Политика производства радиационно-стойких аэрокосмических компонентов

Краткий обзор

Высокое качество, быстродействие, потребляемая мощность и стоимость - вот ключевые моменты, которые должны учитывать разработчики, желающие достичь успеха и конкурентоспособности своих изделий на мировом рынке.

Однако, прежде, чем исполнится их мечта, их труд часто превращается в ночной кошмар. Главным образом это происходит из-за того, что при производстве компонентов нового поколения используются очень агрессивные технологии, первоначально разработанные для изготовления товаров. В некоторых случаях дополнительные требования (например, теплоустойчивость, надежность, срок службы и т.д.) не могут быть полностью выполнены. Это особенно важно для радиационного оборудования, для которого среднее время наработки на отказ (MTBF) при воздействии жесткого радиационного излучения является ключевым фактором при выборе компонентов.

Фактически, коммерческие технологии с высокой степенью интеграции не испытываются на воздействие радиационного излучения. Хотя некоторые испытания и проводятся, но при производстве с применением коммерческих технологий характеристики могут меняться не только от партии к партии, но даже и от пластины к пластине в пределах одной партии. Мы не должны предусматривать снабжение дистрибьюторов партиями товаров с заказными датами производства и технологическим отбором.

Сначала компания Atmel признала, что продолжает активно связывать возможность поставки разработчикам доступных современных технологий и продуктов, которую называла реактивностью и дуальностью. Это иллюстрировалось недавним вытеснением конкурентов с рынка изделий для военной и аэрокосмической промышленности. Вдобавок ко всему, были исследованы уровни космического излучения, воздействующего на оборудования, находящееся в космосе: хотя большинство космического и военного оборудования и не подвергается воздействию жесткого излучения более 100 Kрад (Si), но оборудование спутниковой системы LEO для увеличения срока службы должно выдерживать излучение более 100 Kрадs. Конечно, существуют специфические области (физика высоких энергий, гражданские ядерные установки, роботизированное режущее оборудование и т.д.), в которых уровень излучения может достигать десятков Mрад (Si). Очевидно, что компоненты для таких различных областей применения должны быть разными.

Концепция двойного использования

Производители компонентов, которые раньше разрабатывали специфические военные и космические технологии, в настоящее время больше не поддерживаются NASA из-за ограничения финансирования. Однако, инвестиции, необходимые для улучшения технологичности, снижения количества литографических операций и т.д., настолько велики, что не многие компании готовы их понести. Политика, которую решила проводить компания Atmel, основана на переносе технологии и продуктов заказного производства без каких- либо изменений на производство для обширных коммерческих рынков (потребительский, автомобильный и индустриальный).

Уровень устойчивости к воздействию радиации- это одно из требований, которому должна удовлетворять конкурентоспособная продукция.

С появлением новых больших рынков, таких как рынок оборудования для высокоэнергетической физики, изменился и сам подход. Новые технологии, первоначально разработанные для использования в специфических инструментах и сенсорах, могут для извлечения двойной выгоды позднее быть переданы на коммерческие производственные линии.

Использование радиационно-стойких КМОП СБИС компании Atmel в агрессивных средах

Раньше считалось, что почти все компоненты для военного и космического оборудования можно было найти в каталогах выпускаемой продукции различных производителей. Сейчас это все меньше и меньше соответствует истине. С одной стороны это объясняется уменьшением финансирования, а с другой - повысившиеся требования нового рынка привели к снижению количества производителей таких компонентов. Несмотря на попытки разработчиков использовать рекламирующиеся коммерческие компоненты, агрессивные среды и критические рабочие режимы не позволяют делать это. Но и в освоенных областях возникают новые требования. В основном эти новые требования поступают от производителей оборудования для гражданских ядерных установок, в которых ранее использовались только дискретные и пассивные компоненты. Большинство модулей такого оборудования должны выдерживать излучение в несколько Mрад.

Кроме воздействия стандартного поражающего излучения, известного и изученного за последние 30 лет, в данном разделе будут обсуждены и такие характеристики новых компонентов, как доза излучения, зависимость от напряженности поля, эффективность воздействия SEU на ячейки и технология сокращения чувствительности к SEU. Затем будут обсуждены новые технологические тенденции и результат их применения при производстве компонентов, устойчивых к воздействию радиации.

Рабочие среды

Открытый космос

Основой существующей магнитосферы Земли, зон заряженных частиц или зон Ван Аллен, являются:

• Зоны протонных ловушек на высоте от 400 до 900 км, состоящие из электронов и протонов.
• Зоны электронных ловушек, простирающихся на высоту до 56 000 км, почти полностью состоящие из электронов.

Периодические интенсивные вспышки, возникающие на солнце, состоящие из протонов с высокой энергией и тяжелых ионов, увеличивают коэффициент зон Ван Аллена до 10₃.

Жесткое космическое излучение состоит из тяжелых ионов от водорода до никеля: 85% - протоны, a частицы - 13%, тяжелые ядра - 2%.

При торможении электронов и протонов, попадающих на преграды (корпус космического корабля или корпус электронного компонента), возникают электромагнитные излучения (рентгеновское и гамма). Ионизирующее воздействие этих частиц невелико (обычно меньше 1 рад/час), но оно воздействует длительное время. При взаимодействии протонов с материалом мишени могут возникать тяжелые частицы как при ядерной реакции. Для тяжелых ионов практически не существует экранов и преград.

Количество жесткого излучения, воздействующего на компонент, зависит от орбиты, на которой он находится и длительности его нахождения на ней. Чтобы понять результат воздействия на конкретный чип жесткого излучения, оно может быть смоделировано при известных параметрах космического корабля и его местоположении.

Ядерные реакторы и заводы

Здесь параметры внешней среды сильно зависят от специализации предприятия. Но в большинстве случаев излучение состоит из гамма и рентгеновских частиц, но преобладают все же поток нейтроны. Излучение часто может достигать десятков Mрад и иметь плотность до 10¹⁵n/см².

Высокоэнергетическая физика

Высокоэнергетическая физика- это одна из наиболее неблагоприятных сред для радиоэлектронного оборудования. Здесь практически всегда присутствует излучение всех известных (и неизвестных) типов частиц. Новое оборудование для применения в высокоэнергетической физике должно иметь высокую четкость детектирования потоков частиц до нескольких десятков Mрад и плотностью 10¹⁵n/см², а кроме того иметь срок службы более 10 лет.

Ядерное оружие

При взрыве ядерных бомб возникает не только ударная волна. При взрыве также возникает гамма излучение, но оно кратковременное и длится несколько секунд. Но важнее всего для электроники, что при взрыве возникает мощнейший электромагнитный импульс.

Воздействия радиации на КМОП СБИС

Поверхностные эффекты

Рентгеновские лучи, гамма- лучи и электроны ионизируют SiO2 , что увеличивает количество дырок в этих кремниевых структурах. Из-за комбинаторного эффекта и изменения отношения числа электронов и дырок в логических элементах и изолирующих слоях на границе Si - SiO₂ возникает паразитный проводящий слой. Это стимулирует сдвиги основных рабочих характеристик, т. е. пороговых напряжений и подвижности носителей зарядов (а как следствие и проводимости).

Отношение числа носителей каждого типа и их количество может быть различным в различных образцах, но можно утверждать, что разность свободных носителей ?Vt для N- канальных МОП транзисторов отрицательная, а для Р- канальных МОП транзисторов- положительная. При облучении повышается количество положительных носителей (дырок), что в N- канальных МОП транзисторах приводит к увеличению порогового напряжения.

При облучении N- канальных МОП транзисторов нарушается их структура и изменяются не только пороговые напряжения, но и другие параметры транзисторов. Возникают паразитные токи, которые добавляются к основным токам, возникают паразитные структуры (изменяется распределение зарядов между изолятором и проводящими слоями, появляются токи от N+ структур к подложке ИС N- типа и т.д.).

В результате повреждения КМОП компонентов и их составляющих возникают следующие явления:

• Увеличение потребляемого тока в ждущем режиме.
• Входные уровни и плотность внутренних шумов изменяются, что приводит к ошибочным срабатываниям.
• Увеличение времени нарастания и спада фронтов, что ведет к ухудшению динамических характеристик.

Примечание: важно запомнить, что условия облучения (доза облучения, смещение, температура и т.д.) сильно влияют на старение (деградацию) компонентов. Эти внешние параметры позволить провести надежное прогнозирование стойкости компонентов к воздействию радиации.

Объемные эффекты

Тяжелые частицы (космические лучи, протоны, электроны, альфа- частицы) или высокоэнергетические фотоны могут стимулировать объемные эффекты. Ионизирующее излучение создает пары электрон- дырка, которые напоминают импульсы тока. Когда эти импульсы достигают обогащенных областей (P- или N-), паразитные структуры SCR, свойственные КМОП топологии, активизируются (эффект защелкивания). Это ведет к созданию областей с низким удельным сопротивлением между положительным и отрицательным выводами питания. Высокий ток, протекающий по этой паразитной области высокой проводимости, может привести к тепловому нагреву и как следствие к выходу компонента из строя.

Когда этот токовый импульс появляется в обедненной зоне (сток транзистора в режиме запирания), то может возникнуть эффект ложного срабатывания логического элемента, перезапись транзисторной ячейки памяти или переключение триггерной ячейки. N- канальные МОП транзисторы более подвержены воздействию ионизирующего излучения, чем Р- канальные МОП транзисторы. Кроме того, изменение карты распределения зарядов приводит к изменению основной геометрии топологии.

Нейтроны и ЕМР

Ядерные реакции, выделяющие нейтроны, имеют двойственное влияние:

• Атом изменяется и ядро деформируется
• Снижается время жизни и подвижность неосновных носителей

Эти два механизма старения затрагивают главным образом компоненты, изготовленные по биполярной технологии. Однако, существенная деградация наблюдается и в МОП структурах с плотностью нейтронов более 10¹⁵n/см².

Электромагнитные импульсы (EMP) генерируют высокие токи и напряжения на выводах компонентов и во всех проводниках. Для борьбы с этими явлениями используют экранирование и заземление.

Программы разработки радиационно-стойких процессов

Даже при том, что КМОП и БиКМОП технологии естественным образом защищены от воздействия радиационного излучения, их допустимые уровни не всегда удовлетворяют требованиям космического и военного оборудования.

При поддержке Национального и Европейского космических агентств, начиная с 1986 года, компания Atmel проводит исследования в области защиты от радиационного воздействия космических и военных схем. Все проводимые исследования основываются на политике двойного использования. Эта концепция позволяет разработчикам сохранять идентичность комплектов фотошаблонов для стандартных схем с комплектами фотошаблонов радиационно-стойких схем (RT). Таким образом, военные и космические изделия получают преимущества крупносерийного производства, такие как статистический контроль, высокая производительность и т.д. Кроме того, компания Atmel предлагает проектировщикам компоненты завтрашнего дня, изготовленные по отработанной технологии.

Компания Atmel перешла с 3 микронной КМОП технологии на 0,25 микронную технологию с четырьмя слоями металлизации и проводит исследования и разработки для перехода на 0,18 микронную технологию с пятью слоями металлизации, переход на которую планируется в конце 2003 года.

Рисунок 1. Технологии и области их возможного применения

Для удовлетворения различных требований по устойчивости к воздействию радиационного излучения, компания Atmel предлагает широкий выбор надежных технологий. В зависимости от требований можно выбрать стандартные (мягкие) или устойчивые к жесткому излучению (жесткие) технологические версии КМОП и БиКМОП. Все жесткие версии имеют повышенную устойчивость к воздействию жесткого ионизирующего излучения. Субмикронные жесткие версии технологических процессов (RH) позволяют изготавливать компоненты, выдерживающие воздействие радиации более 100 крад(Si). Эти технологии наиболее изучены и имеют хорошую устойчивость благодаря наличию в них более тонкого слоя изолирующего окисла.

Стойкость разработок

Стойкость схем к воздействию радиации может быть обеспечена не только за счет применения радиационно-стойких технологических процессов, но соответствующими схемотехническими и топологическими решениями. Существует такое большое множество технических решений, повышающих радиационную стойкость схем, что перечислить их все невозможно. Но в это разделе рассматриваются два решения компании Atmel, которые применяются компанией в настоящее время при производстве радиационно-стойких компонентов.

Полное облучение

Большинство космического и военного оборудования разрабатывается на основе СБИС или ASSP. Эти компоненты являются набором стандартных логических вентилей или ячеек. Чтобы гарантировать работоспособность аппаратуры после облучения, компания Atmel разработал специфическую методику, основанную на встраивании в среду разработчика функции моделирования радиационного облучения и деградирования элементов. Самый ненадежный стандартный элемент может быть заменен на радиационно-стойкий уже в процессе проектирования. После этого разработчик может смоделировать облучение нужной дозой радиации, провести анализ режимов и временных интервалов и коррекцию списка связей.

Одиночные случайные эффекты

Обычный способ защиты схемы от последствий воздействия жесткого ионизирующего излучения состоит в применении специальных радиационно-стойких технологических процессов при производстве (SOS, SOI, и т.д.). Как уже говорилось, применение таких технологий ведет к увеличению стоимости компонентов. Компания Atmel предлагает несколько других решений, помогающих разработчику увеличить защищенность схемы минимальными затратами:

• В библиотеке логических компонентов содержится несколько подобных триггерных ячеек с различной чувствительностью. В зависимости от технических требований к разрабатываемому устройству, порог переключения может варьироваться от 15 MeВ/(mg/cm²) при V_DD =2.7 В до полной нечувствительности. Поскольку технология и топология не изменяются, то затраты минимальны (только требуются дополнительные транзисторы).
• Для защиты от жесткого ионизирующего излучения также может применяться механизм внутренней коррекции. Применение кодов с проверкой на четность или других помехоустойчивых кодов позволяет существенно снизить количество ошибок. Тогда защита от одиночных случайных ошибок становится системной задачей, что позволяет минимизировать такие ошибки применением высокочастотных заградительных фильтров и управляемой системой прерываний.

Облучения малыми дозами

Очевидно, из-за нехватки времени и ограниченного финансирования не всегда возможно провести испытания компонентов в реальной среде. Для этой цели существуют стандартные ускоренные испытания.

Но существующие системы скоростного облучения MIL std или ESA/SCC далеко не полностью моделируют реальные условия. Деградация, которая наблюдается при облучениях по этим системам, не является тем результатом, который действительно может произойти.

Компания Atmel и французское космическое агентство (CNES) изучили воздействие излучения на компоненты компании Atmel. Они полностью подтвердили отрицательное воздействие жесткого ионизирующего излучения на ключевые параметры, такие как токи утечки. Например, после облучения дозой 40 крад(Si) стандартных ячеек памяти возникает ток утечки 1 мкА при интенсивности 100 крад(Si)/час и 5 нА при интенсивности 10 рад(Si)/час.

Тестирование на стойкость к воздействию радиации

Перед выпуском на рынок нового продукта или технологии производитель должен провести весьма дорогостоящие испытания. Кроме того очень важными являются результаты испытаний на надежность (кратковременные и долгосрочные параметры, целостность окисных слоев, миграция электронов, деградация основных носителей и т.д.).

Вообще говоря, механизм воздействия ионизирующего излучения еще до конца не изучен. Процессы захвата зарядов и пограничные состояния невозможно электрически обнаружить. Однако, деградация материала строго связана с чистотой окисного слоя, его толщиной и структурой. Методика анализа FMEA принята для приведения параметров радиационной стойкости различных разработчиков к единой системе. Для контроля качества и стабильности технологических процессов в процессе производства компания Atmel имеет систему контроля радиационной стойкости SPS.

Для любых изделий с допуском работы при жестких излучениях желательно проводить некоторые определенные проверки и испытания. Правила и процедуры таких испытаний стандартизованы (например системы MIL, ESA/SCC и т.д.), и мы проводим все тестовые облучения согласно этим стандартам.

Проверка полной дозы облучения

Согласно рекомендациям стандартов, мы используем в качестве источника излучения CO60, который позволяет проводить длительное облучение и изменять интенсивность излучения. Дозиметрическое оборудование периодически поверяется, и в этом году поверка была проведена. Статистические и динамические характеристики излучателя известны, что позволяет планировать дальнейшие испытания.

Электрические измерения проводятся по программе полных заводских испытаний с возможностью полной проверки зон и областей. Проверка на воздействие жесткого ионизирующего излучения

Все технологии проходят испытания на чувствительность к жесткому ионизирующему излучению. Для обеспечения потребителей компонентами с гарантированными характеристиками проводится постоянное исследование последствий воздействия жесткого ионизирующего излучения в виде защелкивания (SEL) и одиночных случайных повреждений (SEU). В последствии эти данные могут использоваться для вычисления дозы облучения, которую может выдержать оборудование, построенное на этих компонентах.

Ускорители тяжелых ионов используются для аттестации компонентов на соответствие стандарту линейной передачи энергии (LET), характеризующего космическое излучение.

RHA

В настоящее врем компания Atmel проводит в соответствии с требованиями сертификата QML испытания на стойкость к воздействию жесткого излучения (RHA).

Замечание

При необходимости или по заказу могут быть проведены дополнительные испытания компонентов на воздействие различных типов излучения.

Ультрастойкая БиКМОП технология DMILL

Появление новой аппаратуры для фундаментальных исследований в области высокоэнергетической физики привело к возникновению потребности в аппаратуре, устойчивой к воздействию жесткой радиации. Детектирующая электроника, находящаяся рядом с протонными зонами, может получить дозу радиации более 10 Мрад. Кроме того, малые уровни сигналов требуют большого отношения сигнал/шум.

Облучение дозой 10 Мрад и 10¹⁴ n/см²

Для удовлетворения этих новых требований компания Atmel освоила новую смешанную аналого- цифровую технологию DMILL, которая может выдержать облучение дозой более чем 10 Мрад и плотностью 10¹⁴n/см². Технология DMILL, первоначально разработанная для CEA (французская лаборатория ядерных исследований), применяется на заводе компании Atmel в Нанте (Франция).

Обеспечение радиационной стойкости

На основании требований статистического управления производством (SPC), для обеспечения радиационной стойкости (RHA) должен быть проведен анализ изменения всех чувствительных к излучению параметров при облучении дозой в 10 Мрад. Кроме того, должны проводиться регулярные проверочные тесты воздействия радиационного излучения на шумовые и функциональные параметры.

Концепция двойного использования

Компоненты DMILL изготавливаются на таком же или подобном оборудовании, что и коммерческие компоненты. Поэтому такие компоненты имеют преимущества массового производства и для оценки надежности могут использоваться аналоги.

Выводы

Для удовлетворения непрерывно растущих требований к компонентам спутникового оборудования компания Atmel решила, что прежде всего должен использоваться принцип двойного использования, позволяющий переносить схемотехнику и топологию компонентов космического оборудования на стандартные коммерческие компоненты. Этот принцип позволяет выпускать привлекательные для заказчиков новые радиационно-стойкие компоненты в кратчайшие сроки, с хорошими характеристиками и высоким качеством.

Работая по 3 микронной КМОП технологии, компания Atmel переходит на современные 0,25 микронные технологии КМОП и БиКМОП с четырьмя уровнями металлизации и готовится перейти на 0,18 микронные технологии с пятью уровнями металлизации.

Незначительные изменения технологии позволяют выпускать компоненты, удовлетворяющие требованиям космического оборудования: сохранение работоспособности при облучении дозой не менее 100 Крад(Si) и защита от защелкивания при плотности ионизирующего излучения 100 MeВ/mg¹см². При использовании модифицированных компонентов компании Atmel можно улучшить радиационную стойкость оборудования при применении особых схемотехнических приемов. Кроме того, радиационно-стойкая библиотека ASIC, содержащая свободные SEU ячейки, также позволяет производить модернизацию.

И наконец, завершают ряд радиационно-стойких компонентов компании Atmel компоненты, изготовленные по 0,8 микронной БиКМОП технологии, которые обеспечивают работоспособность с очень низким уровнем шумов при воздействии жесткого ионизирующего излучения с интенсивностью 10 Мрад и плотностью 10¹⁴n/см². Специально разработанные для удовлетворения растущих требований оборудования высокоэнергетической физики, эти компоненты также могут использоваться и в любом другом оборудовании, подверженном воздействию излучения.

---

---

Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи