автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Методы увеличения времени функционирования КМОП СБИС запоминающих устройств в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Радиационные эффекты в СБИС ЗУ.

1.1. Радиационная обстановка в космосе.

1.2. Радиационные эффекты в МОП-структурах и их влияние на ЬСМОП СБИС.

1.3. Отбраковка.

1.4. Системные методы увеличения ВБР СБИС и приборов на их основе.

1.5. Постановка задачи.

Глава 2. Прогнозирование вероятности безотказной работы

СБИС при радиационном воздействии.

2.1. Влияние макродефектов на ВБР СБИС.

2.2. Метод изучения процессов образования и зарядки макродефектов в МОП-структурах.

2.3. Методика анализа макродефектов.

2.4. Анализ макродефектов, образующихся при облучении быстрыми нейтронами.

2.5. Исследование макродефектов при воздействии ТЗЧ.

2.6. Исследование процесса зарядки макродефектов.

2.7. Прогнозирование интенсивности отказов.

2.8. Отказы элементов СБИС от одной ТЗЧ.

2.9. Проект натурного эксперимента.

Выводы.

Глава 3. Разработка методов отбраковки ненадежных СБИС ЗУ.

3.1. Исследование процессов восстановления СБИС после гамма-облучения.

3.2. Отбраковка при помощи РТО.

3.3. Разбраковка по начальным параметрам.

Выводы.

Глава 4. Разработка системных методов повышения САС.

4.1. Выбор функции распределения радиационных отказов.

4.2. Теоретический анализ переключающегося и сеансного режимов работы СБИС ЗУ в составе БА КА.

4.3. Экспериментальное исследование режима переключения.

4.4. Оптимизация режима переключения при постоянной мощности дозы облучения на борту КА.

4.5. Пример расчета ВБР СБИС ПЗУ для эллиптической орбиты.

Выводы.

Интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (СБИС) в настоящее время находят широкое применение в космической технике. Это связано с увеличением сложности задач, решаемых бортовой аппаратурой (БА), уменьшением массы БА, а также тем требованием, что базовая платформа БА должна быть как можно более «гибка» для подключения различных периферийных устройств. Данные требования приводят к необходимости применять высокопроизводительные, современные процессоры, СБИС запоминающих устройств (ЗУ) с большим объемом памяти и т.д. При применении этих устройств возникает задача обеспечения необходимой радиационной стойкости БА.

По данным работы [1] , приводящей статистику отказов КА США за период 1974 . 1994 г.г., одной из основных причин отказа является отказ электронных компонентов БА, происходящий из-за воздействия ионизирующего излучения космического пространства (ИИ КП). Раньше эта проблема решалась применением радиационно-стойкой элементной базы. В последнее время технология развивалась наиболее быстро в областях электронных изделий, применяемых в компьютерах и системах телекоммуникаций. Потребности этих областей намного обогнали потребности военного и аэрокосмического рынков вместе взятых. На данный момент многие из основных производителей компонентов просто отказались выпускать малые партии электронных компонентов для космического рынка, а вновь созданные компании не заинтересованы в космическом рынке с его строгими требованиями к радиационной стойкости. По данным работы [2] к 90-м годам доля мирового рынка микросхем, приходящаяся на вооружения и космическую технику, сократилась до 1%, а на настоящий момент составляет еще меньшее значение. На рис. В.1 приведено распределение полупроводниковых приборов по секторам рынка к 90-м годам, а на рис. В.2 - изменение доли военной продукции на рынке полупроводников. Как видно из этих рисунков, наблюдается устойчивое сокращение доли электронных компонентов, предназначенных для военного и космического применения. Кроме того, разрабатываемые новые типы микросхем, особенно СБИС, просто не могут быть сконструированы для применения в военной технике из-за высокой стоимости разработки и окупаемости только при производстве миллионами штук.

ОМ 10% 20Н У0% 40% 50% 60%

Рис. В.1. Распределение полупроводниковых Рис. В.2. Изменение доли военной приборов по секторам рынка к 90-м годам продукции на рынке полупроводников

Отказ производителей микросхем выпускать радиационно-стойкие образцы привел к тому, что разработчики современной БА космических аппаратов вынуждены применять коммерческие электронные изделия, не сертифицированные для военного применения и, в частности, не обладающие необходимой

100% 90% 804 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

1870 1975 1950 1985 1990 1995 2000 радиационной стойкостью. В этой ситуации в США появилась директива 'Perry', объявленная министерством обороны, которая начала реформировать систему комплектования БА радиоэлектронными компонентами, допуская применение коммерческих образцов. В нашей электронной промышленности на сегодняшний день отсутствуют радиационно-стойкие СБИС для построения высокопроизводительного бортового комплекса (БК). Отсюда вытекает необходимость использования при создании высокопроизводительной БА зарубежной элементной базы, не обладающей требуемой радиационной стойкостью.

С другой стороны одним из требований, предъявляемых к современным малым космическим аппаратам, является то, что их срок активного существования (САС) должен достигать 10. 15 лет. Наиболее тяжелая задача в этом случае - обеспечение необходимой радиационной стойкости БА, в состав которой входят коммерческие электронные компоненты зарубежного производства - в первую очередь высокопроизводительные процессоры и СБИС ЗУ большого объема. Подведем итог сказанному: при создании высокопроизводительной БА для отечественных КА разработчики вынуждены применять зарубежную элементную базу коммерческого назначения; необходимый САС БА должен составлять 10, а в перспективе 15 лет.

Сложность применения коммерческих СБИС заключается в том, что их радиационная стойкость часто оказывается недостаточной, качество СБИС может сильно меняться даже в пределах одной партии. Однако, по данным исследований [3] «коммерческие изделия могут соперничать с деталями, квалифицированными для военного и космического применения».

Для этого требуется применение комплекса мер, направленных на повышение устойчивости БА к воздействию ионизирующих излучений.

Актуальность диссертации. По данным работы [3] в последнее время в нашей стране и за рубежом наметилась тенденция к применению в БА КА элементов индустриального класса вместо дорогих и труднодоступных зарубежных элементов космического класса путем реализации широкой программы отбраковочных, сверхотбраковочных и диагностических испытаний на основе анализа методов неразрушающего контроля, а также конструкционного контроля и физического анализа представительных выборок ИМС от каждой партии. С другой стороны проведенные испытания радиационной стойкости БА КА, созданной с применением зарубежных компонентов коммерческого назначения, показали, что наиболее слабым звеном в БА, определяющим ее радиационную стойкость, являются КМОП СБИС ЗУ [4]. Известные методы отбраковки для данных СБИС не позволили выявить образцы, обладающие повышенной радиационной стойкостью и, соответственно, довести радиационную стойкость всей аппаратуры до приемлемого значения. Поэтому разработка процедуры отбора, позволяющей существенно повысить качество применяемых СБИС ЗУ и в среднем на 1.1,5 порядка снизить интенсивность отказов в партиях за счет исключения из них СБИС со скрытыми дефектами, является актуальной задачей.

Необходимость построения высокопроизводительной БА КА вынуждает разработчиков применять СБИС со все большей степенью интеграции и, соответственно, все меньшими размерами их элементов. На данный момент размеры элементов современных СБИС практически сравнимы с размерами дефектов, образуемыми тяжелыми заряженными частицами (ТЗЧ), например, протонами. Это приводит к тому, что в современных СБИС может наблюдаться эффект отказа элемента СБИС вызванный воздействием одиночной частицы. Отказы элементов от одной частицы уже наблюдались в ПЗС матрицах [5, 6]. В КМОП СБИС ЗУ, входящих в состав испытанной в работе БА, размеры элементов сравнимы с размерами дефектов, создаваемыми ТЗЧ. Поэтому, требуется разработать методику расчета вероятности безотказной работы (ВБР) для современных СБИС ЗУ с учетом возможности их отказов от единичных ТЗЧ и предложить способы, обеспечивающие значение этой вероятности на необходимом уровне.

Проведенные испытания СБИС ЗУ на радиационную стойкость показали, что одной из возможных причин их отказа является накопление заряда в крупных дефектах подзатворного оксида. Из этого следует, что методика расчета ВБР СБИС ЗУ должна учитывать и возможность ее отказа при зарядке крупных дефектов.

Таким образом, актуальной является задача разработки методов обеспечения необходимого уровня САС БА КА, в состав которого входят коммерческие и индустриальные образцы КМОП СБИС ЗУ. Цель диссертации

Целью данной диссертации является разработка методов увеличения срока службы коммерческих и индустриальных КМОП СБИС ЗУ, работающих в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

1) изучен процесс образования крупных дефектов в КМОП СБИС при воздействии нейтронов и ТЗЧ;

2) развиты способы обнаружения крупных технологических дефектов в СБИС ЗУ;

3) разработаны методики расчета вероятности безотказной работы СБИС ЗУ при образовании и зарядке крупных дефектов;

4) предложены методы отбраковки ненадежных изделий из партии образцов коммерческого назначения;

5) предложена модель расчета ВБР СБИС ЗУ при применении системных методов увеличения времени функционирования СБИС, эксплуатирующихся в полях низкоинтенсивных ионизирующих излучений.

Научная новизна представленных в данной диссертации результатов заключается в следующем:

- ТЗЧ образуют макродефекты в подзатворном оксиде МОП-структур;

- процесс зарядки макродефектов в МОП-структурах зависит от мощности дозы ионизирующего излучения;

- применение РТО для СБИС ЗУ в корпусах требует «глубокого» отжига, т.е. не только восстановления параметров, но и восстановления запаса на дрейф;

- методы распознавания образов могут быть использованы для отбраковки потенциально ненадежных образцов СБИС;

- предложена модель расчета САС БА КА, работающей в режиме переключения;

- разработана модель расчета ВБР СБИС ЗУ, учитывающая отказы от воздействия ТЗЧ.

Практическая ценность диссертации использование принудительного режима переключения дублированной БА позволит увеличить время наработки на отказ СБИС ЗУ, входящих в состав БА КА и достигнуть увеличение САС всей БА. Приведены примеры расчета ВБР некоторых типов СБИС в активном режиме и при режиме переключения с помощью разработанной методики;

- показана возможность применения длительного («глубокого») отжига с целью отбраковки потенциально ненадежных образцов СБИС ЗУ в корпусах, содержащих макродефекты. Получены параметры РТО для отбраковки потенциально ненадежных СБИС в корпусах;

- определены информативные параметры СБИС ЗУ Am28F020 для применения метода распознавания образов при отбраковке потенциально ненадежных изделий для повышения САС БА, в состав которой входит данная СБИС ЗУ;

- определены параметры макродефектов, возникающие в оксидной пленке МОП-структур при облучении нейтронами;

- получены параметры макродефектов, возникающие в оксидной пленке МОП-структур при облучении а-частицами.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Методика определения ВБР СБИС в режиме переключения при низкоинтенсивном воздействии ионизирующих излучений;

2) Параметры РТО, при которых возможна отбраковка потенциально ненадежных СБИС в корпусах;

3) Информативные параметры СБИС ЗУ Am28F020 для применения метода распознавания образов при отбраковке;

4) Алгоритм расчета концентрации макродефектов в МОП-структуре по значению ее напряжения пробоя;

5) Модель перезарядки крупных дефектов после облучения, существование этого эффекта в КМОП СБИС ОЗУ;

6) Влияние процесса накопления заряда в макродефекте на интенсивность отказов СБИС;

7) Модель расчета ВБР СБИС ЗУ, учитывающая отказы от воздействия ТЗЧ.

Апробация диссертации

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ежегодном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. (Метрология, диагностика, технология)» (Москва, 17-20 ноября 1997 г., Москва, 16-19 ноября 1998 г., Москва, 29 ноября - 3 декабря 1999 г.), на международной научно-технической конференции «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры» (г. Севастополь, 12-20 сентября 1998 г.), на X научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 14-16 апреля 1999 г.), на научно-технической конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость 2001» (Лыткарино, 2001), на XX Межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем» (Серпухов, 25-28 июня 2001 г.),

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 9 работ (7 статей и 2 тезисы докладов).

Результаты работы были использованы при разработке БА для спутника «Ямал-100» (работа по договору с НИИ «Аргон») и при разработке Б А ЮА-300 (работа по договору с РНИИ КП).

Заключение

В работе предложен комплекс мер по увеличению радиационной стойкости СБИС ЗУ, работающих в составе БА КА. Применение этих мер позволяет снизить интенсивность отказов СБИС ЗУ на 1.1,5 порядка. Часть из них использована для увеличения радиационной стойкости БА типа ЮА-300, в состав которой входят СБИС ЗУ коммерческого назначения, обладающие низкой радиационной стойкостью.

Основной научный результат заключаетсяи разработке методики, учитывающей при прогнозировании ВБР зарядку существующих технологических крупных дефектов. Доказано образование макродефектов при воздействии ТЗЧ (а-частиц). Разработана методика определения ВБР СБИС, учитывающая образование радиационных крупных дефектов. Определены условия, при которых возможно применения современных СБИС в БА КА при воздействии одиночных частиц высоких энергий.

Кроме того, получены следующие научные результаты:

- разработана методика расчета концентрации макродефектов в МОП-структуре по значению ее напряжения пробоя;

- определены параметры макродефектов, возникающие в оксидной пленке МОП-структур при облучении нейтронами;

- определены параметры макродефектов, возникающие в оксидной пленке МОП-структур при облучении а-частицами;

- разработана модель перезарядки крупных дефектов после облучения, показано существование этого эффекта в СБИС ОЗУ;

- предложена методика определения ВБР СБИС при режиме переключения;

- показана возможность применения РТО для отбраковки потенциально ненадежных образцов СБИС в корпусах;

- показана возможность использования метода распознавания образов для отбраковки потенциально ненадежных образцов СБИС.

1. Проблемы методологии проектирования космических аппаратов с длительным сроком активного существования / Алавердов В. В., Левицкий Ю. Е., Лукьященко В. И. и др // Радиационная стокость электронных систем «Стойкость-99». М.: СПЭЛС-НИИП, 1999.1. С. 7-8.

2. Попов В.Д. Проблемы и возможности применения коммерческих интегральных схем в военной и космической технике // Chip News.-1999. №5(38).-С28-32.

3. Данилин Н. С. Информационные технологии и сертификация элементной базы новых российских космических телекоммуникаций. М.: РИО РТА, 2000.

4. Гобчанский О.П. Применение microPC в вычислительных комплексах специального назначения // Современные технологии автоматизации. 1997. - № 1. - С.38-41.

5. Rad effects in the new Millennium old realities and new issues/ NREC98, Newport Beach, California. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 1998.

6. Кужевский Б. M. Ядерные процессы в атмосфере Солнца и солнечное космическое излучение. М.: Энергоатомиздат, 1985.

7. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. Энциклопедия, 1983.

8. Ширшев JI. Г. Ионизирующие излучения и электроника. М.: «Сов. Радио», 1969.

9. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия: В 20 т. М.: ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2000. Т. 16, 17.

10. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. М.: Энергоатомиздат, 1988.

11. Попов В. Д., Ройзин Н. М. Роль ионизации в образовании поверхностных состояний // Микроэлектроника, 1973. Т. 2. - Вып. 6.-С. 552-556.

12. Киблик В. Я., Литовченко В. Г., Литвинов Р. О. Исследование радиационных состояний в МДП структурах // Микроэлектроника. 1979. Т. 8. - Вып. 6. - С. 534 - 538.

13. Оспищев Д.А., Попов В.Д. Определение энергии активации ЭПР-центров в пленках двуокиси кремния на кремнии // Физическая основа надежности и деградации полупроводниковых приборов: тез. докл. М.: МНТОРЭС, 1992. С. 31-33.

14. Shanfield Z., Moriwaki М. Critical Evaluation of the Midgap-Voltage-Shift Method for Determining Oxide Trapped Charge in Irradiated MOS Devices // IEEE Trans. On Nucl. Sci. 1987.- V.NS-34. -N6.-P. 1159-1161.

15. Оспищев Д.А., Попов В.Д. Исследование дефектов оксида кремния методом «облучение отжиг» // Физика окисных пленок. Тез. докл. - Петрозаводск: ПТУ, 1994. С. 23-26

16. Никифоров А. Ю., Телец В. А., Чумаков А. И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. М.: «Радио и связь», 1994.

17. Воронкова Г. М., Кузьминова А. В., Попов В. Д. Исследование крупных дефектов в МОП-структурах после облучения и низкотемпературного отжига // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Мат. докл. М.: МНТОРЭС, 1997. С. 335-340.

18. Андрианова Л. В., Верхотуров В. И., Попов В. Д. Метод классификации изделий при отборе МОП ИС // Электронная техника. Сер. 8. Вып. 5(147). 1991. С. 58-60.

19. Катеринич И.И., Оспищев Д.А., Попов В.Д. Метод ускоренных испытаний МОП интегральных схем // Шумовые и деградационныепроцессы в полупроводниковых приборах. Мат. докл. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1994. С. 143-148.

20. Литовченко В. Г. Влияние радиационно-термических обработок на характеристики полупроводниковых структур // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. 1982. - Вып. 2. - С. 10-14.

21. Поливанов А.П., Попов В. Д. Модель восстановления работоспособности элементов СБИС ОЗУ после у-облучения // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М-лы научно-техн. семинара. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2000. С.315-318.

22. Попов В.Д. Исследование дефектов в пленках Si02 методом измерения напряжения пробоя // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. М-лы научно-тех. семинара. М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 1996. С.210-214.

23. Chou N. J., Eldridge J. M. On the statistics govering defect density determination on Si02 films // J. Electrochem. Soc. 1973. - Vol. 120. -№8.-P. 1139-1140.

24. Горлов М. И, Королев С. Ю. Физические основы надежности интегральных микросхем. Воронеж: Изд-во Воронежского университета, 1995.

25. А. П. Поливанов, В. Д. Попов Исследование восстановления работоспособности элементов СБИС после воздействия ионизирующего пространства // Приборы и системы управления. -1999.-№8.

26. Oldman Т. R., McGarrity J. М. Ionization of Si02 by heavy charged particles // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1981. - V.NS-27. - N6. - P. 39753980.

27. The search for neutron induced hard errors in VLSI structures / J. R. Spour, S. Othmer, A. Bahraman e.a. // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1981. -V.NS-28. - N6. - P. 3968-3973.

28. Neil H. E. Weste, Kamran Eshraghian. Principles of CMOS VLSI desing. Addition-wesley publishing company, 1985.

29. Raymond J.P., Petersen E.L. Comparison of neutron, proton and gamma ray effects in semiconductor devices // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1987. - Vol. NS-34. - N6. - P. 1622-1628

30. Николаев Ю. M. Воздействие ионизирующих излучений на интегральные микросхемы энергонезависимой памяти // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Вып. 1-2. ЦНИИатоминформ, 2001. С. 123-124.

31. Катеринич И.И., Попов В.Д. Определение интенсивности радиационно-стимулированных отказов интегральных микросхем // Микроэлектроника. Т. 26. - №1. - 1997. - С. 134-136.

32. Попов В.Д., Поливанов А.П. Оценка вероятности безотказной работы КМОП СБИС ПЗУ в режиме переключения // Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2001». Научно-тех. сб. Вып.4. М.: Паимс, 2001. С.31-32.

33. Поливанов А. П., Попов В. Д. Прогнозирование работоспособности микроэлектронных устройств в робототехнических системах для экстремальных условий // мат. X Научно-техн. конф. «Экстремальная робототехника». С-Пб: СПбГТУ, 1999. С. 430-436.

34. А. П. Поливанов, В. Д. Попов. О возможности применения microPC в бортовых устройствах космических аппаратов // Chip News. №4. - 2000. - С. 70-72.

35. Гобчанский О.П. Проблемы создания бортовых вычислительных комплексов малых космических аппаратов // Современные технологии автоматизации. 2001. - № 4. - С.28-34.

36. Попов В. Д. Радиационная физика приборов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник. М.: Изд. МИФИ, 1984.

37. В.Д. Попов. Вероятность безотказной работы ИС при различных «запасах» по дозе ионизирующего излучения // Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2001». М.: Паимс, 2001. С. 29-30.

38. Гобчанский О., Попов В., Николаев Ю. Повышение радиационной стойкости индустриальных средств автоматики в составе бортовой аппаратуры // Современные технологии автоматизации. 2001. - № 4. - С.35-38.

39. Гришаков В.В., Попов В.Д. Модель макродефекта в подзатворном оксиде кремния МОП транзисторов.- Научная сессия МИФИ-99. Сб. научных трудов. Том.6. М.: МИФИ, 1999. С.76-77.