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Capítulo 3

Efectos de la radiación

“Todo lo que nace proviene necesariamente de una causa; pues sin causa nada puede tener origen”

- Platón, filósofo griego

Ya se han comentado en el capítulo anterior las principales fuentes de radiación que pueden afectar a los circuitos electrónicos y causarles malfuncionamientos. A continuación se mostrarán clasificadamente los distintos efectos que pueden provocar estas partículas radiactivas sobre los dispositivos, distinguiendo entre efectos transitorios y permanentes, destacando entre los primeros los SEEs, ya que serán el objeto de estudio del proyecto.

1. Efectos permanentes

La exposición permanente a la radiación produce en el dispositivo cambios a largo plazo en sus características que pueden desembocar en fallos funcionales. La ráfaga ionizante impacta en primer lugar en las capas aislantes, en la cual puede quedar atrapada carga o dejar marcas superficiales. La pérdida de energía no ionizante provoca daños tanto en la región aislante como en la semiconductora. En las tecnologías antiguas, estos efectos estaban bien descritos mediante una representación espacialmente uniforme de la cantidad de energía acumulada. La fiabilidad de esta descripción descansaba en que la gran longitud de los dispositivos permitía promediar la energía depositada por

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partículas individuales o fotones. Sin embargo, con los dispositivos menores de 130 nm esta aproximación no es posible.

La carga atrapada en el óxido ( otN ), es debida a las cargas inducidas por

la radiación, típicamente positivas, que son relativamente estables. En óxidos de puerta muy finos y de alta calidad, los efectos de la carga atrapada en el óxido son mínimos debido al pequeño volumen en el cual la carga es generada y la facilidad con la cual puede penetrar a través del óxido [Turow04].

La radiación ionizante también provoca la aparición de carga atrapada ( itN ) en los límites del semiconductor y el aislante que intercambia carga con el

semiconductor en períodos de tiempo relativamente cortos. En los MOSFET, este fenómeno extiende la curva I-V característica y reduce la movilidad en la capa de inversión. En los BJT, la ganancia en intensidad decrece en la misma proporción en la que crece la superficie de recombinación de carga mencionada [Schrim04].

La energía no ionizante depositada por la radiación de las partículas, desplaza átomos y crea defectos eléctricamente activos. Estos defectos reducen la vida y la movilidad de los portadores, cambia su densidad e incrementa las transiciones no radiactivas en los dispositivos ópticos. Los dispositivos con portadores minoritarios son especialmente susceptibles al daño por desplazamiento.

2. Efectos transitorios

Mientras que los circuitos integrados se han vuelto más resistentes a los efectos permanentes anteriormente nombrados a medida que han ido evolucionando, principalmente debido a las reducciones en el grosor del óxido de puerta y el incremento de las densidades de dopado, las reducidas dimensiones de los dispositivos y los cambios tecnológicos que hacen esto posible han hecho que sean mucho más sensibles a los efectos transitorios de la radiación [Dodd03]. Los efectos transitorios pueden estar causados por partículas ionizantes (SEE) o por una alta exposición a una radiación ionizante (radiación γ ).

Los SEEs (Single Event Effects), ya se comentaron en el capítulo anterior y serán motivo de discusión más adelante, ya que van a ser éstos los efectos a estudiar a lo largo del proyecto. Su importancia radica en que son el mayor problema de la electrónica que opera en el espacio y, debido a la disminución

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de la tecnología de fabricación, su impacto ha de ser tenido en cuenta hoy día en aviación e incluso en dispositivos que operen al nivel del mar. La carga depositada por una sola partícula ionizante puede producir un amplio rango de efectos, comentados en el capítulo anterior. En general, la sensibilidad de los dispositivos frente a SEEs aumenta a medida que las dimensiones de los mismos decrecen y la velocidad del circuito crece [Dodd04]. Estos efectos pueden producirse debido a una ionización directa o a través de partículas resultantes de reacciones nucleares o colisiones elásticas. Las tablas 2 y 3 recogen los distintos tipos de SEEs y una breve descripción de los mismos.

Tipo SEE Efecto Módulos afectados

SEU Corrupción de la información almacenada en un elemento de memoria

Memorias, latches en dispositivos lógicos

MBU Varios elementos de memoria corrompidos por una solo partícula

Memorias, latches en dispositivos lógicos

SEFI Funcionamiento anormal Dispositivos complejos con secciones de control de estados

SED Corrupción momentánea de la información almacenada en un bit

Lógica combinacional, latches en dispositivos lógicos

SHE Elemento de memoria que permanece inalterado

Lógica combinacional, latches en dispositivos lógicos

SET Respuesta impulsiva de cierta amplitud y duración

Circuitos analógicos y de Señal Mixta, dispositivos fotónicos

Tabla 3.1: SEEs no destructivos

Tipo SEE Efecto Dispositivos afectados

SEL Conducen mucha corriente CMOS, BiCMOS

SESB Conducen mucha corriente N-MOSFET, SOI

SEB Destrucción del dispositivo BJT, MOSFET de potencia de canal n

SEGR Ruptura del dieléctrico de la puerta MOSFETs de potencia

SEDR Ruptura del dieléctrico Estructuras nMOS, FPGAs

Tabla 3.2: SEEs destructivos

En un entorno altamente radiactivo, la energía es generada de manera relativamente uniforme a lo largo del circuito. Las corrientes resultantes pueden producir efectos tales como ruptura de las líneas de metal o cambios de estado en celdas de memoria [Mass86]. En función de los requerimientos del sistema,

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podría ser necesario operar sobre el flujo radiante o prevenirlo apagando de forma temporal el sistema.

2.1. SEEs (Single Event Effects)

Los SEEs, o efectos producidos por eventos singulares, se deben a partículas energéticas aisladas que impactan sobre el circuito produciendo errores. Como se ha comentado, son estos eventos singulares los que van a ser objeto de estudio en este proyecto, debido a que los circuitos son cada vez más sensibles a ellos. Existen una gran cantidad de ellos, pero a continuación detallaremos los que ocurren con más probabilidad.

Para prevenir estos efectos, al contrario de lo que ocurre con los errores permanentes, una protección material no es tan efectiva, y hay que recurrir a técnicas de detección y corrección. Sin embargo, existen técnicas orientadas a la protección frente a SEEs que se basan en intentar reducir la cantidad de carga inducida mediante el uso de sustratos SOI (Silicon-On-Insulator) [Mus96] [Colin97] [Davis85].

Single Event Upset (SEU)

Los SEUs son errores inducidos por la radiación en circuitos microelectrónicas cuando partículas cargadas (normalmente procedentes de anillos de radiación o rayos cósmicos) pierden energía por ionización del medio a través del cual pasan, dejando en su rastro pares de electrón – hueco.

Pueden estar causados por protones altamente energéticos o por iones pesados. Estos últimos provocan una ionización directa en el dispositivo, mientras que los primeros contribuyen a aumentar la frecuencia con la que ocurren. En el caso que tecnología de fabricación esté por debajo de 0.3 μm, los protones pueden inducir SEUs por ionización directa. Esto no suele ser normal (aunque con las nuevas tecnologías de fabricación cada vez lo es más), sino que los protones suelen inducir este tipo de errores mediante complejas reacciones nucleares en las proximidades del nodo sensible [Bend83].

Se trata de errores transitorios y no destructivos. Un reseteo o re-escritura del dispositivo podría ser una solución satisfactoria del problema, y permitiría que posteriormente el dispositivo funcionara normalmente. Puede afectar tanto a componentes analógicos como a digitales u ópticos. Normalmente se manifiestan como variaciones en las celdas de memoria o en los registros.

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También puede darse el caso de que un SEU afecte de forma simultánea a varios registros, alterando así el contenido de los mismos.

Single Event Latchup (SEL)

Latchup es un estado de baja resistividad que puede ocurrir debido a distintas estructuras de semiconductores que se encuentran interconectadas entre sí. En las figuras 3.1 y 3.2 podemos apreciar el modelo de esta fenómeno y su curva tensión – intensidad.

Figura 3.1: Modelo de dos transistores de un latchup en una estructura CMOS

Figura 3.2: Característica tensión - intensidad

Podemos apreciar en la figura 3.2 que la curva discontinua representa una zona de resistencia negativa, que viene dada como consecuencia de aplicar

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una tensión muy grande a la estructura. Sin embargo, no sólo una alta tensión puede provocar este estado; un ión pesado puede ser el causante [Johns96].

Los SELs son eventos que causan la pérdida de funcionalidad del dispositivo. Son errores destructivos, que si no son detectados a tiempo pueden causar un daño permanente en el dispositivo. Normalmente estos errores se manifiestan por un alto consumo de corriente del aparato, por encima de las especificaciones del mismo. Cuando esta condición se hace evidente, la solución debe ser cortar la alimentación de forma inmediata, ya que de lo contrario el dispositivo o la fuente de alimentación pueden quedar seriamente dañados.

La distribución de cargas en este tipo de efectos es bastante distinta de la que podemos encontrar en el caso de los SEUs, como se aprecia en la figura 3.3. En el caso de los SEU, la carga almacenada se encuentra en la superficie, mientras que en el caso de los SELs, ésta se encuentra en la unión del pozo con el sustrato, localizado de 3-6 μm por debajo de la superficie.

Figura 3.3: Distribución de cargas en SEUs y SELs en una estructura CMOS

En un principio, se consideraba que estos eventos sólo podían estar causados por iones pesados, sin embargo, en dispositivos altamente sensibles los protones pueden inducir este tipo de errores [Bend83]. Es un tipo de fallo muy sensible a la temperatura, ya que el umbral para que ocurra decrece mucho a altas temperaturas, a la vez que aumenta el rango que abarca.

Single Event Transient (SET)

Los SETs se manifiestan como pequeños picos (glitches) que se producen en la salida de las puertas lógicas.

Son causados por partículas ionizadas que pasan a través de uniones p-n. Aunque son temporales, pueden desembocar en fallos más permanentes, si su

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error coincide con el instante de captura de una celda de memoria, por ejemplo, o disparando acciones indeseadas, como resets.

La causa es la misma que en los SEUs, la diferencia es que en estos últimos el efecto es más acusado puesto que modifican el valor de una celda de memoria.

2.1.1. Inmunidad del dispositivo

La inmunidad de un dispositivo frente a SEEs depende de su LETth (linear energy transfer threshold). Se define como el mínimo LET capaz de causar un SEE en un flujo de partículas de 107 iones/cm2. El LETth es normalmente menor a medida que el dispositivo acumula TID [Label94].

Como hemos comentado en numerosas ocasiones a lo largo del escrito, la tendencia actual en fabricación de dispositivos microelectrónicos hace que los dispositivos sean más inmunes a SEUs. Esto se demuestra fácilmente si uno considera el dispositivo como un simple condensador con capacidad C en el que una partícula deposita una carga Q capaz de inducir un cambio en la tensión. Un SEU ocurre cuando critLET Q> . Considerando LETth como el LET

necesario para producir un incremento de tensión ( VΔ ) suficiente para un SEU, tenemos que:

/thLET V Q C∝ Δ =

Así pues, a medida que el tamaño de estos dispositivos decrece, también lo hace su capacidad, y por tanto también lo hará la carga necesaria para inducir un SEU. Así como el ancho y largo de los dispositivos ha disminuido, la profundidad de los mismos normalmente ha permanecido invariante, por tanto podemos afirmar que esta aproximación se acerca bastante a la realidad. De esta forma, si consideramos un dispositivo cuadrado con unas dimensiones de L L× , podemos decir que la carga crítica, critQ , es proporcional a la superficie

de este cuadrado.

2critQ L∝

Se define la carga crítica como la carga necesaria para cambiar de un “1” a un “0” o viceversa, pero es menor que la carga total acumulada. Así pues,

critQ también se puede definir como la diferencia entre la carga almacenada en

el nodo y la carga mínima requerida para leer el dato correctamente.