Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Беляева Т.П.

Воронежская государственная лесотехническая академия, Россия

Проблемы и задачи прогнозирования  радиационных эффектов воздействия ТЗЧ при проектировании СБИС

При проектировании микросхем, которые используются в космических летательных аппаратах, одной из основных задач является обеспечение стойкости к воздействию тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического пространства (КП). Для современных СБИС с высокой степенью интеграции достаточно попадания одной такой частицы в чувствительный объем прибора, чтобы произошел сбой в его функционировании. Задача прогнозирования частоты возникновения одиночных сбоев и отказов, вызванных попаданием ТЗЧ КП, представляется достаточно сложной, поскольку реальная радиационная обстановка КП характеризуется весьма широким набором видов ТЗЧ и значений их энергии, а также наличием высокоэнергетических протонов, которые способны вызывать одиночные сбои различного характера. Кроме того, потоки протонов и ТЗЧ характеризуются изотропным угловым распределением.

Наиболее общий подход к прогнозированию чувствительности БИС к одиночным сбоям заключается в том, что вблизи элементарной ячейки БИС, подверженной сбоям, выделяется так называемый чувствительный объем (как правило, в виде прямоугольного параллелепипеда), при поглощении в котором энергии ТЗЧ, превышающей критическое значение, происходит сбой в работе прибора.

При выборе физической модели для прогнозирования чувствительности к одиночным сбоям основное значение имеет определение доминирующих процессов сбора заряда из трека ТЗЧ в чувствительном объеме прибора [3]. Обычно в качестве чувствительного объема выступает область пространственного заряда (ОПЗ) обратно смещенного p-n перехода. Во многих работах отмечалось, что величина собранного заряда из трека, при прямом попадании ТЗЧ в ОПЗ, может значительно возрастать за счет эффекта воронки, когда реализуется дрейфовый механизм сбора заряда из трека ТЗЧ. Однако, в последнее время ученые приходят к заключению, что диффузия является доминирующим процессом в сборе заряда из трека ТЗЧ [1, 2]: носители заряда, генерируемые вне ОПЗ, диффундируют к её границе и дают вклад в суммарный собранный заряд. В зависимости от того, на каком удалении от ОПЗ располагается ионный трек, при неизменном значении линейных потерь энергии (ЛПЭ) падающих ТЗЧ, величина собранного заряда будет меняться. Это, в конечном итоге, приводит к тому, что зависимость сечения сбоев от ЛПЭ имеет вид плавно нарастающей функции, для аналитического описания которой часто используется аппроксимация распределением Вейбулла.

Задачи моделирования сбора заряда из трека ТЗЧ являются принципиально трёхмерными, и их решение представляется весьма сложным (в силу таких факторов, как сложность конструкции прибора, для которого проводится моделирование, случайность расположения трека ТЗЧ, изотропная геометрия облучения прибора в реальных условиях КП и др.). Как правило, решение задач подобного рода осуществляется с использованием специализированных САПР и, даже в этих случаях, используются различные допущения и приближения, существенно упрощающие решение поставленной задачи.

В разработанной модели [2]  был предложен упрощенный метод моделирования процессов сбора заряда из трека ТЗЧ для прогнозирования характеристик чувствительности БИС к одиночным радиационным эффектам. Целью расчетов явилось определение порогового значения ЛПЭ ТЗЧ, при котором наблюдаются одиночные сбои.

Результатом реализации предлагаемого метода стала оценка порогового значения ЛПЭ ТЗЧ и сечения насыщения для одиночных сбоев. Полученное пороговое значение ЛПЭ соответствует случаю нормального падения ТЗЧ на кристалл БИС. Аналогичные характеристики, как правило, получаются и в экспериментах на ускорителях тяжелых ионов. Для восстановления зависимости сечения сбоев от ЛПЭ можно применить аппроксимацию распределением Вейбулла с использованием полученных значений пороговых ЛПЭ и сечения насыщения.

Основным преимуществом предлагаемого метода прогнозирования характеристик чувствительности БИС к одиночным сбоям при воздействии ТЗЧ является то, что оценка этих характеристик получается практически на основе рассмотрения только диффузионных механизмов переноса заряда. Реальный учет дрейфовой компоненты в уравнениях непрерывности для неравновесных носителей заряда представляется весьма сложным, поскольку современные БИС имеют очень сложную конструкцию, включающую большое количество контактов, p-n-переходов, границ раздела и т.п. и в процессе воздействия ТЗЧ микросхемы могут находиться в динамическом режиме. В результате точное описание распределения электрического потенциала по объему кристалла БИС представляет собой очень сложную задачу.

Литература:

1. Конарев, М.В. Методы создания неисправных библиотечных элементов на функционально-логическом уровне вследствие радиационного воздействия [Текст]  М.В. Конарев, К.В. Зольников, Т.П. Беляева / «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2011»: научно-технический сборник. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – с. 81 – 82.

2. Зольников, К.В. Модель радиационных эффектов воздействия тяжелых заряженных частиц в КМОП-элементах микросхем [Текст] К.В. Зольников, К.И. Таперо, В.А. Смерек, Т.П. Беляева / Программные продукты и системы: научно-практическое издание, № 3 (95), НИИ «Центрпрограммсистем». – Тверь, 2011. – с. – 17 – 21.

3. Смерек, В.К. Модель физических процессов в элементах СБИС при воздействии тяжелых заряженных частиц [Текст]  В.К. Смерек, В.К. Зольников, К.И. Таперо / Моделирование систем и процессов: научно-технический журнал выпуск 1-2, ГОУ ВПО ВГЛТА. – Воронеж, 2010.– с. 41 – 48.