Рецепты надежности. В Зеленограде нашли способ повысить качество микроэлектроники для космоса.

— Немало лет ушло у нас на то, чтобы освоить и запустить производство интегральных схем, — вспоминает начальник лаборатории Евгений Кузнецов. — Но коллектив нашел свою “нишу”, поскольку изначально был ориентирован на рынок малых серий уникальных микросхем. Со временем наша штучная продукция начала находить применение в системах управления космическими аппаратами, а также пусковыми и разгонными блоками ракет. Перед этой техникой стоят жесткие требования: она должна быть сверхнадежной и безотказной, иметь повышенный срок службы, выдерживать космическое излучение… Задачи, безусловно, трудные, но решаемые — и в 2001 году наша разработка по созданию новых серий интегральных схем была удостоена правительственной премии.

Однако микроэлектроника продолжает стремительно развиваться, каждые два года за счет уменьшения размеров в два раза увеличивается число элементов на чипах. Системы, построенные на них, становятся все более “интеллектуальными” — и у разработчиков аппаратуры появилась возможность заказывать изготовление интегральных схем под свои нужды на самых передовых мировых предприятиях, умещая систему, состоящую из множества чипов, всего в один. 

Однако при увеличении сложности и уменьшении размеров элементов схем их надежность и радиационная стойкость уменьшаются, поэтому разработчики аппаратуры для космического применения не могут в полной мере использовать новые возможности. Обобщив накопленный нами опыт, а также мировые достижения, мы нашли выход — предложили концепцию, которая позволяет разрешить эту проблему. 

В этом нам помогло Минобрнауки, отдавшее предпочтение нашей заявке на грант. В рамках Федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” министерство выделило нам и нашему партнеру ОАО “ЭНПО СПЭЛС” средства на разработку измерительных методик по оценке любой интегральной технологии на предмет ее надежности и радиационной стойкости, позволяющих создавать эффективную и безотказную микроэлектронику. Суть подхода в том, что мы измеряем, используя специально разработанные тестовые структуры, все необходимые характеристики, связанные с надежностью и радиационной стойкостью интегральных элементов технологии. Далее на основе этих характеристик выдаем рекомендации по проектированию интегральных схем, которые будут изготавливаться по исследуемой технологии так, чтобы они обладали в конечном итоге необходимыми свойствами надежности и радиационной стойкости. Фактически наши методики — своего рода “рецепты” проектирования эффективных и безотказных специализированных систем на кристалле. 

Средства гранта пошли на разработку программного обеспечения, проектирование тестовых элементов и изготовление опытных чипов на зарубежных “кремниевых фабриках”. Эти предприятия специализируются только на изготовлении чипов и выполняют заказы для разработчиков со всего мира. В последнее время они получили широкое распространение. По сути, мы проводим аттестацию таких предприятий, чтобы убедиться, можно ли на них выпускать интегральные схемы с необходимыми характеристиками, и выдаем рекомендации, как этого достичь на этапе проектирования схемы. 

В ходе этой работы мы спроектировали тестовый чип и изготовили его на фабрике STMicroelectronics во Франции по технологии 65 нанометров и в дальнейшем по разработанным восьми методикам измерили более 100 параметров, характеризующих стойкость и надежность этого технологического процесса. Например, технологический процесс позволяет изготавливать семь уровней металлизированной разводки, на основе которой выполняются межсоединения транзисторов в схеме. При протекании электрического тока через такие “провода” со временем происходит их разрушение, которое зависит от силы тока. Мы измеряем такую зависимость, среднее время наработки на отказ разводки от величины тока, что позволяет ввести ограничения на ток или ширину “провода” при проектировании схемы в зависимости от ее эксплуатационного ресурса. Аналогичные деградационные характеристики измеряются и у других составляющих элементов схемы (транзисторов, изоляции, резисторов), определяется время их безотказной работы как при нормальных условиях эксплуатации, так и при радиации. При этом, как правило, улучшение одного параметра интегральной схемы ухудшает другие. С использованием наших методов можно осуществлять баланс между надежностью и стойкостью и другими характеристиками схемы, такими как интегральность, быстродействие, энергопотребление. “Космические” фирмы, чьи заказы мы выполняем, полностью нас поддерживают и надеются, что благодаря такому эффективному подходу им удастся существенно улучшить как функциональность и надежность, так и радиационную стойкость аппаратуры. 

…Срок действия гранта фактически закончился. И теперь мы будем подавать заявку на следующий. На этот раз дополнительное финансирование потребуется нам для создания новых радиационно стойких схем энергонезависимой памяти. На основе таких схем делают флешки, однако существующие на сегодняшний день подобные проекты не обладают нужными характеристиками радиационной стойкости, и использование их в аппаратуре для космоса ограничено. Это новое и очень перспективное направление поддерживают разработчики приборов.