Проблемы и возможности применения коммерческих интегральных схем в военной и космической технике

Введение

В настоящее время в военной и космической технике широко применяются интегральные схемы (ИС) различной степени интеграции. Специфическими условиями эксплуатации ИС на борту космических аппаратов (КА) является низкоинтенсивное воздействие ионизирующего излучения (ИИ) космического пространства. В течение длительного срока функционирования КА (в настоящее время это 10...15 лет) набирается значительная доза ИИ, соизмеримая с предельной. Поэтому требуется обеспечение не только надёжности , но и радиационной стойкости ИС, предназначенных для работы на борту КА.
    В период “холодной войны” военные заказы требовали радиационно-стойких ИС, изготавливаемых по специальным технологиям. Радиационно-стойкие изделия, выпуск которых осуществлялся в достаточно больших объёмах, использовались не только в военной, но и в космической технике гражданского назначения (спутники связи, навигации и т. п.). Однако, с окончанием этого периода резко снизились заказы на радиационно-стойкие ИС, и их производство стало нерентабельным. Этот процесс характерен для всех ведущих производителей радиационно-стойких изделий, включая США. Он принял массовый характер, начиная с 1994 года. В мае 1995 года фирмы МОТОRОLА и АМD прекратили поставки ИС с военной приёмкой. В 1996 году фирма HARRIS фактически прекратила выпуск микросхем по технологии “кремний на сапфире”. Сокращение, а в ряде случаев и прекращение производства радиационно-стойких ИС привело к значительному их удорожанию. Поэтому в последнее время применение дорогих радиационно-стойких изделий стало экономически невыгодно, и разработчики спутниковых микроэлектронных систем обратили свои взоры на коммерческие изделия.
    В конце сентября – начале октября 1998 года в Ницце было проведено рабочее совещание, посвящённое “коммерциализации” военной и космической техники (Working shop meeting “Commercialization of Military and Space Electronics”). На этом совещании отмечалось, что если раньше в аппаратуре военного и космического назначения применялось примерно 70% радиационно-стойких изделий и 30% коммерческих, то в настоящее время наблюдается обратная картина.

Проблемы применения коммерческих изделий

Первая проблема заключается в противоречиях с военными стандартами , возникающими при использовании коммерческих изделий. Так, например, Боб Пиз (Bob Pease), специалист фирмы National Semi-conductor Corp., ещё в 1991 году критиковал метод снижения номинального напряжения питания ИС в военном стандарте MIL-HDBK-217 [1]. Согласно этому методу требуется использование ТТЛ ИС при напряжении питания 3 В, а операционных усилителей — при ±9 В вместо 4,5 В и ±15 В, соответственно. Такое же возражение можно высказать и в отношении КМОП ИС, которые в настоящее время наиболее широко применяются в военной и космической технике.
    В КМОП ИС при снижении напряжения питания, с одной стороны, уменьшается радиационный дрейф пороговых напряжений МОП транзисторов, а с другой — сужаются допустимые пределы изменения пороговых напряжений, так называемые “рабочие области”[2]. В случае применения радиационно-стойких изделий дрейф пороговых напряжений транзисторов уменьшается быстрее, чем сжимаются их рабочие области. У коммерческих изделий, наоборот, при снижении напряжения питания рабочая область сужается быстрее, чем уменьшается радиационный дрейф пороговых напряжений МОП транзисторов. Поэтому радиационная стойкость таких КМОП ИС при меньшем значении питания ниже, чем при номинальном значении (рис. 1).

Рис. 1. Распределение отказов КМОП ИС средней степени интеграции по дозе ИИ при напряжениях питания 3В (1), 5В (2), 7В (3) и 10В (4)

Следующее противоречие заключается в низкой радиационной стойкости коммерческих ИС. Это означает, что предельная доза соизмерима с накопленной дозой за период эксплуатации изделий на борту КА. Поэтому разработчику микроэлектронных систем необходимо знать вероятность безотказной работы изделия в каждый момент времени. Стандарты не дают такой возможности.
    Эта проблема может быть решена с помощью “надежностного” подхода к радиационной стойкости, предложенного в 1994 году и впервые опубликованного в [3,4]. Согласно этому подходу, радиационные эффекты характеризуются не предельной дозой ИИ, а интенсивностью радиационных отказов, которая определяется следующим образом [4]:

lp = KpPn/ (1 – KpPnt),

где Kр — коэффициент радиационного повреждения ИС, P — мощность поглощенной дозы ИИ, n — параметр, учитывающий зависимость предельной дозы ИИ от мощности дозы Р (так называемый “эффект низкой интенсивности”), t — время эксплуатации при воздействии ИИ.
    Анализ представленного выражения показывает наличие двух характерных областей:

• область нормальной работы (случайных отказов) при KpPnt << 1, когда lp = KpPn = const;
• область радиационного старения при KpPnt -> 1, когда lp -> Ґ.

Есть ли случайные радиационные отказы в период нормальной работы ИС? На этот вопрос даёт ответ результат радиационных испытаний партии КМОП ИС типа CD4049A [5], представленный в табл. 1. Как можно видеть, в выборку из 20 шт. попало одно дефектное изделие, отказавшее при дозе ИИ на порядок ниже предельного значения 1,0 Мрад.

Таблица 1. Распределение радиационных отказов КМОП ИС типа CD4049A

В случае использования большого количества ИС в микроэлектронной системе вероятность попадания дефектного изделия возрастает. Специалист фирмы Boeing Commercial Corp. Чарльз Ленард (Charls Lehnard) в связи с этим отмечает, что мнение о том, что удовлетворяющие требованиям военных стандартов изделия работают более надёжно — не всегда верно [6]. Для коммерческих изделий попадание дефектных изделий более вероятно, чем для изделий, изготовленных по специальной “радиационно-стойкой” технологии. Проблема может быть решена с помощью отбраковки дефектных изделий.

Отбраковка дефектных изделий

Практически все ИС в настоящее время изготавливаются по планарной технологии или её модификациям. Поэтому качество оксидной пленки на поверхности полупроводника играет важную роль в обеспечении надежности и радиационной стойкости планарных изделий. Как отмечается в [7], в КМОП ИС более 60% отказов связано с дефектами оксидной пленки. Эти данные коррелируют с результатами анализа видов и причин отказов, представленными в других работах (например, [8]).
    Анализ дефектов плёнки оксида кремния на кремнии показывает [9,10], что доминируют два типа дефектов с энергиями активации процесса термического вы-броса заряда ~0,9 эВ и ~(1,2–1,4) эВ. В [11] они квалифицированы как E’- и DI-центры, соответственно. Послед-ние исследования показали [12], что DI-центры могут образовывать скопления — макродефекты. Накопление заряда в макродефектах вызывает деградацию параметров ИС и, в конечном счёте, приводит к их отказу.
    После изготовления и выходного контроля остаются ИС, в которых макродефекты не заряжены. Поэтому их практически невозможно обнаружить электрическими измерениями. Даже после термополевого воздействия (выдержки при максимально-допустимой температуре в номинальном электрическом режиме в течение 96...168 ч.), называемого электротермотренировкой (ЭТТ), макродефекты оксидной плёнки остаются нейтральными и, следовательно, не обнаруженными. Эффективно заряжает дефекты в диэлектрической плёнке воздействие ИИ. При этом заряжаются как точечные дефекты, так и частично макродефекты. Поэтому для обнаружения последних после облучения необходимо произвести низкотемпературный отжиг, в результате которого точечные дефекты освободятся от накопленного при облучении заряда, а макродефекты, наоборот, увеличат свой заряд за счёт освободившегося из точечных дефектов [13]. ИС, в которых присутствуют макродефекты, не восстанавливают свои параметры после отжига и могут быть эффективно отбракованы. Восстановившие свои параметры изделия могут быть использованы в микроэлектронных спутниковых системах. Ускоренные испытания отбракованных с помощью операции “облучение-отжиг” коммерческих NМОП ИС ОЗУ не выявили отказов и подтвердили наработку 423000 ч., что соответствует 48,2 годам и на два порядка превышает установленные в технических условиях требования по надежности [7,14].

Рис. 2. Изменение выходного напряжения логического нуля КМОП ИС при облучении, отжиге в пассивном и ускоренных испытаниях в электрическом режиме при 125 °C

Отбраковка ИС с применением операции “облучение-отжиг” может производиться как в процессе их производства на пластинах перед операцией 100% контроля [7,14], так и на готовых изделиях в корпусах [15]. Однако, в последнем случае температура отжига ограничена предельной температурой, установленной для ИС, и время процесса перетекания заряда из точечных дефектов в макродефекты значительно возрастает. Это видно на рис. 2, взятом из [15]. В течение 120 ч. отжига в пассивном режиме при 125&DEG;С партия КМОП ИС разделилась на три группы: с высокой (1), средней (2) и низкой (3) плотностями точечных дефектов (DI-центров, поскольку E’-центры при температуре ~100oC практически полностью разряжаются). Кроме того, на этом рисунке виден случайный отказ одного изделия из-за зарядки макродефекта (0). Для обеспечения заданной ошибки второго рода (риска Потребителя) операцию “облучение-отжиг” целесообразно дополнить методом распознавания образов [15 и 16].
    Таким образом, отбраковка ИС с макродефектами оксидной пленки возможна при использовании операции “облучение-отжиг”. Именно поэтому в военный стандарт MIL-STD-883 недавно введён метод 10.19.5, включающий радиационно-термическую обработку (РТО) перед ЭТТ.

Системная надежность

РТО и ЭТТ всё-таки не выявляют все потенциально ненадежные ИС, и при эксплуатации изделий возникают случайные отказы. В этом случае на помощь приходят методы обеспечения надёжности системы. Совокупность этих методов получила название “системная надёжность”. В её основе — применение различных видов избыточности. Всем хорошо известен метод резервирования — аппаратная избыточность. Но она не всегда эффективна. Поэтому в последнее время разработчики микроэлектронных систем применяют другие виды избыточности. Например, режимная избыточность — увеличение напряжения питания в случае, показанном на рис. 1, с 5 В до 7 В или 10 В увеличивает ресурс по накопленной дозе соответст-венно в 3 раза и 7 раз. Примером информационной избыточности может служить кодирование информации. Известный код Хеминга позволяет избежать неприятностей при “мягких” сбоях ИС ОЗУ, возникающих при попадании в “чувствительный” объём элемента ИС тяжёлой заряженной частицы с высокой энергией. Разрабатываются и методы алгоритмической избыточности, когда решение задачи производится разными путями. Применение методов системной надёжности приводит к тому, что ИС может отказать, а система будет продолжать работать.
    Однако, как отмечает профессор Нихал Синнадурай (Nihal Sinnadurai) [17], отсутствует системное изложение методов и, как следствие, не существуют программы обучения методам системной надёжности. Эти методы развиваются мастерами-одиночками (например, в нашей стране Б.М. Петровым [18]). Но, несмотря на отсутствие руководящих документов по этим методам и их противоречие с военными стандартами, “любительские”, по словам того же профессора Н. Синнадурая, спутниковые разработки, стимулированные простым недостатком денег , закончились приобретением “прогрессивной информации и знаний, как покупать изделия, какие изделия выборочно квалифицировать и как разрабатывать, чтобы система отработала заданный отрезок времени”.
    Итак, системная надёжность позволяет достигнуть высокого уровня вероятности нормальной работы — отсутствия отказов системы в течение 20 лет, что соответствует 0,2% отказов ИС [17], т. е. в пересчёте на ИС получаем интенсивность случайных отказов l~10-8 ч-1. Заметим, что коммерческие изделия характеризуются большей интенсивностью случайных отказов (~10-7ч-1).

Экономический аспект

Стоимость изъятия дефектных ИС на разных этапах изготовления микроэлектронной системы резко возрастает при приближении к этапу эксплуатации. Это можно видеть по данным, взятым из [8], и представленным в табл. 2. Поэтому разработчики систем военного и космического применения стоят перед проблемой: необходимо с минимальными затратами обеспечить максимальную надёжность.

Таблица 2. Относительная стоимость изъятия дефектных ИС

Затраты имеют место на всех этапах жизненного цикла системы. Однако издержки на каждом этапе можно изменять. Применение ИС с высокой надёжностью и радиационной стойкостью даёт низкий уровень затрат на разработку системы, но большие затраты на поставку изделий микроэлектроники. По данным [19] cоотношение надёжности и стоимости для различных классов ИС можно оценить по данным табл. 3.

Таблица 3. Сопоставление надежности и стоимости испытаний ИС

Надо заметить, что в представленной таблице указаны затраты только на контроль изделий по методам стандарта MIL-STD-883. Затраты на производство высоконадёжных и радиационно- стойких ИС увеличивают стоимость на 2...3 порядка. Применение методов системной надёжности даёт возможность приобретения менее дорогих и, по-видимому, менее надёжных изделий. В этом случае соотношение затрат на разных этапах жизненного цикла микроэлектронной системы для космических аппаратов при использовании коммерческих микросхем и вклад отдельных этапов в стоимость эксплуатации (поддержания в исправном состоянии) показаны на рис. 3 [17]. Видно, что минимальные затраты на разработку при использовании системной надёжности дают максимальный вклад в стоимость эксплуатации системы.

Рис. 3. Относительная стоимость разных этапов жизненного цикла спутниковой системы:
ряд 1 - стоимость этапов в % от общей стоимости;
ряд 2 - вклад этапов (в %) в стоимость эксплуатации (поддержания в исправном состоянии)

Технология ИС непрерывно развивается. На смену выпускаемым в настоящее время большим (БИС) и сверхбольшим (СБИС) микросхемам приходят ультрабольшие ИС (УБИС), число транзисторов в которых до-стигает 10 млн. на 1 см2 площади чипа. На таких кристаллах может быть реализована целая система. В [20] отмечается, что стоимость однокристальной системы может быть менее 50$, в то время как аналогичная система, построенная на БИС и СБИС, стоит более 500$. Поэтому однокристальные системы экономически выгодны.

Заключение

British Telecommunications и AMSAT, используя представленный выше “интеллектуальный” подход, названный “системной надёжностью”, доказали на практике его эффективность успешным многолетним орбитальным функционированием спутниковых систем, которые отказывали, когда солнечные батареи истощались [17]. Актуальность этого подхода возрастает при переходе на системы, построенные на УБИС. Однако, если при переходе на СБИС возникли “мягкие” сбои, при которых искажается информация, а элементы не повреждаются и сохраняют работоспособность, то в случае использования УБИС возникла проблема повреждения одной высокоэнергетичной частицей отдельных элементов. Поэтому УБИС в принципе не могут быть радиационно- стойкими, поскольку размеры транзисторов в них стали соизмеримы с разупорядоченной областью (кластером) — крупным радиационным дефектом, и обеспечить работоспособность таких устройств на борту КА можно только методами системной надёжности.
    Таким образом, вынужденная “коммерциализация” спутниковых микроэлектронных систем создает необходимые знания и опыт для применения в космической технике однокристальных систем на основе УБИС.
    Автор благодарит О.П. Гобчанского и А.Б. Симакова за предоставленные материалы и А.П. Поливанова за помощь в подготовке графического материала.

Литература

• Pease B. Что же это за стандарт MIL-HDBK-217? // Электроника (русск.пер.). — 1992. — № 3-4. — С. 71–72.
  
• Бечина И.А., Попов В.Д. Прогнозирование отказов КМОП ИС с помощью метода рабочих областей. Препринт 084-88. — М.: МИФИ. — 1988. — 23 с.
  
• Попов В.Д. Подход к оценке работоспособности КМОП ИС при многолетнем функционировании в полях низкоинтенсивного радиационного воздействия. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докладов научно-технического семинара (Москва, 28 ноября – 1 декабря 1994 г.). — М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. — 1995. — С. 205–207.
  
• Popov V.D., Sizov A.V. Integrated circuits reliability fore-cast under prolonged low-intensity radiation influences. Proceedings of the First US-Russian Scientific Workshop on FIRE Environment. Space Research Institute, Moscow, June 5–7, 1995, pp. 195–197.
  
• Pikor A., Reiss E.M. Technological advances in the manufacture of radiation hardened CMOS integrated circuits. IEEE Transaction on Nuclear Science, 1982, Vol. NS-24, No 6, pp. 2047–2050.
  
• Lehnard Ch. Стандарт MIL-HDBK-217: пришло время его переосмысления // Электроника. — 1992. — № 3-4. — С. 68–70.
  
• Катеринич И.И., Курин Ф.М., Попов В.Д. Метод радиационно-термической отбраковки и повышения надёжности МОП интегральных схем. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. — 1995. — Вып. 3-4. — С. 127–132.
  
• C.G.Peatle, J.D.Adams, S.L.Carrell, T.D.George, M.H.Valek. Слагаемые надёжности полупроводниковых приборов // ТИИЭР (русск.пер.). — 1974. — № 2. — С. 6–37.
  
• Shanfield Z. Thermally stimulated current measurements on irradiated MOS capacitors. IEEE Transaction on Nuclear Science, 1983, Vol. NS-30, No 6, pp. 4064–4070.
  
• Оспищев Д.А., Попов В.Д. Исследование дефектов оксида кремния методом “облучение-отжиг”. Физика окисных плёнок: Тезисы докладов 4-ой всероссийской научно-технической конф. (Петрозаводск, 28-30 мая 1994 г.). — Петрозаводск: ПГУ. — 1994. — с. 58.
  
• Оспищев Д.А., Попов В.Д. Определение энергии активации ЭПР-центров в плёнках двуокиси кремния. Физические основы надёжности и деградации полупроводниковых приборов: Тезисы докладов научно-технической конф. (Н.Новгород–Астрахань, сентябрь 1992 г.) — М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. — 1992. — С. 78–79.
  
• Гришаков В.В., Попов В.Д. Модель макродефекта в подзатворном оксиде кремния МОП-транзисторов. Научная сессия МИФИ-99: Сборник научных трудов. Том 6. — М.: МИФИ. — 1999. — С. 76–77.
  
• Попов В.Д., Поливанов А.П. Исследование явления перезарядки дефектов в плёнке оксида кремния при послерадиационной термообработке. Шумовые и де-градационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докладов научно-технического семинара (Москва, 17-20 ноября 1997 г.). — М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. — 1998. — С. 394–398.
  
• Попов В., Катеринич И., Курин Ф. Радиационная технология: уникальные возможности в производстве МОП-интегральных схем // Chip News. — 1997. — № 3. — С. 20–22.
  
• Отбраковка потенциально-ненадёжных интегральных микросхем с использованием радиационно-стимулирующего метода/ Кононов В.К., Малинин В.Г., Оспищев Д.А., Попов В.Д. Радиационно-надёжностные характеристики изделий электронной техники в экстремальных условиях эксплуатации. — Санкт-Петербург: Изд-во РНИИ Электронстандарт. — 1994. — С. 57–65.
  
• Изделия электронной техники. Метод классификации полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по уровням наработки с применением радиационно-стимулирующего облучения, в том числе с учетом условий эксплуатации. РД 11 0939-95. — Санкт-Петербург: РНИИ Электронстандарт. — 1998. — 40 с.
  
• Sinnadurai N. System reliability. Commercialization of Military and Space Electronics: Materials of working shop meeting (Nicce, 28/09/98 – 1/10/98), pp. 115–119.
  
• Петров Б.М. Разработка рекомендаций по обеспечению радиационной стойкости микропроцессорных и транспьютерных устройств с использованием различных видов избыточности. Моделирование и исследование сложных систем: Труды международной научно-технической конф. (Севастополь, 9-16 сентября 1997 г.) — М.: МГАПИ. — 1998. — С. 113–120.
  
• Vaccaro J. Требования к надёжности полупроводниковых приборов, предъявляемые министерством обороны США. — ТИИЭР (русск.пер.). — 1974. — № 2. — С. 38–64.
  
• Бейер Р. Системы на кристалле. Актуальные про-блемы // Инженерная микроэлектроника. — 1998. — № 1. — С. 18–19.
  

МИФИ, Кафедра микроэлектроники
Тел. (095) 323-9068