Эксперименты на ускорителях ионов

Данные эксперименты являются самыми информативными при определении параметров чувствительности ИС и ПП к ОС, вызванным ТЗЧ, поскольку они позволяют напрямую определить зависимость сечения ОС от ЛПЭ ТЗЧ путем получения значений сечения при различных ЛПЭ ТЗЧ. Основными недостатками таких экспериментов являются, во-первых, короткие пробеги ионов, а во-вторых, уникальность исследовательских установок и как следствие этого высокая стоимость экспериментов. Вследствие того, что ионы, получаемые на ускорителях, которые способны вызвать в ИС возникновение одиночных событий, имеют очень малые пробеги в облучаемых материалах (в кремнии обычно не более 30–40 мкм), проводить испытания ИС в их штатных корпусах не представляется возможным. Поэтому перед началом экспериментов удаляются крышки корпусов исследуемых ИС. Следует отметить, что это практически невозможно сделать в случае ИС в пластмассовых корпусах. Более того, если крышка корпуса ИС все-таки может быть удалена, но кристалл покрыт защитным лаком или компаундом, то такое изделие уже обычно недоступно для исследований (вследствие торможения ионов защитным слоем). Кроме того, зачастую эксперименты на ускорителях ТЗЧ проводятся в условиях вакуума, чтобы исключить торможение ионов слоем воздуха. Это создает дополнительные технические трудности при организации и проведении экспериментов.

При проведении испытаний используются ускорители ТЗЧ (ионов) с ЛПЭ частиц в кремнии от 1 до 100 МэВ×см²/мг и с энергией 0,1–40 МэВ/нуклон.

Ускорители ионов должны обеспечивать необходимые интегральные потоки ионов с требуемыми значениями ЛПЭ и энергии. Неоднородность поля излучения ускорителей в пределах площади облучаемого образца не должна превышать ±10 %.

В соответствии с имеющимися в настоящее время зарубежными стандартами (аналогичных российских документов в настоящее время пока нет) ускорители ионов должны обеспечивать пробеги частиц в кремнии не менее 30 мкм. В этом случае можно пренебречь изменением ЛПЭ ТЗЧ по мере их прохождения через чувствительный слой ИС. Плотность потока ионов варьируется в диапазоне 10²–10⁵ см^–2с^–1. Общее количество ТЗЧ, падающих на кристалл облучаемых ИС, должно быть таким, чтобы с достаточной степенью уверенности можно было считать, что все чувствительные области были облучены. Это особенно важно при работе вблизи порогового значения ЛПЭ, когда могут наблюдаться отдельные редкие события. Исходя из этих соображений при работе вблизи порога рекомендуется выбирать флюенс ионов порядка 10⁷ ион/см². При работе в надпороговой области испытания рекомендуется проводить до набора достаточной статистики событий (для микросхем памяти — это обычно порядка 10 % от информационной емкости) или до набора флюенса ионов 10⁷ ион/см². Кроме того, при выборе флюенса частиц необходимо принимать во внимание возможные дозовые эффекты: для каждого облучаемого образца должна фиксироваться суммарная доза за все циклы облучения, и предварительно должна быть оценена предельная доза, определяющая радиационную стойкость данного изделия к дозовым эффектам.

Изменение ЛПЭ ионов осуществляется путем выбора типа и энергии ионов. Следует отметить, что переход с одного типа ионов на другой представляет собой достаточно сложную задачу, и на такой переход в ряде случаев могут уйти сутки, а иногда и более. Изменение энергии иона — это более простая задача. Очень часто для получения различных эффективных значений ЛПЭ ТЗЧ при неизменных типе и энергии падающих ионов используется облучение при различных углах падения ионов на поверхность образца. Данный метод применим лишь в том случае, когда пробеги ионов в кремнии превышают толщину чувствительной области, ответственной за возникновение ОС. Суть метода поясняется на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Использование облучения образцов под различными углами падения ТЗЧ для изменения эффективных значений ЛПЭ ТЗЧ

Здесь h — толщина чувствительной области; h _эф — участок ионного трека, лежащий внутри чувствительной области облучаемой ИС; q — угол падения ТЗЧ на поверхность кристалла ИС.

Линейные потери энергии иона — это потеря энергии на единице длины пробега, отнесенная к плотности облучаемого материала:

.

Если принять, что ЛПЭ ТЗЧ практически не меняются по мере прохождения чувствительной области, то энергия, поглощенная в чувствительном слое при облучении ионами под углом q, равна

. (5.19)

Эффективные линейные потери энергии иона L _эф определяются как отношение энергии, поглощенной в чувствительном слое, к толщине этого слоя и плотности облучаемого материала:

. (5.20)

С учетом (5.19) выражение (5.20) можно переписать в виде

.

Угол q обычно меняется в пределах до 60°. При этом можно получить эффективное значение ЛПЭ в 2 раза превышающее значение ЛПЭ падающих ионов.

Следует еще раз отметить, что данный метод применим только в том случае, если пробег иона превышает толщину чувствительного слоя. Если же ион полностью тормозится в пределах чувствительной области, то независимо от угла его падения на кристалл ИС в чувствительной области будет выделяться вся его энергия, и изменение угла падения иона не приведет к изменению эффективного значения ЛПЭ.

Данный метод не применяется на ускорителях протонов, несмотря на то, что высокоэнергетические протоны имеют очень большие пробеги (как уже отмечалось выше, в экспериментах на протонных ускорителях реализуется «пролетная» геометрия, и образцы испытываются в своих штатных корпусах). Дело в том, что ОС при воздействии протонов вызываются не прямыми ионизационными потерями первичных частиц (протонов), а ионизационными потерями вторичных частиц, образующихся в кремнии в результате упругих и неупругих взаимодействий протонов с ядрами кремния. Образующиеся вторичные частицы имеют ЛПЭ в кремнии до 10–15 МэВ×см²/мг и характеризуются очень короткими пробегами: они полностью тормозятся в пределах чувствительной области. Кроме того, они могут двигаться внутри чувствительной области в любом направлении.

Дозиметрическое сопровождение при проведении испытаний на ускорителях ионов имеет две основные цели. Во-первых, это контроль энергии и состава пучка. Во-вторых, важно контролировать в процессе испытаний плотность потока и пространственную однородность пучка. Для контроля энергии ионов в пучке обычно используются системы на основе кремниевых поверхностно барьерных детекторов, аналогичные тем, которые используются в экспериментах с изотопными источниками ТЗЧ. Разброс энергии ионов в пределах ±10 % от требуемого значения считается вполне приемлемым.