Беляева Т.П.
Воронежская государственная лесотехническая академия,
Россия
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.