Радиационная закалка — это процесс придания электронных компонентов и схем устойчивости к повреждениям или сбоям, вызванным высокими уровнями ионизирующего излучения ( излучение частиц и электромагнитное излучение высокой энергии ), [1] особенно для сред в космическом пространстве (особенно за пределами низкой околоземной орбиты) . ), вокруг ядерных реакторов и ускорителей частиц , а также во время ядерных аварий или ядерной войны .
Большинство полупроводниковых электронных компонентов подвержены радиационному повреждению, а радиационно-стойкие ( радиационно-стойкие ) компоненты основаны на их незакаленных эквивалентах с некоторыми конструктивными и производственными вариациями, которые снижают восприимчивость к радиационному повреждению. Из-за обширных разработок и испытаний, необходимых для создания радиационно-устойчивой конструкции микроэлектронного чипа, технология радиационно-стойких чипов имеет тенденцию отставать от самых последних разработок.
Радиационно-стойкие продукты обычно подвергаются одному или нескольким тестам на результирующие эффекты, включая общую ионизирующую дозу (TID), эффекты повышенной мощности низкой дозы (ELDRS), повреждение нейтронным и протонным смещением и эффекты одиночного события (SEE).
Среда с высоким уровнем ионизирующего излучения создает особые проблемы при проектировании. Одна заряженная частица может выбить тысячи электронов , вызывая электронный шум и всплески сигнала . В случае цифровых схем это может привести к неточным или непонятным результатам. Это особенно серьезная проблема при проектировании спутников , космических кораблей , будущих квантовых компьютеров , [2] [3] [4] военных самолетов , атомных электростанций и ядерного оружия . Чтобы обеспечить правильную работу таких систем, производители интегральных схем и датчиков, предназначенных для военного или аэрокосмического рынка, используют различные методы радиационной защиты. Полученные в результате системы называются радиационно-защищенными , радиационно-стойкими или (в зависимости от контекста) защищенными .
Типичными источниками воздействия ионизирующего излучения на электронику являются радиационные пояса Ван Аллена для спутников, ядерные реакторы на электростанциях для датчиков и цепей управления, ускорители частиц для управляющей электроники, особенно устройства обнаружения частиц , остаточное излучение изотопов в материалах упаковки чипов , космическое излучение. для космических кораблей и высотных самолетов, а также ядерные взрывы для потенциально всей военной и гражданской электроники.
Имеют место два фундаментальных механизма повреждения:
Смещение решетки вызывают нейтроны , протоны, альфа-частицы, тяжелые ионы и гамма-фотоны очень высоких энергий . Они изменяют расположение атомов в кристаллической решетке , создавая стойкие повреждения и увеличивая количество центров рекомбинации , обедняя неосновные носители и ухудшая аналоговые свойства затронутых полупроводниковых переходов . Как ни странно, более высокие дозы в течение короткого времени вызывают частичный отжиг («заживление») поврежденной решетки, что приводит к более низкой степени повреждения, чем при воздействии тех же доз с низкой интенсивностью в течение длительного времени (LDR или низкая мощность дозы). Этот тип проблемы особенно важен для биполярных транзисторов , которые зависят от неосновных носителей в своих базовых областях; увеличенные потери, вызванные рекомбинацией, приводят к потере коэффициента усиления транзистора (см. Нейтронные эффекты ). Компоненты, сертифицированные как ELDRS (повышенная чувствительность к низкой мощности дозы), не обнаруживают повреждений при потоках ниже 0,01 рад(Si)/с = 36 рад(Si)/ч.
Эффекты ионизации вызываются заряженными частицами, в том числе с энергией, слишком низкой, чтобы вызвать эффекты решетки. Эффекты ионизации обычно кратковременны, создавая сбои и мягкие ошибки, но могут привести к разрушению устройства, если они запускают другие механизмы повреждения (например, защелку ). К этой же категории может относиться и фототок , вызванный ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Постепенное накопление дырок в оксидном слое в МОП- транзисторах приводит к ухудшению их работоспособности, вплоть до выхода устройства из строя при достаточно высокой дозе (см. Эффекты полной ионизирующей дозы ).
Эффекты могут сильно различаться в зависимости от всех параметров – типа излучения, общей дозы и радиационного потока, комбинации типов излучения и даже типа нагрузки устройства (рабочая частота, рабочее напряжение, фактическое состояние транзистора в момент его срабатывания). в него попадает частица) – что затрудняет тщательное тестирование, отнимает много времени и требует большого количества тестовых образцов.
Эффекты «конечного пользователя» можно охарактеризовать несколькими группами:
Нейтрон, взаимодействуя с решеткой полупроводника, вытеснит его атомы. Это приводит к увеличению количества центров рекомбинации и дефектов глубокого уровня , уменьшая время жизни неосновных носителей, что влияет на биполярные устройства больше, чем на КМОП . Биполярные устройства на кремнии имеют тенденцию демонстрировать изменения электрических параметров на уровне от 10 10 до 10 11 нейтронов/см 2 , КМОП-устройства не подвержены влиянию до 10 15 нейтронов/см 2 . Чувствительность устройств может повышаться вместе с увеличением уровня интеграции и уменьшением размеров отдельных структур. Существует также риск наведенной радиоактивности, вызванной нейтронной активацией , которая является основным источником шума в астрофизических приборах высоких энергий . Наведенное излучение вместе с остаточным излучением примесей в использованных материалах может вызвать всевозможные единичные проблемы в течение срока службы устройства. Светодиоды GaAs , распространенные в оптопарах , очень чувствительны к нейтронам. Повреждение решетки влияет на частоту кварцевых генераторов . Сюда же относятся и кинетические энергетические эффекты (а именно смещение решетки) заряженных частиц.
Кумулятивное повреждение решетки полупроводника ( повреждение смещения решетки ), вызванное ионизирующим излучением в течение времени воздействия. Он измеряется в радах и вызывает постепенное снижение производительности устройства. Общая доза, превышающая 5000 рад, поступившая на кремниевые устройства за секунды или минуты, приведет к долговременной деградации. В КМОП-устройствах излучение создает электронно-дырочные пары в изоляционных слоях затвора, которые вызывают фототоки во время их рекомбинации, а дырки, запертые в дефектах решетки в изоляторе, создают стойкое смещение затвора и влияют на пороговое напряжение транзисторов , делая MOSFET-транзисторы N-типа легче включать, а P-типа сложнее. Накопленный заряд может быть достаточно высоким, чтобы транзисторы оставались постоянно открытыми (или закрытыми), что приводит к выходу устройства из строя. Со временем происходит некоторое самовосстановление, но этот эффект не слишком значителен. Этот эффект аналогичен деградации горячих носителей в высокоскоростной электронике с высокой степенью интеграции. Кварцевые генераторы в некоторой степени чувствительны к дозам радиации, которые изменяют их частоту. Чувствительность можно значительно снизить, используя качающийся кварц . Кристаллы природного кварца особенно чувствительны. Кривые радиационной эффективности для испытаний TID могут быть построены для всех процедур испытаний на результирующие эффекты. Эти кривые показывают тенденции производительности на протяжении всего процесса испытаний TID и включаются в отчет о радиационных испытаниях.
Кратковременный импульс излучения высокой интенсивности, обычно возникающий во время ядерного взрыва. Высокий поток излучения создает фототоки во всем теле полупроводника, заставляя транзисторы беспорядочно открываться, изменяя логические состояния триггеров и ячеек памяти . Необратимое повреждение может произойти, если продолжительность импульса слишком велика или если импульс вызывает повреждение перехода или защелкивание. Защелки обычно вызываются рентгеновскими лучами и вспышкой гамма-излучения при ядерном взрыве. Кристаллические генераторы могут перестать колебаться на время вспышки из-за мгновенной фотопроводимости , индуцированной в кварце.
SGEMP вызваны вспышкой излучения, проходящей через оборудование и вызывающей локальную ионизацию и электрические токи в материале микросхем, печатных плат , электрических кабелей и корпусов.
Эффекты единичного события (SEE) широко изучаются с 1970-х годов. [8] Когда частица высокой энергии проходит через полупроводник, она оставляет за собой ионизированный след. Эта ионизация может вызвать сильно локализованный эффект, аналогичный первой кратковременной дозе — незначительный сбой в выходном сигнале, менее благоприятный переворот битов в памяти или регистре или , особенно в мощных транзисторах , разрушительное запирание и перегорание. Эффекты одиночного события имеют важное значение для электроники спутников, самолетов и других гражданских и военных аэрокосмических приложений. Иногда в схемах, не использующих защелки, полезно ввести RC- цепи с постоянной времени , которые замедляют время реакции схемы сверх продолжительности SEE.
SET происходит, когда заряд, собранный в результате ионизации, разряжается в виде паразитного сигнала, проходящего через цепь. Фактически это эффект электростатического разряда . Мягкая ошибка, обратимая.
Однособытийные сбои (SEU) или переходные радиационные эффекты в электронике — это изменения состояния битов памяти или регистра, вызванные взаимодействием одного иона с чипом. Они не наносят серьезного ущерба устройству, но могут вызвать длительные проблемы в системе, которая не сможет восстановиться после такой ошибки. Мягкая ошибка, обратимая. В очень чувствительных устройствах один ион может вызвать многоразрядное нарушение (MBU) в нескольких соседних ячейках памяти. SEU могут стать функциональными прерываниями с одним событием ( SEFI ), когда они нарушают схемы управления, такие как конечные автоматы , переводя устройство в неопределенное состояние, тестовый режим или остановку, для восстановления которых затем потребуется сброс или выключение и выключение питания. .
SEL может возникнуть в любом чипе с паразитной структурой PNPN . Тяжелый ион или протон высокой энергии, проходящие через один из двух внутренних переходов транзистора, могут включить тиристороподобную структуру, которая затем остается « закороченной » (эффект, известный как защелка ), пока устройство не будет включено и выключено. . Поскольку эффект может возникнуть между источником питания и подложкой, может возникнуть разрушительно высокий ток, и деталь может выйти из строя. Серьезная ошибка, необратимая. Наиболее восприимчивы устройства с объемной КМОП-матрицей.
Однособытийный моментальный возврат аналогичен SEL, но не требует структуры PNPN, может быть индуцирован в N-канальных МОП-транзисторах, коммутирующих большие токи, когда ион попадает вблизи стокового перехода и вызывает лавинное умножение носителей заряда . Затем транзистор открывается и остается открытым, что является серьезной ошибкой, которая необратима.
SEB может возникнуть в силовых МОП-транзисторах, когда подложка прямо под областью истока смещена в прямом направлении, а напряжение сток-исток выше, чем напряжение пробоя паразитных структур. Возникающий в результате большой ток и локальный перегрев могут привести к разрушению устройства. Серьезная ошибка, необратимая.
SEGR наблюдался в мощных МОП-транзисторах, когда тяжелый ион попадает в область затвора, когда к затвору приложено высокое напряжение. Затем происходит локальный пробой в изолирующем слое диоксида кремния , вызывающий локальный перегрев и разрушение (выглядящее как микроскопический взрыв ) области затвора. Это может произойти даже в ячейках EEPROM во время записи или стирания, когда ячейки подвергаются сравнительно высокому напряжению. Серьезная ошибка, необратимая.
Хотя протонные пучки широко используются для тестирования SEE из-за их доступности, протонное облучение при более низких энергиях часто может недооценивать восприимчивость к SEE. Кроме того, протонные пучки подвергают устройства риску выхода из строя общей ионизирующей дозы (TID), что может исказить результаты протонного тестирования или привести к преждевременному выходу устройства из строя. Пучки белых нейтронов — предположительно наиболее репрезентативный метод испытаний SEE — обычно создаются из источников с твердой мишенью, что приводит к неравномерности потока и небольшой площади пучка. Пучки белых нейтронов также имеют некоторую степень неопределенности в своем энергетическом спектре, часто с высоким содержанием тепловых нейтронов.
Недостатков источников как протонов, так и источников расщепленных нейтронов можно избежать, используя моноэнергетические нейтроны с энергией 14 МэВ для испытаний SEE. Потенциальная проблема заключается в том, что эффекты единичных событий, вызванные моноэнергетическими нейтронами, не будут точно отражать реальные эффекты атмосферных нейтронов широкого спектра. Однако недавние исследования показали, что, наоборот, моноэнергетические нейтроны, особенно нейтроны с энергией 14 МэВ, могут быть использованы для достаточно точного понимания сечений SEE в современной микроэлектронике. [9]
Закаленные чипы часто изготавливаются на изолирующих подложках вместо обычных полупроводниковых пластин. Обычно используются кремний на изоляторе ( SOI ) и кремний на сапфире ( SOS ). В то время как обычные чипы коммерческого класса могут выдерживать дозы от 50 до 100 грей (от 5 до 10 крад ) , чипы SOI и SOS космического класса могут выдерживать дозы от 1000 до 3000 грей (от 100 до 300 крад ). [10] [11] Когда-то многие чипы серии 4000 были доступны в радиационно-стойких версиях (RadHard). [12] Хотя SOI устраняет события блокировки, улучшение жесткости TID и SEE не гарантируется. [13]
Биполярные интегральные схемы обычно имеют более высокую радиационную устойчивость, чем схемы КМОП. Маломощные серии Schottky (LS) 5400 выдерживают 1000 крад, а многие устройства ECL выдерживают 10 000 крад. [12]
Магниторезистивное ОЗУ , или MRAM , считается вероятным кандидатом на обеспечение радиационно-стойкой, перезаписываемой, энергонезависимой проводниковой памяти. Физические принципы и ранние тесты показывают, что MRAM не подвержена потере данных, вызванной ионизацией. [14]
DRAM на основе конденсаторов часто заменяют более прочными (но более крупными и дорогими) SRAM .
Выбор подложки с широкой запрещенной зоной , что обеспечивает более высокую устойчивость к дефектам глубокого уровня; например карбид кремния или нитрид галлия . [ нужна цитата ]
Защита упаковки от радиоактивности для уменьшения воздействия на непокрытое устройство. [15]
Защита самих чипов (от нейтронов) за счет использования обедненного бора (состоящего только из изотопа бора-11) в пассивирующем слое борофосфорсиликатного стекла , защищающем чипы, поскольку преобладающий в природе бор-10 легко захватывает нейтроны и подвергается альфа-распаду (см. мягкую ошибку ). .
Использование специального технологического узла для обеспечения повышенной радиационной стойкости. [16] Из-за высоких затрат на разработку новых радиационно-стойких процессов наименьший «истинный» радиационно-стойкий процесс (RHBP, Rad-Hard By Process) по состоянию на 2016 год составляет 150 нм, однако были доступны радиационно-стойкие 65-нм FPGA. в котором использовались некоторые методы, используемые в «настоящих» радиационно-стойких процессах (RHBD, Rad-Hard By Design). [17] По состоянию на 2019 год доступны радиационно-стойкие процессы с длиной волны 110 нм. [18]
Использование ячеек SRAM с большим количеством транзисторов на ячейку, чем обычно (4T или 6T), что делает ячейки более устойчивыми к SEU за счет более высокого энергопотребления и размера ячейки. [19] [17]
Использование КМОП-транзисторов без края, которые имеют нетрадиционную физическую конструкцию и нетрадиционную физическую компоновку. [20]
Память кода коррекции ошибок (память ECC) использует избыточные биты для проверки и, возможно, исправления поврежденных данных. Поскольку воздействие радиации повреждает содержимое памяти, даже когда система не обращается к ОЗУ, схема « скруббера » должна постоянно очищать ОЗУ; считывание данных, проверка избыточных битов на наличие ошибок данных, а затем запись любых исправлений в ОЗУ.
Резервные элементы могут использоваться на уровне системы. Три отдельные платы микропроцессора могут независимо вычислить ответ на расчет и сравнить свои ответы. Любая система, которая дает результат меньшинства, будет пересчитывать. Логика может быть добавлена таким образом, что при возникновении повторяющихся ошибок в одной и той же системе эта плата отключается.
На уровне схемы могут использоваться резервные элементы. [21] Один бит может быть заменен тремя битами и отдельной « логикой голосования » для каждого бита для непрерывного определения его результата ( тройная модульная избыточность ). Это увеличивает площадь конструкции микросхемы в 5 раз, поэтому ее следует зарезервировать для меньших конструкций. Но у него есть второстепенное преимущество: он также обеспечивает «отказоустойчивость» в режиме реального времени. В случае однобитового сбоя (который может быть не связан с излучением) логика голосования продолжит выдавать правильный результат, не прибегая к использованию сторожевого таймера . Голосование на уровне системы между тремя отдельными процессорными системами обычно требует использования некоторой логики голосования на уровне схемы для проведения голосования между тремя процессорными системами.
Можно использовать закаленные защелки. [22]
Сторожевой таймер выполнит полный сброс системы, если не будет выполнена какая-либо последовательность действий, которая обычно указывает на то, что система работает, например операция записи со стороны встроенного процессора. Во время нормальной работы программное обеспечение планирует запись в сторожевой таймер через регулярные промежутки времени, чтобы предотвратить истечение таймера. Если излучение приводит к неправильной работе процессора, маловероятно, что программное обеспечение будет работать достаточно правильно, чтобы очистить сторожевой таймер. В конечном итоге сторожевой таймер истекает и вызывает полную перезагрузку системы. Это считается крайней мерой по отношению к другим методам радиационной закалки.
Радиационно-стойкие и радиационно-устойчивые компоненты часто используются в военных и аэрокосмических приложениях, в том числе в приложениях с точкой нагрузки (POL), источниках питания спутниковых систем, понижающих импульсных регуляторах , микропроцессорах , FPGA , [23] источниках питания FPGA и высокопроизводительных устройствах. эффективность, низковольтные источники питания подсистемы.
Однако не все компоненты военного уровня устойчивы к радиации. Например, американский стандарт MIL-STD-883 содержит множество тестов, связанных с радиацией, но не содержит спецификации для частоты фиксации одного события. Космический зонд « Фобос -Грунт» мог потерпеть неудачу из-за аналогичного предположения. [13]
Объем рынка радиационно-стойкой электроники, используемой в космических приложениях, оценивается в 2,35 миллиарда долларов в 2021 году. По оценкам нового исследования, к 2032 году он достигнет примерно 4,76 миллиарда долларов. [24]
В телекоммуникациях термин «ядерная стойкость» имеет следующие значения: 1) выражение степени, в которой ожидается ухудшение характеристик системы , объекта или устройства в данной ядерной среде, 2) физические характеристики системы или электронный компонент , который позволит выжить в среде, включающей ядерное излучение и электромагнитные импульсы (ЭМИ).
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )