Обеспечение надежности электронных компонентов космических аппаратов

УДК 539.311.322:539.171 
Л15 

Р е ц е н з е н т ы : 

доктор технических наук, профессор Н.А. Ухин (РНЦ «Курчатовский институт»); 

доктор технических наук, профессор Г.Д. Кузнецов (МИСиС) 

Ладыгин Е.А. 
Л15 
Обеспечение надежности электронных компонентов космических аппаратов: Учеб. пособие. - М.: МИСиС, 2003. - 111 с. 

В учебном пособии изложены основы современных методов обеспечения надежности электронных компонентов космических аппаратов (КА), работающих в специфических условиях длительного воздействия космической 
радиации. 

Для основного класса электронных компонентов, широко применяемых 
в аппаратуре КА - полупроводниковых приборов и микросхем, показана эффективность комплексного использования радиационных воздействий испытательного, отбраковочного и технологического характера для решения проблем обеспечения их надежности и радиационной стойкости. 

В пособии даны сведения о радиационной обстановке в околоземном 
космическом пространстве, приведен анализ физических эффектов в приборах и микросхемах при облучении, изложены научно обоснованные рекомендации по оптимизации режимов испытаний, расчету необходимой локальной защиты микросхем, разработке оптимальных вариантов радиационно-термических тренировок и радиационно-термических процессов для 
улучшения параметров, повышения стойкости приборов и микросхем к радиации, отбраковки приборов со скрытыми дефектами. 

Содержание пособия соответствует программе курса «Основы лучевой 
технологии микроэлектроники». 

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 200100 и 
200200 «Микроэлектроника и твердотельная электроника», а также будет полезно при выполнении дипломных и диссертационных работ в области радиационной физики, радиационного материаловедения и технологии приборов и микросхем, применяемых в аппаратуре КА. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов(Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 
5 

1. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ И 
РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ ...8 

1.1. Радиационная обстановка в околоземном космическом пространстве 
8 

1.2. Воздействие радиации на нолунроводниковые материалы 
11 

1.3. Радиационные эффекты в биполярных приборах и микросхемах и 

анализ возможности их полезного использования 
16 

1.4. Радиационные эффекты в кремниевых МОП и КМОН приборах и 
микросхемах 
22 

1.4.1. Свойства структуры Si-SiOj и накопление заряда при облучении в 
объеме подзатворного SiOj 
23 

1.4.2. Кинетика роста поверхностных состояний на границе раздела 

Si-SiOj при облучении 
29 

1.4.3. Радиационное накопление глубоких центров в приповерхностной 
области кремния 
31 

1.4.4. Термостабильность и кинетика отжига радиационных дефектов 

в объеме SiO^, на границе раздела Si-SiOj и в приповерхностной 
области кремния 
34 

1.5. Обоснование выбора МОП и КМОН микросхем в качестве основных 
компонентов РЭАКА 
37 

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСХЕМ 
42 

2.1. Конструктивно-технологические характеристики КМОН микросхем 
42 

2.2. Методики исследований зарядовых эффектов и электрических 
параметров в КМОП-элементах микросхем при облучении и отжиге 
43 

2.3. Методика контроля компенсации проводимости кремниевой 

подложки при облучении и отжиге 
48 

2.4. Основные характеристики облучательных и термических установок 

и методики радиационно-термических обработок 
49 

3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И 
ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ 
ЭЛЕКТРОННЫХ БЛОКОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 
52 

3.1. Этапы разработки и общие технические принципы методики 
52 

3.2. Оценка радиационной обстановки на поверхности КА и за общей 
конструкционной защитой блоков для САС КА 10 лет 
55 

3.3. Поэлементный анализ PC применяемых в блоках ППП и ИМС и 
выявление «нестойких» элементов 
58 

3.4. Расчет дополнительной локальной защиты микросхем, имеющих 
недостаточный уровень радиационной стойкости 
59 

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ PC МИКРОСХЕМ 
В РЕЖИМАХ, ПРИБЛИЖЕННЫХ К УСЛОВИЯМ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ 
В РЭА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 
66 

3 

4.1. Сравнение радиационных условий эксплуатации микросхем в РЭА 

КА с режимами регламентных (ускоренных) наземных испытаний 
66 

4.2. Определительные испытания на PC КМОП БИС микропроцессорного 

набора 
71 

4.3. Повышение показателей PC микросхем в условиях низкой 

интенсивности излучения 
73 

4.4. Показатели PC микросхем в условиях, имитирующих пересечение 
радиационных поясов и сеансность включения питания 
75 

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАДИАЦИОППО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ТРЕНИРОВКИ 
ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ОТБРАКОВКИ МИКРОСХЕМ С АНОМАЛЬНОЙ 
НАДЕЖНОСТЬЮ И РАДИАЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ 
80 

5.1. Влияние исходного разброса параметров микросхем на показатели их 
радиационной стойкости 
80 

5.2. Анализ зарядовых неоднородностей в КМОП базовых элементах 

микросхем при облучении и разработка методики РТТ 
81 

6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ 
УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ПОВЫШЕНИЯ PC КМОП МИКРОСХЕМ 
96 

6.1. Физические основы метода РТП для класса МОП и КМОП 

микросхем 
96 

6.2. Разработка режимов операций облучения и отжига РТП при 

изготовлении КМОП микросхем 
97 

6.3. Закономерности изменения пороговых напряжений и крутизны 

сток-затворных характеристик п- ир-канальных транзисторных 
элементов КМОП БИС 
98 

6.4. Повышение радиационной стойкости базовых элементов КМОП 

микросхем, изготовленных с применением РТП 
102 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
106 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 
107 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
109 

4 

ВВЕДЕНИЕ 

Анализ отечественных и зарубежных работ в области радиационной физики полупроводниковых материалов, приборов и микросхем, являющихся основой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (КА) различного назначения (специального, народнохозяйственного, научного), показывает, что для обеспечения надежности электронных компонентов (полупроводниковых приборов и микросхем различных классов) в аппаратуре КА на этапах ее проектирования необходимо проведение работ по комплексному использованию 
радиационных и радиационно-термических воздействий на приборы и 
микросхемы ионизирующего высокоэнергетичного излучения в широком диапазоне мощностей экспозиционных (Ю'^.Ю^^Р/с) и интегральных поглощенных доз радиации (101..10>°рад). Цели таких работ: оптимизация режимов радиационных испытаний и приближение 
этих режимов к реальным условиям эксплуатации КА, оценка радиационной стойкости отечественных и зарубежных типов применяемых 
в КА приборов и микросхем, оценка необходимой локальной защиты 
элементов с недостаточной стойкостью, индивидуальная разбраковка 
(классификация) элементов по уровню надежности и радиационной 
стойкости методом радиационно-термической тренировки (РТТ) в дополнение к электротермотренировке (ЭТТ), разработка оптимальных 
вариантов радиационно-технологических процессов (РТП) для повышения срока службы, радиационной стойкости, быстродействия, теплофизических и других характеристик приборов и микросхем в аппаратуре КА. 

Требования к КА различного назначения ввиду общности условий их эксплуатации и функционирования во многом идентичны, 
что позволяет проводить реализацию технической политики по развитию космических средств по единой программе, основными задачами которой являются разработка и производство электронных 
компонентов, в первую очередь изделий твердотельной электроники 
(полупроводниковых приборов и микросхем), составляющих 80...90 % 
всех комплектующих изделий и определяющих тактико-технические 
характеристики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) КА и космических систем в целом. 

Специфические требования, предъявляемые к электронным 
компонентам для комплектации РЭА КА, - это в первую очередь 
возрастающие сроки службы в условиях воздействия различных фак
5 

торов космического пространства: ионизирующих излучений естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ), галактических космических излучений, факторов ядерных взрывов, искусственных радиационных поясов Земли (ИРПЗ), излучений бортовых ядерных установок и т.п. - привели в свое время к разработке и организации производства специализированной номенклатуры изделий электронной 
техники (ИЭТ), разработке ограничительных перечней изделий, специальных справочников по стойкости ИЭТ к воздействию космической радиации в соответствии с требованиями групп жесткости. 

В последние годы в связи с прекращением производства ряда 
необходимых ИЭТ разработчики РЭА КА поставлены перед необходимостью комплектования аппаратуры изделиями электронной техники (в том числе и зарубежными) с неизвестной системой контроля 
качества и приемосдаточных испытаний и тем более - с неизвестным 
уровнем радиационной стойкости. Положение усугубляется еще и 
тем, что в РЭА КА используется достаточно широкая номенклатура 
ИЭТ при относительно небольшой, в современных условиях, потребности в количестве каждого типа изделий. 

В связи с изложенным, становится весьма актуальной разработка и использование наряду с традиционными статистическими 
методами выходного контроля качества ИЭТ новых методов практически «индивидуального» подхода к испытаниям и разбраковке 
(классификации) конкретных партий и образцов ИЭТ по уровню качества и радиационной стойкости (PC), приближения условий испытаний изделий к реальным условиям их функционирования в блоках 
КА в течение заданного срока активного существования (САС), повышения эксплуатационных характеристик, улучшения электрических параметров и радиационной стойкости ИЭТ на заключительных 
стадиях производства. Актуальность решения указанных проблем 
становится еще более очевидной при выдвижении новых требований 
по САС КА до 10 и более лет. 

Для выявления имеющихся резервов и обеспечения надежности и PC электронных компонентов в аппаратуре КА с большими 
сроками службы представляется целесообразным поэтапно выполнить следующие работы: 

1. На примере конкретных радиоэлектронных блоков КА разработать расчетно-экспериментальную методику оценки их радиационной стойкости, выявить элементы с недостаточным уровнем PC и 
разработать методику расчета их дополнительной локальной защиты 
с учетом местоположения в блоках и угла падения излучения. 

6 

2. В связи с отсутствием данных по радиационной стойкости 
зарубежных и новых отечественных типов микросхем (ячейки микропроцессоров, схемы памяти, линейки ФПЗС и др.), предназначенных для применения в новых разработках космических средств, провести исследования их PC в соответствии с требованиями ТЗ. 

3. Провести экспериментальную оценку PC микросхем в режимах, максимально приближенных к условиям их эксплуатации в 
радиоэлектронных системах КА по мощности излучения и длительности облучения, электрическим режимам, сеансности процессов облучения и отжига, функциональному применению и др. 

4. Разработать методики оптимальных вариантов радиационно-термической тренировки микросхем с целью выявления в партии 
образцов с аномальным поведением параметров (имеющих скрытые 
дефекты производства) и их индивидуальной отбраковки и отбора 
микросхем с более высокой радиационной стойкостью. 

5. Разработать методики оптимальных вариантов радиационно-термических процессов с использованием операции «глубокого» 
и «сверхглубокого» облучения и последующего отжига для эффективного регулирования и улучшения параметров приборов и микросхем в конце цикла их изготовления. 

6. Провести сравнительные испытания на PC микросхем, изготовленных с применением РТП и по текущей технологии, с целью 
исследования эффективности применения РТП для повышения надежности и стойкости микросхем. 

7. Экспериментально исследовать возможность создания с 
применением РТП МОП-элементов микросхем, удовлетворяющих 
предельным требованиям по радиационной стойкости. 

Цель проведения указанных этапов состоит в обосновании, 
экспериментальном обеспечении и разработке различных методов 
повышения надежности микроэлектронной элементной базы аппаратуры КА на основе комплексного применения радиационных и радиационно-термических воздействий испытательного, отбраковочного и технологического характера. 

В настоящем пособии даны примеры реализации указанных 
методов и их физическое обоснование. 

7 

1. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 

РАДИАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ 

И РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ 

в настоящей главе на основе анализа отечественных и зарубежных работ 
проведена оценка радиационной обстановки в космическом пространстве, рассмотрены основные закономерности воздействия радиационных факторов на полупроводниковые материалы и микроэлектронные элементы, приведены данные по PC 
применяемых в КА приборов и микросхем различного конструктивно-технологического исполнения (биполярных, МОП, КМОП) и их соответствие современным и 
перспективным требованиям по PC на радиоэлектронные блоки аппаратуры КА, а 
также данные по применению радиационно-термических процессов в полупроводниковой электронике. 

1.1. Радиационная обстановка в околоземном 
космическом пространстве 

Основными источниками космической радиации в околоземном пространстве являются [1-3]: 

-внутренний и внешний естественные радиационные пояса 
Земли 
(ЕРПЗ), 
расположенные 
соответственно 
на 
высотах 
600...10 000 и 10 000...85 000 км от поверхности Земли; 

- потоки солнечных и космических лучей, включающие в себя первичное космическое (галактическое) излучение и космическое 
излучение Солнца, возникающее при интенсивных хромосферных 
вспышках. 

Внутренний радиационный пояс Земли состоит из протонов с 
энергией 0,1...400МэВ и электронов с энергией 0,04...6МэВ и простирается на расстояния примерно от 600 до 10 000 км от поверхности 
Земли. Внешний радиационный пояс Земли состоит из протонов с 
энергией до 60 МэВ и электронов с энергией до 5 МэВ (большая часть 
электронов имеет энергию порядка сотен кэВ), начинается на высотах 
около 10 000 км (вблизи геомагнитного экватора) и простирается в зависимости от солнечной активности до высот 60 000...85 000 км. Эти 
данные объясняют тот факт, что для пилотируемых КА («Мир», 
«МКС» и др.) приходится использовать орбиты на высотах до 400 км 
(ниже внутреннего радиационного пояса Земли). 

С учетом данных «Модели космоса» по спектральным энергетическим характеристикам частиц средние плотности потоков протонов и электронов различных энергий во внутреннем ЕРПЗ можно 
рассчитать из следующих выражений: 
8 

фД£) = 2-10^ехр(-£/0,25), 
(1.1) 

где 
ф^ - 
плотность потока протонов, см"^ • с"'; 

Е^ - 
энергия протонов, £^ = 0,1.. .400 МэВ. 

фД£) = 2.10^ехр(-£,/0,41), 
(1.2) 

где 
ф, - 
плотность потока электронов, см-^-с->; 
Е^ - 
энергия электронов, £,= 0,04...6 МэВ. 

Для высоких (выше 10 000 км) и геостационарных орбит во 
внешнем ЕРПЗ коэффициенты в знаменателе показателя степени 
экспоненты в выражениях (1.1) и (1.2) составляют 0,15 и 0,34 соответственно. 

Состав, плотности потоков, пространственное и энергетическое распределение частиц (электронов, протонов) в ЕРПЗ зависят от 
динамики процессов на Солнце, при этом внутренний радиационный 
пояс менее подвержен этому влиянию. 

Поглощенные дозы радиации от электронного и протонного 
излучений можно оценить по выражению 

£>,^,=1,6-10"'^^^-ф,^,^ 
(1.3) 

где 
D^^^ - 
поглощенная доза от электронов или протонов, рад; 

£,^ - 
энергия электронов или протонов, МэВ; 

R^^ 
- 
средний пробег электронов или протонов с энергией 

Е^^^ в конструкционных материалах КА, г • см'^ 

Ф,^ - 
плотность потока электронов или протонов, см-^-с-'; 

t 
- 
срок активного существования КА, с. 

Расчетная оценка показывает, что воздействие электронного и 
протонного излучений ЕРПЗ с учетом различных вариантов спектральных энергетических характеристик и геометрии облучения приводит к 
годовым дозам облучения на поверхности КА (1,3...4,0)-Ю'рад, при 
этом основной вклад вносит электронная составляющая излучения. 

9 

в результате ядерных взрывов в верхних слоях атмосферы 
возникают искусственные радиационные пояса Земли, однако плотность электронов в них быстро спадает во времени и они имеют определенный период существования. При возникновении ИРПЗ дополнительная годовая доза электронного облучения на поверхности 
КА может составить примерно 4-10^ рад (5 • 10'"* см~^). 

Солнечное космическое излучение (СКИ) наблюдается только 
во время циклов солнечной активности («вспышки» на Солнце) и продолжается короткое время (до четырех суток). Оно состоит в основном 
из протонов (~ 85 %), альфа-частиц и ядер легких элементов с энергией 1... 100 МэВ, при этом с ростом энергии частиц их плотность резко 
снижается. Максимально возможные годовые дозы от протонного облучения СКИ могут составить на поверхности КА до 10^ рад. 

Первичное галактическое излучение состоит из потоков протонов (около 80%), альфа-частиц (ядер гелия) и небольшого числа 
ядер более тяжелых элементов. Частицы галактического излучения 
обладают очень высокой энергией (от Ю' до IO^SB), НО ПЛОТНОСТЬ 
потока этих частиц мала [~ 1-2 част/(см^ • с)], что дает незначительный вклад в годовую дозу облучения на поверхности КА (1... 10 рад). 
Однако частицы сверхвысоких энергий при прохождении через обшивку и конструкционные элементы КА за счет высокой проникающей способности могут инициировать целый каскад вторичных фотоядерных реакций, ухудшать радиационную обстановку в центральной части объекта и приводить к одиночным сбоям в работе электронных систем, особенно в схемах ОЗУ. 

Современные КА проектируются, как правило, на сроки активного существования 7-12 лет. Оценка показывает, что для различных вариантов орбит суммарная доза облучения на поверхности 
КА при таких значениях САС может достигать 5 • 101..10^ад, превышающих максимальные требования по PC элементной базы. Это 
обстоятельство требует наряду с применением оптимального сочетания конструкционной и локальной защиты элементов (в первую очередь - микросхем) с низкой PC, проведения комплекса исследований 
по выявлению резервов и разработке методов повышения PC полупроводниковых приборов и микросхем на стадиях их разработки, 
производства, выходного и входного контроля, отбраковочных испытаний и эксплуатации в РЭА КА. Наметившиеся в последние годы 
тенденции в космической промышленности к созданию негерметизированных модульных и сверхмалых КА, в которых использование 
эффективных мер защиты затруднено, а также создание в недалеком 
10 

будущем штатных КА с ядерными источниками энергии на борту 
выдвигают дополнительные требования по повышению надежности 
и PC микроэлектронной элементной базы КА [3]. 

Проведенный анализ применяемой в различных радиоэлектронных блоках КА (БЦВК, вторичные источники питания, блоки ориентации и др.) микроэлектронной элементной базы (более 200 типономиналов приборов и микросхем) показал, что по результатам регламентных 
(ускоренных) испытаний показатели их PC резко отличаются и по поглощенной дозе излучения находятся в диапазоне 101. .5 • 10*^ рад [3, 4]. 
Более высокой PC обладают биполярные диоды, диодные матрицы, 
транзисторы, микросхемы, работающие на принципах переноса тока неосновными носителями заряда, механизм деградации параметров которых при облучении носит в основном объемный характер (образование 
«глубоких» радиационных центров в активных областях), а роль поверхностных радиационных процессов мала. Наименее радиационно-стойкими проявляют себя МОП и КМОП микросхемы, работающие на принципах переноса тока основными носителями заряда, механизм деградации параметров которых при облучении носит в основном поверхностный «зарядовый» характер. Однако, несмотря на сравнительно низкую 
PC МОП и КМОП микросхем, их применение в РЭА КА постоянно растет по причине малой потребляемой мощности, большого запаса по помехоустойчивости, сравнительно высокого быстродействия, простоты 
схемотехники. Это обстоятельство делает МОП и КМОП микросхемы 
наиболее важными объектами экспериментальных исследований с целью 
обеспечения и повьшхения их радиационной стойкости при комплексном 
применении радиационных и радиационно-термических воздействий испытательного, отбраковочного и технологического характера. 

1.2. Воздействие радиации 
на полупроводниковые материалы 

Кратко проанализируем результаты работ в области радиационной физики полупроводниковых материалов и приборных структур, лежащих в основе создания методов радиационных испытаний, 
конструирования радиационно-стойких приборов и микросхем, радиационно-термической тренировки и «индивидуальной» сертификации (разбраковки) элементов по уровню PC, методов радиационной технологии. В основе всех вторичных процессов, развивающихся 
в активных и пассивных областях биполярных и МОП микроэлектронных структур, лежат первичные физические эффекты: интенсив
11