Для повышения оперативности разработки изделий электронной техники и оценки их стойкости к проникающей радиации применяют моделирование процессов взаимодействия заряженных частиц с кристаллами интегральных структур. С помощью компьютерного моделирования можно определить ионизационные потери энергии при взаимодействии одиночных заряженных частиц с кристаллом микросхемы [2-4].
В работе моделирование взаимодействия протонов и ионов железа в диапазоне энергий 1–100 МэВ со структурами кристалла логической микросхемы, выполненной по технологии транзисторно-транзисторной логики с диодами Шоттки (ТТЛШ) (рис. 1), проведено с применением версии SRIM 2013 компьютерной программы TRIM [5].
а) 
б)
Рис. 1. Фрагмент топологии кристалла (стрелками показаны области со структурами SiO2-Si и Al-Si) и схематическое изображение исследуемых структур
Время нарастания тока определяется временем прохождения иона вдоль трека. Скорость движения протона и иона железа в структуре определяли с учетом их первоначальной энергии, затем вычисляли максимальный ток, возникающий в структуре микросхемы при прохождении ионизирующей частицы.
Исследовались две типовые структуры, представленные на рисунке 1:
1) структура, состоящая из слоя металлизации (Al), эпитаксиальной пленки и скрытого слоя кристалла микросхемы, имитирующая попадание частицы в область контакта (рис. 1, а);
2) структура, состоящая из слоя диоксида кремния, эпитаксиальной пленки и скрытого слоя кристалла микросхемы, имитирующая попадание частицы в активную область элемента микросхемы вне области контакта, занятой металлизацией (рис. 1, б).
На рисунке 2 представлены треки, ионизационные потери энергии и трехмерный профиль распределения потерь энергии на ионизацию для протонов с энергией 1 и 100 МэВ в структуре SiO2–Si. Аналогичные зависимости для ионов железа с энергией 30 и 100 МэВ при взаимодействии со структурой Al–Si представлены на рисунке 3.
Расчеты показывают, что характер взаимодействия протонов с двумя типами структур практически идентичен, и основной вид потерь энергии частицы приходится на ионизацию. Выделение энергии при бомбардировке структур протонами с энергией 1 МэВ происходит в основном в эпитаксиальной пленке и скрытом слое структуры с максимумом распределения вблизи нижней границы скрытого слоя (средний пробег протона в структуре около 14,5 мкм). Для протонов с энергиями 30 МэВ и 100 МэВ пробег значительно превышает толщину рассматриваемой области, и ионизационные потери энергии распределяются практически равномерно по всей толщине эпитаксиальной пленки и скрытому слою.
Вследствие большой атомной массы иона Fe+ поглощение ионов происходит в объеме эпитаксиальной пленки и скрытого слоя структуры, причем для ионов Fe+ с энергией 1 МэВ потери энергии наблюдаются либо непосредственно в слое Al, либо вблизи границы раздела SiO2–Si. При взаимодействии ионов железа с энергиями 30 МэВ и 100 МэВ потери энергии на ионизацию значительны. Это обстоятельство может быть решающим фактором в возникновении сбоев при функционировании интегральной микросхемы. Расчеты показывают, что 99,9 % потерь энергии ионов приходится на ионизацию в слоях структуры для рассмотренных случаев.
|
|
|
|
|
а1 |
б1 |
в1 |
|
|
|
|
|
а2 |
б2 |
в2 |
Рис. 2. Треки (а), ионизационные потери частиц (б) и трехмерный профиль ионизационных потерь энергии (в) для протонов в структуре SiO2–Si для энергий 1 МэВ (1) и 100 МэВ (2)
По результатам моделирования процессов взаимодействия ионов с исследуемыми структурами можно вычислить число электронно-дырочных пар, которые образуются в активной области элементов кристалла микросхемы [1], и, следовательно, можно оценить величину суммарного избыточного заряда, поступающего в активную область транзисторов.
Определено, что наиболее критичные режимы, которые возникают при взаимодействии одиночных частиц, соответствуют бомбардировке протона с энергией 1 МэВ и иону железа с энергией 100 МэВ. Поэтому в дальнейших расчетах определялись параметры импульсов тока, соответствующих этим режимам.
|
|
|
|
|
а1 |
б1 |
в1 |
|
|
|
|
|
а2 |
б2 |
в2 |
Рис. 3.Треки (а), ионизационные потери частиц (б) и трехмерный профиль ионизационных потерь энергии (в) для ионов железа в структуре Al –Si для энергий 30 МэВ(1) и 100 МэВ (2)
Из результатов расчетов скорости частиц и времени нарастания импульса тока (табл. 1) видно, что ионизация области глубиной 12–15 мкм от поверхности кристалла наиболее критична при взаимодействии ионизирующей частицы с кристаллом. Электрическая схема логического элемента для моделирования в программе Micro-Cap 9.0.6.1 представлена на рисунке 4.
Таблица 1
Скорость движения частиц в структуре кристалла и время нарастания импульса тока
|
Тип иона |
Энергия иона, МэВ |
Скорость движения иона, м/с |
Время нарастания импульса тока, с |
Максимальное значение импульса тока, А |
|
Н+ |
1 |
1,4 107 |
1,08 10-12 |
0,029 |
|
Н+ |
30 |
7,6 107 |
1,98 10-13 |
0,042 |
|
Н+ |
100 |
1,4 108 |
1,08 10-13 |
3,15 |
|
Fe+ |
1 |
1,85 106 |
3,24 10-13 |
0,09 |
|
Fe+ |
30 |
1,01 107 |
8,2 10-13 |
8,1 |
|
Fe+ |
100 |
1,9 107 |
8,1 10-13 |
19,8 |
В процессе моделирования входной сигнал в виде меандра подавался от источника напряжения V2. Источник питания V1 — напряжение величиной 5,5 В. Резистор R5 выполняет функцию нагрузки логического элемента.
Рис. 4. Электрическая схема логического элемента
Осциллограммы входного и выходного сигналов в процессе моделирования электрической схемы логического элемента без воздействия ионизирующих частиц типичны для работы биполярного логического элемента. Уровни выходного сигнала соответствовали уровням ТТЛШ логики и сбоев в функционировании элемента не наблюдается.
Результаты моделирования показали, что для всех типов ионов в исследованном диапазоне энергий попадание частицы в карманы кристалла, содержащего резисторы, сбоя в работе микросхемы не вызывают.
При попадании ионизирующей частицы в коллекторные области транзисторов или в области диодов Шоттки сбой (рис. 5) в работе логического элемента наблюдается в случае превышения суммарного ионизационного тока величины 50 мА, что соответствует воздействию одиночного протона с энергией 30 МэВ. Воздействие низкоэнергетичных частиц сбоя в работе микросхемы не вызывает.
Рис. 5. Сбой в работе логического элемента микросхемы при попадании протона с энергией 100 МэВ в коллекторную область транзистора: а) – входной сигнал; б) – выходной сигнал; в) – напряжение на коллекторе Т2
Влияние корпуса микросхемы на характер взаимодействия заряженных частиц с кристаллом ИС учитывают путем добавления в структуру слоя никеля толщиной 200 мкм, имитирующего крышку металлокерамического корпуса микросхемы.
Моделирование процесса взаимодействия заряженных частиц со структурой, включающей корпус микросхемы, показало, что ионы с атомной массой больше протона и энергией менее 100 МэВ полностью поглощаются крышкой корпуса микросхемы.
Рецензенты:
Саркаров Т.Э., д.т.н., профессор каф. теоретической и общей электротехники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», г. Махачкала;
Мелехин В.Б., д.т.н., профессор, зав. каф. вычислительной техники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», г. Махачкала.