МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 4, с. 243-247
ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ И ИМПУЛЬСНОЙ ГАММА-УСТАНОВОК ПРИ ОЦЕНКЕ ПАРАМЕТРОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ БИС К ЭФФЕКТАМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
© 2012 г. А. И. Чумаков, А. Л. Васильев, А. А. Печенкин, Д. В. Савченков,
А. С. Тарараксин, А. В. Яненко
ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: Aichum@spels.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Представлены результаты расчетно-экспериментальных оценок эквивалентных значений линейных потерь энергии (ЛПЭ) тяжелых заряженных частиц по чувствительности БИС к одиночным радиационным эффектам с использованием методики локального лазерного облучения. В работе обоснована возможность пересчета энергии лазерного излучения в эквивалентные значения ЛПЭ с использованием результатов измерений ионизационного отклика на импульсных гамма-установках. В предлагаемой методике устранены погрешности, обусловленные неопределенностью электрофизических характеристик полупроводниковых структур.
1. ВВЕДЕНИЕ
Применение высокоинтегрированных изделий микроэлектроники в радиоэлектронной аппаратуре космических аппаратов делает крайне актуальной задачу по оценке их стойкости к эффектам воздействия отдельных заряженных частиц (ОЗЧ) — высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц [1—3]. Возникающие одиночные радиационные эффекты типа сбоев или отказов, несмотря на относительно невысокую вероятность появления в реальных условиях эксплуатации, тем не менее, в ряде случаев приводят к функциональным отказам работы всего космического аппарата.
Обычно минимальный набор параметров чувствительности для каждого типа локального радиационного эффекта в большой интегральной схеме (БИС) включает в себя такие параметры, как сечение насыщения и пороговые значения
где — значение энергии лазерного излучения для возникновения эффекта, приведенное к сфокусированному значению; 1и — энергия лазерного излучения при измерении амплитуды ионизационной реакции в цепи питания Дитах на токо-съемном резисторе Я; С = Сп + С1 — величина сум-
линейных потерь энергии (ЛПЭ). Традиционные методы оценки параметров чувствительности базируются на проведении испытаний на ускорителях ионов или протонов [1—3]. Вместе с тем, эти методы трудоемки, дорогостоящи и не позволяют в силу стохастической природы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом целенаправленно исследовать отдельные фрагменты БИС. Альтернативой являются методы, основанные на применении сфокусированного лазерного излучения [4—6]. Однако из-за неопределенности в электрофизических параметрах полупроводниковых структур (в частности, типа проводимости подложки БИС) погрешность оценки эквивалентных значений линейных потерь энергии может достигать 40%.
Действительно, оценка эквивалентных значений ЛПЭ может быть приведена с помощью следующего соотношения [7]:
(1)
марной емкости, Спп — величина эквивалентной внутренней емкости БИС; С1 — эквивалентная емкость внешних измерительных цепей; Я, — величина токосъемного резистора, Яп — величина эквивалентного внутреннего сопротивления ИС;
К'т — коэффициент потерь лазерного излучения
Lz » 9.1 X 109 J-0.CAUmax L + Rin j Km , [МэВ см2/мг],
J и Lo mov \ Rt У
на оптических неоднородностях при измерении ионизационной реакции в цепи питания; Кт — коэффициент потерь лазерного излучения на оптических неоднородностях при оценке ЛПЭ Кт ~ «Кт при измерении в одной и той же чувствительной области; Ье тах — максимальное значение эффективной длины собирания носителей заряда.
Именно неопределенности в величине Ье тах дают основную погрешность при оценке эффективных значений ЛПЭ. Действительно, из представленных в работе [7] результатов следует, что при неопределенности типа подложки (и- или р-типа) различия в величине Ье тах составляют величину равную отношение коэффициентов диффузии:
), (2)
где Б„, Бр — коэффициенты диффузии для подложки и- и р-типов. Вторая существенная погрешность связана с возможностью применения эпитаксиальных слоев или тонкопленочных структур, например, в КНИ БИС. Естественно возникает вопрос о возможности повышения точности оценок ЛПЭ.
2. ИОНИЗАЦИОННАЯ РЕАКЦИЯ БИС
Результаты предыдущего анализа выявили [7], что ионизационная реакция в БИС формируется как интегрированная реакция большой совокупности множества р—и переходов, которую без существенной потери точности можно промоделировать одним большимр—и переходом. Поэто-
му при локальном воздействии импульсным ионизирующим излучением можем записать:
M(t) » qg0PgAgLg(t), (3)
где Л! — ионизационный ток в цепи питания; go — скорость генерации носителей заряда в кремнии; q — заряд электрона; Pg — мощность дозы импульсного ионизирующего излучения; Ag — площадь кристалла БИС, находящаяся под облучением (Ag ~ Абис при площади облучения больше площади кристалла БИС — АБИС); Lg(t) — значение эффективной длины собирания носителей заряда из подложки; t — текущее время.
В линейном приближении ток в цепи питания определяется процессами собирания заряда с подложки, и его амлитудно-временные характеристики зависят от длительности импульса ионизирующего излучения и от площади зоны облучения. Если происходит облучение всей микросхемы, то при оценках надо использовать несколько уменьшенную площадь кристалла БИС. Действительно, по краям кристалла, как правило, находятся контактные площадки, которые не дают заметного вклада в ионизационный отклик. Учесть их влияние можно вычитанием из общей площади кристалла величины, равной периметру кристалла, умноженного на толщину пассивной области (около 30—50 мкм).
За счет интегрирования на внутренних и внешних инерционностях БИС форма ионизационной реакции на токосъемном резисторе не соответствует временной зависимости импульса ионизационного тока:
AUg (t)
RR-RDgg0qCLL_g(t)Ag exp(-t/RCg),
Ki„ + R, C g
(4)
где — суммарная доза за импульс ионизирующего излучения; С& — эффективная емкость; Ье^(1) — эффективная длина собирания заряда при формировании ионизационной реакции.
Аналогичное соотношение может быть записано и при оценке ионизационной реакции в случае локального лазерного воздействия на кристалл БИС [7]:
AU (t) » 10\go(1 - R})
R_Ju ao Si 1
'X Rin + RtCiKi hvp e _1
Le _, (t) exp (-tRC ),
(5)
где а0 — коэффициент межзонного поглощения лазерного излучения; /и — энергия лазерного излучения; Ях — коэффициент отражения от поверхности ИС; р — плотность полупроводника; £/ — энергия образования одной электронно-дырочной пары (3.6 эВ в кремнии); Ьу — энергия кванта лазерного излучения; Ье ¡(1) — эффективная длина собирания заряда при формировании
ионизационной реакции в случае локального лазерного облучения.
Очевидно, что в общем случае зависимости Ье^(1) и Ье ¡(1) различаются между собой, в первую очередь, из-за разных амплитудно-временных характеристик импульсов воздействия. Однако эти различия могут быть устранены при полном интегрировании заряда, т.е. использования больших
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ И ИМПУЛЬСНОИ ГАММА-УСТАНОВОК
245
величин резисторов и емкостей во внешней измерительной цепи.
Ограничения на величины используемых резисторов и конденсаторов легко могут быть получены из анализа особенностей формирования ионизационного тока. При относительно коротких импульсах воздействия (менее 10—50 нс) самая большая временная составляющая обусловлена временем жизни неосновных носителей заряда в подложке, величина которой может достигать нескольких микросекунд. Поэтому постоянная интегрирования должна быть, по крайней мере, больше 10 микросекунд.
Анализ показывает, что в современных БИС с площадью кристалла около 1 см2 типовое значение эффективной емкости составляет величину около 10 нФ. Поэтому эффективная емкость не может быть меньше этой величины. В принципе значение этой емкости можно увеличивать, что приведет к уменьшению амплитуды регистриру-
емого сигнала, но этот путь не является оптимальным.
Более рационально применение "токосъем-ных" низкоиндуктивных резисторов с большими номиналами (несколько кОм). При этом необходимо только обеспечить, чтобы ионизационная реакция формировалась в линейной области, т.е. ее амплитуда не должна превышать величину порядка 100 мВ.
3. ОЦЕНКА ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЛПЭ
Если обеспечивается полное интегрирование ионизационного заряда, можем записать, что Le_g max = Lel max. С учетом этого условия и соотношений (1), (4) и (5) выражение для оценки эквивалентного значения ЛПЭ запишется в следующем виде:
LET = 6.25 х 104DaA —оКШ-AE]>mCL, ГмэВ см2/мг~|, (6)
a g - K AU C Г 1
J u лт Liu a W
где Диы — амплитуда напряжения на интеграторе при лазерном облучении; Диа — амплитуда напряжения на интеграторе при импульсном воздействии ионизирующего излучения. Таким образом, по сравнению с методикой, основанной на соотношении (1) в этом случае необходимо еще провести дополнительную регистрацию амплитуды ионизационной реакции на импульсной установке. Очевидно, что измерения амплитуд при
импульсных воздействиях на лазерной и моделирующей установках необходимо делать в одной оснастке, чтобы убрать неопределенность в значениях емкостей и различиях в измерительных цепях.
Более точный анализ с учетом возможного затухания лазерного излучения в подложке и наличия тонкопленочных структур приводит к следующему соотношению
LET = 6.25 х 104DaA —оКжAUnCLL
—u Km A Ua Ca Ws [1 - exp (-a 0Le _ max )]
[1 - exp (-a0WS)] Глт r. 2/ и
1-P—0 s'\ , |МэВсм/мг|,
-pvni-rv T M L ' J'
(7)
где Ж — толщина чувствительной области, Ье тах — максимальное значение эффективной длины собирания.
Таким образом, если используется лазерное излучение, обеспечивающее относительно равномерное поглощение на глубине нескольких десятков микрометров, или используются БИС с тонкопленочными областями (менее 0.5 мкм), можно использовать соотношение (6). В других случаях необходимо применить более общее соотношение (7).
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспериментальные исследования проводились с приме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.