это объясняется снижением критического заряда, необходимого
для проявления эффекта, из-за уменьшения проектных норм с каждым новым
поколением ИС. Стандартное значение альфа-излучения в ИС составляет по-
рядка 10−3 альфа-частиц/см2/ч.
Стоит отметить, что непрерывное сокращение топологических размеров
распахивает двери для новых угроз, таких как, например, мюоны. Фактически
еще несколько поколений назад мюоны считались абсолютно безвредными для
электроники, но сегодня размер комплементарных металл — оксид — полупро-
водниковых (КМОП) элементов сократился настолько, что даже мюоны могут
провоцировать сбои в их работе при определенных условиях [5].
1.2.3. Антропогенные источники ионизирующего излучения
Некоторые антропогенные источники радиации создают очень неблагоприят-
ные условия с точки зрения ионизирующего излучения [6]. Например, ожида-
ется, что после плановой модернизации Большого адронного коллайдера (БАК)
в ЦЕРНе (CERN), Швейцария, — крупнейшего эксперимента по физике высо-
ких энергий, доза будет превышать 100 Мрад (Si) (для сравнения: для большин-
ства космических миссий Национального управления по аэронавтике и иссле-
дованию космического пространства (НАСА) доза составляет менее 100 крад
(Si)). Как следствие, для таких условий требуется специальная электроника,
способная выдерживать высокие уровни радиации. Для этих целей применя-
ются специализированные библиотеки радиационно стойких компонентов, то-
пология которых тщательно продумана, с целью исключить проблемы, харак-
терные для обычного проектирования.
Ионизирующее излучение также является характерной проблемой для
атомных электростанций и будущих термоядерных установок, находящих-
ся в стадии разработки. Например, в термоядерном реакторе, таком как ITER
(ИТЭР), электронные системы управления и диагностики плазмы размещаются
вблизи камеры и биозащитного экрана, где выше всего вероятность поражения
интенсивными потоками нейтронов (в процессе реакции дейтерий + тритий
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 27
выделяются нейтроны с энергией 14 МэВ), рентгеновским и гамма-излучением
и т. д. Если говорить о цифрах, то в условиях ИТЭР ожидаются дозы порядка
50 рад (Si) за один рабочий час [7].
1.3. Ýôôåêòû ïîëíîé äîçû èîíèçàöèè
Полная доза ионизации (TID — total ionizing dose) — это количество энергии,
накопленное материалом в процессе ионизации. TID измеряется в радах, 1 рад
соответствует энергии падающего излучения 100 эрг, поглощенной веществом
массой 1 грамм. Поскольку степень поглощения зависит от материала, доза об-
лучения обычно указывается вместе с материалом мишени. Наиболее распро-
страненными единицами измерения являются рад и грэй (Гр). 1 Гр соответ-
ствует поглощению 1 Дж энергии одним килограммом материала мишени 1 рад
равен 100 Гр. Разделяют два основных вида TID-эффекта [8, 9]:
• накопление дефектов в изолирующих слоях,
• нарастание (положительного) захваченного заряда в изолирующих слоях.
По причине TID-эффектов полевые МОП-транзисторы (MOSFET) под-
вержены таким явлениям, как сдвиг порогового напряжения, снижение про-
водимости и появление токов утечки. Масштабирование технологии приводит
к тому, что подзатворный оксид становится все тоньше и тоньше, что, в свою
очередь, ведет к снижению количества радиационно-индуцированного захвата
заряда и поверхностных состояний. В результате после внедрения технологии
ультратонкого подзатворного окисла проблемы с дозовыми эффектами в низ-
ковольтных МОП-транзисторах в основном связаны с толстой боковой изо-
ляцией и оксидными спейсерами. TID-эффекты в МОП-транзисторах зависят
от времени и не зависят от мощности дозы.
В биполярных устройствах захват заряда и дефекты могут привести к сни-
жению коэффициента усиления и появлению токов утечки. Особенным явлени-
ем, возникающим в биполярных устройствах, является повышенная чувстви-
тельность к низкой мощности дозы (ELDRS — enhanced low dose rate sensitivity):
как следует из названия, уровень деградации выше при низких дозах, чем при
высоких.
Основные механизмы захвата заряда и образования поверхностных состо-
яний в оксидных слоях представлены на рис. 1.3. На нем изображена энерге-
тическая зонная диаграмма МОП-конденсатора на подложке р-типа при поло-
жительном напряжении смещения. Радиация провоцирует появление дефектов
в изолирующих слоях через косвенные процессы, то есть она не разрушает
связи напрямую, а высвобождает положительно заряженные частицы (дырки
и ионы водорода), которые, в свою очередь, и предопределяют реакцию при-
боров на облучение.
28 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
При попадании излучения на диэлектрический слой образуются высокоэ-
нергетические электронно-дырочные пары. Всего через несколько пикосекунд
созданные носители заряда термализуются, теряя значительную часть сво-
ей энергии. Электроны, благодаря своей подвижности, быстро перемещаются
в сторону анода за счет приложенного потенциала или за счет контактной разно-
сти потенциалов, оставляя более тяжелые и более медленные дырки двигаться
внутри окисла в противоположном направлении. Но прежде чем они это сдела-
ют, большая часть электронно-дырочных пар успеют рекомбинировать. Число
рекомбинаций определяется выходом заряда, который, в свою очередь, зависит
от электрического поля, а также от типа и энергии падающего излучения.
Сохранившиеся дырки могут быть захвачены существующими глубокими
ловушками в процессе миграции к катоду под действием приложенного поля.
Перенос дырок происходит путем прыжков через локализованные состояния.
Поскольку они обладают положительным зарядом, дырки увлекаются в сторо-
ну Si/SiO2 или к поверхности раздела затвор/SiO2 в зависимости от знака элек-
трического поля. Положительно заряженные дырки вносят локальное искаже-
ние в электрическое поле, что приводит к замедлению их переноса, из-за чего
процесс начинает носить дисперсионный характер (то есть происходит через
множество десятков раз). Этот тип процесса называется «поляронные прыж-
ки» или «поляронные перескоки» и сильно зависит от температуры и внешне-
го поля. Полярон — это сочетание дырки и сопровождающей ее деформации
электрического поля. Если в процессе переноса дырки оказываются у поверх-
ности раздела Si/SiO2, то они могут быть захвачены в местах дефектов, плот-
ность которых, как правило, выше вблизи поверхности раздела. Микроскопи-
ческая природа этих дефектов была подробно изучена. Электронный спиновый
+
+ +
+
+
+
−
Излучение
H+
Затвор SiO2 Si
Выход
протонов
Перескоки
дырок
Поверхностные
ловушки
Захват
заряда
Рис. 1.3. Энергетическая зонная диаграмма МОП-системы на подложке p-типа
при положительном напряжении смещения. (На основе работы
O. Flament, J. Baggio, S. Bazzoli, S. Girard, J. Raimbourg, J. E. Sauvestre,
J. L. Leray, Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods
and their Applications (Достижения в области ядерного приборострое-
ния, в методах измерений и их использовании) [ANIMMA], 2009, с. 1)
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 29
резонанс (также называемый электронным парамагнитным резонансом (ЭПР))
позволил выявить в двуокиси кремния наличие E′-центров — трехвалентного
кремния, связанного с кислородной вакансией, который, как считается, отве-
чает за захват дырок в SiO2. Эти вакансии объясняются диффузией кислорода
в окисле и несоответствием параметров кристаллической решетки у поверх-
ности. Количество захваченного заряда зависит от числа дырок, переживших
рекомбинацию, от количества вакансий O и от эффективного сечения захва-
та ловушек, которое, в свою очередь, зависит от электрического поля. В свя-
зи с этим количество захваченного заряда также сильно зависит от качества
окисла. Так, для стойких окислов радиационно-индуцированный захват заря-
да на несколько порядков ниже, чем для нестойких. Стойкость окисла сильно
зависит от условий обработки: например, высокотемпературный отжиг может
увеличить количество кислородных вакансий. Увеличение количества водо-
рода в процессе обработки также уменьшает стойкость окисла, о чем подробно
говорится ниже.
В процессе поляронных перескоков или по мере захвата дырок вблизи по-
верхности раздела Si/SiO2 могут высвобождаться ионы водорода (протоны)
(перескок — медленный и локализованный по своей природе процесс, поэтому
вероятность таких химических эффектов увеличивается). Ионы водорода, ока-
завшиеся у поверхности раздела, могут генерировать поверхностные ловушки.
Протоны фактически способны реагировать с водородно-пассивированными
оборванными (свободными) связями на границе раздела, в результате чего обо-
рванная связь действует как поверхностная ловушка. Поверхностные ловушки
могут быстро обмениваться носителями заряда с каналом и могут быть либо
заполненными, либо пустыми в зависимости от положения уровня Ферми.
Поверхностные состояния амфотерны: они могут быть либо донорами (поло-
жительные, когда пустые; нейтральные, когда заряжены), либо акцепторами
(нейтральные, когда пустые; отрицательные, когда заряжены) в зависимости
от их положения относительно середины запрещенной зоны. Ловушки ниже
середины запрещенной зоны преимущественно относятся к первому типу, ло-
вушки выше середины запрещенной зоны относятся ко второму типу. Процесс
формирования поверхностных ловушек происходит значительно медленнее,
чем нарастание захваченного заряда, но при этом обладает аналогичной зави-
симостью от электрического поля. Для созданных на поверхности раздела лову-
шек могут потребоваться тысячи секунд с момента воздействия ионизирующе-
го излучения до момента насыщения.
Подобное сходство зависимости поля от нарастания заряда в окисных ло-
вушках и зависимости поля от формирования поверхностных ловушек говорит
о том, что оба эти механизма связаны с переносом и захватом дырок вблизи гра-
ницы раздела Si/SiO2. Что касается микроскопической природы этих дефектов,
30 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
то измерения, выполненные с помощью ЭПР, показали, что под воздействием
радиации образуются Pb-центры — трехвалентный центр на поверхности раз-
дела Si/SiO2, связанный с тремя атомами Si со свободной орбиталью, перпенди-
кулярной к этой поверхности раздела.
Отжиг заряда в окисных ловушках начинается незамедлительно и проис-
ходит под действием туннельных или термических процессов. Действительно,
захваченный заряд может быть нейтрализован электронами, термически воз-
бужденными из валентной зоны, и в этом случае вероятность этих процессов
напрямую связана с температурой и энергетической глубиной ловушек, при
этом чем выше температура и меньше глубина ловушек, тем быстрее происходит
отжиг. С другой стороны, захваченный заряд может быть нейтрализован элек-
тронами, туннелирующими через оксидный барьер; в этом втором случае про-
цесс зависит от расстояния туннелирования и пространственного положения
энергии ловушки, при этом чем тоньше потенциальные барьеры (т. е. ловушки
расположены ближе к границе раздела), тем быстрее происходит отжиг. Безус-
ловно, основную роль в определении формы барьера и направления движения
носителей заряда играет приложенное смещение.
Напротив, при комнатной температуре отжига поверхностных ловушек
не происходит. Для восстановления нарушенных связей требуется более вы-
сокая температура. Поэтому в условиях, для которых характерна низкая мощ-
ность дозы излучения (например в космосе), поверхностные ловушки могут
играть ключевую роль.
Механизмы нарастания захваченного заряда, формирования поверхностных
состояний и отжига не носят мгновенный характер, а имеют строгую временную
зависимость. Эта зависимость может стать причиной кажущихся дозовых эффек-
тов (например, излучение может оказывать различное воздействие в зависимости
от мощности дозы радиационного воздействия). При высокой мощности дозы
и кратковременном воздействии отжиг заряда в окисных ловушках минимален,
одновременно с этим ряд поверхностных ловушек не успевают достичь своего
насыщения: в результате влияние захваченного заряда преобладает над поверх-
ностными состояниями. И, наоборот, при низкой мощности дозы и длительном
воздействии преобладают поверхностные ловушки. Тем не менее ключевым мо-
ментом является то, что если у захваченного заряда будет столько же времени для
отжига, сколько у поверхностных ловушек для насыщения, то эффекты не будут
зависеть от мощности дозы. Благодаря этому испытания МОП-транзисторов
на стойкость к ИИ могут проводиться при высокой мощности дозы излучения, что
позволяет значительно сократить продолжительность испытаний. При этом если
после облучения следует отжиг при умеренной температуре, то реакция устрой-
ства на облучение будет сопоставима с реакцией, характерной для среды с низкой
мощностью дозы. В настоящее время подобные методы ускоренных испытаний
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 31
разрабатываются также и для биполярных приборов, где, как мы увидим, ситуа-
ция значительно осложняется истинными дозовыми эффектами.
1.3.1. МОП-транзисторы (MOSFET)
Захват положительного заряда и генерация поверхностных состояний могут су-
щественно повлиять на функционирование МОП-транзистора [10, 11]. Это про-
демонстрировано на рис. 1.4, где характеристика Id–Vgs для n-канального
МОП-транзистора с толстым подзатворным окислом изображена до и после
воздействия полной дозы ионизации.
Как видно из графиков, влияние захвата положительного заряда в подза-
творном окисле заключается в уменьшении порогового напряжения (т. е. резко-
го сдвига кривой Id–Vgs в сторону более низких значений Vgs). С другой стороны,
формирование поверхностных состояний снижает как пороговое напряжение
(изменяя подпороговый размах напряжения), так и подвижность носителей
заряда (путем добавления кулоновских центров рассеяния). Подобное поведе-
ние, показанное на рис. 1.4, характерно для устройств с толстым подзатворным
окислом (>10 нм), таких как мощные МОП-транзисторы, в которых всего не-
сколько крад (Si) могут спровоцировать серьезные изменения. Транзисторы
с ультратонким подзатворным окислом реагируют на TID иначе, о чем подроб-
но рассказывается ниже.
Положительный захваченный заряд и поверхностные состояния оказыва-
ют аддитивное (совокупное) воздействие на p-канальные МОП-транзисторы
(рис. 1.4), т. к. оба этих фактора стремятся сдвинуть характеристику Id–Vgs
в сторону более высоких значений Vgs. В то же время в n-канальных МОП-
транзисторах эти эффекты стремятся нейтрализовать друг друга. Это являет-
ся причиной rebound-эффекта: из-за разных временных констант нарастания
заряда и формирования поверхностных состояний пороговое напряжение под
Ток стока, A
Напряжение затвора, В Напряжение затвора, В
0 1 2 3 4 5
Исходное состояние
Захват заряда +
поверхностные
ловушки
Захват заряда
Ток стока, A
0 –1 –2 –3 –4 –5
10–2
10–4
10–6
10–8
10–12
10–10
10–2
10–4
10–6
10–8
10–12
10–10
a б
Рис. 1.4. Влияние захвата заряда и формирования поверхностных состояний
на Id–Vgs характеристику n-канальных (a) и p-канальных (б) МОП-
транзисторов
32 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
воздействием ИИ сначала увеличивается, а затем уменьшается. Высвобождение
и нейтрализация захваченного положительного заряда способствуют тому, что
поверхностные ловушки играют более важную роль в средах с низкой мощно-
стью дозы излучения (например в космосе), чем в средах с высокой мощностью
дозы.
Фликер-шум, также известный как низкочастотный шум или НЧ-шум
(LFN), также зависит от воздействия TID. НЧ-шум возникает в результате за-
хвата и освобождения заряда из ловушек в центре дефектов, локализованных
в подзатворном окисле, количество которых может увеличиваться под воздей-
ствием ИИ, что приводит к колебаниям плотности и подвижности носителей
заряда.
Технологический прогресс, в частности уменьшение толщины подзатворно-
го окисла, положительно сказывается на решении проблем, связанных с полной
дозой ионизации в низковольтной КМОП-электронике. По мере уменьшения
толщины окисла последовательно снижается количество эффектов и захвата
заряда, а также тяжесть их последствий. Следующая формула применима при
низких дозах и относительно толстых окислах и выражает зависимость сдвига
порогового напряжения от толщины окисла:
ΔV
Q
C
t T
OX
OX
ox =− ∝ 2 .
Захваченный заряд QOX пропорционален квадрату толщины окисла tOX.
Тенденция к снижению захвата заряда наиболее ярко проявляется для ультра-
тонких подзатворных окислов (tOX < 10 нм), т. к. в этом случае электроны могут
более легко туннелировать из канала или затвора в окисел и нейтрализовывать
захваченные дырки. Толщина кремниевых подзатворных оксидов в самых со-
временных низковольтных МОП-транзисторах составляет всего 1–2 нм, по-
этому ни нарастание заряда в оксидной ловушке, ни возникновение ловушек
на поверхности раздела не представляют угрозы даже при высоких значениях
полной дозы ионизации.
К сожалению, у уменьшения толщины подзатворного окисла есть свои не-
достатки. Радиационно-индуцированный ток утечки (RILC — radiation-induced
leakage current) представляет собой рост утечки через подзатворный оксид по-
сле воздействия частиц с низкой ионизирующей способностью (гамма-излу-
чение, электроны, рентгеновские лучи). RILC линейно зависит от полученной
суммарной дозы и от приложенного смещения (следовательно, электрического
поля в подзатворном оксиде) в процессе облучения. Это явление объясняется
неупругим туннелированием с помощью ловушек через изолирующий слой за-
твора. RILC не представляет угрозы в логических схемах, где он может вызвать
лишь рост потребляемой мощности, но может критически отразиться на флеш-
памяти, принцип работы которой основан на хранении заряда на электрически
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 33
изолированном электроде (плавающем затворе). Для флеш-устройств потеря
заряда из-за радиационно-индуцированного тока утечки (RILC) может приве-
сти к ухудшению характеристик хранения данных в ячейке памяти.
В современных низковольтных МОП-транзисторах проявление TID-
эффектов связано с LOCOS-структурой боковой изоляции (LOCal Oxidation
of Silicon — локальное окисления кремния) в устройствах, выполненных по бо-
лее старой технологии, а также изоляцией типа STI (Shallow Trench Isolation —
изоляция мелкими канавками) в устройствах последнего поколения. Помимо
того что эти изолирующие слои достаточно толстые (100–1000 нм), а следова-
тельно, склонны к захвату заряда, они, как правило, получены методом осаж-
дения (а не термически выращены, как и в случае с подзатворными оксидами).
Другими словами, качество этих оксидов ниже, чем подзатворных, что означа-
ет, что они более подвержены TID-эффектам.
Эффект захвата положительного заряда в STI после воздействия полной
дозы ионизирующего излучения в современном низковольтном транзисторе
изображен на рис. 1.5. Ток стока МОП-транзистора можно рассматривать как
суперпозицию тока основного МОП-транзистора и двух паразитных МОП-
транзисторов с общим затвором и каналом с основным транзистором, роль
++
+
+ +
++
+
Сток
Затвор
STI STI
Паразитный
транзистор
Паразитный
транзистор
Основной
транзистор
Радиационно-
индуцированный
заряд
Радиационно-
индуцированный
заряд
10–2
10–4
10–6
10–8
10–12
10–10
Ток стока, А
Напряжение затвора, В
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Исходное состояние
Паразитные транзисторы
послевоздействия ИИ
Паразитные транзисторы
до воздействия ИИ
Основной + паразитные
транзисторы
После воздействия ИИ
a
б
Рис. 1.5. Схематическое изображение паразитных транзисторов, образованных
STI-изоляцией (а), и эффекты их возникновения, индуцированные
воздействием полной дозы ионизации (TID) (б)
34 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
подзатворного оксида в которых играет боковая изоляция (рис. 1.5а). При нор-
мальном рабочем напряжении эти паразитные транзисторы находятся в неак-
тивном состоянии, однако из-за наличия захваченного положительного заря-
да в боковой изоляции их пороговое напряжение может снизиться и они могут
начать проводить ток параллельно основному транзистору (рис. 1.5б). Эти эф-
фекты проявляются только в n-канальных МОП-транзисторах (из-за наличия
радиационно-индуцированных пороговых сдвигов) и наиболее проявляются,
когда на STI-изоляцию действует сильное электрическое поле.
В дополнение к утечке внутри прибора может также возникнуть утечка
между соседними приборами. Канал протекания тока может быть сформиро-
ван между соседними транзисторами, когда захват заряда в изоляции вызывает
инверсию лежащей ниже области. Это может привести к резкому увеличению
энергопотребления схемы в статическом режиме.
За последнее десятилетие был предложен ряд инноваций для преодоления
ограничений, описанных законом Мура. В p-канальных МОП-транзисторах
в отношении подзатворного окисла стали применять нитрирование для пре-
дотвращения проникновения атомов бора из поликремниевого затвора. Инте-
ресен тот факт, что после нитрирования окислы демонстрируют повышенную
радиационную стойкость по сравнению со стандартными окислами. Это об-
условлено барьерным эффектом, создаваемым слоем азота, который препят-
ствует проникновению водорода, что, в свою очередь, благотворно сказывается
на снижении образования поверхностных ловушек.
Ограничения, связанные с тем, что стандартные подзатворные оксиды SiO2
невозможно сделать намного тоньше 2 нм из-за чрезмерной утечки, удалось
преодолеть благодаря использованию материалов с высокой диэлектрической
проницаемостью (high-k), как, например, оксид гафния, который был внедрен
в коммерческое производство начиная с 45-нм техпроцесса. Это положительно
сказалось на решении проблемы нежелательных токов утечки с управляющего
электрода благодаря использованию более толстых слоев, которые из-за своей
высокой диэлектрической проницаемости не оказывают отрицательного вли-
яния на управление каналом. Как уже упоминалось, чем толще оксид, тем се-
рьезнее последствия TID-эффектов. В конденсаторах на основе оксида гафния
(HfO2) во время облучения толстых окислов рентгеновскими лучами наблюдал-
ся значительный радиационно-индуцированный захват заряда. Тем не менее
захват заряда в более тонких современных окислах, подходящих для внедрения
в передовые технологии, представляется менее критичным.
Технология « кремний на изоляторе» (КНИ) с недавних пор стала приме-
няться в массовом производстве, в то время как всего несколько лет назад ее ис-
пользовали исключительно в узкоспециализированных отраслях, как, напри-
мер, рынок радиационно стойких изделий. Преимущества данной технологии
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 35
с точки зрения радиационной стойкости в части одиночных эффектов ниве-
лируются недостатками, связанными с чувствительностью к TID. Фактически
захват положительного заряда и генерация поверхностных состояний в толстом
скрытом окисле (BOX — buried oxide) приводят к образованию токов утечки
в частично обедненных устройствах и изменению характеристик переднего за-
твора в полностью обедненных МОП-транзисторах из-за формирования связей
между передним и задним каналом.
1.3.2. Биполярные приборы
Полная доза также влияет на биполярные плоскостные транзисторы (BJT —
bipolar junction transistor). Снижение коэффициента усиления по току совместно
с утечкой типа коллектор — эмиттер и устройство — устройство являются наи-
более критичными эффектами [12, 13].
Деградация этих параметров в основном связана с радиационно-индуциро-
ванной деградацией пассивирующих и изоляционных окислов, особенно когда
они расположены вблизи критических областей устройства. Сила этих эффек-
тов напрямую зависит от типа биполярного транзистора (вертикальный, ла-
теральный, подложечный и т. д.): вертикальные p-n-p-транзисторы менее чув-
ствительны к TID-эффектам, чем другие, в то время как латеральные являются
одними из наиболее чувствительных.
На рис. 1.6 изображена деградация коэффициента усиления по току бипо-
лярного прибора под воздействием полной дозы ионизации. Для данного на-
пряжения база — эмиттер ток базы растет с накоплением дозы, тогда как ток
коллектора остается практически неизменным, чем объясняется снижение
коэффициента усиления с ростом TID. Давайте подробно рассмотрим ба-
зовый ток в n-p-n-транзисторе, который можно представить как сумму трех
составляющих:
1) обратная инжекция дырок из базы в эмиттер,
2) рекомбинация дырок в обедненной области перехода эмиттер — база,
3) рекомбинация дырок в нейтральной базе.
В необлученном приборе наибольшее влияние оказывает составляющая
номер 1. Под воздействием TID влияние второй составляющей начинает расти
и в конечном счете начинает доминировать за счет роста скорости поверхност-
ной рекомбинации и увеличения ширины обедненной области эмиттер — база
на поверхности.
Причиной роста скорости рекомбинации является формирование поверх-
ностных ловушек на поверхности обедненной области перехода база — эмиттер.
Ловушки, расположенные в центре запрещенной зоны, являются очень эффек-
тивными центрами рекомбинаций, способными обмениваться носителями за-
ряда между валентной зоной и зоной проводимости. Кроме того, в биполярных
36 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
приборах n-p-n-типа суммарный положительный заряд, захваченный в окис-
лах после полной дозы облучения, ведет к росту обедненной области базы
с дальнейшим увеличением рекомбинаций. И, наоборот, в латеральных p-np-
структурах положительный заряд, захваченный в пассивирующем окисле,
снижает рекомбинации в базе (в то время как формирование поверхностных
ловушек увеличивает скорость поверхностной рекомбинации). Вертикальные
p-n-p-структуры более устойчивы с точки зрения радиационного воздействия,
так как положительный захваченный заряд способствует накоплению базы
n-типа и слабому обеднению сильнолегированного эмиттера p-типа, что ведет
к уменьшению размера обедненной области эмиттер — база, уменьшая тем са-
мым рекомбинацию.
Эффект низкой интенсивности (ELDRS) — аномальное явление, которое
наблюдается во многих биполярных приборах и состоит в том, что при низ-
кой мощности дозы излучения деградация сильнее, чем при высокой мощно-
сти дозы. Это значит, что в отличие от технологии МОП эффекты полной дозы
в биполярных приборах напрямую зависят от мощности дозы. ELDRS суще-
ственно затрудняет интерпретацию результатов радиационных испытаний
и их экстраполяцию на условия эксплуатации. Для космического пространства
характерна низкая мощность дозы излучения (как правило, интенсивности на-
ходятся в пределах мрад(SiO2)/с), в то время как лабораторные испытания про-
водятся при высоких интенсивностях (для экономии времени, как правило,
более 10 рад(SiO2)/с). В результате существует риск недооценить деградацию
в условиях космического пространства. Это проиллюстрировано на рис. 1.7,
где зависимость деградации нормированного коэффициента усиления по току
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Нормированный коэффициент
усиления по току
Напряжение база-эмиттер, В
Накопление
полной дозы
0
Рис. 1.6. Деградация коэффициента усиления по току биполярного транзистора
под воздействием полной дозы ионизации
1.4. Структурные повреждения (DD) 37
биполярного прибора представлена как функция мощности дозы. Как видно
на графике, деградация при мощностях дозы, характерных для космического
пространства, в два раза превышает деградацию, наблюдаемую при ускоренных
лабораторных испытаниях.
В литературе предлагаются несколько моделей касательно физического
происхождения эффекта ELDRS. Согласно модели пространственного заряда
пониженная деградация при высокой мощности дозы обусловлена большим
количеством генерируемого положительного заряда, который выступает в ка-
честве барьера для дырок и водорода, мигрирующих к границе раздела. Другая
модель объясняет эффект ELDRS конкуренцией между захватом и рекомби-
нацией радиационно-индуцированных носителей заряда из-за электронных
ловушек: при низкой мощности дозы количество свободных носителей заряда
в валентной зоне и зоне проводимости небольшое, следовательно, преоблада-
ет захват; при высокой мощности дозы плотность свободных носителей заряда
выше, следовательно, рекомбинация выходит на передний план.
1.4. Ñòðóêòóðíûå ïîâðåæäåíèÿ (DD)
Структурные повреждения (DD — Displacement damage) связаны со смещением
атомов кристаллической решетки материала мишени падающими частицами
за счет кулоновских взаимодействий и ядерных реакций с ядрами материала.
Нормированный коэффициент
усиления по току
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
10–4 10–3 10–2 10–1 100 101 102 103
Мощность дозы, рад(Si)/с
Мощность дозы в КП
Мощность дозы при
лабораторных испытаниях
Рис. 1.7. Зависимость деградации коэффициента усиления по току в биполяр-
ных приборах от мощности дозы под воздействием TID вследствие
ELDRS. (На основе работы H. L. Hughes and J. M. Benedetto, IEEE Trans.
Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 500, June 2003)
38 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
DD могут наблюдаться при воздействии высокоэнергетических нейтронов,
протонов, тяжелых заряженных частиц, электронов и фотонов (косвенно).
Из-за смещения создаются вакансии в кристаллической решетке и междоу-
зельные дефекты в промежуточном пространстве между узлами решетки. Сово-
купность вакансии и междоузельного дефекта называется дефектом по Френ-
келю. Отжиг после образования дефекта по Френкелю ведет к рекомбинации
(т. е. пара исчезает) или (значительно реже) к созданию более стабильных де-
фектов. Способность высокоэнергетической частицы создавать структурные
повреждения характеризуется коэффициентом неионизационных потерь энер-
гии (NIEL — nonionizing energy loss). NIEL дает количественное представление
о потере энергии падающей частицы на единицу длины через неионизацион-
ные процессы.
В результате DD возможны различные варианты расположения дефектов
в зависимости от характеристик падающего излучения (энергии и т. п.): либо
точечные изолированные дефекты (образованные, например, электронами
в 1 МэВ), либо кластеры — группы дефектов, расположенные близко друг к дру-
гу (например генерируемые нейтронами с энергией 1 МэВ). Так, в случае с ней-
тронами и протонами основное повреждение связано со смещением первого
атома (так называемого первично выбитого атома — ПВА). Если энергия ПВА
выше определенного порога, то ПВА способен сместить вторично выбитые ато-
мы (ВВА), которые, в свою очередь, генерируют новые дефекты, образуя класте-
ры. На рис. 1.8 показан рост групп дефектов в зависимости от энергии протонов
(нижняя ось) и энергии ПВА (верхняя ось).
Дефекты кристаллической решетки нестабильны во времени. Вакансии пе-
ремещаются по решетке до тех пор, пока не стабилизируются либо вследствие
Свободные
дефекты
Множество
субкаскадов
Одиночный
каскад
Логарифмические
# взаимодействия
6−10 МэВ 20 МэВ
Энергия протона
Энергия отдачи
1−2 кэВ 12−20 кэВ
Типы
дефектов
Рис. 1.8. Типы дефектов и количество взаимодействий, обусловленных неиони-
зационными процессами, в зависимости от энергии падающего про-
тона или, что эквивалентно, энергии отдачи вторично выбитого атома.
(На основе работы R. L. Pease, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 539,
June 2003)
1.4. Структурные повреждения (DD) 39
рекомбинации вскоре после появления (это происходит с вероятностью более
90 %), либо вследствие преобразования в другие виды дефектов. К наиболее
стабильным дефектам относятся дивакансии (сформированные двумя распо-
ложенными рядом вакансиями) или комплексы примесь — дефект (вакансия
и примесь, близко расположенные друг к другу). Возможны как кратковремен-
ный отжиг, который длится не более часа после облучения, так и длительный,
который продолжается на протяжении нескольких лет. Оба этих процесса, как
правило, ускоряются при повышенной температуре и наличии высокой плот-
ности свободных носителей заряда. В большинстве случаев наблюдается пря-
мой отжиг, но также возможен и обратный отжиг (усиление деградации).
Номинально идентичные приборы, облученные разными частицами, могут
проявлять разные особенности, например отсутствие зависимости от типа при-
месей и концентрации кислорода в образцах, облученных нейтронами деления,
или строгая зависимость в образцах, облученных электронами.
Различия между двумя выборками облученных образцов объясняются об-
разованием кластеров дефектов в одном случае и изолированных точечных де-
фектов — в другом. Считается, что кластеры более эффективны по сравнению
с точечными дефектами с точки зрения снижения рекомбинационного времени
жизни для заданного общего числа дефектов. Действительно, кластеры усили-
вают рекомбинацию, создавая потенциальную яму, в которой рекомбинируют
неосновные носители. Кроме того, формирование дивакансий с большей долей
вероятности происходит с кластерами из-за непосредственной близости дефек-
тов и преобладает над примесными дефектами. Что касается точечных дефек-
тов, то усиления рекомбинации в данном случае не наблюдается, а дивакансии
и примесные дефекты в равной степени играют важную роль.
Несмотря на то что кластерные модели оказались весьма удачными, они
не до конца согласуются с результатами, полученными на основе концепции
NIEL. NIEL используется для корреляции повреждений, полученных разны-
ми частицами. Он представляет собой сумму упругих (кулоновских и атомных)
и неупругих взаимодействий, которые отвечают за образование начальных де-
фектов по Френкелю и фотонов. Его можно рассчитать аналитическим методом
на основе базовых принципов, используя сечения и кинематику. За многие годы
расчеты были усовершенствованы, и, несмотря на некоторые недостатки, дан-
ный подход является перспективным, т. к. позволяет сократить количество ис-
пытаний путем экстраполирования результатов, полученных для одной части-
цы определенной энергии на разные условия. Основная идея заключается в том,
что число электрически активных стабильных дефектов, которые приводят
к деградации параметров, масштабируется с количеством энергии, выделенной
через неионизационные потери энергии. Некоторые экспериментальные дан-
ные подтверждают данную теорию. На основе полученных результатов можно
40 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
сделать много выводов. Поскольку NIEL и повреждения пропорциональны, мы
можем сделать вывод, что количество генерируемых дефектов, переживших ре-
комбинацию, не зависит от энергии ПВА. Кроме того, следует исходить из того,
что радиационно-индуцированные дефекты одинаково влияют на параметры
устройства и имеют одинаковые характеристики (с точки зрения энергетиче-
ских уровней) независимо от начальной энергии ПВА и пространственного
распределения (изолированных дефектов относительно кластеров). Несмотря
на то что данные соображения не предполагают обязательного использования
кластерных моделей для анализа экспериментальных данных, бывают случаи,
когда между NIEL и дефектом нет прямой зависимости (например при энерги-
ях частиц, близких к минимальным, но достаточных для того, чтобы сместить
атомы из решетки), поэтому необходимо продолжить разработку комплексного
подхода к анализу структурных повреждений.
Структурные повреждения ведут к деградации всех устройств, которые
зависят от объемных свойств полупроводников, как, например, биполяр-
ные транзисторы и солнечные элементы. В качестве примера мы рассмотрим
эффекты структурных повреждений в приборах с зарядовой связью (CCD —
charge-coupled devices).
1.4.1. Приборы с зарядовой связью (CCD)
Структурные повреждения создают два основных эффекта в CCD [15]: радиаци-
онно-индуцированный темновой ток, приводящий, в частности, к появлению
горячих пикселей и деградации эффективности переноса заряда (CTE — charge
transfer effi ciency). Темновой ток (или ток утечки) объясняется появлением ра-
диационно-индуцированных дефектов в объеме кремния внутри обедненной
области вследствие DD, что ведет к росту энергетических уровней вблизи запре-
щенной зоны и тепловой генерации носителей зарядов.
Генерация темнового тока в CCD протекает следующим образом. Первая
энергетическая частица при попадании в матрицу индуцирует структурные по-
вреждения и темновой ток в одном пикселе. По мере того как все больше частиц
проникает в матрицу, повреждается все больше пикселей. На момент, когда
флюенс частиц достигает достаточно высокого уровня, в каждый пиксель попа-
дет уже более одной частицы. В этом случае в CCD наблюдается рост темнового
тока во всех пикселях. После этого происходит распределение темновых токов
по этим пикселям с помощью хвоста, который включает в себя множественные
события или события, которые создают темновые токи намного выше среднего
значения. Пиксели в хвосте обычно называют горячими пикселями или им-
пульсами темнового тока.
Вторым основным эффектом DD в CCD является деградация эффективно-
сти переноса заряда (CTE). Это приводит к потере сигнального заряда во время
1.5. Одиночные радиационные эффекты 41
процессов переноса. Для выражения снижения CTE в литературе обычно ис-
пользуется понятие неэффективности переноса заряда (CTI — charge transfer
ineffi ciency) (CTI = 1 − CTE). Радиационно-индуцированная CTI в облучаемой
CCD линейно возрастает с падающим флюенсом частиц и пропорциональна
накопленной дозе структурных повреждений. Механизм, лежащий в основе
данного явления, заключается во внесении падающим излучением временных
центров захвата в запрещенную энергетическую зону. Эти центры способны
захватывать заряд, расположенный в скрытом канале, что приводит к умень-
шению отношения сигнал/шум. CTE деградация в облучаемых CCD-приборах
зависит от многих параметров, таких как тактовая частота, уровень фоново-
го заряда, уровень основного заряда, температура облучения, температура
измерения.
1.5. Îäèíî÷íûå ðàäèàöèîííûå ýôôåêòû
Одиночные радиационные эффекты (SEE — single event eff ects) вызваны про-
хождением одиночной высокоэнергетической ионизирующей частицы (тяже-
лая заряженная частица — ТЗЧ) через чувствительные области микроэлектрон-
ных приборов. В зависимости от последствий, которые несет SEE, его можно
классифицировать как обратимый или «мягкий» (когда нет необратимых по-
вреждений, а лишь потеря информации, например, в регистре памяти) или как
катастрофический или «жесткий» (когда возникают необратимые физические
повреждения, например пробой подзатворного диэлектрика). Некоторые дру-
гие SEE, как, например, одиночное событие радиационного защелкивания,
также называемое тиристорным эффектом (SEL — single event latch-up) могут
как оказывать, так и не оказывать разрушительного воздействия в зависимости
от того, как быстро будет прекращена подача электропитания с момента воз-
никновения события.
В отличие от обсуждаемых нами в предыдущих разделах TID и DD, которые
носят кумулятивный (накопительный) характер и накапливаются с течением
времени, SEE могут возникать в микроэлектронных приборах стохастически
(случайно) в любой момент времени. SEE относятся к эффектам с коротким
временным откликом (<наносекунд), и только незначительная часть устрой-
ства, соответствующая месту попадания частицы, подвергается воздействию (~
несколько десятков нанометров).
Ниже следует перечень и краткое описание основных видов SEE [16, 17].
• Обратимые («мягкие») сбои (неразрушающие)
Одиночный сбой (SEU — single-event upset) — повреждение одного бита
памяти одиночной ионизирующей частицей. Также известен как мягкий
42 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
сбой. Корректное логическое значение, как правило, может быть восста-
новлено простой перезаписью бита.
Многократный сбой (MBU — multiple bit upset) — повреждение двух или
более соседних битов из-за прохождения одиночной частицы.
Переходная ионизационная реакция (SET — Single-event transient) — пе-
реходный ток /напряжение, индуцированные ионизирующей частицей
в комбинационной или аналоговой части схемы. Радиационно-индуци-
рованный переходный процесс может распространяться и фиксировать-
ся в элементе памяти, что приводит к мягким сбоям.
Функциональное прерывание (SEFI — Single event functional interrupt) —
нарушения в работе управляющего конечного автомата микросхемы, при-
водящие к функциональным прерываниям. В зависимости от типа преры-
вания SEFI можно устранить путем повтора операции, сбросом в исходное
состояние или выключением и повторным включением устройства.
• Необратимые («жесткие») отказы (разрушающие)
Пробой подзатворного диэлектрика (SEGR — Single event gate rupture) —
необратимый пробой подзатворного оксида, чаще всего возникающий
в мощных МОП-транзисторах.
Вторичный пробой (SEB — Single event burnout) — выгорание силового
прибора вследствие активации паразитных биполярных структур, воз-
никающее, например, в IGBT- и мощных МОП-транзисторах.
• Эффекты, которые могут быть как разрушающими, так и нет
Тиристорный эффект (SEL — Single event latch-up): радиационно-ин-
дуцированная активация паразитных биполярных структур, прису-
щих КМОП-структурам, которая приводит к резкому увеличению тока
питания.
Возникновение паразитного n-p-n-транзистора в n-канале (эффект вто-
ричного пробоя) (SES — Single event snapback): механизм положительной
обратной связи, поддерживаемый ударной ионизацией, протекающий
в приборах на основе КНИ-технологии (кремний на изоляторе).
Самой важной количественной характеристикой для SEE является частота
возникновения (т. е. сколько событий происходит за час/день/год) при опре-
деленных условиях. Для характеристики SEE без привязки к конкретным ус-
ловиям используется понятие сечения (σ), определяемое как количество на-
блюдаемых событий, поделенное на флюенс частиц, падающих на устройство.
Сечение представляет собой функцию линейной передачи энергии (ЛПЭ) пада-
ющей частицы, которая количественно характеризует потери энергии на еди-
ницу длины (т. е. способность частицы ионизировать материал, через который
она проходит). ЛПЭ, как правило, нормируется по плотности материала мише-
ни и измеряется в МэВ·мг−1·см2; σ увеличивается с ростом ЛПЭ и, как правило,
1.5. Одиночные радиационные эффекты 43
подчиняется кумулятивному распределению вероятности Вейбулла. Кривая
зависимости σ от ЛПЭ характеризуется двумя основными параметрами — по-
роговым ЛПЭ (т. е. минимальным значением ЛПЭ, способным генерировать
одиночные эффекты) и ЛПЭ насыщения (ЛПЭ, при котором сечение насыща-
ется). Пороговое ЛПЭ обычно связано с понятием критического заряда, то есть
минимальным объемом накопленного заряда в определенном узле схемы, не-
обходимого для возникновения события.
SEE могут быть сгенерированы не только посредством прямой ионизации
(например ТЗЧ), но и через косвенную ионизацию. Нейтроны и протоны, на-
пример, могут генерировать вторичные частицы через ядерные взаимодействия,
а уже эти частицы в свою очередь, — инициировать нежелательные эффекты.
В изделиях, изготовленных на основе последних технологий, наблюдается тен-
денция к снижению ЛПЭ частиц, способных генерировать SEE, также недавно
был зафиксирован SEU от прямой ионизации протоном. Ячейки и регистры ста-
тической памяти с произвольным доступом (SRAM — static random access memory)
в цифровых схемах являются наиболее чувствительными элементами памяти
к SEU- и MBU-эффектам. Ячейки динамической памяти с произвольным до-
ступом (DRAM — Dynamic random access memory) довольно устойчивы к сбоям
благодаря благоприятному влиянию эффекта масштабирования, за счет которо-
го уменьшилась площадь ячейки, с сохранением емкости при соответствующем
уровне. Ячейки с плавающим затвором в свое время считались невосприимчивы-
ми к SEE, но с недавних пор стали чувствительными в результате агрессивного
масштабирования. SET представляют проблему в схемах, работающих на гигагер-
цевых частотах, где высокая скорость тактовых сигналов существенно увеличи-
вает вероятность защелкивания радиационно-индуцированных переходных про-
цессов. SEFI встречаются во всех схемах (ПЛИС — программируемых логических
интегральных схемах, микроконтроллерах, флеш), кроме самых простых.
Ниже в качестве примера будут приведены эффекты SEU в SRAM.
1.5.1. Одиночные сбои (SEU) в ЗУ SRAM
В данном разделе мы рассмотрим один из самых распространенных видов
одиночных эффектов в ячейке запоминающего устройства (ЗУ) типа SRAM —
SEU [16–19]. SRAM строго подчиняются закону Мура и были взяты за основу
для изучения технологии на предмет чувствительности к мягким сбоям.
Как правило, чтобы спровоцировать сбой, заряд, сгенерированный ионизи-
рующей частицей, должен накопиться в чувствительной области схемы. Обрат-
носмещенные p-n-переходы относятся к числу наиболее эффективных областей
с точки зрения накопления заряда благодаря большой обедненной области и вы-
сокому электрическому полю. На рис. 1.9 схематически изображен сбой в ячейке
SRAM. Ионизирующая частица попадает в один из обратносмещенных стоковых
44 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
переходов, например в сток закрытого N-канального МОП-транзистора в паре
перекрестно-связанных инвертеров в ячейке (см. рис. 1.9). В результате гене-
рируются электронно-дырочные пары, которые накапливаются в обедненной
области стокового перехода. Это приводит к появлению переходного тока, про-
текающего через пораженный частицей p-n-переход, в то время как восстанав-
ливающий транзистор (открытая P-канальная МОП-структура в том же инвер-
торе) подает ток, пытаясь сбалансировать ток, индуцированный попаданием
частицы. Однако, т. к. восстанавливающая P-канальная МОП-структура имеет
ограничения по поддержанию тока и конечную проводимость канала, напря-
жение на пораженном частицей узле падает. Если напряжение опускается ниже
порога переключения и при этом падение длится достаточно долго, то обратная
связь заставляет ячейку изменить свое начальное логическое состояние, созда-
вая SEU (инверсию битов).
На появление SEU влияют многие факторы: перенос излучения через за-
дние слои до обратно-смещенного перехода, выделение и накопление заряда.
Помимо этого, первостепенное значение имеет отклик схемы.
Выделение заряда главным образом определяется ЛПЭ ионизирующей ча-
стицы (очевидно, что чем больше ЛПЭ, тем больше величина выделенного за-
ряда). На количество накопленного заряда влияет также угол падения ионов:
чем больше угол по отношению к нормальному падению, тем больше собран-
ный заряд. Эффективная ЛПЭ падающей частицы обратно пропорциональна
косинусу угла падения. Однако это справедливо только для достаточно тонких
чувствительных объемов.
Давайте подробнее обсудим сбор заряда. На рис. 1.10 схематически изо-
бражены изменения во времени в процессе генерации и сбора заряда в обрат-
носмещенном p-n-переходе. Сразу после попадания частицы создается трек
−−+ −+− −
++ +
VQ
VNQ
VDD GND
−
−− −
+++
+
VQ
VNQ
VQ
VNQ
a б в
Рис. 1.9. SEU в ячейке памяти SRAM: a) ТЗЧ попадает в сток закрытого
N-канального МОП-транзистора, б) накопление заряда и падение на-
пряжения на VQ, в) срабатывание механизма обратной связи и появле-
ние SEU
1.5. Одиночные радиационные эффекты 45
электронно-дырочных пар, проходящий через обедненную область (рис. 1.10а).
Электрическое поле разделяет пары e-h и приводит к появлению дрейфово-
го тока. Поскольку трек имеет высокую проводимость, он создает искажение
в контактной разности потенциалов, продлевая силовые линии вглубь под-
ложки (рис. 1.10б). Из-за формы силовых линий данное явление называется
эффектом «воронки». За счет этого явления увеличивается область, где из-за
дрейфа может собираться заряд, и тем самым повышаться чувствительность
к SEU. Однако эффект воронки играет значительную роль в сборе заряда только
в переходах с фиксированным смещением, оказывая при этом меньшее влияние
в схемах, где смещение перехода может меняться (например ячейках SRAM).
Наконец, когда первая фаза, в которой преобладает дрейф носителей в обеднен-
ной области, завершается, диффузия носителей вокруг перехода по-прежнему
поддерживает ток (хотя и меньшей величины) через пораженный узел. Факти-
чески заряд, находящийся от области дрейфа ближе, чем диффузионная длина,
может быть собран переходом (рис. 1.10в). Иными словами, после того как заряд
генерируется падающей частицей, дрейф и воронка определяют форму переход-
ного тока на начальном этапе, а более медленный процесс диффузии доминиру-
ет в реакции на поздних этапах.
Механизм сбора заряда может быть даже более сложным для глубоко мас-
штабированных схем. Эффект проникновения альфа-частиц в область между
стоком и истоком (ALPEN — alpha-particle source-drain penetration) может проис-
ходить из-за скользящего падения альфа-частиц в область стока и истока тран-
зистора. Это может вызвать помехи в потенциале канала и привести включению
выключенного устройства.
С уменьшением размера транзисторов паразитные биполярные эффекты
могут усиливать сбор заряда. Это происходит, когда электронно-дырочные
пары образуются внутри кармана ионизирующей частицей и потенциал само-
го кармана изменяется. Например, если N-канальный МОП-транзистор распо-
ложен в P-кармане внутри N-подложки, генерируемые носители заряда могут
VDD
p-Si
n+ −++− −++− −++− −++−
−++− −++− −++−
VDD
p-Si
n+
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
+ −
+
−
−
+ −−++
VDD
p-Si
n+
+
−
− +
+
−
−
− + +
a б в
Рис. 1.10. Схематическое изображение этапов процесса генерации (a) и сбора
(дрейф (б) и диффузия (в)) заряда после попадания иона в обратносме-
щенный p-n-переход
46 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
собираться как на переходе сток/карман, так и на переходе карман/подложка.
Переход исток/карман становится прямосмещенным благодаря диффундирую-
щим дыркам, которые повышают потенциал P-кармана. Биполярное усиление
происходит в паразитной биполярной структуре (исток является эмиттером,
карман — базой, сток — коллектором), увеличивая переходный ток в стоке и ве-
роятность возникновения SEU.
Заключительным элементом является отклик схемы. Чем быстрее время
срабатывания обратной связи в ячейке, тем короче длительность импульсов па-
разитного напряжения, способного инвертировать ячейку. Чем слабее восста-
навливающий P-канальный МОП-транзистор, тем больше амплитуда напря-
жения импульса, вызванного попаданием частицы. Другими словами, более
медленная ячейка и восстанавливающая P-канальная МОП-структура с высо-
кой проводимостью снижают устойчивость к SEU.
MBU-эффекты, то есть повреждение нескольких битов памяти одной ча-
стицей, представляют серьезную проблему, которую необходимо учитывать
при разработке схем коррекции ошибок и при масштабировании технологии
(что и без того является сложной задачей). По мере того как физические раз-
меры транзисторов уменьшаются до нескольких нанометров, размер облака
электронно-дырочных пар, созданного падающими ионами, становится срав-
нимым с размерами самого прибора или даже больше него. В результате много-
численные узлы одновременно вовлекаются в процесс сбора заряда, при этом
перераспределение заряда происходит между соседними узлами. Масштабиро-
вание привело к значительному увеличению многократных сбоев. На рис. 1.11
представлена частота мягких сбоев на бит (SER — soft error rate) и вероятность
MBU как функция от размера элемента схемы для SRAM, облученных атмо-
сферными нейтронами.
SER бита, a.u.
Вероятность MBU
1,000
0,100
0,010
0,001
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
180 нм
1,8 В
130 нм
1,5 В
90 нм
1,3 В
65 нм
1,2 В
45 нм
1,1 В
Рис. 1.11. SER бита и вероятность сбоев во множестве ячеек SRAM при попа-
дании атмосферных нейтронов. (На основе работ N. Seifert, B. Gill,
K. Foley, and P. Relangi, Proceedings of the IEEE International Reliability
Physics Symposium [IRPS], 2008, p.181)
Список литературы 47
Как видно из графика, для данного производителя SER снижается при
уменьшении топологического размера (несмотря на то что SER для всей систе-
мы остается более или менее постоянной из-за увеличивающегося количества
элементов памяти в микросхеме), в то время как вероятность MBU монотонно
возрастает (и это правило, справедливо для всех производителей).
Характерное сечение для ячеек SRAM при облучении нейтронами составля-
ет ~10−14 см2, что для города Нью-Йорка (NYC) соответствует частоте случайных
ошибок ~10−13 ошибка/бит/час и >3 · 10−11 ошибка/бит/час для высот функцио-
нирования коммерческих летательных аппаратов. В космосе частота ошибок
варьируется в значительной степени в зависимости от конкретного ЗУ, орбиты
и солнечного цикла.
1.6. Çàêëþ÷åíèå
Атмосферные нейтроны и альфа-частицы, выделяемые радиоактивными ве-
ществами, ставят под угрозу работу микросхем, функционирующих на уровне
моря. Бортовая радиоэлектронная аппаратура спутников и космических аппа-
ратов вынуждена функционировать в условиях сильного ионизирующего из-
лучения, источником которого служат радиационные пояса Земли, солнечная
активность и галактические космические лучи.
Радиационные эффекты в электронике подразделяются на «мягкие» — об-
ратимые сбои, при которых происходит потеря информации, но отсутствуют
необратимые повреждения, и на параметрические сдвиги и катастрофические
отказы. Их можно подразделить на следующие категории: эффекты накопле-
ния полной дозы ионизации, структурные повреждения и одиночные радиа-
ционные эффекты. Первые два класса относятся к кумулятивным и в основном
встречаются в неблагоприятных условиях внешних воздействующих факторов
естественного происхождения, например в космосе или при воздействии искус-
ственной радиации; SEE также могут встречаться на уровне моря. При разра-
ботке критически важных проектов необходимо в обязательном порядке учиты-
вать радиационные эффекты для обеспечения требуемых уровней надежности.
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. J. L. Barth, C. S. Dyer, and E. G. Stassinopoulos, Space, Atmospheric, and Terrestrial
Radiation Environments, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 466, June
2003.
2. R. C. Baumann, Radiation-Induced Soft Errors in Advanced Semiconductor Technologies,
IEEE Trans. Dev. Mat. Rel. Vol. 5, No. 3, p. 305, Sept. 2005.
48 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
3. JEDEC standard JESD-89A, available online at http://www.jedec.org/download/
search=JESD89A.pdf.
4. http://seutest.com/cgi-bin/FluxCalculator.cgi.
5. B. D. Sierawski, B. Bhuva, R. Reed, K. Ishida, N. Tam, A. Hillier, B. Narasimham,
M. Trinczek, E. Blackmore, W. Shi-Jie, and R. Wong, Bias Dependence of Muon-
Induced Single Event Upsets in 28 nm Static Random Access Memories, IEEE International
Reliability Physics Symposium 2014, pp. 2B.2.1–2B.2.5.
6. O. Flament, J. Baggio, S. Bazzoli, S. Girard, J. Raimbourg, J. E. Sauvestre, and
J. L. Leray, Challenges for Embedded Electronics in Systems Used in Future Facilities
Dedicated to International Physics Programs, Advancements in Nuclear Instrumentation
Measurement Methods and their Applications (ANIMMA), 2009,
p. 1.
7. M. Bagatin, A. Coniglio, M. D’Arienzo, A. De Lorenzi, S. Gerardin, A. Paccagnella,
R. Pasqualotto, S. Peruzzo, and S. Sandri, Radiation Environment in the
ITER Neutral Beam Injector Prototype, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 59. No. 4,
p. 1099, June 2012.
8. T. R. Oldham and F. B. McLean, Total Ionizing Dose Eff ects in MOS Oxides and
Devices, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50, No. 3, p. 483, June 2003.
9. J. R. Schwank, M. R. Shaneyfelt, D. M. Fleetwood, J. A. Felix, P. E. Dodd, P. Paillet,
and V. Ferlet-Cavrois, Radiation Eff ects in MOS Oxides, IEEE Trans. Nucl.
Sci. Vol. 55. No. 4, p. 1833, Aug. 2008.
10. H. L. Hughes and J. M. Benedetto, Radiation Eff ects and Hardening of MOS Technology:
Devices and Circuits, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 500, June
2003.
11. P. E. Dodd, M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, and J. A. Felix, Current and Future
Challenges in Radiation Eff ects on CMOS Electronics, IEEE Trans. Nucl. Sci.
Vol. 57. No. 4, p. 1747, Aug. 2010.
12. R. L. Pease, Total Ionizing Dose Eff ects in Bipolar Devices and Circuits, IEEE
Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 539, June 2003.
13. R. D. Schrimpf, Gain Degradation and Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity
in Bipolar Junction Transistors, Int. J. High Speed Electron. Syst. Vol. 14, p. 503,
2004.
14. J. R. Srour, C. J. Marshall, and P. W. Marshall, Review of Displacement Damage
Eff ects in Silicon Devices, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 653 June 2003.
15. J. C. Pickel, A. H. Kalma, G. R. Hopkinson, and C. J. Marshall, Radiation Eff ects
on Photonic Imagers—A Historical Perspective, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50.
No. 3, p. 671, June 2003.
16. P. E. Dodd and L. W. Massengill, Basic Mechanisms and Modeling of Single-Event
Upset in Digital Microelectronics, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50, pp. 583–602,
2003.
Список литературы 49
17. D. Munteanu and J.-L. Autran, Modeling and Simulation of Single-Event Eff ects
in Digital Devices and ICs, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 55. No. 4, Aug. 2008.
18. K. P. Rodbell, D. F. Heidel, H. H. K. Tang, M. S. Gordon, P. Oldiges, and
C. E. Murray, Low-Energy Proton-Induced Single-Event-Upsets in 65 nm Node,
Silicon-on-Insulator, Latches and Memory Cells, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 54.
No. 6, p. 2474, 2007.
19. N. Seifert, B. Gill, K. Foley and P. Relangi, Multi-Cell Upset Probabilities of 45 nm
High-k + Metal Gate SRAM Devices in Terrestrial and Space Environments, Proceedings
of the IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), 2008,
p. 181.
ÃËÀÂÀ 2
ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÕ
ÝÔÔÅÊÒÎÂ
ÌÅÒÎÄÎÌ
ÌÎÍÒÅ-ÊÀÐËÎ
Мелани Райн
2.1. Ââåäåíèå
Разработка методов Монте-Карло для моделирования радиационного перено-
са изначально началась в Лос-Аламосе сразу после окончания Второй мировой
войны в рамках Манхэттенского проекта [1]. Появление этих методов тесно
связано с первыми цифровыми компьютерами, без которых они, скорее всего,
оставались бы чистой теорией без всякого применения. С тех пор методы Мон-
те-Карло систематически используются для моделирования воздействия ради-
ации на полупроводниковые приборы. В частности, эти методы идеально под-
ходят для моделирования одиночных радиационных эффектов, обнаруженных
во второй половине 1970-х годов [2].
Помимо объяснения теоретических основ этих вычислительных методов
целью этой главы является установление границ применимости моделирова-
ния Монте-Карло для конкретных видов радиационных воздействий на полу-
проводниковые устройства. С помощью анализа того, как работает этот метод,
мы установим границы его применимости при исследовании радиационных
воздействий на электронику, а также определим, какие именно воздействия
наилучшим образом описываются с помощью моделирования Монте-Карло.
Краткая историческая справка укажет на истоки метода Монте-Карло.
Мы приведем описание этого метода, прежде чем определить, чего можно до-
стигнуть с помощью этого метода для анализа воздействия радиации на элек-
тронику и какие ограничения следует при этом учитывать. И, наконец, будут
представлены некоторые примеры моделирования методом Монте-Карло пере-
носа излучения и его воздействия на электронные устройства.
Воздействие ионизирующей радиации на полупроводниковые структуры при-
водит к их деградации, что во многом определяет сроки службы электронной
аппаратуры, работающей в экстремальных условиях эксплуатации. Для косми-
ческой радиоэлектронной аппаратуры вопрос обеспечения ее радиационной
стойкости является ключевым при достижении длительных сроков активного
существования. Исследования радиационных эффектов в материалах и компо-
нентах выполняются в нашей стране и за рубежом с начала освоения микро-
электронных приборов, однако ввиду постоянно развивающихся технологий
производства, увеличения сложности радиоэлектронных структур и устройств,
появления электроники на новых физических принципах, задачи изучения
влияния радиации на характеристики их работоспособности по-прежнему
остаются актуальными.
Книга представляет собой сборник тематических обзоров и статей веду-
щих зарубежных специалистов в области радиационной физики обширной
номенклатуры функциональных классов изделий электроники и может быть
интересна широкому кругу читателей, поскольку содержит информацию как
о базовых механизмах радиационных эффектов и основных методах модели-
рования воздействия ионизирующих излучений на вещество, так и о результа-
тах большого объема расчетных и экспериментальных исследований различ-
ных технологий проектирования и производства электронных компонентов.
Основное внимание уделено описанию влияния ионизирующих излучений
различной природы на цифровые интегральные схемы, такие как различные
виды запоминающих устройств и микропроцессоры, а также изделия оптоэ-
лектроники. Информация о методах проектирования сбое- и отказоустойчи-
вых цифровых, аналоговых, аналого-цифровых микросхем может быть при-
менена специалистами электронной промышленности при выполнении работ
по импортозамещению радиационно-стойкой электронной компонентной
базы. Последние 4 главы посвящены описанию исследований радиационных
эффектов в современных оптоэлектронных приборах и структурах, таких как
КМОП-сенсоры, фотоприемные устройства, приборы с зарядовой связью, оп-
товолоконные приборы.
Для удобства читателей в данном издании приведен перечень англоязыч-
ных сокращений и аббревиатур с их переводом на русский язык. Для более углу-
бленного изучения отдельных проблемных вопросов, рассмотренных в книге,
рекомендуется воспользоваться источниками из списков библиографии, при-
веденными в конце каждой главы, многие из которых доступны в сети Интер-
нет. Желаю плодотворной работы с книгой!
Предисловие редактора перевода 15
При возникновении неразрешенных вопросов в области обеспечения стой-
кости и проведения испытаний изделий электронной компонентной базы и ра-
диоэлектронной аппаратуры к воздействию различных видов ионизирующих
излучений специалисты филиала АО «Объединенная ракетно-космическая
корпорация» — «Научно-исследовательский институт космического приборо-
строения» будут рады оказать помощь и провести необходимые консультации.
Руководитель филиала
АО «Объединенная ракетно-космическая корпорация» —
«Научно-исследовательский институт
космического приборостроения»
Шашков Алексей Алексеевич
Предисловие
Существует невидимый враг, который непрерывно угрожает работе электро-
ники — ионизирующее излучение (ИИ). От уровня моря и до космического
пространства — оно буквально повсюду. На уровне моря и тем более на вы-
сотах полета авиации атмосферные нейтроны, возникающие при взаимодей-
ствии космических лучей с атмосферой, непрерывно облучают электронные
устройства. Альфа-частицы, излучаемые радиоактивными веществами в со-
ставе материалов микросхем, также представляют серьезную угрозу для на-
земного оборудования. В космическом пространстве спутники и другие кос-
мические аппараты (КА) под действием естественных радиационных поясов
Земли, солнечной активности и галактических космических лучей (ГКЛ)
могут подвергаться негативному воздействию высокоэнергетических ча-
стиц, таких как протоны, электроны и других более тяжелых частиц. И, на-
конец, искусственная радиация, вызванная антропогенными факторами
такими как атомные электростанции или эксперименты в области физи-
ки высоких энергий может оказывать экстремальные уровни воздействия
на оборудование.
В зависимости от типа и характеристик падающего излучения и облу-
чаемого устройства могут возникать разные эффекты, как необратимые
«жесткие», так и обратимые «мягкие». Одиночные радиационные эффекты
(ОРЭ) — это стохастические (случайные) события, возникающие вследствие
попадания одиночной частицы в устройство. Если частицей будет выделено
достаточное количество энергии в чувствительный объем устройства, то мо-
гут возникнуть различного рода отклонения в его работе — от повреждения
информации, хранящейся в ячейке памяти, до катастрофического выгорания
мощного МОП-транзистора.
В других же случаях это постепенное накопление дефектов, вызванных
несколькими частицами вследствие длительного воздействия ИИ, что, в свою
очередь, приводит к дрейфу параметров электронных компонентов (напри-
мер сдвигу порогового напряжения или росту потребляемой мощности). Та-
кого рода эффекты могут привести к повреждению диэлектрического слоя
(суммарная накопленная (полная) доза ионизации [TID — total ionizing dose])
1 Книга представляет собой сборник из 13 глав, написанных разными авторами. Редакци-
онный перевод глав книги выполнен следующими специалистами: А. С. Конюхов (предисловие,
главы 1, 4), П. А. Чубунов (предисловие, главы 1, 4), Г. И. Зебрев (главы 2, 5), М. С. Горбунов (главы
3, 6–9), К. И. Таперо (главы 10–13). Поскольку исходный материал имеет разобщенную от автора
к автору стилистику изложения, текст глав книги, включая терминологию, аббревиатуры, сокра-
щения и смысловое содержание, представлен в редакции первоисточника. В некоторых случаях
для обеспечения более доступного восприятия материала книги отечественными читателями ре-
дакторы-переводчики дают пояснения в виде сносок по тексту.
Предисловие 17
или объемных полупроводниковых материалов (структурные повреждения
[DD — displacement damage]). Также могут наблюдаться эффекты так называ-
емого отжига, которые снижают или иногда увеличивают темпы деградации
устройства.
Как правило, стойкость электронных компонентов к ИИ космическо-
го пространства (КП) проверяется посредством ускоренных наземных ис-
пытаний, которые позволяют инженерам за несколько часов смоделировать
условия воздействия ИИ, эквивалентного нескольким годам в естественных
условиях. Данные испытания проводятся при помощи источников радиоак-
тивного излучения или ускорителей частиц.
Знание механизмов, лежащих в основе воздействия ИИ на электронные
компоненты, имеет первостепенное значение для разработки соответству-
ющих методик обеспечения радиационной стойкости (RHA). Наземные ис-
пытания могут лишь частично воспроизвести весь спектр и характеристики
ИИ КП, особенно что касается мощности дозы и энергии частиц. Кроме того,
постоянно растущая стоимость испытаний изделий электронной техники
на стойкость к ИИ КП ввиду увеличения сложности и разнообразия передо-
вых технологий требует глубокого понимания базовых механизмов данного
процесса для максимально эффективного использования испытательного
времени.
Цель этой книги — дать читателю широкое представление о влиянии ИИ
на современные полупроводниковые приборы и методах повышения их стой-
кости. В ней собраны труды экспертов высочайшего уровня в области ради-
ационных эффектов, представляющих промышленность, научно-исследова-
тельские лаборатории и научное сообщество. Благодаря наличию справочных
материалов, тематических исследований и обновленных ссылок эта книга
подходит как для новичков, желающих поближе познакомиться с радиацион-
ными эффектами, так и для экспертов в области радиации, которые хотят от-
крыть для себя что-то новое.
Книга построена следующим образом: в первых двух главах дается общее
представление о радиационных эффектах, и базовых механизмах, лежащих
в их основе, а также рассказывается о методе Монте-Карло для моделирова-
ния переноса ИИ и воздействия излучения на электронику. Затем идет серия
глав, посвященных новейшим цифровым приборам коммерческого назначе-
ния, включая энергозависимую, энергонезависимую память (SRAM, DRAM
и флеш-память) и микропроцессоры. В следующих главах рассматриваются
конструктивные решения по повышению стойкости цифровых схем, ПЛИС
и комбинированных аналоговых схем, включая тематическое исследование
считывающей электроники пиксельных сенсоров, применяемых для ис-
следований в области физики высоких энергий. И, наконец, последние три
18 Предисловие
главы посвящены радиационным эффектам в приборах формирования изо-
бражений (датчиках CMOS [КМОП]) и CCD [ПЗС]) и волоконно-оптических
приборах.
MATLAB® является зарегистрированной торговой маркой компании
MathWorks. Для получения дополнительной информации по продукту, пожа-
луйста, обращайтесь по адресу:
Компания MathWorks
3 Apple Hill Drive
Natick, MA 01760-2098 США
Tel: 508-647-7000
Fax: 508-647-7001
E-mail: info@mathworks.comWeb: www.mathworks.com
Ðåäàêòîðû
Марта Багатин (Marta Bagatin) получила степень Laurea (бакалавра) с отли-
чием в области электронной техники в 2006 году и докторскую степень по ин-
форматике и информационным технологиям в 2010 году в университете Падуи,
Италия. В настоящее время она ведет свою научно-исследовательскую деятель-
ность на кафедре информационных технологий университета Падуи. Ее на-
учные интересы направлены на изучение влияния радиации на надежность
электронных устройств, и главным образом на энергонезависимые полупро-
водниковые запоминающие устройства. Марта является автором и соавтором
около 40 статей в специализированных научных журналах по радиационным
эффектам и их влиянию на надежность оборудования, около 50 материалов,
подготовленных для международных конференций, а также автором двух глав
в книге. Она регулярно принимает участие в работе комитетов международных
конференций по радиационным эффектам, таких как конференция по ядер-
ным и космическим радиационным эффектам (NSREC) и конференция по ра-
диационным эффектам в компонентах и системах (RADECS), а также является
рецензентом в многочисленных научных журналах.
Симоне Жерарден (Simone Gerardin) получил степень Laurea (бакалавра)
с отличием в области электронной техники в 2003 году и докторскую степень
по электронике и телекоммуникационным технологиям в 2007 году в универси-
тете Падуи, Италия. В настоящее время он является доцентом того же универ-
ситета. Его исследования направлены на изучение обратимых и необратимых
сбоев в современных приборах на основе CMOS-технологии, индуцируемых
ионизирующим излучением, а также на их взаимосвязь со старением устройства
и электростатическими разрядами (ЭСР). Симоне является автором и соавто-
ром около 60 статей, опубликованных в научных журналах, более 60 докладов
для конференций, трех глав книги, а также автором двух обучающих курсов,
подготовленных в рамках международных конференций по радиационным эф-
фектам. В настоящее время он является помощником редактора журнала IEEE
Transactions on Nuclear Science и рецензентом ряда научных журналов, а также
членом руководящей группы по радиационным эффектам.
Ответственный редактор Криштоф (Крис) Иньевски (Krzysztof [Kris] Iniewski)
возглавляет R&D-подразделение(подразделение, занимающееся инновацион-
ными разработками и развитием) в Redlen Technologies — молодой компании
в Ванкувере, Канада. Революционный процесс производства современных
полупроводниковых материалов компании Redlen открывает доступ к мето-
дам радиационной визуалицации нового поколения — полностью цифровым
и более точным. Крис также является президентом компании CMOS Emerging
Technologies Research Inc. (http://www.cmosetr.com), охватывающей в своей
20 Редакторы
деятельности такие высокотехнологичные сферы, как средства коммуника-
ций, микропроцессорные системы, оптоэлектроника и сенсоры. На протяже-
нии своей карьеры доктор Иньевски занимал различные преподавательские
и руководящие должности в университете Торонто, университете Альбер-
ты, университете им. Саймона Фрейзера (SFU) и в компании PMC-Sierra Inc.
Он подготовил более 100 научных статей для международных журналов и на-
учных конференций. Является обладателем международных патентов, выдан-
ных в Соединенных Штатах, Франции, Германии и Японии. Часто выступает
с докладами и консультирует множество компаний на международном уровне.
Он написал и отредактировал несколько книг для таких издательств, как CRC
Press, Cambridge University Press, IEEE Press, John Wiley & Sons, McGraw-Hill,
Artech House и Springer Science + Business Media. Крис считает своей личной це-
лью с помощью инновационных инженерных решений внести вклад в рацио-
нальное и экологически-ориентированное развитие общества, а также здоро-
вый образ жизни. В свободное от работы время Крис ходит в походы, увлекается
парусным спортом, катается на лыжах или велосипеде, наслаждаясь красота-
ми Британской Колумбии. С ним можно связаться по электронной почте: kris.
iniewski@gmail.com.
ÃËÀÂÀ 1
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
 ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ
ÝÔÔÅÊÒÛ
 ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÅ
Симоне Жирарден и Марта Багатин
1.1. Ââåäåíèå
Ионизирующее излучение (ИИ) может представлять серьезную угрозу для
корректной работы электроники как в условиях Земли (из-за атмосферных
нейтронов и радиоактивных веществ в составе материалов микросхем), так
и в значительно большей степени в космическом пространстве в следствие воз-
действие захваченных частиц, частиц, испускаемых Солнцем, и галактических
космических лучей (ГКЛ). Другой важной причиной для тщательного изуче-
ния радиационных эффектов в электронных компонентах является антропо-
генная (искусственная) радиация, создаваемая биомедицинским оборудовани-
ем, атомными электростанциями и экспериментами в области физики высоких
энергий.
Основополагающий принцип воздействия ИИ заключается в выделении
энергии в облучаемом материале. В результате такого воздействия радиация мо-
жет вызвать множество различных эффектов: повреждение битов памяти, сбои
в цифровых и аналоговых схемах, рост потребляемой мощности, снижение про-
изводительности, а в наихудших случаях — полную потерю работоспособности.
Анализ радиационных эффектов необходим при проектировании элек-
тронных систем, предназначенных для работы в спутниках и космических ап-
паратах, но он также обязателен и при разработке высоконадежных наземных
систем, таких как банковские серверы, биомедицинское оборудование, авиони-
ка, автокомпоненты.
В данной главе нами будут рассмотрены наиболее актуальные радиацион-
ные условия и проанализированы три основные категории радиационных эф-
фектов: суммарно накопленная доза ионизации (TID — total ionizing dose), де-
фекты смещения (DD — displacement damage), а также одиночные радиационные
22 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
эффекты (ОРЭ или SEE — single event eff ects). Первые две представляют собой
постепенный дрейф (изменение) параметров приборов вследствие деграда-
ции диэлектрических и полупроводниковых материалов из-за непрерывного
воздействия различных ионизирующих частиц. Данные эффекты в основном
встречаются в КП или из-за воздействия искусственных источников радиации.
Одиночные эффекты (SEE), наоборот, возникают из-за стохастического (слу-
чайного) взаимодействия одиночной высокоэнергетической частицы с чув-
ствительной областью электронного прибора. Данный тип эффектов может
возникать как в КП, так и на Земле.
1.2. Èñòî÷íèêè èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ
Электронные приборы часто должны функционировать в условиях мощного
ионизирующего излучения. Чтобы обеспечить стабильную работу компонен-
тов, необходимо точно знать характерные особенности той среды, в которой им
предстоит функционировать. Мы начнем этот раздел с иллюстрации косми-
ческой среды, одной из самых суровых с точки зрения радиации. После этого
рассмотрим ионизирующее излучение земного происхождения, для которого
характерны нейтроны и альфа-частицы. И в конце обсудим антропогенные ис-
точники радиации, такие как атомные электростанции и эксперименты в об-
ласти физики высоких энергий.
1.2.1. Космическое пространство
Как видно на рис. 1.1, существует три основных источника ионизирующего из-
лучения в космическом пространстве [1]:
1) галактические космические лучи (ГКЛ),
2) солнечные космические лучи (СКЛ) — частицы, генерируемые Солнцем
во время солнечных событий,
3) частицы, захваченные магнитосферой планет.
Известно, что ГКЛ формируются за пределами нашей Солнечной системы,
но их источник и механизм ускорения до сих пор до конца не изучены. В ос-
новном они состоят из протонов, но также содержат и все остальные элементы,
и их энергия может достигать очень высоких значений, вплоть до 1011 ГэВ, что
говорит об их высокой проникающей способности и фактическом отсутствии
способов экранирования с использованием разумного количества материала.
Плотность потока ГКЛ составляет порядка нескольких частиц на квадратный
сантиметр в секунду.
Ко второй категории ИИ КП относятся частицы СКЛ. В состав СКЛ вхо-
дят все встречающиеся в природе элементы от протонов до урана. Плотность их
1.2. Источники ионизирующего излучения 23
потока зависит от солнечного цикла и может достигать значений более 105 ча-
стиц/см2/с с энергией >10 МэВ/нуклон. Солнечная активность носит цикличе-
ский характер, при котором семь лет высокой активности чередуются с четырь-
мя годами низкой активности. Ключевым проявлением данного цикла является
изменение числа солнечных пятен. В период нисходящей фазы пика солнечной
активности солнечные события наблюдаются чаще. К ним относятся корональ-
ные выбросы массы и солнечные вспышки. Первые — это извержения плазмы,
возникающие из-за ударной волны с последующим выбросом частиц. Солнеч-
ные вспышки, наоборот, возникают, когда усиление коронального магнитного
поля вызывает внезапный всплеск энергии. В дополнение к солнечным собы-
тиям происходит непрерывная прогрессирующая потеря массы Солнцем, при
которой протоны и электроны приобретают энергию, достаточную для преодо-
ления его гравитации. Эти частицы имеют собственное магнитное поле, кото-
рое может взаимодействовать с магнитным полем планет. Что интересно, сол-
нечный цикл также модулирует поток галактических космических лучей: чем
выше солнечная активность, тем ниже поток космических лучей за счет экра-
нирующего эффекта солнечных частиц. Кроме того, Солнце взаимодействует
с магнитосферой планет и, в частности, с магнитосферой Земли. Давайте те-
перь подробней остановимся на Земле.
Магнитное поле Земли имеет две составляющие: внутреннюю и внешнюю,
образованную солнечным ветром и способно захватывать заряженные частицы.
Эти частицы, попав в магнитное поле Земли, движутся по спирали вокруг си-
ловых линий от одного полюса к другому. Кроме того, они движутся в продоль-
ном направлении, но с меньшей скоростью. Направление движения при этом
зависит от их заряда. Захваченные магнитным полем Земли частицы формиру-
ют два отдельных пояса: внешний, состоящий по большей части из электронов,
и внутренний пояс, состоящий из электронов и протонов. Потоки электронов
Земля
Галактические и
внегалактические
космические лучи
Захваченные
частицы
Солнечные
космические
лучи
Солнце
Рис. 1.1. Схематическое изображение трех основных источников радиации
в космосе: ГКЛ, СКЛ, частицы, захваченные магнитосферой Земли
24 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
с энергией выше 1 МэВ могут достигать значений 106 частиц/см2/с; для прото-
нов эти значения доходят до 105 частиц/см2/с.
Характерной особенностью радиационных поясов Земли является Южно-
Атлантическая аномалия (ЮАА), в области которой радиационные пояса рас-
полагаются ближе всего к Земле. ЮАА обусловлена тем, что ось магнитного
поля образует угол 11° относительно оси север — юг, при этом ее центр распо-
ложен не в центре Земли, а на расстоянии примерно 500 км от него, из-за чего
происходит провал магнитного поля в районе Южной Атлантики. ЮАА — это
область, где чаще всего случаются ошибки и сбои в работе спутников, функци-
онирующих на низких орбитах.
Из-за сложности окружающей среды, а также большой зависимости от сол-
нечного цикла и орбиты трудно оценить количество ионизирующих частиц,
поражающих систему в космосе. Кроме того, доза радиации, получаемая кон-
кретным электронным прибором, также зависит от его расположения внутри
КА или спутника из-за экранирующего эффекта окружающих материалов.
В космосе очень важно не перегружать электронные системы с точки зрения
запаса прочности и надежности из-за дороговизны запуска дополнительных
килограммов и дефицита электроэнергии на борту. Для разработчиков стали
доступны инновационные средства моделирования, позволяющие прогнози-
ровать накопление дозы и разрабатывать системы с соответствующим запасом.
1.2.2. Наземная среда
Атмосферные нейтроны и альфа-частицы, выделяемые радиоактивными ком-
понентами материалов микросхем, являются двумя основными источниками
обратимых сбоев в электронных устройствах на уровне земли [2, 3].
Несмотря на то что нейтроны имеют нулевой заряд, они могут косвенно
ионизировать материал, поскольку способны инициировать ядерные реак-
ции, образуя тем самым заряженные вторичные частицы, которые, в свою оче-
редь, могут выделять заряд в чувствительном объеме электронного устройства.
Если выделенный заряд будет накапливаться в чувствительных узлах, то в ра-
боте устройств могут наблюдаться сбои Атмосферные нейтроны образуются
вследствие взаимодействия космических лучей с внешними слоями атмосфе-
ры и являются одними из наиболее распространенных ионизирующих (кос-
венно) частиц на уровне моря (рис. 1.2; [4]). Космические лучи подразделяют-
ся на первичные (главным образом протоны и ядра гелия), исходящие из КП
за пределами нашей Солнечной системы, и вторичные, образованные за счет
взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой. По мере того как
космические лучи проходят через слои атмосферы, они взаимодействуют с ато-
мами азота и кислорода, генерируя тем самым каскад вторичных частиц. В про-
цессе этого взаимодействия образуется множество разных частиц (протоны,
1.2. Источники ионизирующего излучения 25
пионы, мюоны, нейтроны) и электромагнитная составляющая. Эти частицы,
в свою очередь, обладают достаточной энергией, чтобы создать новые каскады
частиц. В процессе проникновения космических лучей в атмосферу Земли ко-
личество частиц сначала увеличивается, а потом уменьшается по мере того, как
экранирующее действие атмосферы начинает преобладать над ростом числа ча-
стиц. Как видно на рис. 1.2, поток атмосферных нейтронов растет с увеличени-
ем высоты, достигая своего пика на уровне 15 км, именно поэтому авиационная
радиоэлектронная аппаратура наиболее подвержена негативному воздействию
нейтронов.
Зависимость потока нейтронов от энергии (E) показывает зависимость 1/E.
С точки зрения радиационных эффектов существует две основные категории
энергии нейтронов, которые представляют интерес:
• тепловые нейтроны (энергия около 25 мэВ), для которых характерно
большое сечение взаимодействия с изотопом бора 10В, часто встречаю-
щегося в интерметаллических слоях интегральных схем или в качестве
примеси;
• нейтроны с энергией более 10 МэВ, способные инициировать ядерные
реакции с материалами микросхем, такими как кремний и кислород, что
приводит к образованию заряженных вторичных частиц.
Кроме того, в зависимости от высоты поток нейтронов определяется и дру-
гими факторами, такими как солнечная активность, широта и атмосферное
давление. В качестве эталонного принято значение потока нейтронов над
Нью-Йорком, которое составляет 14 н/см2/час для нейтронов с энергией выше
10 МэВ. Для расчета потока нейтронов в других районах существуют соответ-
ствующие таблицы.
1
10
100
1000
10,000
100,000
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Поток нейтронов, см–2с–1
Высота, км
Авионика
Рис. 1.2. Поток нейтронов в наземном пространстве как функция высоты. (Дан-
ные из: http://seutest.com/cgi-bin/FluxCalculator.cgi)
26 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
Альфа-частицы, выделяющиеся при распаде радиоактивных элементов
материалов интегральных схем (ИС), являются вторым источником радиаци-
онно-индуцированных эффектов в электронике, функционирующей в земных
условиях. Большинство обратимых сбоев, возникающих на уровне моря, связа-
ны с распадом таких альфа-активных элементов, как 238U, 234U, 232Th, 190Pt, 144Nd,
152Gd, 148Sm, 187Re, 186Os, и 174Hf. Эти элементы могут применяться при производ-
стве ИС преднамеренно, но также могут попадать туда в виде нежелательных
примесей. Несмотря на то что такие альфа-частицы обладают слабой ионизи-
рующей способностью, обратимые сбои, индуцируемые этими частицами, вы-
ходят на передний план относительно тех, что индуцируются атмосферными
нейтронами. Это объясняется снижением критического заряда, необходимого
для проявления эффекта, из-за уменьшения проектных норм с каждым новым
поколением ИС. Стандартное значение альфа-излучения в ИС составляет по-
рядка 10−3 альфа-частиц/см2/ч.
Стоит отметить, что непрерывное сокращение топологических размеров
распахивает двери для новых угроз, таких как, например, мюоны. Фактически
еще несколько поколений назад мюоны считались абсолютно безвредными для
электроники, но сегодня размер комплементарных металл — оксид — полупро-
водниковых (КМОП) элементов сократился настолько, что даже мюоны могут
провоцировать сбои в их работе при определенных условиях [5].
1.2.3. Антропогенные источники ионизирующего излучения
Некоторые антропогенные источники радиации создают очень неблагоприят-
ные условия с точки зрения ионизирующего излучения [6]. Например, ожида-
ется, что после плановой модернизации Большого адронного коллайдера (БАК)
в ЦЕРНе (CERN), Швейцария, — крупнейшего эксперимента по физике высо-
ких энергий, доза будет превышать 100 Мрад (Si) (для сравнения: для большин-
ства космических миссий Национального управления по аэронавтике и иссле-
дованию космического пространства (НАСА) доза составляет менее 100 крад
(Si)). Как следствие, для таких условий требуется специальная электроника,
способная выдерживать высокие уровни радиации. Для этих целей применя-
ются специализированные библиотеки радиационно стойких компонентов, то-
пология которых тщательно продумана, с целью исключить проблемы, харак-
терные для обычного проектирования.
Ионизирующее излучение также является характерной проблемой для
атомных электростанций и будущих термоядерных установок, находящих-
ся в стадии разработки. Например, в термоядерном реакторе, таком как ITER
(ИТЭР), электронные системы управления и диагностики плазмы размещаются
вблизи камеры и биозащитного экрана, где выше всего вероятность поражения
интенсивными потоками нейтронов (в процессе реакции дейтерий + тритий
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 27
выделяются нейтроны с энергией 14 МэВ), рентгеновским и гамма-излучением
и т. д. Если говорить о цифрах, то в условиях ИТЭР ожидаются дозы порядка
50 рад (Si) за один рабочий час [7].
1.3. Ýôôåêòû ïîëíîé äîçû èîíèçàöèè
Полная доза ионизации (TID — total ionizing dose) — это количество энергии,
накопленное материалом в процессе ионизации. TID измеряется в радах, 1 рад
соответствует энергии падающего излучения 100 эрг, поглощенной веществом
массой 1 грамм. Поскольку степень поглощения зависит от материала, доза об-
лучения обычно указывается вместе с материалом мишени. Наиболее распро-
страненными единицами измерения являются рад и грэй (Гр). 1 Гр соответ-
ствует поглощению 1 Дж энергии одним килограммом материала мишени 1 рад
равен 100 Гр. Разделяют два основных вида TID-эффекта [8, 9]:
• накопление дефектов в изолирующих слоях,
• нарастание (положительного) захваченного заряда в изолирующих слоях.
По причине TID-эффектов полевые МОП-транзисторы (MOSFET) под-
вержены таким явлениям, как сдвиг порогового напряжения, снижение про-
водимости и появление токов утечки. Масштабирование технологии приводит
к тому, что подзатворный оксид становится все тоньше и тоньше, что, в свою
очередь, ведет к снижению количества радиационно-индуцированного захвата
заряда и поверхностных состояний. В результате после внедрения технологии
ультратонкого подзатворного окисла проблемы с дозовыми эффектами в низ-
ковольтных МОП-транзисторах в основном связаны с толстой боковой изо-
ляцией и оксидными спейсерами. TID-эффекты в МОП-транзисторах зависят
от времени и не зависят от мощности дозы.
В биполярных устройствах захват заряда и дефекты могут привести к сни-
жению коэффициента усиления и появлению токов утечки. Особенным явлени-
ем, возникающим в биполярных устройствах, является повышенная чувстви-
тельность к низкой мощности дозы (ELDRS — enhanced low dose rate sensitivity):
как следует из названия, уровень деградации выше при низких дозах, чем при
высоких.
Основные механизмы захвата заряда и образования поверхностных состо-
яний в оксидных слоях представлены на рис. 1.3. На нем изображена энерге-
тическая зонная диаграмма МОП-конденсатора на подложке р-типа при поло-
жительном напряжении смещения. Радиация провоцирует появление дефектов
в изолирующих слоях через косвенные процессы, то есть она не разрушает
связи напрямую, а высвобождает положительно заряженные частицы (дырки
и ионы водорода), которые, в свою очередь, и предопределяют реакцию при-
боров на облучение.
28 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
При попадании излучения на диэлектрический слой образуются высокоэ-
нергетические электронно-дырочные пары. Всего через несколько пикосекунд
созданные носители заряда термализуются, теряя значительную часть сво-
ей энергии. Электроны, благодаря своей подвижности, быстро перемещаются
в сторону анода за счет приложенного потенциала или за счет контактной разно-
сти потенциалов, оставляя более тяжелые и более медленные дырки двигаться
внутри окисла в противоположном направлении. Но прежде чем они это сдела-
ют, большая часть электронно-дырочных пар успеют рекомбинировать. Число
рекомбинаций определяется выходом заряда, который, в свою очередь, зависит
от электрического поля, а также от типа и энергии падающего излучения.
Сохранившиеся дырки могут быть захвачены существующими глубокими
ловушками в процессе миграции к катоду под действием приложенного поля.
Перенос дырок происходит путем прыжков через локализованные состояния.
Поскольку они обладают положительным зарядом, дырки увлекаются в сторо-
ну Si/SiO2 или к поверхности раздела затвор/SiO2 в зависимости от знака элек-
трического поля. Положительно заряженные дырки вносят локальное искаже-
ние в электрическое поле, что приводит к замедлению их переноса, из-за чего
процесс начинает носить дисперсионный характер (то есть происходит через
множество десятков раз). Этот тип процесса называется «поляронные прыж-
ки» или «поляронные перескоки» и сильно зависит от температуры и внешне-
го поля. Полярон — это сочетание дырки и сопровождающей ее деформации
электрического поля. Если в процессе переноса дырки оказываются у поверх-
ности раздела Si/SiO2, то они могут быть захвачены в местах дефектов, плот-
ность которых, как правило, выше вблизи поверхности раздела. Микроскопи-
ческая природа этих дефектов была подробно изучена. Электронный спиновый
+
+ +
+
+
+
−
Излучение
H+
Затвор SiO2 Si
Выход
протонов
Перескоки
дырок
Поверхностные
ловушки
Захват
заряда
Рис. 1.3. Энергетическая зонная диаграмма МОП-системы на подложке p-типа
при положительном напряжении смещения. (На основе работы
O. Flament, J. Baggio, S. Bazzoli, S. Girard, J. Raimbourg, J. E. Sauvestre,
J. L. Leray, Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods
and their Applications (Достижения в области ядерного приборострое-
ния, в методах измерений и их использовании) [ANIMMA], 2009, с. 1)
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 29
резонанс (также называемый электронным парамагнитным резонансом (ЭПР))
позволил выявить в двуокиси кремния наличие E′-центров — трехвалентного
кремния, связанного с кислородной вакансией, который, как считается, отве-
чает за захват дырок в SiO2. Эти вакансии объясняются диффузией кислорода
в окисле и несоответствием параметров кристаллической решетки у поверх-
ности. Количество захваченного заряда зависит от числа дырок, переживших
рекомбинацию, от количества вакансий O и от эффективного сечения захва-
та ловушек, которое, в свою очередь, зависит от электрического поля. В свя-
зи с этим количество захваченного заряда также сильно зависит от качества
окисла. Так, для стойких окислов радиационно-индуцированный захват заря-
да на несколько порядков ниже, чем для нестойких. Стойкость окисла сильно
зависит от условий обработки: например, высокотемпературный отжиг может
увеличить количество кислородных вакансий. Увеличение количества водо-
рода в процессе обработки также уменьшает стойкость окисла, о чем подробно
говорится ниже.
В процессе поляронных перескоков или по мере захвата дырок вблизи по-
верхности раздела Si/SiO2 могут высвобождаться ионы водорода (протоны)
(перескок — медленный и локализованный по своей природе процесс, поэтому
вероятность таких химических эффектов увеличивается). Ионы водорода, ока-
завшиеся у поверхности раздела, могут генерировать поверхностные ловушки.
Протоны фактически способны реагировать с водородно-пассивированными
оборванными (свободными) связями на границе раздела, в результате чего обо-
рванная связь действует как поверхностная ловушка. Поверхностные ловушки
могут быстро обмениваться носителями заряда с каналом и могут быть либо
заполненными, либо пустыми в зависимости от положения уровня Ферми.
Поверхностные состояния амфотерны: они могут быть либо донорами (поло-
жительные, когда пустые; нейтральные, когда заряжены), либо акцепторами
(нейтральные, когда пустые; отрицательные, когда заряжены) в зависимости
от их положения относительно середины запрещенной зоны. Ловушки ниже
середины запрещенной зоны преимущественно относятся к первому типу, ло-
вушки выше середины запрещенной зоны относятся ко второму типу. Процесс
формирования поверхностных ловушек происходит значительно медленнее,
чем нарастание захваченного заряда, но при этом обладает аналогичной зави-
симостью от электрического поля. Для созданных на поверхности раздела лову-
шек могут потребоваться тысячи секунд с момента воздействия ионизирующе-
го излучения до момента насыщения.
Подобное сходство зависимости поля от нарастания заряда в окисных ло-
вушках и зависимости поля от формирования поверхностных ловушек говорит
о том, что оба эти механизма связаны с переносом и захватом дырок вблизи гра-
ницы раздела Si/SiO2. Что касается микроскопической природы этих дефектов,
30 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
то измерения, выполненные с помощью ЭПР, показали, что под воздействием
радиации образуются Pb-центры — трехвалентный центр на поверхности раз-
дела Si/SiO2, связанный с тремя атомами Si со свободной орбиталью, перпенди-
кулярной к этой поверхности раздела.
Отжиг заряда в окисных ловушках начинается незамедлительно и проис-
ходит под действием туннельных или термических процессов. Действительно,
захваченный заряд может быть нейтрализован электронами, термически воз-
бужденными из валентной зоны, и в этом случае вероятность этих процессов
напрямую связана с температурой и энергетической глубиной ловушек, при
этом чем выше температура и меньше глубина ловушек, тем быстрее происходит
отжиг. С другой стороны, захваченный заряд может быть нейтрализован элек-
тронами, туннелирующими через оксидный барьер; в этом втором случае про-
цесс зависит от расстояния туннелирования и пространственного положения
энергии ловушки, при этом чем тоньше потенциальные барьеры (т. е. ловушки
расположены ближе к границе раздела), тем быстрее происходит отжиг. Безус-
ловно, основную роль в определении формы барьера и направления движения
носителей заряда играет приложенное смещение.
Напротив, при комнатной температуре отжига поверхностных ловушек
не происходит. Для восстановления нарушенных связей требуется более вы-
сокая температура. Поэтому в условиях, для которых характерна низкая мощ-
ность дозы излучения (например в космосе), поверхностные ловушки могут
играть ключевую роль.
Механизмы нарастания захваченного заряда, формирования поверхностных
состояний и отжига не носят мгновенный характер, а имеют строгую временную
зависимость. Эта зависимость может стать причиной кажущихся дозовых эффек-
тов (например, излучение может оказывать различное воздействие в зависимости
от мощности дозы радиационного воздействия). При высокой мощности дозы
и кратковременном воздействии отжиг заряда в окисных ловушках минимален,
одновременно с этим ряд поверхностных ловушек не успевают достичь своего
насыщения: в результате влияние захваченного заряда преобладает над поверх-
ностными состояниями. И, наоборот, при низкой мощности дозы и длительном
воздействии преобладают поверхностные ловушки. Тем не менее ключевым мо-
ментом является то, что если у захваченного заряда будет столько же времени для
отжига, сколько у поверхностных ловушек для насыщения, то эффекты не будут
зависеть от мощности дозы. Благодаря этому испытания МОП-транзисторов
на стойкость к ИИ могут проводиться при высокой мощности дозы излучения, что
позволяет значительно сократить продолжительность испытаний. При этом если
после облучения следует отжиг при умеренной температуре, то реакция устрой-
ства на облучение будет сопоставима с реакцией, характерной для среды с низкой
мощностью дозы. В настоящее время подобные методы ускоренных испытаний
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 31
разрабатываются также и для биполярных приборов, где, как мы увидим, ситуа-
ция значительно осложняется истинными дозовыми эффектами.
1.3.1. МОП-транзисторы (MOSFET)
Захват положительного заряда и генерация поверхностных состояний могут су-
щественно повлиять на функционирование МОП-транзистора [10, 11]. Это про-
демонстрировано на рис. 1.4, где характеристика Id–Vgs для n-канального
МОП-транзистора с толстым подзатворным окислом изображена до и после
воздействия полной дозы ионизации.
Как видно из графиков, влияние захвата положительного заряда в подза-
творном окисле заключается в уменьшении порогового напряжения (т. е. резко-
го сдвига кривой Id–Vgs в сторону более низких значений Vgs). С другой стороны,
формирование поверхностных состояний снижает как пороговое напряжение
(изменяя подпороговый размах напряжения), так и подвижность носителей
заряда (путем добавления кулоновских центров рассеяния). Подобное поведе-
ние, показанное на рис. 1.4, характерно для устройств с толстым подзатворным
окислом (>10 нм), таких как мощные МОП-транзисторы, в которых всего не-
сколько крад (Si) могут спровоцировать серьезные изменения. Транзисторы
с ультратонким подзатворным окислом реагируют на TID иначе, о чем подроб-
но рассказывается ниже.
Положительный захваченный заряд и поверхностные состояния оказыва-
ют аддитивное (совокупное) воздействие на p-канальные МОП-транзисторы
(рис. 1.4), т. к. оба этих фактора стремятся сдвинуть характеристику Id–Vgs
в сторону более высоких значений Vgs. В то же время в n-канальных МОП-
транзисторах эти эффекты стремятся нейтрализовать друг друга. Это являет-
ся причиной rebound-эффекта: из-за разных временных констант нарастания
заряда и формирования поверхностных состояний пороговое напряжение под
Ток стока, A
Напряжение затвора, В Напряжение затвора, В
0 1 2 3 4 5
Исходное состояние
Захват заряда +
поверхностные
ловушки
Захват заряда
Ток стока, A
0 –1 –2 –3 –4 –5
10–2
10–4
10–6
10–8
10–12
10–10
10–2
10–4
10–6
10–8
10–12
10–10
a б
Рис. 1.4. Влияние захвата заряда и формирования поверхностных состояний
на Id–Vgs характеристику n-канальных (a) и p-канальных (б) МОП-
транзисторов
32 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
воздействием ИИ сначала увеличивается, а затем уменьшается. Высвобождение
и нейтрализация захваченного положительного заряда способствуют тому, что
поверхностные ловушки играют более важную роль в средах с низкой мощно-
стью дозы излучения (например в космосе), чем в средах с высокой мощностью
дозы.
Фликер-шум, также известный как низкочастотный шум или НЧ-шум
(LFN), также зависит от воздействия TID. НЧ-шум возникает в результате за-
хвата и освобождения заряда из ловушек в центре дефектов, локализованных
в подзатворном окисле, количество которых может увеличиваться под воздей-
ствием ИИ, что приводит к колебаниям плотности и подвижности носителей
заряда.
Технологический прогресс, в частности уменьшение толщины подзатворно-
го окисла, положительно сказывается на решении проблем, связанных с полной
дозой ионизации в низковольтной КМОП-электронике. По мере уменьшения
толщины окисла последовательно снижается количество эффектов и захвата
заряда, а также тяжесть их последствий. Следующая формула применима при
низких дозах и относительно толстых окислах и выражает зависимость сдвига
порогового напряжения от толщины окисла:
ΔV
Q
C
t T
OX
OX
ox =− ∝ 2 .
Захваченный заряд QOX пропорционален квадрату толщины окисла tOX.
Тенденция к снижению захвата заряда наиболее ярко проявляется для ультра-
тонких подзатворных окислов (tOX < 10 нм), т. к. в этом случае электроны могут
более легко туннелировать из канала или затвора в окисел и нейтрализовывать
захваченные дырки. Толщина кремниевых подзатворных оксидов в самых со-
временных низковольтных МОП-транзисторах составляет всего 1–2 нм, по-
этому ни нарастание заряда в оксидной ловушке, ни возникновение ловушек
на поверхности раздела не представляют угрозы даже при высоких значениях
полной дозы ионизации.
К сожалению, у уменьшения толщины подзатворного окисла есть свои не-
достатки. Радиационно-индуцированный ток утечки (RILC — radiation-induced
leakage current) представляет собой рост утечки через подзатворный оксид по-
сле воздействия частиц с низкой ионизирующей способностью (гамма-излу-
чение, электроны, рентгеновские лучи). RILC линейно зависит от полученной
суммарной дозы и от приложенного смещения (следовательно, электрического
поля в подзатворном оксиде) в процессе облучения. Это явление объясняется
неупругим туннелированием с помощью ловушек через изолирующий слой за-
твора. RILC не представляет угрозы в логических схемах, где он может вызвать
лишь рост потребляемой мощности, но может критически отразиться на флеш-
памяти, принцип работы которой основан на хранении заряда на электрически
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 33
изолированном электроде (плавающем затворе). Для флеш-устройств потеря
заряда из-за радиационно-индуцированного тока утечки (RILC) может приве-
сти к ухудшению характеристик хранения данных в ячейке памяти.
В современных низковольтных МОП-транзисторах проявление TID-
эффектов связано с LOCOS-структурой боковой изоляции (LOCal Oxidation
of Silicon — локальное окисления кремния) в устройствах, выполненных по бо-
лее старой технологии, а также изоляцией типа STI (Shallow Trench Isolation —
изоляция мелкими канавками) в устройствах последнего поколения. Помимо
того что эти изолирующие слои достаточно толстые (100–1000 нм), а следова-
тельно, склонны к захвату заряда, они, как правило, получены методом осаж-
дения (а не термически выращены, как и в случае с подзатворными оксидами).
Другими словами, качество этих оксидов ниже, чем подзатворных, что означа-
ет, что они более подвержены TID-эффектам.
Эффект захвата положительного заряда в STI после воздействия полной
дозы ионизирующего излучения в современном низковольтном транзисторе
изображен на рис. 1.5. Ток стока МОП-транзистора можно рассматривать как
суперпозицию тока основного МОП-транзистора и двух паразитных МОП-
транзисторов с общим затвором и каналом с основным транзистором, роль
++
+
+ +
++
+
Сток
Затвор
STI STI
Паразитный
транзистор
Паразитный
транзистор
Основной
транзистор
Радиационно-
индуцированный
заряд
Радиационно-
индуцированный
заряд
10–2
10–4
10–6
10–8
10–12
10–10
Ток стока, А
Напряжение затвора, В
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Исходное состояние
Паразитные транзисторы
послевоздействия ИИ
Паразитные транзисторы
до воздействия ИИ
Основной + паразитные
транзисторы
После воздействия ИИ
a
б
Рис. 1.5. Схематическое изображение паразитных транзисторов, образованных
STI-изоляцией (а), и эффекты их возникновения, индуцированные
воздействием полной дозы ионизации (TID) (б)
34 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
подзатворного оксида в которых играет боковая изоляция (рис. 1.5а). При нор-
мальном рабочем напряжении эти паразитные транзисторы находятся в неак-
тивном состоянии, однако из-за наличия захваченного положительного заря-
да в боковой изоляции их пороговое напряжение может снизиться и они могут
начать проводить ток параллельно основному транзистору (рис. 1.5б). Эти эф-
фекты проявляются только в n-канальных МОП-транзисторах (из-за наличия
радиационно-индуцированных пороговых сдвигов) и наиболее проявляются,
когда на STI-изоляцию действует сильное электрическое поле.
В дополнение к утечке внутри прибора может также возникнуть утечка
между соседними приборами. Канал протекания тока может быть сформиро-
ван между соседними транзисторами, когда захват заряда в изоляции вызывает
инверсию лежащей ниже области. Это может привести к резкому увеличению
энергопотребления схемы в статическом режиме.
За последнее десятилетие был предложен ряд инноваций для преодоления
ограничений, описанных законом Мура. В p-канальных МОП-транзисторах
в отношении подзатворного окисла стали применять нитрирование для пре-
дотвращения проникновения атомов бора из поликремниевого затвора. Инте-
ресен тот факт, что после нитрирования окислы демонстрируют повышенную
радиационную стойкость по сравнению со стандартными окислами. Это об-
условлено барьерным эффектом, создаваемым слоем азота, который препят-
ствует проникновению водорода, что, в свою очередь, благотворно сказывается
на снижении образования поверхностных ловушек.
Ограничения, связанные с тем, что стандартные подзатворные оксиды SiO2
невозможно сделать намного тоньше 2 нм из-за чрезмерной утечки, удалось
преодолеть благодаря использованию материалов с высокой диэлектрической
проницаемостью (high-k), как, например, оксид гафния, который был внедрен
в коммерческое производство начиная с 45-нм техпроцесса. Это положительно
сказалось на решении проблемы нежелательных токов утечки с управляющего
электрода благодаря использованию более толстых слоев, которые из-за своей
высокой диэлектрической проницаемости не оказывают отрицательного вли-
яния на управление каналом. Как уже упоминалось, чем толще оксид, тем се-
рьезнее последствия TID-эффектов. В конденсаторах на основе оксида гафния
(HfO2) во время облучения толстых окислов рентгеновскими лучами наблюдал-
ся значительный радиационно-индуцированный захват заряда. Тем не менее
захват заряда в более тонких современных окислах, подходящих для внедрения
в передовые технологии, представляется менее критичным.
Технология « кремний на изоляторе» (КНИ) с недавних пор стала приме-
няться в массовом производстве, в то время как всего несколько лет назад ее ис-
пользовали исключительно в узкоспециализированных отраслях, как, напри-
мер, рынок радиационно стойких изделий. Преимущества данной технологии
1.3. Эффекты полной дозы ионизации 35
с точки зрения радиационной стойкости в части одиночных эффектов ниве-
лируются недостатками, связанными с чувствительностью к TID. Фактически
захват положительного заряда и генерация поверхностных состояний в толстом
скрытом окисле (BOX — buried oxide) приводят к образованию токов утечки
в частично обедненных устройствах и изменению характеристик переднего за-
твора в полностью обедненных МОП-транзисторах из-за формирования связей
между передним и задним каналом.
1.3.2. Биполярные приборы
Полная доза также влияет на биполярные плоскостные транзисторы (BJT —
bipolar junction transistor). Снижение коэффициента усиления по току совместно
с утечкой типа коллектор — эмиттер и устройство — устройство являются наи-
более критичными эффектами [12, 13].
Деградация этих параметров в основном связана с радиационно-индуциро-
ванной деградацией пассивирующих и изоляционных окислов, особенно когда
они расположены вблизи критических областей устройства. Сила этих эффек-
тов напрямую зависит от типа биполярного транзистора (вертикальный, ла-
теральный, подложечный и т. д.): вертикальные p-n-p-транзисторы менее чув-
ствительны к TID-эффектам, чем другие, в то время как латеральные являются
одними из наиболее чувствительных.
На рис. 1.6 изображена деградация коэффициента усиления по току бипо-
лярного прибора под воздействием полной дозы ионизации. Для данного на-
пряжения база — эмиттер ток базы растет с накоплением дозы, тогда как ток
коллектора остается практически неизменным, чем объясняется снижение
коэффициента усиления с ростом TID. Давайте подробно рассмотрим ба-
зовый ток в n-p-n-транзисторе, который можно представить как сумму трех
составляющих:
1) обратная инжекция дырок из базы в эмиттер,
2) рекомбинация дырок в обедненной области перехода эмиттер — база,
3) рекомбинация дырок в нейтральной базе.
В необлученном приборе наибольшее влияние оказывает составляющая
номер 1. Под воздействием TID влияние второй составляющей начинает расти
и в конечном счете начинает доминировать за счет роста скорости поверхност-
ной рекомбинации и увеличения ширины обедненной области эмиттер — база
на поверхности.
Причиной роста скорости рекомбинации является формирование поверх-
ностных ловушек на поверхности обедненной области перехода база — эмиттер.
Ловушки, расположенные в центре запрещенной зоны, являются очень эффек-
тивными центрами рекомбинаций, способными обмениваться носителями за-
ряда между валентной зоной и зоной проводимости. Кроме того, в биполярных
36 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
приборах n-p-n-типа суммарный положительный заряд, захваченный в окис-
лах после полной дозы облучения, ведет к росту обедненной области базы
с дальнейшим увеличением рекомбинаций. И, наоборот, в латеральных p-np-
структурах положительный заряд, захваченный в пассивирующем окисле,
снижает рекомбинации в базе (в то время как формирование поверхностных
ловушек увеличивает скорость поверхностной рекомбинации). Вертикальные
p-n-p-структуры более устойчивы с точки зрения радиационного воздействия,
так как положительный захваченный заряд способствует накоплению базы
n-типа и слабому обеднению сильнолегированного эмиттера p-типа, что ведет
к уменьшению размера обедненной области эмиттер — база, уменьшая тем са-
мым рекомбинацию.
Эффект низкой интенсивности (ELDRS) — аномальное явление, которое
наблюдается во многих биполярных приборах и состоит в том, что при низ-
кой мощности дозы излучения деградация сильнее, чем при высокой мощно-
сти дозы. Это значит, что в отличие от технологии МОП эффекты полной дозы
в биполярных приборах напрямую зависят от мощности дозы. ELDRS суще-
ственно затрудняет интерпретацию результатов радиационных испытаний
и их экстраполяцию на условия эксплуатации. Для космического пространства
характерна низкая мощность дозы излучения (как правило, интенсивности на-
ходятся в пределах мрад(SiO2)/с), в то время как лабораторные испытания про-
водятся при высоких интенсивностях (для экономии времени, как правило,
более 10 рад(SiO2)/с). В результате существует риск недооценить деградацию
в условиях космического пространства. Это проиллюстрировано на рис. 1.7,
где зависимость деградации нормированного коэффициента усиления по току
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Нормированный коэффициент
усиления по току
Напряжение база-эмиттер, В
Накопление
полной дозы
0
Рис. 1.6. Деградация коэффициента усиления по току биполярного транзистора
под воздействием полной дозы ионизации
1.4. Структурные повреждения (DD) 37
биполярного прибора представлена как функция мощности дозы. Как видно
на графике, деградация при мощностях дозы, характерных для космического
пространства, в два раза превышает деградацию, наблюдаемую при ускоренных
лабораторных испытаниях.
В литературе предлагаются несколько моделей касательно физического
происхождения эффекта ELDRS. Согласно модели пространственного заряда
пониженная деградация при высокой мощности дозы обусловлена большим
количеством генерируемого положительного заряда, который выступает в ка-
честве барьера для дырок и водорода, мигрирующих к границе раздела. Другая
модель объясняет эффект ELDRS конкуренцией между захватом и рекомби-
нацией радиационно-индуцированных носителей заряда из-за электронных
ловушек: при низкой мощности дозы количество свободных носителей заряда
в валентной зоне и зоне проводимости небольшое, следовательно, преоблада-
ет захват; при высокой мощности дозы плотность свободных носителей заряда
выше, следовательно, рекомбинация выходит на передний план.
1.4. Ñòðóêòóðíûå ïîâðåæäåíèÿ (DD)
Структурные повреждения (DD — Displacement damage) связаны со смещением
атомов кристаллической решетки материала мишени падающими частицами
за счет кулоновских взаимодействий и ядерных реакций с ядрами материала.
Нормированный коэффициент
усиления по току
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
10–4 10–3 10–2 10–1 100 101 102 103
Мощность дозы, рад(Si)/с
Мощность дозы в КП
Мощность дозы при
лабораторных испытаниях
Рис. 1.7. Зависимость деградации коэффициента усиления по току в биполяр-
ных приборах от мощности дозы под воздействием TID вследствие
ELDRS. (На основе работы H. L. Hughes and J. M. Benedetto, IEEE Trans.
Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 500, June 2003)
38 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
DD могут наблюдаться при воздействии высокоэнергетических нейтронов,
протонов, тяжелых заряженных частиц, электронов и фотонов (косвенно).
Из-за смещения создаются вакансии в кристаллической решетке и междоу-
зельные дефекты в промежуточном пространстве между узлами решетки. Сово-
купность вакансии и междоузельного дефекта называется дефектом по Френ-
келю. Отжиг после образования дефекта по Френкелю ведет к рекомбинации
(т. е. пара исчезает) или (значительно реже) к созданию более стабильных де-
фектов. Способность высокоэнергетической частицы создавать структурные
повреждения характеризуется коэффициентом неионизационных потерь энер-
гии (NIEL — nonionizing energy loss). NIEL дает количественное представление
о потере энергии падающей частицы на единицу длины через неионизацион-
ные процессы.
В результате DD возможны различные варианты расположения дефектов
в зависимости от характеристик падающего излучения (энергии и т. п.): либо
точечные изолированные дефекты (образованные, например, электронами
в 1 МэВ), либо кластеры — группы дефектов, расположенные близко друг к дру-
гу (например генерируемые нейтронами с энергией 1 МэВ). Так, в случае с ней-
тронами и протонами основное повреждение связано со смещением первого
атома (так называемого первично выбитого атома — ПВА). Если энергия ПВА
выше определенного порога, то ПВА способен сместить вторично выбитые ато-
мы (ВВА), которые, в свою очередь, генерируют новые дефекты, образуя класте-
ры. На рис. 1.8 показан рост групп дефектов в зависимости от энергии протонов
(нижняя ось) и энергии ПВА (верхняя ось).
Дефекты кристаллической решетки нестабильны во времени. Вакансии пе-
ремещаются по решетке до тех пор, пока не стабилизируются либо вследствие
Свободные
дефекты
Множество
субкаскадов
Одиночный
каскад
Логарифмические
# взаимодействия
6−10 МэВ 20 МэВ
Энергия протона
Энергия отдачи
1−2 кэВ 12−20 кэВ
Типы
дефектов
Рис. 1.8. Типы дефектов и количество взаимодействий, обусловленных неиони-
зационными процессами, в зависимости от энергии падающего про-
тона или, что эквивалентно, энергии отдачи вторично выбитого атома.
(На основе работы R. L. Pease, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 539,
June 2003)
1.4. Структурные повреждения (DD) 39
рекомбинации вскоре после появления (это происходит с вероятностью более
90 %), либо вследствие преобразования в другие виды дефектов. К наиболее
стабильным дефектам относятся дивакансии (сформированные двумя распо-
ложенными рядом вакансиями) или комплексы примесь — дефект (вакансия
и примесь, близко расположенные друг к другу). Возможны как кратковремен-
ный отжиг, который длится не более часа после облучения, так и длительный,
который продолжается на протяжении нескольких лет. Оба этих процесса, как
правило, ускоряются при повышенной температуре и наличии высокой плот-
ности свободных носителей заряда. В большинстве случаев наблюдается пря-
мой отжиг, но также возможен и обратный отжиг (усиление деградации).
Номинально идентичные приборы, облученные разными частицами, могут
проявлять разные особенности, например отсутствие зависимости от типа при-
месей и концентрации кислорода в образцах, облученных нейтронами деления,
или строгая зависимость в образцах, облученных электронами.
Различия между двумя выборками облученных образцов объясняются об-
разованием кластеров дефектов в одном случае и изолированных точечных де-
фектов — в другом. Считается, что кластеры более эффективны по сравнению
с точечными дефектами с точки зрения снижения рекомбинационного времени
жизни для заданного общего числа дефектов. Действительно, кластеры усили-
вают рекомбинацию, создавая потенциальную яму, в которой рекомбинируют
неосновные носители. Кроме того, формирование дивакансий с большей долей
вероятности происходит с кластерами из-за непосредственной близости дефек-
тов и преобладает над примесными дефектами. Что касается точечных дефек-
тов, то усиления рекомбинации в данном случае не наблюдается, а дивакансии
и примесные дефекты в равной степени играют важную роль.
Несмотря на то что кластерные модели оказались весьма удачными, они
не до конца согласуются с результатами, полученными на основе концепции
NIEL. NIEL используется для корреляции повреждений, полученных разны-
ми частицами. Он представляет собой сумму упругих (кулоновских и атомных)
и неупругих взаимодействий, которые отвечают за образование начальных де-
фектов по Френкелю и фотонов. Его можно рассчитать аналитическим методом
на основе базовых принципов, используя сечения и кинематику. За многие годы
расчеты были усовершенствованы, и, несмотря на некоторые недостатки, дан-
ный подход является перспективным, т. к. позволяет сократить количество ис-
пытаний путем экстраполирования результатов, полученных для одной части-
цы определенной энергии на разные условия. Основная идея заключается в том,
что число электрически активных стабильных дефектов, которые приводят
к деградации параметров, масштабируется с количеством энергии, выделенной
через неионизационные потери энергии. Некоторые экспериментальные дан-
ные подтверждают данную теорию. На основе полученных результатов можно
40 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
сделать много выводов. Поскольку NIEL и повреждения пропорциональны, мы
можем сделать вывод, что количество генерируемых дефектов, переживших ре-
комбинацию, не зависит от энергии ПВА. Кроме того, следует исходить из того,
что радиационно-индуцированные дефекты одинаково влияют на параметры
устройства и имеют одинаковые характеристики (с точки зрения энергетиче-
ских уровней) независимо от начальной энергии ПВА и пространственного
распределения (изолированных дефектов относительно кластеров). Несмотря
на то что данные соображения не предполагают обязательного использования
кластерных моделей для анализа экспериментальных данных, бывают случаи,
когда между NIEL и дефектом нет прямой зависимости (например при энерги-
ях частиц, близких к минимальным, но достаточных для того, чтобы сместить
атомы из решетки), поэтому необходимо продолжить разработку комплексного
подхода к анализу структурных повреждений.
Структурные повреждения ведут к деградации всех устройств, которые
зависят от объемных свойств полупроводников, как, например, биполяр-
ные транзисторы и солнечные элементы. В качестве примера мы рассмотрим
эффекты структурных повреждений в приборах с зарядовой связью (CCD —
charge-coupled devices).
1.4.1. Приборы с зарядовой связью (CCD)
Структурные повреждения создают два основных эффекта в CCD [15]: радиаци-
онно-индуцированный темновой ток, приводящий, в частности, к появлению
горячих пикселей и деградации эффективности переноса заряда (CTE — charge
transfer effi ciency). Темновой ток (или ток утечки) объясняется появлением ра-
диационно-индуцированных дефектов в объеме кремния внутри обедненной
области вследствие DD, что ведет к росту энергетических уровней вблизи запре-
щенной зоны и тепловой генерации носителей зарядов.
Генерация темнового тока в CCD протекает следующим образом. Первая
энергетическая частица при попадании в матрицу индуцирует структурные по-
вреждения и темновой ток в одном пикселе. По мере того как все больше частиц
проникает в матрицу, повреждается все больше пикселей. На момент, когда
флюенс частиц достигает достаточно высокого уровня, в каждый пиксель попа-
дет уже более одной частицы. В этом случае в CCD наблюдается рост темнового
тока во всех пикселях. После этого происходит распределение темновых токов
по этим пикселям с помощью хвоста, который включает в себя множественные
события или события, которые создают темновые токи намного выше среднего
значения. Пиксели в хвосте обычно называют горячими пикселями или им-
пульсами темнового тока.
Вторым основным эффектом DD в CCD является деградация эффективно-
сти переноса заряда (CTE). Это приводит к потере сигнального заряда во время
1.5. Одиночные радиационные эффекты 41
процессов переноса. Для выражения снижения CTE в литературе обычно ис-
пользуется понятие неэффективности переноса заряда (CTI — charge transfer
ineffi ciency) (CTI = 1 − CTE). Радиационно-индуцированная CTI в облучаемой
CCD линейно возрастает с падающим флюенсом частиц и пропорциональна
накопленной дозе структурных повреждений. Механизм, лежащий в основе
данного явления, заключается во внесении падающим излучением временных
центров захвата в запрещенную энергетическую зону. Эти центры способны
захватывать заряд, расположенный в скрытом канале, что приводит к умень-
шению отношения сигнал/шум. CTE деградация в облучаемых CCD-приборах
зависит от многих параметров, таких как тактовая частота, уровень фоново-
го заряда, уровень основного заряда, температура облучения, температура
измерения.
1.5. Îäèíî÷íûå ðàäèàöèîííûå ýôôåêòû
Одиночные радиационные эффекты (SEE — single event eff ects) вызваны про-
хождением одиночной высокоэнергетической ионизирующей частицы (тяже-
лая заряженная частица — ТЗЧ) через чувствительные области микроэлектрон-
ных приборов. В зависимости от последствий, которые несет SEE, его можно
классифицировать как обратимый или «мягкий» (когда нет необратимых по-
вреждений, а лишь потеря информации, например, в регистре памяти) или как
катастрофический или «жесткий» (когда возникают необратимые физические
повреждения, например пробой подзатворного диэлектрика). Некоторые дру-
гие SEE, как, например, одиночное событие радиационного защелкивания,
также называемое тиристорным эффектом (SEL — single event latch-up) могут
как оказывать, так и не оказывать разрушительного воздействия в зависимости
от того, как быстро будет прекращена подача электропитания с момента воз-
никновения события.
В отличие от обсуждаемых нами в предыдущих разделах TID и DD, которые
носят кумулятивный (накопительный) характер и накапливаются с течением
времени, SEE могут возникать в микроэлектронных приборах стохастически
(случайно) в любой момент времени. SEE относятся к эффектам с коротким
временным откликом (<наносекунд), и только незначительная часть устрой-
ства, соответствующая месту попадания частицы, подвергается воздействию (~
несколько десятков нанометров).
Ниже следует перечень и краткое описание основных видов SEE [16, 17].
• Обратимые («мягкие») сбои (неразрушающие)
Одиночный сбой (SEU — single-event upset) — повреждение одного бита
памяти одиночной ионизирующей частицей. Также известен как мягкий
42 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
сбой. Корректное логическое значение, как правило, может быть восста-
новлено простой перезаписью бита.
Многократный сбой (MBU — multiple bit upset) — повреждение двух или
более соседних битов из-за прохождения одиночной частицы.
Переходная ионизационная реакция (SET — Single-event transient) — пе-
реходный ток /напряжение, индуцированные ионизирующей частицей
в комбинационной или аналоговой части схемы. Радиационно-индуци-
рованный переходный процесс может распространяться и фиксировать-
ся в элементе памяти, что приводит к мягким сбоям.
Функциональное прерывание (SEFI — Single event functional interrupt) —
нарушения в работе управляющего конечного автомата микросхемы, при-
водящие к функциональным прерываниям. В зависимости от типа преры-
вания SEFI можно устранить путем повтора операции, сбросом в исходное
состояние или выключением и повторным включением устройства.
• Необратимые («жесткие») отказы (разрушающие)
Пробой подзатворного диэлектрика (SEGR — Single event gate rupture) —
необратимый пробой подзатворного оксида, чаще всего возникающий
в мощных МОП-транзисторах.
Вторичный пробой (SEB — Single event burnout) — выгорание силового
прибора вследствие активации паразитных биполярных структур, воз-
никающее, например, в IGBT- и мощных МОП-транзисторах.
• Эффекты, которые могут быть как разрушающими, так и нет
Тиристорный эффект (SEL — Single event latch-up): радиационно-ин-
дуцированная активация паразитных биполярных структур, прису-
щих КМОП-структурам, которая приводит к резкому увеличению тока
питания.
Возникновение паразитного n-p-n-транзистора в n-канале (эффект вто-
ричного пробоя) (SES — Single event snapback): механизм положительной
обратной связи, поддерживаемый ударной ионизацией, протекающий
в приборах на основе КНИ-технологии (кремний на изоляторе).
Самой важной количественной характеристикой для SEE является частота
возникновения (т. е. сколько событий происходит за час/день/год) при опре-
деленных условиях. Для характеристики SEE без привязки к конкретным ус-
ловиям используется понятие сечения (σ), определяемое как количество на-
блюдаемых событий, поделенное на флюенс частиц, падающих на устройство.
Сечение представляет собой функцию линейной передачи энергии (ЛПЭ) пада-
ющей частицы, которая количественно характеризует потери энергии на еди-
ницу длины (т. е. способность частицы ионизировать материал, через который
она проходит). ЛПЭ, как правило, нормируется по плотности материала мише-
ни и измеряется в МэВ·мг−1·см2; σ увеличивается с ростом ЛПЭ и, как правило,
1.5. Одиночные радиационные эффекты 43
подчиняется кумулятивному распределению вероятности Вейбулла. Кривая
зависимости σ от ЛПЭ характеризуется двумя основными параметрами — по-
роговым ЛПЭ (т. е. минимальным значением ЛПЭ, способным генерировать
одиночные эффекты) и ЛПЭ насыщения (ЛПЭ, при котором сечение насыща-
ется). Пороговое ЛПЭ обычно связано с понятием критического заряда, то есть
минимальным объемом накопленного заряда в определенном узле схемы, не-
обходимого для возникновения события.
SEE могут быть сгенерированы не только посредством прямой ионизации
(например ТЗЧ), но и через косвенную ионизацию. Нейтроны и протоны, на-
пример, могут генерировать вторичные частицы через ядерные взаимодействия,
а уже эти частицы в свою очередь, — инициировать нежелательные эффекты.
В изделиях, изготовленных на основе последних технологий, наблюдается тен-
денция к снижению ЛПЭ частиц, способных генерировать SEE, также недавно
был зафиксирован SEU от прямой ионизации протоном. Ячейки и регистры ста-
тической памяти с произвольным доступом (SRAM — static random access memory)
в цифровых схемах являются наиболее чувствительными элементами памяти
к SEU- и MBU-эффектам. Ячейки динамической памяти с произвольным до-
ступом (DRAM — Dynamic random access memory) довольно устойчивы к сбоям
благодаря благоприятному влиянию эффекта масштабирования, за счет которо-
го уменьшилась площадь ячейки, с сохранением емкости при соответствующем
уровне. Ячейки с плавающим затвором в свое время считались невосприимчивы-
ми к SEE, но с недавних пор стали чувствительными в результате агрессивного
масштабирования. SET представляют проблему в схемах, работающих на гигагер-
цевых частотах, где высокая скорость тактовых сигналов существенно увеличи-
вает вероятность защелкивания радиационно-индуцированных переходных про-
цессов. SEFI встречаются во всех схемах (ПЛИС — программируемых логических
интегральных схемах, микроконтроллерах, флеш), кроме самых простых.
Ниже в качестве примера будут приведены эффекты SEU в SRAM.
1.5.1. Одиночные сбои (SEU) в ЗУ SRAM
В данном разделе мы рассмотрим один из самых распространенных видов
одиночных эффектов в ячейке запоминающего устройства (ЗУ) типа SRAM —
SEU [16–19]. SRAM строго подчиняются закону Мура и были взяты за основу
для изучения технологии на предмет чувствительности к мягким сбоям.
Как правило, чтобы спровоцировать сбой, заряд, сгенерированный ионизи-
рующей частицей, должен накопиться в чувствительной области схемы. Обрат-
носмещенные p-n-переходы относятся к числу наиболее эффективных областей
с точки зрения накопления заряда благодаря большой обедненной области и вы-
сокому электрическому полю. На рис. 1.9 схематически изображен сбой в ячейке
SRAM. Ионизирующая частица попадает в один из обратносмещенных стоковых
44 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
переходов, например в сток закрытого N-канального МОП-транзистора в паре
перекрестно-связанных инвертеров в ячейке (см. рис. 1.9). В результате гене-
рируются электронно-дырочные пары, которые накапливаются в обедненной
области стокового перехода. Это приводит к появлению переходного тока, про-
текающего через пораженный частицей p-n-переход, в то время как восстанав-
ливающий транзистор (открытая P-канальная МОП-структура в том же инвер-
торе) подает ток, пытаясь сбалансировать ток, индуцированный попаданием
частицы. Однако, т. к. восстанавливающая P-канальная МОП-структура имеет
ограничения по поддержанию тока и конечную проводимость канала, напря-
жение на пораженном частицей узле падает. Если напряжение опускается ниже
порога переключения и при этом падение длится достаточно долго, то обратная
связь заставляет ячейку изменить свое начальное логическое состояние, созда-
вая SEU (инверсию битов).
На появление SEU влияют многие факторы: перенос излучения через за-
дние слои до обратно-смещенного перехода, выделение и накопление заряда.
Помимо этого, первостепенное значение имеет отклик схемы.
Выделение заряда главным образом определяется ЛПЭ ионизирующей ча-
стицы (очевидно, что чем больше ЛПЭ, тем больше величина выделенного за-
ряда). На количество накопленного заряда влияет также угол падения ионов:
чем больше угол по отношению к нормальному падению, тем больше собран-
ный заряд. Эффективная ЛПЭ падающей частицы обратно пропорциональна
косинусу угла падения. Однако это справедливо только для достаточно тонких
чувствительных объемов.
Давайте подробнее обсудим сбор заряда. На рис. 1.10 схематически изо-
бражены изменения во времени в процессе генерации и сбора заряда в обрат-
носмещенном p-n-переходе. Сразу после попадания частицы создается трек
−−+ −+− −
++ +
VQ
VNQ
VDD GND
−
−− −
+++
+
VQ
VNQ
VQ
VNQ
a б в
Рис. 1.9. SEU в ячейке памяти SRAM: a) ТЗЧ попадает в сток закрытого
N-канального МОП-транзистора, б) накопление заряда и падение на-
пряжения на VQ, в) срабатывание механизма обратной связи и появле-
ние SEU
1.5. Одиночные радиационные эффекты 45
электронно-дырочных пар, проходящий через обедненную область (рис. 1.10а).
Электрическое поле разделяет пары e-h и приводит к появлению дрейфово-
го тока. Поскольку трек имеет высокую проводимость, он создает искажение
в контактной разности потенциалов, продлевая силовые линии вглубь под-
ложки (рис. 1.10б). Из-за формы силовых линий данное явление называется
эффектом «воронки». За счет этого явления увеличивается область, где из-за
дрейфа может собираться заряд, и тем самым повышаться чувствительность
к SEU. Однако эффект воронки играет значительную роль в сборе заряда только
в переходах с фиксированным смещением, оказывая при этом меньшее влияние
в схемах, где смещение перехода может меняться (например ячейках SRAM).
Наконец, когда первая фаза, в которой преобладает дрейф носителей в обеднен-
ной области, завершается, диффузия носителей вокруг перехода по-прежнему
поддерживает ток (хотя и меньшей величины) через пораженный узел. Факти-
чески заряд, находящийся от области дрейфа ближе, чем диффузионная длина,
может быть собран переходом (рис. 1.10в). Иными словами, после того как заряд
генерируется падающей частицей, дрейф и воронка определяют форму переход-
ного тока на начальном этапе, а более медленный процесс диффузии доминиру-
ет в реакции на поздних этапах.
Механизм сбора заряда может быть даже более сложным для глубоко мас-
штабированных схем. Эффект проникновения альфа-частиц в область между
стоком и истоком (ALPEN — alpha-particle source-drain penetration) может проис-
ходить из-за скользящего падения альфа-частиц в область стока и истока тран-
зистора. Это может вызвать помехи в потенциале канала и привести включению
выключенного устройства.
С уменьшением размера транзисторов паразитные биполярные эффекты
могут усиливать сбор заряда. Это происходит, когда электронно-дырочные
пары образуются внутри кармана ионизирующей частицей и потенциал само-
го кармана изменяется. Например, если N-канальный МОП-транзистор распо-
ложен в P-кармане внутри N-подложки, генерируемые носители заряда могут
VDD
p-Si
n+ −++− −++− −++− −++−
−++− −++− −++−
VDD
p-Si
n+
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
+ −
+
−
−
+ −−++
VDD
p-Si
n+
+
−
− +
+
−
−
− + +
a б в
Рис. 1.10. Схематическое изображение этапов процесса генерации (a) и сбора
(дрейф (б) и диффузия (в)) заряда после попадания иона в обратносме-
щенный p-n-переход
46 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
собираться как на переходе сток/карман, так и на переходе карман/подложка.
Переход исток/карман становится прямосмещенным благодаря диффундирую-
щим дыркам, которые повышают потенциал P-кармана. Биполярное усиление
происходит в паразитной биполярной структуре (исток является эмиттером,
карман — базой, сток — коллектором), увеличивая переходный ток в стоке и ве-
роятность возникновения SEU.
Заключительным элементом является отклик схемы. Чем быстрее время
срабатывания обратной связи в ячейке, тем короче длительность импульсов па-
разитного напряжения, способного инвертировать ячейку. Чем слабее восста-
навливающий P-канальный МОП-транзистор, тем больше амплитуда напря-
жения импульса, вызванного попаданием частицы. Другими словами, более
медленная ячейка и восстанавливающая P-канальная МОП-структура с высо-
кой проводимостью снижают устойчивость к SEU.
MBU-эффекты, то есть повреждение нескольких битов памяти одной ча-
стицей, представляют серьезную проблему, которую необходимо учитывать
при разработке схем коррекции ошибок и при масштабировании технологии
(что и без того является сложной задачей). По мере того как физические раз-
меры транзисторов уменьшаются до нескольких нанометров, размер облака
электронно-дырочных пар, созданного падающими ионами, становится срав-
нимым с размерами самого прибора или даже больше него. В результате много-
численные узлы одновременно вовлекаются в процесс сбора заряда, при этом
перераспределение заряда происходит между соседними узлами. Масштабиро-
вание привело к значительному увеличению многократных сбоев. На рис. 1.11
представлена частота мягких сбоев на бит (SER — soft error rate) и вероятность
MBU как функция от размера элемента схемы для SRAM, облученных атмо-
сферными нейтронами.
SER бита, a.u.
Вероятность MBU
1,000
0,100
0,010
0,001
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
180 нм
1,8 В
130 нм
1,5 В
90 нм
1,3 В
65 нм
1,2 В
45 нм
1,1 В
Рис. 1.11. SER бита и вероятность сбоев во множестве ячеек SRAM при попа-
дании атмосферных нейтронов. (На основе работ N. Seifert, B. Gill,
K. Foley, and P. Relangi, Proceedings of the IEEE International Reliability
Physics Symposium [IRPS], 2008, p.181)
Список литературы 47
Как видно из графика, для данного производителя SER снижается при
уменьшении топологического размера (несмотря на то что SER для всей систе-
мы остается более или менее постоянной из-за увеличивающегося количества
элементов памяти в микросхеме), в то время как вероятность MBU монотонно
возрастает (и это правило, справедливо для всех производителей).
Характерное сечение для ячеек SRAM при облучении нейтронами составля-
ет ~10−14 см2, что для города Нью-Йорка (NYC) соответствует частоте случайных
ошибок ~10−13 ошибка/бит/час и >3 · 10−11 ошибка/бит/час для высот функцио-
нирования коммерческих летательных аппаратов. В космосе частота ошибок
варьируется в значительной степени в зависимости от конкретного ЗУ, орбиты
и солнечного цикла.
1.6. Çàêëþ÷åíèå
Атмосферные нейтроны и альфа-частицы, выделяемые радиоактивными ве-
ществами, ставят под угрозу работу микросхем, функционирующих на уровне
моря. Бортовая радиоэлектронная аппаратура спутников и космических аппа-
ратов вынуждена функционировать в условиях сильного ионизирующего из-
лучения, источником которого служат радиационные пояса Земли, солнечная
активность и галактические космические лучи.
Радиационные эффекты в электронике подразделяются на «мягкие» — об-
ратимые сбои, при которых происходит потеря информации, но отсутствуют
необратимые повреждения, и на параметрические сдвиги и катастрофические
отказы. Их можно подразделить на следующие категории: эффекты накопле-
ния полной дозы ионизации, структурные повреждения и одиночные радиа-
ционные эффекты. Первые два класса относятся к кумулятивным и в основном
встречаются в неблагоприятных условиях внешних воздействующих факторов
естественного происхождения, например в космосе или при воздействии искус-
ственной радиации; SEE также могут встречаться на уровне моря. При разра-
ботке критически важных проектов необходимо в обязательном порядке учиты-
вать радиационные эффекты для обеспечения требуемых уровней надежности.
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. J. L. Barth, C. S. Dyer, and E. G. Stassinopoulos, Space, Atmospheric, and Terrestrial
Radiation Environments, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 466, June
2003.
2. R. C. Baumann, Radiation-Induced Soft Errors in Advanced Semiconductor Technologies,
IEEE Trans. Dev. Mat. Rel. Vol. 5, No. 3, p. 305, Sept. 2005.
48 Глава 1. Введение в радиационные эффекты в электронике
3. JEDEC standard JESD-89A, available online at http://www.jedec.org/download/
search=JESD89A.pdf.
4. http://seutest.com/cgi-bin/FluxCalculator.cgi.
5. B. D. Sierawski, B. Bhuva, R. Reed, K. Ishida, N. Tam, A. Hillier, B. Narasimham,
M. Trinczek, E. Blackmore, W. Shi-Jie, and R. Wong, Bias Dependence of Muon-
Induced Single Event Upsets in 28 nm Static Random Access Memories, IEEE International
Reliability Physics Symposium 2014, pp. 2B.2.1–2B.2.5.
6. O. Flament, J. Baggio, S. Bazzoli, S. Girard, J. Raimbourg, J. E. Sauvestre, and
J. L. Leray, Challenges for Embedded Electronics in Systems Used in Future Facilities
Dedicated to International Physics Programs, Advancements in Nuclear Instrumentation
Measurement Methods and their Applications (ANIMMA), 2009,
p. 1.
7. M. Bagatin, A. Coniglio, M. D’Arienzo, A. De Lorenzi, S. Gerardin, A. Paccagnella,
R. Pasqualotto, S. Peruzzo, and S. Sandri, Radiation Environment in the
ITER Neutral Beam Injector Prototype, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 59. No. 4,
p. 1099, June 2012.
8. T. R. Oldham and F. B. McLean, Total Ionizing Dose Eff ects in MOS Oxides and
Devices, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50, No. 3, p. 483, June 2003.
9. J. R. Schwank, M. R. Shaneyfelt, D. M. Fleetwood, J. A. Felix, P. E. Dodd, P. Paillet,
and V. Ferlet-Cavrois, Radiation Eff ects in MOS Oxides, IEEE Trans. Nucl.
Sci. Vol. 55. No. 4, p. 1833, Aug. 2008.
10. H. L. Hughes and J. M. Benedetto, Radiation Eff ects and Hardening of MOS Technology:
Devices and Circuits, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 500, June
2003.
11. P. E. Dodd, M. R. Shaneyfelt, J. R. Schwank, and J. A. Felix, Current and Future
Challenges in Radiation Eff ects on CMOS Electronics, IEEE Trans. Nucl. Sci.
Vol. 57. No. 4, p. 1747, Aug. 2010.
12. R. L. Pease, Total Ionizing Dose Eff ects in Bipolar Devices and Circuits, IEEE
Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 539, June 2003.
13. R. D. Schrimpf, Gain Degradation and Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity
in Bipolar Junction Transistors, Int. J. High Speed Electron. Syst. Vol. 14, p. 503,
2004.
14. J. R. Srour, C. J. Marshall, and P. W. Marshall, Review of Displacement Damage
Eff ects in Silicon Devices, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50. No. 3, p. 653 June 2003.
15. J. C. Pickel, A. H. Kalma, G. R. Hopkinson, and C. J. Marshall, Radiation Eff ects
on Photonic Imagers—A Historical Perspective, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50.
No. 3, p. 671, June 2003.
16. P. E. Dodd and L. W. Massengill, Basic Mechanisms and Modeling of Single-Event
Upset in Digital Microelectronics, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 50, pp. 583–602,
2003.
Список литературы 49
17. D. Munteanu and J.-L. Autran, Modeling and Simulation of Single-Event Eff ects
in Digital Devices and ICs, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 55. No. 4, Aug. 2008.
18. K. P. Rodbell, D. F. Heidel, H. H. K. Tang, M. S. Gordon, P. Oldiges, and
C. E. Murray, Low-Energy Proton-Induced Single-Event-Upsets in 65 nm Node,
Silicon-on-Insulator, Latches and Memory Cells, IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 54.
No. 6, p. 2474, 2007.
19. N. Seifert, B. Gill, K. Foley and P. Relangi, Multi-Cell Upset Probabilities of 45 nm
High-k + Metal Gate SRAM Devices in Terrestrial and Space Environments, Proceedings
of the IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), 2008,
p. 181.
ÃËÀÂÀ 2
ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÕ
ÝÔÔÅÊÒÎÂ
ÌÅÒÎÄÎÌ
ÌÎÍÒÅ-ÊÀÐËÎ
Мелани Райн
2.1. Ââåäåíèå
Разработка методов Монте-Карло для моделирования радиационного перено-
са изначально началась в Лос-Аламосе сразу после окончания Второй мировой
войны в рамках Манхэттенского проекта [1]. Появление этих методов тесно
связано с первыми цифровыми компьютерами, без которых они, скорее всего,
оставались бы чистой теорией без всякого применения. С тех пор методы Мон-
те-Карло систематически используются для моделирования воздействия ради-
ации на полупроводниковые приборы. В частности, эти методы идеально под-
ходят для моделирования одиночных радиационных эффектов, обнаруженных
во второй половине 1970-х годов [2].
Помимо объяснения теоретических основ этих вычислительных методов
целью этой главы является установление границ применимости моделирова-
ния Монте-Карло для конкретных видов радиационных воздействий на полу-
проводниковые устройства. С помощью анализа того, как работает этот метод,
мы установим границы его применимости при исследовании радиационных
воздействий на электронику, а также определим, какие именно воздействия
наилучшим образом описываются с помощью моделирования Монте-Карло.
Краткая историческая справка укажет на истоки метода Монте-Карло.
Мы приведем описание этого метода, прежде чем определить, чего можно до-
стигнуть с помощью этого метода для анализа воздействия радиации на элек-
тронику и какие ограничения следует при этом учитывать. И, наконец, будут
представлены некоторые примеры моделирования методом Монте-Карло пере-
носа излучения и его воздействия на электронные устройства.