CC BY
30МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.38
Развитие базовой технологии прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники
А.Ю. Никифоров, П.К. Скоробогатов, М.Н. Стриханов, В.А. Телец, А.И. Чумаков
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Описана базовая технология прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники, которая подтвердила свою высокую эффективность на всех стадиях разработки и производства. Предложены основные направления развития базовой технологии, расширяющие сферу ее применения на условия космического пространства и на изделия новых перспективных технологий.
Ключевые слова: базовая технология, радиационная стойкость, электронная компонентная база.
Базовая технология контроля, оценки и прогнозирования радиационной стойкости изделий микроэлектроники [1], разработанная и внедренная на предприятиях промышленности, в значительной мере позволила решить основные задачи, стоящие перед разработчиками радиационно стойких изделий микроэлектроники для комплектации высоконадежной аппаратуры.
Базовая технология основана на расчетно-экспериментальном моделировании доминирующих радиационных эффектов - поверхностных (дозовых) и мощности дозы (объемных) - с взаимодополняющим использованием моделирующих установок и имитаторов (рис.1 ).
Возможности внедренной в практику производства базовой технологии позволяют обеспечить выполнение программы создания радиационно стойкой элементной базы микроэлектроники военного и специального назначения по основным направлениям, включая освоение и разработку наиболее перспективных изделий, таких как КМОП БИС и СБИС на основе технологий «кремний на сапфире» (КНС) и «кремний на изоляторе» (КНИ).
Однако возможности базовой технологии не исчерпываются освоенными и внедренными методами и средствами радиационных испытаний. Она представляет собой динамично развивающийся инструмент, требующий постоянного усовершенствования и расширения возможностей по мере развития технологии изделий микроэлектроники, появления новых классов изделий и новых видов воздействий.
По состоянию на сегодняшний день базовая технология включает, помимо освоенных инструментов, методы и средства контроля и оценки радиационной стойкости электронной компонентной базы, находящиеся в стадии освоения и развития, а также перспективные направления (см. рис.1).
© А.Ю. Никифоров, П.К. Скоробогатов, М.Н. Стриханов, В.А. Телец, А.И. Чумаков, 2012
Рис. 1. Состояние и перспективы развития базовой технологии
Методы и средства, находящиеся на стадии освоения и развития. Это, прежде всего, расширение сферы применения базовой технологии на изделия микроэлектроники для комплектации космической аппаратуры [2], включая влияние отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) и низкоинтенсивные дозовые воздействия. Важной составляющей базовой технологии является метод испытаний изделий микроэлектроники на стойкость к воздействию ОЯЧ - тяжелых ионов и высокоэнергетичных протонов космического пространства, а также атмосферных нейтронов [3]. Доминирующие механизмы отказов микросхем в этих случаях связаны с локальными ионизационными эффектами, которые проявляются в виде тиристорных эффектов, одиночных сбоев, а также катастрофических отказов (прожогов, проколов диэлектрика и др.).
Основные моделирующие установки (источники генерации ОЯЧ) - ускорители ионов и протонов (циклотроны), на которых проводится значительная часть испытаний. Однако традиционные для моделирующих установок ограниченная доступность и высокая стоимость оборудования, стохастический характер воздействия, не позволяющий идентифицировать критический отказавший элемент в составе объекта, дистанционный характер измерений и конструктивные ограничения (например, требования работы в вакууме для многих «короткопробежных» ионов) стимулировали развитие имитационных методов моделирования локальных ионизационных эффектов с использованием сфокусированного лазерного излучения (ЛИ) с пикосекундной длительностью импульсов, а также изотопных источников.
Локальные ионизационные эффекты в микросхемах, вызываемые воздействием ОЯЧ и имитирующим воздействием, считают адекватными (эквивалентными) по при-
знаку идентичности импульсных реакций (откликов) - параметрических и/или функциональных сбоев и отказов, контролируемых по внешним выводам.
Для изотопных имитационных испытаний микросхем используют альфа-источники с энергией около 5 МэВ и источники на основе спонтанного деления на основе изотопа О252. Основными недостатками изотопных источников в качестве средств испытаний микросхем на ОЯЧ являются значительные различия массово-энергетических характеристик частиц и, как следствие, механизмов взаимодействия с типовыми активными структурами микросхем, что во многих случаях обуславливает неадекватное моделирование эффектов. Кроме того, сохраняется случайный характер взаимодействия ОЯЧ на различные фрагменты поверхности кристалла микросхемы, что затрудняет диагностику критических элементов. Этого недостатка лишен метод испытаний с использованием сфокусированного ЛИ.
Испытания на лазерных имитаторах со сфокусированным излучением обеспечивают целенаправленное воздействие на отдельные чувствительные элементы микросхем и определение пороговых значений линейных потерь энергии или пороговых значений энергии (заряда) переключения чувствительных элементов микросхем. Испытательный комплекс должен обеспечивать однократные импульсы излучения с длительностью не более 100 пс (в отдельных случаях - не более 20 нс) и энергией в импульсе не менее 100 нДж. Для определения пороговых значений линейных потерь энергии длина волны ЛИ должна быть в пределах от 0,95 до 1,08 мкм. Для определения энергии переключения чувствительных элементов длина волны ЛИ имитатора должна быть не более 0,6 мкм [4]. Оптическая система должна обеспечивать фокусировку ЛИ до диаметра менее 5 мкм с фокусным расстоянием не менее 20 мкм. Система визуализации ЛИ совместно с предметным столиком необходима для локализации воздействия ЛИ на кристалле микросхемы с разрешением 2 мкм.
Некоторые микроэлектронные изделия чувствительны к эффектам структурных повреждений при воздействии нейтронов и протонов. Тогда в качестве моделирующих установок традиционно используются ядерные реакторы. Считается, что природа радиационных дефектов не играет существенной роли, а деградация характеристик прибора полностью определяется долей энергии, потраченной на структурные повреждения. Недостатком данного метода является его неэкологичность и длительное время высвечивания образцов после проведения испытаний.
Объемные структурные повреждения в микросхемах, вызываемые воздействием протонного излучения, можно моделировать альфа-частицами высокоинтенсивного изотопного источника. Основные недостатки этого метода связаны с техническими сложностями изготовления и использования открытого альфа-источника с активностью порядка долей микрокюри, идентичностью деградации электрических и функциональных характеристик, контролируемых по внешним выводам микросхем.
Практика применения имитационных методов показала, что наиболее достоверные результаты испытаний получаются при их комплексном использовании совместно с моделирующими установками.
При моделировании дозового воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения источники испытательных воздействий (гамма, рентгеновские) не имеют существенных особенностей по сравнению со стандартными испытаниями на выявление дозовых эффектов [5]. Сложности возникают при разработке методик проведения ускоренных испытаний микросхем с учетом различных механизмов отказов для получения достоверного результата за приемлемое время [6].
Использование лабораторных имитационных методов испытаний существенно расширяет возможности оценки и контроля радиационной стойкости сложно-функциональных блоков, систем на кристалле и систем в корпусе [7]. Интеграция ма-
логабаритного имитатора и аппаратуры современного измерительного комплекса позволяет проводить оперативный контроль электрических и функциональных параметров сложнофункциональных изделий микроэлектроники непосредственно в процессе облучения [8]. Однако особенности конструктивной реализации этих устройств во многих случаях затрудняют доступ имитирующего воздействия к кристаллам и требуют применения моделирующих установок для калибровки дозиметрии.
Перспективные направления развития базовой технологии. Расширение номенклатуры изделий микроэлектроники требует проведения анализа взаимодействия ионизирующих излучений и характера проявления радиационных эффектов в различных полупроводниках. В случае рентгеновского моделирования дозовых эффектов требуется адекватный расчет поглощенной в полупроводнике энергии с учетом энергетической зависимости коэффициентов поглощения рентгеновского излучения и его спектра.
Для использования лазерных методов моделирования воздействия импульсных излучений (эффекты мощности дозы) необходим анализ энерговыделения ЛИ по глубине полупроводника. Известно, что для испытаний кремниевых микросхем наиболее эффективно применение твердотельного неодимового лазера с длиной волны 1,06-1,08 мкм. Поэтому использование лазерного имитатора «Радон-5» позволяет создать достаточно однородную по глубине ионизацию с эквивалентной мощностью поглощенной дозы до 1012 рад^)/с [9].
Предложенный подход можно использовать для определения оптимальных параметров ЛИ и для других типов полупроводниковых приборов. Результаты анализа представлены на рис.2. Разной тонировкой отмечены области с различной максимальной мощностью поглощенной дозы, создаваемой источниками ЛИ соответствующей длины волны и интенсивности: 1 - «РАДОН-5» (X =1,06-1,08 мкм); 2 - «Тералаз» (X = 0,84 мкм); 3 - ИЛПИ-130 (X = 0,904 мкм); 4 - ЛЖИ-508 (X = 0,362-0,414 мкм); 5 - ЛТИ-408 (X = 0,355 мкм); 6 - У0501С (X = 0,355 мкм). Левая граница каждой области соответствует длине волны, обеспечивающей необходимую равномерность ионизации на глубине 10 мкм, правая - 1 мм. Видно, что для непрямозонных полупроводников типа кремния и карбида кремния, для которых характерна плавная зависимость коэффициента поглощения излучения от длины волны на краю полосы основного поглощения, существует достаточно широкий диапазон возможных длин волн [10]. В случае прямозонного арсенида галлия возможности выбора источника ЛИ сужаются. Одним из эффективных вариантов является использование мощных импульсных лазеров с блоком перестройки длины волны, например «Радон-8».
Основная проблема при проведении лазерных имитационных испытаний -достоверное определение эквивалентной мощности дозы излучения с учетом сложной оптической геометрии реального изделия. Наиболее эффективный способ преодоления этих сложностей - применение процедуры калибровки с использованием ускорителей электронов и малогабаритных источников импульсного тормозного излучения типа «АРСА».
/дИ, Вт/см~
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 А, мкм
Рис.2. Области возможных параметров лазерного излучения для кремния, арсенида галлия
и карбида кремния
Совместное использование источников импульсного тормозного излучения и лазерных источников позволило разработать методики и подготовить измерительную аппаратуру для оценки и контроля радиационной стойкости монолитных СВЧ-интегральных схем. При этом основную сложность представляет контроль параметров-критериев стойкости этих схем в диапазоне частот до десятков гигагерц непосредственно в процессе облучения. Предложенный подход позволил провести радиационные испытания монолитных СВЧ-интегральных схем на основе арсенида галлия, нитрида галлия, сплава германий-кремний и гетероструктур.
Перспективным и бурно развивающимся классом изделий микроэлектроники являются изделия микросистемной техники (МСТ). Многообразие конструктивных и технологических решений изделий МСТ затрудняет разработку универсальных методов оценки и контроля их радиационной стойкости. В каждом конкретном случае необходимо обосновывать методы контроля не только электрических, но и физических параметров, разрабатывать нестандартные средства испытаний. Опыт испытаний изделий МСТ (датчики удара и давления, микрогироскопы и микрозеркала, микродвигатели) показал, что принципы и методы базовой технологии могут использоваться и для этого класса изделий, но моделирующие установки во многих случаях имеют приоритетное использование для испытаний по сравнению с имитаторами.
Переход к использованию наноразмерных структур требует адаптации существующих методов и средств испытаний к изделиям наноэлектроники. В частности, испытания диодных структур на основе углеродных нанотрубок показали их высокую радиационную стойкость по поглощенной дозе. Однако интерпретация полученных результатов требует использования квантово-механических моделей взаимодействия.
Ионизирующие излучения могут влиять на изделия микроэлектроники как непосредственно, через проявление радиационных эффектов, так и косвенно, через вторичные эффекты. Среди вторичных новых видов воздействий необходимо отметить влияние электрических перенапряжений, связанных с воздействием ионизирующих излучений на изделия микроэлектроники. Разработанные генератор одиночных импульсов напряжений и методики проведения испытаний позволяют определить импульсную электрическую прочность микроэлектронных изделий, включая сложно-функциональные изделия. На работу электронной аппаратуры могут также влиять импульсные электрические воздействия, связанные с эффектами электризации космических аппаратов [11]. Они могут приводить к появлению на выводах изделий микроэлектроники однократных и многократных импульсов напряжения амплитудой до сотен вольт и с длительностью в области долей и единиц микросекунд. Актуальной задачей является разработка методов и средств проведения испытаний микроэлектронных изделий на многократное воздействие одиночных импульсов напряжений, в том числе с амплитудой сигналов ниже пороговой (подпороговые эффекты) [12]. Для оценки стойкости изделий к этому фактору требуется разработка специализированных генераторов и методик их применения.
Исследования проводились в рамках работ по проекту «Комплекс-МИФИ», выполняемому по постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».
Литература
1. Базовая технология прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники / А.Ю. Никифоров, П.К. Скоробогатов, М.Н. Стриханов и др. // Электроника, микро-и наноэлектроника: сб. науч. тр. / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: МИФИ, 2009. - С. 9-14.
2. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 2004. - 319 с.
3. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства / А.И. Чумаков, А.Л. Васильев, А.А. Печенкин и др. // Микроэлектроника. - 2010. -Т. 39. - № 2. - С. 85-90.
4. Сканирующий лазерный комплекс ПИКО-3 для моделирования ионизационных эффектов в ИС / А.И. Чумаков, А.Н. Егоров, О.Б. Маврицкий и др. // Радиационная стойкость электронных систем: сб. науч. тр. - М.: МИФИ-СПЭЛС, 2009. - Вып. 12. - С. 181, 182.
5. Методы прогнозирования эффектов полной дозы в элементах современной микроэлектроники / В.С. Першенков, А.В. Согоян, А.И. Чумаков и др. // Микроэлектроника. - 2003. - Т. 32. - № 1. -С. 31-46.
6. Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Чумаков А.И. Подход к прогнозированию радиационной деградации параметров КМОП ИС с учетом сроков и условий эксплуатации // Микроэлектроника. - 1999. -Т. 28. - № 4. - С. 263-275.
7. Рентгеновские имитационные методы: состояние и перспективы / А.С. Артамонов, Д.В. Бойчен-ко, О.А. Калашников и др. // Радиационная стойкость электронных систем: сб. науч. тр. - М.: МИФИ-СПЭЛС. - 2009. - Вып. 12. - С. 157, 158.
8. ОСТ В 11 073.013-2008. Ч.10. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Испытания на стойкость к воздействию специальных факторов и импульсную электрическую прочность. - Мытищи: 22 ЦНИИИ МО РФ. - 2008.
9. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Физические основы лазерного имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в полупроводниковых приборах и ИС: линейная модель // Микроэлектроника. - 2004. - Т. 33. - № 2. - С. 91-107.
10. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Стойкость диодных структур на карбиде кремния к воздействию ИИИ // Петербургский журнал электроники. - 2002. - № 1 (30). - С. 36-46.
11. Модель космоса: Научно-информационное издание / Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. -Т.1: Физические условия в космическом пространстве. - М.: КДУ, - 2007.
12. Епифанцев К.А., Герасимчук О.А., Скоробогатов П.К. Расчетно-экспериментальное моделирование воздействия одиночных импульсов напряжения, вызванных электромагнитными импульсами, на интегральные схемы // Микроэлектроника. - 2009. - Т. 38. - № 4. - С. 284-301.
Статья поступила 26 апреля 2012 г.
Никифоров Александр Юрьевич - доктор технических наук, профессор кафедры электроники НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: радиационная стойкость изделий микроэлектроники и микросистемной техники.
Скоробогатов Петр Константинович - доктор технических наук, профессор кафедры электроники НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: радиационная стойкость изделий микроэлектроники, импульсная электрическая прочность изделий электронной техники. E-mail pkskor@spels.ru
Стриханов Михаил Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, ректор НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: теоретическая ядерная физика и физика взаимодействия высокоэнергетичных ионизирующих излучений с материалами и веществами, применяемыми в изделиях микроэлектроники.
Телец Виталий Арсеньевич - доктор технических наук, профессор, директор ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: радиационная стойкость электронной компонентной базы.
Чумаков Александр Иннокентьевич - доктор технических наук, профессор кафедры электроники НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: разработка методов моделирования доминирующих радиационных эффектов в изделиях электронной техники, методическое обеспечение испытаний и исследований их стойкости к воздействию радиационных факторов.
