Радиационно стойкие интегральные схемы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Радиационно стойкие интегральные схемы

1«

Юрий Богатырев,

главный

научный сотрудник НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, доктор технических наук

Сергей Шведов,

директор филиала НТЦ «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл»

Обеспечить долговечность радиоэлектронной аппаратуры при длительном воздействии ионизирующих излучений (ИИ) на различных промышленных, космических, научных и специальных объектах - задача весьма актуальная. Ее решение требует разработки методов моделирования и оптимизации конструктивно-технологических и схемотехнических решений, создания и эксплуатации контрольно-измерительного и испытательного оборудования для изучения воздействия ИИ и оценки радиационной стойкости изделий по результатам испытаний на радиационных моделирующих установках и т.д.

Основой современной электроники являются интегральные схемы (ИС) - полупроводниковые приборы (ПП), реализующие чрезвычайно широкий спектр задач преобразования информации: от усиления сигналов и осуществления простейших логических функций до выполнения сверхпараллельных вычислений. Базовый элемент аналоговых и цифровых схем - транзисторы. На одном кристалле их находится от десятков (схемы малой степени интеграции) до миллиардов в сверхбольших (СБИС) и ультрабольших (УБИС) схемах. В зависимости от принципа работы и устройства транзисторы подразделяются на биполярные и имеющие структуру «металл - окисел - полупроводник» (МОП). Первые применяются преимущественно в аналоговых ИС. Современные цифровые схемы выполняются по «дополняющей» (комплементарной) МОП-технологии (КМОП).

Отказы большинства полупроводниковых приборов и интегральных схем при воздействии ионизирующих излучений в основном случаются вследствие эффектов ионизации и структурных повреждений материалов, а также выделения тепла. В ряде случаев их выход из строя из-за протонного и электронного облучений

обусловлен деградацией характеристик за счет появления объемных радиационных дефектов. Структурные повреждения оказывают влияние на электрофизические параметры материалов: снижают концентрацию, время жизни и подвижность носителей заряда. Это наиболее существенно для биполярных ИС. В то же время КМОП ИС имеют слабую чувствительность к объемным структурным повреждениям, так как МОП-транзисторы являются приборами на основных носителях.

Поверхностные ионизационные эффекты связаны в основном с накоплением зарядов в слоях подзатворных и пассивирующих диэлектриков, а также с изменениями характеристик границ раздела. Этим обусловлены отказы современных ИС при воздействии космической радиации.

Объемные ионизационные эффекты наблюдаются из-за процессов генерации, рекомбинации и переноса неравновесных носителей в активных областях подложки и полупроводниковых структурах ИС. В основном эти эффекты вызывают импульсные ИИ - гамма-рентгеновские, электронные, лазерные и т.п. При воздействии радиационных факторов космического пространства

такие эффекты проявляются как локальные через влияние отдельных ядерных частиц. В этом случае происходит сильная локальная кратковременная ионизация вдоль трека частицы, что может приводить к сбоям и отказам отдельных элементов. Обычно их называют эффектами от отдельных ядерных частиц.

Наряду с внутренними процессами в кристаллах ИС при радиационных воздействиях имеют место сопутствующие внешние эффекты - электрические воздействия на выводы, утечки между ними и др. В частности, появление на выводах ИС импульсов напряжения и тока происходит в результате электростатических разрядов диэлектрических материалов из-за радиационного заряжения их при воздействии электронов и протонов космического пространства.

Таким образом, к основным радиационным эффектам в микроэлектронных изделиях относятся: деградация электрических и функциональных характеристик ПП и ИС, в первую очередь полупроводниковых и оптоэлектронных, вследствие накопления радиационно-индуцированного заряда в диэлектрических структурах (поверхностные радиационные эффекты); деградация

ТЕМА НОМЕРА

Рис. 1. Способы повышения надежности и радиационной стойкости ИС

Название способов

Краткая характеристика

Основные преимущества и недостатки

Технологические

Схемотехнические

Использование специализированных технологических процессов изготовления СБИС и специализированных материалов: «кремний на сапфире» (КНС), «кремний на изоляторе» (КНИ), гетероструктур и т.п.

Использование библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, кодеров, декодеров Хэмминга, так называемых «усиленных» библиотек элементов, отбор библиотечных компонентов

Высокая цена, отсутствие необходимых материалов и оборудования

Возможность реализации на стандартных технологических процессах, относительная дешевизна. Стойкость к воздействию ТЗЧ

Конструктивные

Использование специальных корпусов, локальной защиты, покрытий и т.п.

Необходимость применения специализированных материалов для корпусов

Моделирование радиационных эффектов на этапе проектирования СБИС

Прогнозирование стойкости элементов СБИС и аппаратуры на этапе проектирования с использованием специализированных компонентов САПР и моделей компонентов

Необходимость

специализированных программных продуктов

электрических характеристик ПП и ИС из-за образования радиационных дефектов внутри кристаллической структуры (объемные структурные повреждения); возникновение мощных импульсных электрических разрядов после электростатического пробоя изолирующих материалов; сбои и отказы от воздействия отдельных высокоэнергетических ядерных частиц (протоны с энергией выше 10-20 МэВ и ионы солнечных и галактических космических лучей).

Современные подходы к повышению надежности специализированных СБИС, стойких к ИИ, можно разделить на четыре большие группы (рис. 1).

К технологическим методам относятся: использование специализированных технологических процессов изготовления СБИС и специализированных материалов - технология «кремний на сапфире» (КНС), «кремний на изоляторе» (КНИ), специализированных операций легирования и т.п. Все они чрезвычайно дорогостоящи и поэтому редко применяются на практике. Ведущие производители подобных структур - компании Honeywell, Peregrine Semiconductors (США) и др. К конструктивным способам повышения радиационной стойкости следует отнести использование специальных корпусов, методов локальной защиты и т.п. К схемотехническим - применение библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, кодеров, декодеров Хэмминга и др. Основ-

ное достоинство последних - возможность их реализации на фабриках со стандартной, предназначенной для массовой продукции технологией. Такой подход обеспечивает значительное повышение стойкости, сопоставимое с применением специальной тех-

uff / ■ -t^tfwM

! .VVptV-

/ -riiC»

J и/._,_

г * 1 U,. Б

Рис. 2. Влияние гамма-излучения Со60 на сток-затворные вольтамперные характеристики п-канальных МОП-транзисторов - элементов субмикронных (топологическая норма 0,35 мкм) КМОП ИС, изготовленных по стандартной (а) и радиационно стойкой (б) технологии. D - поглощенная доза облучения (рад)

нологии, при существенно (в 5-7 раз) меньшей стоимости и получил международное название Rad hard by design. Таким образом французская компания MHS обеспечивает гарантированную стойкость порядка 100 кРад для микросхем на объемном кремнии. Аналогично работает компания Aeroflex (США), используя обычные технологические линейки ведущих производителей.

Отдельное внимание следует уделить моделированию радиационных эффектов на этапе проектирования СБИС. Необходимо создать отечественные средства проектирования и соответствующие модели. Предварительные результаты позволяют говорить о возможности создания маршрута проектирования СБИС. Совместно с использованием специальных схемотехнических приемов такой подход позволяет существенно снизить число итераций при отработке схемотехники и значительно уменьшить стоимость разработки.

Тематика научных работ, проводимых в лаборатории радиационных воздействий НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, в основном связана с задачами, решаемыми заводами ОАО «Интеграл», и посвящена исследованиям влияния ИИ на электрофизические характеристики МОП-структур, р-n-структур и приборов на их основе, а также методам обеспечения их качества, надежности и радиационной стойкости. Основные результаты выполненных в лаборатории

14 НАУКА И ИННОВАЦИИ №3(109) Март 2012

«Белмикроанализ» -центр инновационных исследований

Рис. 3. Гамма-установка «Исследователь»

Рис. 4. Размещение образцов ИС в зоне облучения

прикладных исследований внедрены на предприятиях Беларуси (ОАО «Интеграл», МНИПИ) и России (ЦНИИ «Циклон»). В частности, в 2006-2011 гг. при выполнении ГНТП «Микроэлектроника» и «Информационные технологии» были разработаны новые методики испытаний биполярных и МОП-транзисторов и ИС на их основе при воздействии ИИ, а также методы обеспечения (повышения и прогнозирования) радиационной стойкости ИС. Внедрение этих методик и методов в ОАО «Интеграл» позволяет постоянно контролировать радиационную стойкость ИС на стадии изготовления пластин и готовых изделий, что повышает качество и надежность КМОП ИС двойного и специального применения (рис. 2).

Облучение образцов ПП и ИС проводится на изотопной гамма-установке «Исследователь» (рис. 3, 4). Энергия гамма-квантов изотопа Со60 - 1,25 МэВ.

Владимир Пилипенко,

заместитель директора ГЦ «Белмикроанализ», член-корреспондент НАН Беларуси

Александр Петлицкий,

директор ГЦ «Белмикроанализ»

Аркадий Турцевич,

главный инженер ОАО «Интеграл»

Сергей Шведов,

директор филиала НТЦ «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл»

Надежность радиоэлектронной аппаратуры в большой степени зависит как от контроля за ее техническим состоянием в процессе эксплуатации, так и от управления качеством изготовления элементной базы, используемой при создании продукта. Поэтому при разработке и производстве сверхбольших интегральных схем (СБИС) исключительно важен контроль исходных материалов, а также анализ структуры, фазового состава и электрофизических параметров полупроводниковых материалов и многослойных тонкопленочных систем, формируемых на их поверхности. При разработке и изготовлении СБИС с субмикронными размерами такие исследования стали играть особую роль. Проводятся они в ГЦ «Белмикроанализ», созданном в 1983 г. на базе НПО «Интеграл».

Основные задачи центра - арбитражная техническая экспертиза интегральных микросхем, дискретных полупроводниковых приборов и радиокомпонентов для установления физических механизмов и причин отказа; экспертная оценка качества тонкопленочных и других твердотельных материалов по анализу их количественного и качественного элементного состава в заданной точке и распределение элементов по поверхности и объему. Сотрудники «Белмикроанализа» изучают структурно-морфологические свойства твердотельных материалов и различных тонкопленочных композиций с субмикронным разрешением, занимаются измерениями электрофизических и оптических параметров твердотельных образцов и т.д. Объекты исследований - многослойные тонкопленочные системы «металл - диэлектрик - полупроводник», требующие анализа