ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ ДЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КА Л. С. Андрианов, С. Н. Герасимов, А. Г. Кадменский ФГУП ЦНИИмаш Содержание 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Надежность и стойкость изделий РКТ. Новые явления при рассмотрении радиационной деградация изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) при длительном функционировании на борту космического аппарата (КА). Наложение различных воздействующих факторов на борту КА и синергетика при реализации нелинейных процессов радиационной релаксации при неравновесном возбуждении структур ИПЭ при длительном воздействии ИИ КП низкой интенсивности. Радиационный ресурс ЭКБ на борту КА в условиях параметрических отказов. САПР радиационной деградации характеристик полупроводниковых структур. Радиационно-термические методы диагностики микроскопических параметров ИПЭ с использованием тестовых структур и релаксационных методик твердого тела. Микроскопические модели и математическое моделирование при прогнозировании радиационного ресурса. Использованная литература
• • • На борту современных КА широко используются ИПЭ, которые являются наиболее функционально важными и одновременно наименее радиационностойкими элементами РЭА. Поэтому они в значительной степени определяют срок активного существования КА на орбите, увеличение которого является приоритетной проблемой современной космонавтики. В связи с этим возникают задачи радиационной защиты ИПЭ, а также определения поглощенной энергии (дозы) в сверхмалых объемах их рабочих областей с включением многослойных структур типа металл – диэлектрик (оксид кремния) – полупроводник (МДП, МОП) с различающимися зонными свойствами электронного газа разных материалов и субмикронными, в последнее время – нанотолщинами слоев (что типично для цифровых МОП БИС, составляющих основу бортовой РЭА), описания (1) генерации устойчивых комплексов радиационных дефектов из первичных пар Френкеля в кристаллах кремния с примесями и (2) паразитного заряда на глубоких центрах в диэлектрических слоях и на границах раздела фаз транзисторов БИС. Отдельно стоит проблема учета особенностей процессов ядерного и электронного рассеяния и торможения заряженных частиц в кристаллическом полупроводнике БИС и последующих процессов релаксации выделенной энергии. Дополнительно, необходимость учета особых свойств ИИ КП и условий облучения на орбите (многокомпонентность пучков, широкие спектры энергий их частиц, угловая всенаправленность на поверхности КА [1] и др. ) делает компьютерное моделирование важным, а порой и единственным путем количественного описания торможения и рассеяния ИИ КП в такой мишени, как КА, для определения локальной дозы в элементах БИС, а также прогнозирования их радиационной деградации.
При рассмотрении мер по совершенствованию качества и надежности РКТ в настоящее время очевидна асимметрия нормативной базы по отношению к ракетной части РКТ и космической технике (КА и системы КА в космическом пространстве). Радикальное различие по временам воздействия радиационных факторов, выходящим на длительности сроков активного существования (САС) в 10 и более лет, что приближается к длительности жизненного цикла ЭКБ, на первый план выдвигаются проблемы ЭКБ для включения новых типов отказов, инициируемых непрерывным воздействием ионизирующих излучений космического пространства , как по механизмам отказов, так и по степени их прогнозирования. В этой работе мы рассмотрим возможности устранения накопившихся в этой сфере трудностей, когда воздействие радиации рассматривается в традиционном русле линейных аддитивных моделей независимого нагружения ЭКБ воздействующими внешними факторами активного функционирования (потенциал, температура и др. ), и развития нового подхода для обеспечения стойкости аппаратуры в виде концепции «радиационный ресурс» ЭКБ, введенного при развитии радиационнонадежностного подхода, известного по пионерским работам РНИИ «Электронстандарт» [2], учитывающих непрерывное воздействие ИИ КП, и из физико-статистического подхода, предложенного при автоматизированном проектировании больших интегральных схем в МИЭТе проф. Алексаняном [3].
• Разработанная концепция прогнозирования радиационной стойкости и параметрической надежности важнейшего класса ЭКБ для РЭА КА – БИС КМОП и биполярной технологий основана на регулярном изменении характеристик микротранзисторов при воздействии ИИ КП из-за накоплении паразитного заряда в диэлектрических материалах схем и радиационных дефектов в кристаллическом полупроводнике, приводящих к хорошо прогнозируемым параметрическим отказам (вместо случайных отказов, заложенных на стадии изготовления, традиционно рассматриваемых в теории надежности). Она позволяет учесть нелинейное наложение различный воздействующих факторов при длительном функционировании на борту КА (радиация, термо- и электронагружение), исходя из фундаментальных процессов возбуждения электронной подсистемы полупроводника и диэлектрика при воздействии ионизирующей радиации и последующей релаксации кристаллов и приборов полупроводниковой электроники на их основе. • Эти процессы могут быть описаны с помощью адаптивных физикоматематических моделей (ФММ) радиационно-стимулированного электропереноса и накопления паразитного заряда (комплексов устойчивых дефектов), учитывающих влияние приложенных при облучении электрических напряжений и температуры, а также при корректном компьютерном моделировании методом Монте-Карло (с учетом многократного рассеяния, страгглинга энергетических потерь, ядерных реакций и др. ) поглощенной энергии ИИ (дозы) в единичном объеме элемента, в том числе и с учетом влияния кристаллической решетки полупроводника.
• • • 2. Выявлена зависимость радиационного повреждения от приложенного напряжения в процессе облучения. Эта зависимость характерна для транзисторов как биполярной, так и МОП технологии. Для МОП транзисторов (МОПТ) широко известны эффекты влияния напряжения на затворе прибора; в меньшей степени исследовано влияние потенциала стока относительно истока и подложки. По выявленным эффектам наблюдается увеличение на порядок радиационного смещения порогового напряжения при варьировании напряжения затвора в области рабочих напряжений МОПТ. 3. Выявлена зависимость радиационного повреждения от теплового режима прибора в течение облучения. Однозначной тенденции с ростом температуры для различных характеристик транзисторов не обнаружено; более того, как общее правило, можно сделать утверждение о немонотонности влияния температуры на параметры, характеризующие радиационную деградацию. 4. Выявлена зависимость повреждения изделий электронной техники от мощности дозы ИИ, неожиданно проявившаяся в области малых и ультрамалых ее значений при накоплении заданного значения интегральной дозы ИИ (в частности, записанного в ТЗ как требование по радиационной стойкости). Ответственными за это явление принято считать идущие при облучении реакции термического и атермического отжига накопленного при воздействии радиации паразитного заряда, часть из которых сопровождается трансформацией типов ловушечных центров и знака заряда захваченного на них носителя. В частности, для n-канальных МОПТ это приводит к образованию поверхностных состояний, несущих отрицательный заряд (в соответствии с положением уровня Ферми в инвертированном слое полупроводникового слоя МОП-структуры). В результате, сдвиг порогового напряжения в зависимости от значения мощности дозы для указанных типов МОПТ может варьироваться до двух раз.
4. Различные типы активных элементов БИС проявляют особую чувствительность к различным механизмам повреждения при взаимодействии ИИ с веществом. Так, полупроводниковые приборы и БИС биполярной технологии, проявляют особую чувствительность к процессам, обусловленным нарушениями кристаллической структуры полупроводника, так как работают на неосновных носителях заряда (НЗ) и отслеживают процессы, регулирующие время жизни неосновных НЗ, в частности, процессы генерации-рекомбинации. Поэтому для них повреждающее действие ИИ преимущественно связано с механизмами ядерного рассеяния, в которых атому кристаллической решетки полупроводника передается достаточно значительная энергия для создания (каскада) первичных радиационных дефектов (РД). В радиационной разупорядоченной области компенсированного кремния в районе pn-перехода в области пространственного заряда формируются устойчивые комплексы РД и ионов примеси, из которых можно выделить V-V и V-P-V как дефекты с локальным уровнем вблизи середины запрещенной зоны кремния, что делает их мощным рекомбинационным центром, существенно меняющим темп генерации-рекомбинации. Результаты компьютерного моделирования приведены на рис. 2. Это выделяет, как наиболее опасные, такие виды радиации как протоны, ионы и нейтроны относительно низких энергий (или в конце пробега частиц высокой энергии).
Рис. 2. Зависимость статического коэффициента передачи тока базы Вст =Ic/IBF npn –транзистора в нормальномвключении от тока коллектора Ic при смещении коллектора UCB =0, 1 В, измеренного до облучения (Ф 0 =0) и после облучения нейтронами ядерного реактора с флюенсом Ф, н/см 2 (Ф 1 = 6 1012, Ф 2 = 6 1013, Ф 3= 2 1014) [4]
• Для БИС КМОП технологии и образующих их структурное ядро МОП транзисторы с n- или p-каналом главными являются ионизационные механизмы взаимодействия ИИ с веществом, возбуждающие электронную подсистему твердого тела. Поскольку они работают на основных НЗ, создаваемых высоколегированными областями истока и стока, они относительно мало чувствительны к концентрации дефектов кристаллической структуры полупроводника. Долговременное повреждение этих приборов связано с зарядовыми процессами, происходящими в диэлектрике МОП структур, а также на границе раздела полупроводник –диэлектрик, и приводящими к накоплению паразитного заряда. Такие воздействия характерны как для жестких электромагнитных излучений (гамма-квантов), так и для всех заряженных частиц высоких энергий (электронов, протонов, ионов). На следующих далее рис. 3, 4 и 5 представлены результаты математического моделирования сдвига порогового напряжения МОП транзистора с учетом теории радиационного переноса в диэлектрике [5 -6] и на основе программ [7 -10].
Рис. 4. Зависимость радиационного сдвига плоских зон в насыщении по дозе от напряжения на затворе для разных толщин слоев двуокиси кремния, Å: - 800, О- 400, - 150. Фt. P = 1, 5 э. В, Т = 300 К
Рис. 3. А (слева). Зависимость радиационного сдвига потенциала плоских зон в насыщении по дозе от глубины уровня ловушечного центра при постоянном напряжении на затворе VG. Параметры расчета: толщина диэлектрика tох=800 А, Т=300 К. Кривые соответствуют значениям VG, В: 5 ( ), – 5 (о). Б (справа). Зависимость сдвига потенциала плоских зон от глубины уровня и смещения на затворе VG; параметры расчета: tох=800Å, Т=300 К. Глубина ловушечного центра Фt. P, э. В =1, 5 (о); 1, 0 ( ).
5. Отмеченные выше особенности взаимодействия радиации КП с ИПЭ в составе РЭА КА, предназначенных для длительных САС, значительно усложняют наземную оценку сроков бессбойной и безотказной работы как ИПЭ, так и аппаратуры на их основе. Две различные проблемы, традиционно рассматриваемые раздельно, - обеспечение надежности БРЭА, с одной стороны, и обеспечение высокого уровня радиационной стойкости, с другой, предстают перед разработчиками КА для условий длительного полета КА связанными взаимным нелинейным влиянием воздействия радиации и проявления теплового или электрического режима нагружения ЭРИ в составе БА. Появляется новая проблема - проблема радиационной надежности. Как всякая новая проблема, она лишена разработанных и проверенных методов решения и соответствующего информационно-методического обеспечения. • Рассмотрение новой категории «радиационный ресурс» приводит к осознанию, что его расходование связано с физико-химическими параметрами материалов БИС, не являющихся чисто электрофизическими, и поскольку они не востребованы технологией, практически не известных для ИПЭ. Их диагностика может осуществляться лишь на стадии производства и подразумевает использование (специальных) тестовых структур на пластине и специальных методов (см. , например, [12]). С другой стороны, исследование квазихимии дефектов и электрофизики механизмов радиационного повреждения ИПЭ, разработка соответствующих ФММ деградации и ПМО математического моделирования, а также приближенных аналитических решений позволяют предложить ряд новых методов радиационной диагностики и эффективные методы сопровождения производства для оптимизации [13, 14] технологии и выхода радиационно-стойких ИПЭ. •
6. Для создания расчетно-экспериментальной системы прогнозирования необходимо решить следующие задачи : • Разработать методы тестирования субмикронных и наноразмерных изделий полупроводниковой кремниевой электроники, предназначенных для комплектации специальной аппаратуры с длительным сроком активного функционирования в условиях воздействия ионизирующих излучений (например, аппаратуры КА), с использованием специальных тестовых структур, кратковременного воздействия моделирующей радиации и термического воздействия; • Разработать методы и программы компьютерного расчета радиационной дозовой нагрузки в кристаллах кремния от потоков заряженных частиц космической радиации (включая вторичные – заряженные фрагменты ядерных реакций, вызванных протонами и ионами (адронами) космических лучей, а также нейтронами высоких энергий (альбедо Земли или генерированных в защите КА), для прогнозирования радиационной стойкости и радиационного ресурса БИС при дозовых отказах, а также частоты единичных сбоев (SEU). И в перспективе: • Проектирование и изготовление автоматизированного измерительноиспытательного комплекса (АИИК) - технического средства для компьютерной поддержки системы тестирования ИПЭ для расчетно-экспериментального обследования тестовых структур в интересах обеспечения длительных сроков активного функционирования в аппаратуре при воздействии ИИ (для космоса САС КА). • Проектирование и изготовление автоматизированного рабочего места (АРМ) прогнозирования дозовой нагрузки и единичных событий под действием ядерных частиц (адронов) в кристаллах БИС.
Для АИИК должны быть разработаны: - физико-математические основы экспериментально-расчетной системы тестирования и прогнозирования радиационного ресурса ИПЭ и их реализация в наборе автоматизированных методик обследования наноразмерных тестовых структур КМОП БИС для разбраковки партий в процессе изготовления элементной базы (ЭБ) для комплектации КА с длительными САС в поле ИИ КП ; - специальное программно-методическое обеспечение, позволяющие реализовать до и после воздействия радиации, а также после термического воздействия измерений (субмикронных и наноразмерных) тестовых структур МДП интегральных схем. Должны быть реализованы следующие методики и методы: DLTS методы (спектроскопические методики глубоких центров): метод релаксации емкости, метод DLTS в режиме постоянной емкости; метод DLTS в режиме постоянного подпорогового тока МОП транзистора; метод DLTS с использованием интегрального преобразования Лапласа. Реализуемые методики позволяют определять пространственное и энергетическое распределение дефектов в полупроводнике, сечения захвата этими дефектами электронов и дырок, спектр поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик. Методы вольт-ёмкостных (CV) характеристик: метод высокочастотных стационарных CV характеристик; метод квазистатических CV характеристик; метод нестационарных CV характеристик. Методики позволяют определять высоту барьера в диодах Шоттки, величину эффективного заряда в диэлектрике и плотность поверхностных состояний на границе раздела полупроводник–диэлектрик МОП структуры, профиль легирования полупроводника, время жизни неосновных носителей в полупроводнике.
Метод токов накачки заряда, который позволяет определять концентрацию и энергетическое распределение поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик в МОП транзисторе с использованием импульсов прямоугольной и треугольной формы, а также оптимизированных трехуровневых импульсов. • Методы вольтамперных (JV) характеристик: стационарных ВАХ; динамических ВАХ; подпороговых ВАХ МОП транзистора. Методики на основе этих методов позволяют определять подвижность и концентрацию паразитного подвижного заряда в диэлектрике МОП структуры, величину фиксированного заряда в диэлектрике и плотность поверхностных состояний на границе раздела полупроводник – диэлектрик МОП транзистора, а также сдвиг пороговых напряжения и искажение динамического сопротивления после воздействия радиации. •
Одновременно предполагается разработать ПО для автоматизированного рабочего места (АРМ), предназначенное при проектировании КА для проведения : • теоретических расчетов радиационного нагружения, с учетом влияния кристаллической решетки и особенностей протекания ядерных взаимодействий и энерговыделения в рабочих областях кристаллов нано-БИС для исследования дозовой деградации, а также подпорогового по ЛПЭ эффекта единичных сбоев (SEU), характерного для протонов солнечных космических лучей (СКЛ) высоких энергий, а также быстрых ионов галактических космических лучей (ГКЛ) и нейтронов альбедо Земли; • математического моделирования радиационного изменения ВАХ транзисторов (т. н. дозовой деградации) с учетом особенностей их технологии на основе параметров, извлеченных с помощью автоматизированных методик термо- и радиационного тестирования для целей прогнозирования ресурса БИС в аппаратуре, работающей при воздействии ИИ (на борту КА).
прибора при облучении и вводящий эффект короткого канала для технологических стандартов микронного и ниже диапазонов [7], - эффект флуктуаций поверхностного потенциала в канале транзистора, приводящий к падению тока канала МОП транзистора после облучения из-за шумов генерации–рекомбинации поверхностных состояний полупроводника [10], -Новой модели подпороговых сбоев под действием ионов высокой энергии, идущих через эффект квазиканалирования тяжелых заряженных частиц в кристалле полупроводника БИС [18], -Новой модели подпороговых сбоев под действием протонов высокой энергии, идущих через стадию ядерной реакции, с использованием математического моделирования ядерной реакции для расчета полных и дифференциальных сечений, а также массовых, угловых и энергетических спектров ионов-тяжелых фрагментов ядерной реакции [16] и физического моделирования с использованием ионов промежуточных энергий, воспроизводящих указанные выше спектры. Реализация такого совместного моделирования может значительно повысить эффективность диагностики вероятности ОС БИС (по оценкам, в 105 раз [17] по сравнению с использованием протонов ускорителя ИТЭФ Гэ. В-ного диапазона энергий. Возможность реализации указанных радиационных расчетов связана с теоретическими открытиями новых эффектов когерентного рассеяния при движении заряженных частиц нерелятивистских энергий в кристалле [18] и разработкой нового оригинального программного обеспечения транспорта адронов в толстых кристаллах [11] на основе усреднения эффектов некогерентного рассеяния при движении в кристалле вдоль аналитической фрактальной траектории в эффективном поперечном потенциале. При этом теория
Выводы • • Осуществление рассмотренной системы прогнозирования обеспечит новый уровень достоверности параметров радиационной надежности и радиационной стойкости ЭРИ на борту КА и позволит на этой основе по данным специализированных дополнительных испытаний и реализации расчетных методик оптимизировать отбор комплектующих нано- и субмикронных ИПЭ (в первую очередь БИС) для бортовой аппаратуры КА длительного функционирования на орбите. Рассмотрение новой категории «радиационный ресурс» приводит к осознанию, что его расходование связано с физико-химическими параметрами материалов БИС, не являющихся чисто электрофизическими, и поскольку они не востребованы технологией, практически не известных для конкретной реализации технологии ИПЭ. Их диагностика может осуществляться лишь на стадии производства и подразумевает использование (специальных) тестовых структур на пластине и специальных методов (см. , например, [12]). С другой стороны, необходима разработка специальных разделов САПР БИС в части их радиационной деградации, в частности, исследование квазихимии дефектов и электрофизики механизмов радиационного повреждения ИПЭ, разработка соответствующих ФММ деградации и ПМО математического моделирования, а также приближенных аналитических решений позволяют предложить ряд новых методов радиационной диагностики и эффективные методы сопровождения производства для оптимизации технологии радиационностойкой ЭКБ в части эффектов дозовой деградации [13, 14 и др. ]. При рассмотрении прогнозирования единичных эффектов и ОС проблема состоит в том, что большинство из используемых подходов – чисто феноменологические. В результате, прогнозирующая способность таких подходов оставляет желать лучшего. Наш подход базируется на современных ядерно-физических подходах, использующих всю полноту базы экспериментальных ядерно-физических данных и новейшие модельные ядерно-физические представления.
Использованная литература Модель космоса: в 2 -х томах/ Под ред. М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. М. : КДУ, 2007. 2. Малышев М. М. , Малинин В. Г. , Куликов И. К. , Торгашов Ю. Н. , Ужегов В. М. // Радиационнонадежностные характеристики изделий электронной техники в экстремальных условиях эксплуатации. С. -Петербург: Изд-во РНИИ «Электронстандарт» , 1994. С. 4 -16. 3. Алексанян И. Т. , Бункин Б. В. , Сухарев Е. М. // Тез. докл. III Всесоюзн. конф. «Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статистических испытаний ИМС и их элементов» . М. 1989. С. 3 -4. 4. Кадменский А. Г. , Кожевников В. П. , Рагозин А. Ю. // ВАНТ. Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научн. -техн. сб. 2000. В. 1 -2. C. 74 -88. 5. Churchill J. N. , Holmstrøm F. E. , Collins T. W. Modeling of radiation induced charges in the electrical properties of MOS structures // Advances in Electronics and Electron Physics. 1982. V. 58. P. 1 -79. 6. Huges R. C. , Scager H. // IEEE Trans. Nucl. Sci. , 1985. - V. NS-30. - P. 4042 -4054. 7. Левин M. H. , Кадменский А. Г. , Кадменский С. Г. , Татаринцев А. В. , Литманович В. И. // Автометрия. 1992. N 3. С. 7 -12. 8. А. Г. Кадменский, С. Г. Кадменский, М. Н. Левин, В. М. Масловский, В. Е. Чернышев Релаксационные процессы в МДП – элементах интегральных схем, вызванные ионизирующим излучением и импульсным магнитным полем// Письма в Журнал технической физики. – 1993. – т. 19, в. 3. -С. 4145 9. Кадменский А. Г. //Радиационная стойкость электронных систем “Стойкость-99”, 1999. В. 2. Научн. -техн. сб. М. : МИФИ. С. 7 -9. 10. Бормонтов Е. Н. , Левин М. Н. , Гитлин В. Р. , Меньшикова Т. Г. , Татаринцев А. А. // Письма в ЖТФ, 2004, том 30, вып. 9. С. 73 -80. 11. Kadmenskii A. G. , Samarin V. V. , Tulinov A. F. //Physics of Particles and Nuclei, Vol. 34. No. 4. 2003. pp. 411 -435. 12. Левин М. Н. , Кадменский С. Г. , Кадменский А. Г. , Чеченин Н. Г. ВАНТ. Серия: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Научн. -техн. сб. М. : 2008. В. 1. С. 32 -36. 13. НТО НИР» Эверест» НИИЯФ МГУ. 2007. 14. НТО НИР «Уран» ФГУП ЦНИИмаш, 2008. 15. НТО НИР «Уран» ФГУП ЦНИИмаш, 2009. 16. Чувильская Т. В. , Широкова А. А. , Кадменский А. Г. , Чеченин Н. Г. //Ядерная Физика. , вып. 7, 2008. 17. Кадменский А. Г. , Чеченин Н. Г. Моделирование единичных сбоев в кристаллах электроники // Тез. Докл. XL Междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. 1.
Спасибо за внимание
Скачать презентацию ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ
8781c037135e98dae1860eb4b3670607.ppt