Надежность и стойкость изделий РКТ.

1. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ ДЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КА Л.С. Андрианов, С.Н. Герасимов, А.Г. Кадменский ФГУП ЦНИИмаш • 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 Содержание

2. На борту современных КА широко используются ИПЭ, которые являются наиболее функционально важными и одновременно наименее радиационно-стойкими 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.

3. 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 и факторами активного функционирования (потенциал, температура и др.), и развития нового подхода для обеспечения стойкости аппаратуры в виде концепции «радиационный ресурс» ЭКБ, введенного при развитии радиационно-надежностного 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].

4. Разработанная концепция прогнозирования радиационной стойкости и параметрической надежности важнейшего класса ЭКБ для РЭА КА – БИС КМОП и биполярной технологий основанана регулярном изменении характеристик микротранзисторов при воздействии ИИ КПиз-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 бытьописаны с помощью адаптивных физико-математических 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.

5. 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.

7. 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).

8. Рис. 2. Зависимость статического коэффициента передачи тока базы Вст =Ic/IBFnpn –транзистора в нормальномвключении от тока коллектора Ic при смещении коллектора UCB=0,1 В, измеренного до облучения (Ф0=0) и после облучения нейтронами ядерного реактора с флюенсом Ф, н/см2 (Ф1 = 61012, Ф2 = 61013, Ф3= 21014)[4]

9. 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].

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. ФtP= 1,5 эВ, Т = 300 К

11. 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=800А, 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 ФtP, эВ =1,5 (о); 1,0 ( ).

12. 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.

13. 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 измерительно-испытательного 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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).

17. 7.В настоящее время разработаны универсальные способы выявления скрытых параметров структур микроэлектроники, определяющих радиационную деградации КМОП БИС [12,13,14,15]. • В ряде случаев это позволяет наблюдать новые физические эффекты, например, • механизм радиационной деградации, связанный с влиянием смещения на стоке 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 действиемпротонов 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 ГэВ-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 подтверждена в последних экспериментальных работах в различных лабораториях мира).

18. 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 радиационно-стойкой ЭКБ в части эффектов дозовой деградации [13,14 и др.]. • При рассмотрении прогнозирования единичных эффектов и ОС проблема состоит в том, что большинствоиз 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.

19. Использованная литература • Модель космоса: в 2-х томах/ Под ред. М.И.Панасюка, Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007. • Малышев М.М., Малинин В.Г., Куликов И.К., Торгашов Ю. Н., Ужегов В.М.// Радиационно-надежностные характеристики изделий электронной техники в экстремальных условиях эксплуатации. С.-Петербург: Изд-во РНИИ «Электронстандарт», 1994. С.4-16. • 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. • 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. • 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. • Huges R.C., Scager H. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1985.- V.NS-30.- P.4042-4054. • Левин M. H., Кадменский А. Г., Кадменский С. Г., Татаринцев А. В., Литманович В. И. // Автометрия. 1992. N 3. С.7-12. • 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.41-45 • Кадменский А.Г. //Радиационная стойкость электронных систем “Стойкость-99”, 1999. В.2. Научн.-техн. сб. М.: МИФИ. С.7-9. • 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. • Kadmenskii A.G., Samarin V.V., TulinovA.F. //Physics of Particles and Nuclei, Vol.34. No.4. 2003. pp.411-435. • 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. • НТО НИР»Эверест» НИИЯФ МГУ.2007. • НТО НИР «Уран» ФГУП ЦНИИмаш,2008. • НТО НИР «Уран» ФГУП ЦНИИмаш,2009. • Чувильская Т.В., Широкова А.А., Кадменский А.Г., Чеченин Н.Г. //Ядерная Физика., вып. 7, 2008. • Кадменский А.Г., Чеченин Н.Г. Моделирование единичных сбоев в кристаллах электроники // Тез. Докл.XL Междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва. 24-27 мая 2010 г. С.189. • Кадменский А.Г.Специальное когерентное рассеяние нерелятивистских заряженных частиц в кристаллах// Тез. Докл.XL Междунар. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва. 24-27 мая 2010 г. С.67.

20. Спасибо за внимание