Радиационно-стойкая интегральная схема
Радиационно-стойкая интегральная схема — интегральная схема к которой предъявлены повышенные требования устойчивости к сбоям, вызванным воздействием радиации. Основная область применения подобных схем — это космические аппараты, военная техника и медицинская электроника.
Содержание |
Воздействие радиации на интегральные схемы
Высокоэнергетические частицы при торможении корпусом устройства образуют гамма-излучение, рентгеновское излучение и тяжёлые ионы. Эти частицы ионизируют структуры КМОП-транзисторов, в частности затвор и подзатворный оксид. Это приводит к изменению параметров транзисторов, таких как токи утечки, время нарастания и спада фронтов. Степень разрушения интегральной схемы увеличивается по мере роста общей полученной дозы излучения и интенсивности облучения.
Большая мгновенная доза радиации может вызвать импульс напряжения на шинах питания, это приводит к случайным сбоям переключения (англ. Single Event Transien, SET), к защёлкиванию транзисторов (англ. latch-up), а также к повреждению проводников питания.
Нарастание тока утечки транзисторов увеличивает рассеиваемую в выключенном состоянии мощность, что может приводить к термическому разрушению транзистора.
Наиболее частые проблемы вызываются так называемыми случайными воздействиями (англ. Single Event Effects, SEE), которые происходят, когда в интегральную схему попадают тяжёлые частицы (космические лучи, протоны, электроны, альфа-частицы, термические нейтроны и т. д.) Проходя сквозь объём полупроводника они оставляют за собой трек из свободных носителей заряда. Это приводит к генерации электронно-дырочных пар в подзатворном окисле обычных КМОП-схем.
Наиболее часто случайное воздействие приводит к одиночным сбоям (англ. Single-event Upset, SEU). Обычно такие события происходят в ячейках памяти или в статических триггерах при попадании в них ионов. Возникший при этом импульс тока переводит ячейку или триггер в противоположное состояние. Обнаружив такое событие, его последствия легко устраняются перезаписью неправильного состояния. Чем меньше размеры транзистора, меньше величина заряда, необходимого для переключения состояния схемы и тем больше вероятность возникновения одиночного сбоя.
Другое следствие случайного воздействия — это защёлкивание транзисторов, их причина заключена в наличии в интегральных схемах построенных по КМОП-технологии паразитных структур из пар p-n-p и n-p-n транзисторов, которые вместе образуют схему близкую к тиристору. Большой потенциал вызванный ионом образует импульс тока, который приводит к открытию «тиристора», это приводит к возникновению большого тока через структуры транзисторов, причём он не уменьшается после снятия высокого потенциала вызванного ионом. Это приводит к перегреву устройства и может вызвать выход из строя.
Повышение радиационной стойкости
Для повышения радиационной стойкости интегральных схем используется целый ряд мер на всех этапах конструирвоания: выбор схемотехнических решений, моделирование в САПР, изготовление, корпусирование.
Кремний на диэлектрике
Способ, который получил наибольшее распространение — это технология кремний на диэлектрике (англ. Silicon-on-insulator, SOI). Он заключается в имплантации в поверхность подложки слоя кислорода, который при нагревании формирует непрерывный слой оксида толщиной примерно 0,2 мкм. Этот слой является изолятором канала КМОП от подложки из кремния.
Такой подход снижает токи утечки, паразитные ёмкости, исключает образование структур типа тиристоров.
Однако себестоимость такого процесса выше в 5-10 раз по сравнению с обычной КМОП-технологией. Причём для космических и военных приложений требуется также повысить стойкость углубленного оксида, иначе индуцированный гамма-излучением заряд с течением времени попадает в оксид, а далее рекомбинирует на границу SiO2-Si изменяя пороговое напряжение транзистора. Для борьбы с этим явлением организуют возможность для стока заряда из области контакта окисла и кремния на шину заземления. Обратной стороной такого приёма является уменьшение полезной площади на 30 %, потому в коммерческих приложениях этого приёма избегают.
Резервирование
Метод основан на создании нескольких аналогичных устройств и выборе окончательного значения схемой голосования на основе значений на выходах этих устройств. Троирование (англ. Triple Modular Redundancy, TMR) позволяет полностью ликвидировать последствия одиночных отказов. Излучение способно изменить состояние схемы только, когда страдает сразу несколько узлов. Однако такой подход ведёт к увеличению необходимой площади кристалла, увеличивает задержки и потребляемую мощность.
Существуют более сложные схемы, которые не только предоставляют правильное значение, но и восстанавливают состояние пострадавших узлов, для этого организуются обратные связи.
Задержки установления состояния
Триггеры иногда оснащают структурами, которые удерживают его от переключения в течение времени рекомбинации сгенерированных ионом зарядов. Недостаток — снижение быстродействия.
Корректирующие коды
Биты чётности или корректирующие коды (англ. ECC) используются многими производителями для защиты больших объёмов памяти. Однако при воздействии на память тяжёлых нейтронов возникают вторичные заряженные частицы, которые способны привести к переключению сразу нескольких ячеек, в таких случаях контроль чётности не может обнаружить ошибку.
Фильтрация по времени
Другой подход — сохранение нескольких состояний линии данных с некоторым интервалом и последующее голосование на основе сохранённых состояний. Если интервал сохранения больше, чем время воздействия заряженной частицы, то такая организация успешно защищает от одиночных воздействий. Однако данный метод чувствителен к сбоям на линии синхронизации, а также увеличивает площадь схемы узла примерно в три раза.
