Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Радиационные эффекты в СБИС ЗУ 11
1.1. Радиационная обстановка в космосе 11
1.2. Радиационные эффекты в МОП-структурах и их влияние на КМОП СБИС 17
1.3. Отбраковка 28
1.4. Системные методы увеличения ВБР СБИС и приборов на их основе. 33
1.5. Постановка задачи 37
Глава 2. Прогнозирование вероятности безотказной работы СБИС при радиационном воздействии 40
2.1. Влияние макродефектов на ВБР СБИС 40
2.2. Метод изучения процессов образования и зарядки макродефектов в МОП-структурах 42
2.3. Методика анализа макродефектов 46
2.4. Анализ макродефектов, образующихся при облучении быстрыми нейтронами 48
2.5. Исследование макродефектов при воздействии ТЗЧ 52
2.6. Исследование процесса зарядки макродефектов 58
2.7. Прогнозирование интенсивности отказов 66
2.8. Отказы элементов СБИС от одной ТЗЧ 69
2.9. Проект натурного эксперимента 74
Выводы 75
Глава 3. Разработка методов отбраковки ненадежных СБИС ЗУ 76
3.1. Исследование процессов восстановления СБИС после гамма-облучения 76
3.2. Отбраковка при помощи РТО 83
3.3. Разбраковка по начальным параметрам 87
Выводы 96
Глава 4. Разработка системных методов повышения САС 97
4.1. Выбор функции распределения радиационных отказов 97
4.2. Теоретический анализ переключающегося и сеансного режимов работы СБИС ЗУ в составе БА КА 101
4.3. Экспериментальное исследование режима переключения 104
4.4. Оптимизация режима переключения при постоянной мощности дозы облучения на борту КА 106
4.5. Пример расчета ВБР СБИС ПЗУ для эллиптической орбиты 109
Выводы 112
Заключение 114
Литература... 116
- Радиационные эффекты в МОП-структурах и их влияние на КМОП СБИС
- Метод изучения процессов образования и зарядки макродефектов в МОП-структурах
- Отбраковка при помощи РТО
- Теоретический анализ переключающегося и сеансного режимов работы СБИС ЗУ в составе БА КА
Введение к работе
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.
Щщнаыи
Певиимом*
Ппрмагмію»
ТИИГГИЩИИНИИ
ОН ЇМ Ш № <М М 1№
1S70 (975 1900 19S5 1Э90 19S5 2000
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
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, б]. 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:
изучен процесс образования крупных дефектов в КМОП СБИС при воздействии нейтронов и ТЗЧ;
развиты способы обнаружения крупных технологических дефектов в СБИС ЗУ;
разработаны методики расчета вероятности безотказной работы СБИС ЗУ при образовании и зарядке крупных дефектов;
предложены методы отбраковки ненадежных изделий из партии образцов коммерческого назначения;
предложена модель расчета ББР 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
Методика определения ВБР СБИС в режиме переключения при низкоинтенсивном воздействии ионизирующих излучений;
Параметры РТО, при которых возможна отбраковка потенциально ненадежных СБИС в корпусах;
Информативные параметры СБИС ЗУ Am28F020 для применения метода распознавания образов при отбраковке;
Алгоритм расчета концентрации макродефектов в МОП-структуре по значению ее напряжения пробоя;
Модель перезарядки крупных дефектов после облучения, существование этого эффекта в КМОП СБИС ОЗУ;
Влияние процесса накопления заряда в макродефекте на интенсивность отказов СБИС;
Модель расчета ВЕР 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 конференций «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).
Радиационные эффекты в МОП-структурах и их влияние на КМОП СБИС
При воздействии ионизирующих излучений на полупроводник (и на МОП-структуры) наблюдаются два основных, с точки зрения изменения характеристик микроэлектронных структур, эффекта: эффект ионизации и эффект смещения. Сущность эффекта ионизации заключается в возникновении избыточных электронов и дырок. Эффект смещения - смещение атомов в решетке твердого тела» Рассмотрим эффекты подробнее.
Эффект ионизации. Сущность эффекта заключается во взаимодействии излучений с электронами атомных оболочек, в результате которого им сообщается энергия, достаточная для перехода в зону проводимости полупроводника или диэлектрика. Вследствие этого, в материале образуются избыточные электронно-дырочные пары, которые изменяют проводимость материала и, следовательно, характеристики микроэлектронных структур.
Эффект смещения. При взаимодействии радиации с атомами твердого тела им передается энергия, которая может превышать некоторое пороговое значение EQOP» ЧТО приводит к смещению атомов из узла в междоузлие. Различают два вида процессов дефектообразования: атомный и электронный. В случае атомного механизма образования дефектов величина пороговой энергии складывается из энергии химических связей и энергии, затрачиваемой на перемещение атома. В зависимости от количества связей и направления ориентации кристалла пороговая энергия имеет различные величины. Величина пороговой энергии зависит также от температуры кристалла
Структурные дефекты в полупроводнике, возникающие в результате эффекта смещения атомов, подразделяются на два вида. Точечные дефекты представляют собой ассоциацию вакансий с атомом в междоузлии (пары Френкеля), или ассоциацию с другой вакансией (дивакансию), или просто вакансию (дефект по Шоттки). Разоупорядоченные области представляют собой деструктированную область — кластер. Электронные механизмы дефектообразования наблюдаются уже при облучении низкоэнергетическими видами радиации, при воздействии которых атомы не выбиваются из узлов решетки в результате соударений. В данном случае излучение взаимодействует с электронными оболочками атомов, вследствие чего происходит разрыв части валентных связей- В результате такого взаимодействия образуется дефект типа «микротрещина» или псевдовакансия [11].
Применительно к МОП-структурам, описанные выше эффекты приводят к накоплению положительного заряда в оксиде МОП-структуры и увеличению плотности поверхностных состояний.
Накопление положительного заряда е оксиде. Накопление положительного заряда в МОП-структурах происходит из-за эффекта ионизации. В МОП-структурах при возникновении избыточных электрон-дырочных пар в диэлектрической пленке, часть образующихся пар носителей заряда рекомбинируют друг с другом, а остальные электроны и дырки перемещаются по диэлектрической пленке. Из-за того, что подвижность дырок в диоксиде кремния во много раз меньше, чем подвижность электронов, последние быстро покидают оксид, а дырки, избежавшие рекомбинации, захватываются на ловушечные центры в диэлектрике. Таким образом, в объеме диэлектрика накапливается фиксированный положительный заряд»
Процесс накопления заряда в МОП-структуре значительно зависит от напряжения на затворе структуры. При облучении структуры с положительным напряжением на затворе (относительно полупроводника) образующиеся в результате ионизации дырки двигаются к границе диэлектрик-полупроводник, а электроны - к границе диэлектрик-металл. Дырки либо захватываются ловушками в объеме диэлектрической пленки, либо рекомбинируют с электронами- Поскольку барьер на границе раздела Si — Si02 могут преодолеть только «горячие» электроны (из полупроводника в диэлектрик), то в приповерхностной области двуокиси кремния вблизи кремния будет накапливаться положительный заряд захваченных дырок. Если дырка захвачена на расстоянии от полупроводника, меньшем длины при которой туннелирование горячих электронов значительно, то она может рекомбинировать с этими электронами с определенной постоянной времени релаксации. При захвате дырок на больших расстояниях, они остаются на ловушках. Накопление заряда прекращается, когда поле внутри диэлектрика становится таким, что процесс захвата дырок на ловушки уравновешивается процессом их рекомбинации с электронами, поступающими из полупроводника или образующимися в результате ионизации.
При отрицательном напряжении на затворе положительный заряд накапливается вблизи границы с металлическим затвором. Поскольку в переходной области диэлектрик-металл концентрация ловушечных центров очень высока, то объемный положительный заряд образуется в узкой области (- 5 нм) [11].
Увеличение плотности поверхностных состояний. Увеличение плотности поверхностных состояний (ПС) происходит Б результате эффекта ионизации, эффект смещения атомов не дает заметного вклада в образование ПС [12].
В переходной области Si02 - Si происходит смена химического состава материала, в ней достигают максимальных значений и меняют свой знак механические напряжения. Механические напряжения возникают из-за нанесения диэлектрика при высоких температурах и различия коэффициентов линейного расширения материалов диэлектрика и полупроводника. В результате возникают напряженные валентные связи. Кроме того, напряженные валентные связи могут также возникать из-за различия в расположении атомов материала диэлектрика и полупроводника (например, из-за различия шагов решетки), так и при внедрении инородных атомов (например, атомов бора).
При воздействии, ионизирующего излучения происходит релаксация механических напряжений («тензорадиационный эффект») путем разрыва, напряженных валентных связей и образования поверхностных состояний.
Метод изучения процессов образования и зарядки макродефектов в МОП-структурах
Одним из наиболее эффективных методов изучения процесса образования и зарядки макродефектов в МОП-структурах является метод измерения пробивных напряжений МОП-структур неразрушающим способом. В данной работе при исследовании макродефектов в МОП-структурах этот метод являлся основным» Поэтому приведем кратко сущность метода.
Из-за малых толщин пленок оксида в МОП-структурах лавинного размножения носителей заряда в ней не происходит, поэтому существует возможность в предпробойном состоянии ограничить ток пробоя на таком уровне, чтобы в МОП-структурах не образовывались остаточные явления- Если в оксидной пленке существует заряженный крупный дефект, он «закорачивает» часть диэлектрической пленки и напряжение пробоя уменьшается. В общем случае напряжение пробоя зависит не только от заряда макродефекта, но и от его расположения в диэлектрической пленке. Для дальнейшей модели предположим, что центроид заряда макродефекта расположен в середине диэлектрической пленки. Тогда, упрощенно, если заряд крупного дефекта равен Q0K ТО напряжение пробоя рассчитывается следующим образом [29]: иПр = іок[ЕпР.о-Оок/єєо], (2Л) где док - толщина оксида; Епр.о - напряженность электрического поля, при которой наступает пробой бездефектной структуры; єєо -диэлектрическая проницаемость оксида. На рис. 2,1 показано сечение МОП-структуры и зонная диаграмма, поясняющая прохождение туннельного тока электронов (Фаулера-Нордгейма) в области крупного дефекта» Как видно из рис. 2.1, заряд в диэлектрике уменьшает толщину барьера для электронов (искривление зонной диаграммы). При образовании заряженного крупного дефекта, в месте его расположения толщина барьера уменьшается до размеров, при которых электроны начинают туннелировать в диэлектрик при аномально низких напряжениях на МОП-структуре.
Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), формирует напряжение на затворе МОП-структуры в диапазоне 0—30 В со скоростью нарастания 1 мВ/с. Универсальный вольтметр-амперметр А (В7-30) измеряет ток, протекающий через МОП-структуру, Прибор имеет цифровой выход значения измеряемого тока, сигнал с которого поступает на логическую схему остановки (ЛСО). При достижении значения тока» протекающего через структуру, 5 пА, что соответствует предпробойному состоянию МОП-структуры, ЛСО вырабатывает сигнал, останавливающий дальнейший рост напряжения на ГЛИН. Полученное при этом напряжение измеряется вольтметром В (В7-35). Данное напряжение считается напряжением пробоя структуры.
Как показано в [19], вклад нейтронов в отказы отдельных ячеек ПЗС-матриц при облучении в космическом пространстве на борту КА имеет место- Вопрос о влиянии нейтронного облучения на МОП-структуры описан в [21], Приведем основные результаты проведенных исследований, чтобы впоследствии иметь возможность сравнить воздействие нейтронов с воздействием ТЗЧ, а также производить расчет влияния излучения протонов с помощью результатов воздействия нейтронов.
Для изучения процесса образования крупных дефектов в МОП-структурах был поставлен эксперимент. В эксперименте использовались тестовые МОП-структуры на пластине кремния, имеющие пленку оксида кремния толщиной 76 им и алюминиевый электрод площадью 0,4 мм2- Методом измерения пробивных напряжений неразрушающим способом были определены пробивные напряжения для каждой структуры на пластине. Затем пластина была разрезана на две части, одна из которых облучалась в реакторе ИРТ-2000 МИФИ, а другая (контрольная) - гамма-лучами от источника Со . Облучение в реакторе проводилось в периферийном вертикальном экспериментальном канале потоком быстрых нейтронов Ф Ю13 см"г при температуре, не превышающей 30С. При этом доза сопровождающего гамма-излучения составила величину D-105 рад (Si)- Контрольная пластина облучалась гамма-лучами на установке РХ-у-30 дозой D-10s рад (Si). После облучения пластин неразрушаюгцим способом были измерены напряжения пробоя для каждой структуры. На рис. 2.3 и 2.4 приведены графики зависимости доли работоспособных структур от напряженности электрического поля в диэлектрической пленке до и после гамма-облучения (рис» 2-3) и до и после реакторного облучения (рис. 2.4).
Наблюдается некоторое уменьшение напряжений пробоя при напряженностях поля в диэлектрике, превышающей 3,2 10бВ/см, то есть гамма-облучение произвело частичную зарядку технологических крупных дефектов, что привело к уменьшению напряжений пробоя в этом диапазоне значения напряженности электрического поля. Образования радиационных крупных дефектов обнаружено не было.
Пробивные напряжения МОП-структур после облучения в реакторе заметно уменьшились. Это объясняется тем фактом, что быстрые нейтроны, входящие в состав реакторного облучения, образовали в МОП-структурах крупные дефекты. При этом сопровождающее гамма-облучение сразу произвело их зарядку. Таким образом, крупные дефекты стали себя проявлять в уменьшении пробивных напряжений МОП-структур.
Отбраковка при помощи РТО
Вследствие того, что существует возможность производить отжиг некоторых типов СБИС при Т=100С до полного восстановления функциональных параметров, этот факт следует использовать для отбраковки СБИС? содержащих крупные дефекты, с помощью облучения малой дозой и последующего «глубокого» отжига. Под «глубоким» в нашем случае подразумевается отжиг при Т=100С в течение 500 часов, при котором восстанавливается ресурс- В основном данный метод может быть применен для СБИС ОЗУ- При этом представляются возможными следующие варианты: 1) СБИС не содержит крупных дефектов, а концентрация точечных дефектов невелика (область 3 на рис- L8). В этом случае гамма облучение произведет зарядку точечных дефектов и образование поверхностных состояний. Для рассматриваемых СБИС ОЗУ главным эффектом, определяющим их отказ, является накопление заряда в объеме лодзатворного оксида. С помощью методики «глубокого» отжига возможно полное восстановление параметров СБИС до их первоначального значения, 2) СБИС ОЗУ содержит повышенную концентрацию точечных дефектов и, возможно, крупные дефекты (область 2 нарис. 1-8). При проведении отжига крупные дефекты будут собирать заряд с точечных дефектов при температуре отжига 100С, что на рис- 1-8 проявляется в увеличении уровня нуля в течение отжига. При проведении отжига будет наблюдаться «пост-радиационный эффект», однако, и в этом случае при «глубоком» отжиге возможно полное восстановление параметров СБИС до их первоначального значения, так как отжиг заряда в макродефектах для рассматриваемых приборов будет идти через туннельный механизм. S3 3) СБИС содержит макродефекты, отжиг заряда в которых не происходит, (область 1 и верхняя кривая на рис. L8). Так как основной механизм отжига для макродефектов при Т = 100 С является туннелирование электронов, отжиг в макродефектах может не происходить из-за их расположения, при котором вероятность туннелирования мала. В этом случае наиболее ярко выражен «пострадиационный эффект», полного восстановления функциональных параметров после «глубокого» отжига происходить не будет. Накопление заряда в макродефекте в определенный момент приведет к отказу СБИС.
Возможность применения РТО для ИМС на пластинах показана в [25]. При этом послерадиацнонный отжиг производился при температуре Т — 400 С, при которой происходило полное восстановление облученной структуры. В данной работе подробно исследовался РТО для ИМС в пластмассовых корпусах. Для них температура отжига не может превышать 120С, что приводит к невозможности отжига поверхностных состояний, накопившихся при облучении. Однако, даже для данного значения температуры послерадиационного отжига, как показали проведенные эксперименты, возможно добиться полного восстановления радиационной стойкости определенных типов СБИС- Как. видно из экспериментов, описанных в п. 3.1, СБИС ОЗУ типа MTS1008 возможно отбраковывать с помощью РТО, в то время как для СБИС ПЗУ Am28F020 данный метод не применим без ухудшения функциональных параметров.
В общем случае, возможность применения РТО для отбраковки необходимо исследовать в каждом конкретном случае отдельно. Эта возможность зависит от структуры СБИС, от ее свойств накапливать поверхностные состояния, которые не .о, отжигаются при температуре 120 С, от ее радиационной стойкости. Например, в эксперименте по облучению СБИС ОЗУ MTS1008 рост поверхностных состояний был незначительным и не определял отказ СБИС, а в эксперименте с СБИС ПЗУ Am28FQ20 наблюдалось значительное уменьшение быстродействия что свидетельствует о росте плотности поверхностных состояний. Поэтому для первого типа СБИС возможно применение РТО, а для второго требуется разработать новые методы отбраковки.
Основными параметрами РТО являются температура и время отжига. В нашем случае, температура выбирается максимально возможной для изделий в корпусах, что составляет 120С. На рис. 3.2 приводится график скорости отжига объемного заряда в МОП-структурах от времени при различных значениях температуры [10]. Зависимости скорости отжига объемного заряда в МОП-структурах от времени при различных значениях температуры
Экстраполируя кривую для значения температуры 100С, получаем, что полный отжиг объемного заряда произойдет за 25...30 часов. С другой стороны, из эксперимента, описанного в п. 3.1, известно, что времени отжига 100 часов недостаточно для восстановления полной радиационной стойкости. Такое расхождение результатов объясняется тем, что в использоваїіном для экстраполяции графике не учитывается «пост-радиационный эффект» - перезарядка макродефектов, а измеряется только общее уменьшение заряда. Экспериментальным путем установлено, что при значении времени отжига 500 часов, достигается полное восстановление параметров и радиационной стойкости отдельных образцов. Таким образом, было выбрано значение времени отжига 500 часов и введено понятие «глубокого» отжига, характеризуемого в нашем случае температурой - Ю0..Л20С и временем отжига -500 часов.
Для проверки возможности применения РТО для отбраковки СБИС ОЗУ был проведен эксперимент: определялась радиационная стойкость СБИС ОЗУ типа TC55257DPI-85L. Была отобрана партия СБИС данного образца в количестве 5 штук. Образцы облучались в режиме (напряжение питания 5 В, управляющие выводы находятся в пассивном состоянии). Облучение проводилось на моделирующей установке: шахта-хранилище реактора ИРТ-2000 МИФИ интенсивностью гамма-излучения 0,1 рад/с. Были получены следующие результаты (табл. 3.4):
В этих испытаниях явно проявилась СБИС, содержащая крупный дефект и подлежащая отбраковке. Для возможности дальнейшего использования, образцы №2 - 5 подверглись глубокому отжигу в течение 500 часов, повторные испытания на радиационную стойкость восстановленных образцов показали нормальное функционирование до дозы 20 крад, а также полное восстановление функциональных параметров. Данный результат свидетельствует о том, что для этих СБИС возможно применение РТО для отбраковки потенциально ненадежных образцов. Образцы, прошедшие РТО, не содержат крупных дефектов, их радиационная стойкость выше.
Теоретический анализ переключающегося и сеансного режимов работы СБИС ЗУ в составе БА КА
При непрерывной работе СБИС в фиксированном электрическом режиме и при фиксированной температуре, ее вероятность отказа будет определяться выражением (4.1 \ Из различных экспериментов по определению радиационной стойкости СБИС [43] известно» что доза отказа при работе СБИС в электрическом режиме существенно меньше, чем доза отказа в пассивном режиме. Например, в экспериментах по определению радиационной стойкости СБИС Am28F020 доза отказа в электрическом режиме составила 12 крад, тогда как доза отказа в пассивном режиме - 80 крад. Этот факт возможно использовать для продления САС резервированной БА.
Дня повышения радиационной стойкости могут быть использованы избыточные ресурсы БА. Как правило, БА КА имеет аппаратное троирование (см» рис» 1.9) При эксплуатации резервированного БРЭУ имеется возможность чередовать активный и пассивный режимы резервированных каналов. При этом переключение из активного режима в пассивный следует проводить с тем расчетом, чтобы все каналы проработали максимально возможное время. Пока один канал находится в выключенном состоянии, функционирует резервирующие два и т.д. Для определения режимов переключения и оценки увеличения радиационной стойкости аппаратуры требуется произвести расчет вероятности безотказной работы в режиме переключения.
Предположим, что время работы в активном режиме равно времени нахождения в пассивном режиме и в каждом режиме будет накапливаться доза ДЕ , В этом случае при функционировании БА (или СБИС) вероятность ее отказа будет определяться выражением (4Л), как было показано в4Л. Соответственно ВБР - выражением: p = 2-exp(KqD)2. (4.2)
Предположим также, что вначале устройство работает в электрическом режиме, а потом переключается в пассивный режим. Соответственно в выражениях (4 Л) и (4.2) коэффициенты радиационного повреждения будут Kq (U) — при работе в электрическом режиме и Kq (0) в пассивном режиме.
В п. 4.2 было показано, что, чередуя режим работы аппаратуры, возможно увеличить дозу отказа аппаратуры и в том числе СБИС ЗУ, входящих в ее состав. Для исследования этого вопроса был проведен эксперимент по определению радиационной стойкости СБИС ПЗУ Am28F020 в переключающемся режиме.
Было отобрано два образца, промаркированных КЗ-3 и КЗ-4. Облучение проводилось на моделирующей установке: шахта-хранилище реактора ИРТ-2000 МИФИ интенсивностью гамма-излучения 0,1 рад/с. Облучение проводилось этапами, с переключением режима каждые 1,5 крад. После каждого этапа проводился функциональный контроль СБИС, определялся ток потребления. Результаты испытаний приведены в табл. 4.1. Как видно из табл. 4.1, оба образца отказали при накопленной дозе 24 крад. Отказы во всех микросхемах произошли из-за отказа работы считывающего устройства матрицы памяти. Образец КЗ-4: 8 дефектных ячеек на каждой странице (2 группы по 4 штуки). Образец КЗ-3: 12 дефектных ячеек на каждой странице (3 группы по 4 штуки).
Результаты показывают, что в условиях проведенных испытаний, радиационно индуцированного рассасывания накопленного положительного заряда, из-за которого происходит отказ СБИС, практически не наблюдалось. Об этом свидетельствует большое значение DT и, как следствие, тот факт, что радиационная стойкость в переключающемся режиме в два раза больше, чем в активном режиме.
Тем не менее, при эксплуатации СБИС на борту КА из-за более низкой интенсивности облучения, чем при испытаниях, времена активного и пассивного состояний существенно больше, и коэффициент DT может вносить ощутимый вклад в процесс рассасывания накопленного заряда.
