Диссертация - воронежский государственный лесотехнический
advertisement
ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ На правах рукописи СКЛЯР Валерий Александрович ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТАНСТВА 05.13.12 – Средства автоматизации проектирования Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор, В.К.Зольников Воронеж 2014 1 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………….………..………………………………...…………4 1. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ .................................................................... 10 1.1. Виды ионизирующих излучений в космическом пространстве и эффекты радиационного воздействия в комплементарных микросхемах...…..10 1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства……………………………………………………………....……....10 1.1.2. Источники ионизирующих излучений в космическом пространстве…………………………………………………………...…….....…13 1.1.3. Радиационные эффекты в КМОП микросхемах…….................…..16 1.2. Анализ текущего состояния средств автоматизации проектирования электронной компонентной базы космического назначения..............................20 1.3. Аспекты моделирования воздействия излучения космического пространства на электронную компонентную базу базу. Постановка задачи........................................................................................................................26 Выводы…………………………………………………..…………………………….………………….36 2. СТРУКТУРА, МЕТОДИКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА В САПР ДЛЯ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КМОП СБИС. ........................................................................................................ 37 2.1. Методика автоматизированного проектирования изделий электронной компонентной базы стойкой к воздействию излучения космического пространства................................................................................................................... 37 2.2. Структура проблемно-ориентированного программного обеспечения............................................................................................................................................... …….49 2.3. Выбор критериальных параметров к гамма-излучению…...………….. .58 2.4. Расчет поглощенной дозы при воздействии ионизирующего излучения космического пространства…...……………………………………………………...66 Выводы……………………………………………………………………………………………………70 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В КМОП-ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ В САПР СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ…………………………………..……..72 2 3.1. Моделирование накопления дозы в МОП – транзисторе при воздействии космического излучения низкой интенсивности. ………………...…….72 3.1.1. Методология моделирования процесса радиационноиндуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОПтранзистора с учетом влияния полевого окисла………………………………...72 3.1.2. Моделирование процесса накопления заряда в области подзатворного диэлектрика транзистора…………………...……………………………………………………75 3.1.3. Процесс радиационно-индуцированное накопление заряда в подзатворном диэлектрике МОП-структуры при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения…………………………………………………………80 3.1.4. Выбор значений параметров, определяющих кинетику накопления заряда в диэлектрике при радиационном воздействии……...………..……...…84 3.1.5. Моделирование процесса накопления поверхностных состояний…..............................................................................................................85 3.2. Расчет изменения схемотехнических параметров при воздействии низкоинтенсивного излучения факторов космического пространства…………...89 3.3. Алгоритмическая основа расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического пространства............................................................................................................99 Выводы…………………………………….……………………………….106 4. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ, ИНТЕГРАЦИИ В СИСТЕМУ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ САПР. .......................................................... 107 4.1. Структура, особенности построения разработанных средств и их интеграция в САПР для сквозного проектирования интегральных микросхем…………………………………………………………………………..……………………….. 107 4.2. Оценка точности и эффективности разработанных средств САПР.................................................................................................................................. .................................. 114 4.3. Методическое обеспечение и результаты внедрения….………………... 122 Выводы……………….……………..………………..……………………..139 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………......………… …………………………...….140 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ................................... 141 ПРИЛОЖЕНИЕ: Методика прогнозирования параметрической надежности ИС при их эксплуатации в полях ионизирующего излучения малой мощности………………………………………………….…………...…156 3 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Для любой страны важен приоритет в самых высокотехнологичных областях. Космическая техника – это одна из отраслей, которая способна вывести на передовые позиции страну, где ей уделяется самое пристальное внимание. Считается одним из важнейших показателей технологического приоритета страны – наличие широко развитой космической отрасли. Но ключевой проблемой данной отрасли является создание радиационно-стойкой электронной компонентой базы. Отметим, что космическое ионизирующее излучение имеет две глобальные составляющие, каждая из которых характеризуется своим механизмом протекания физических процессов и соответственно своими методами защиты от них. Одна составляющая – это статическое излучение, состоящее из электронного, протонного и гамма-излучения, вторая – воздействие отдельных ядерных частиц. Для первой составляющей характерны процессы деградации электропараметров и постепенное увеличение числа функциональных отказов, для второй – временные кратковременные отказы, возможны и катастрофические отказы. В данной работе мы будем рассматривать статические ионизирующие излучения. Они характеризуются малой мощностью излучения. Механизм воздействия низкоинтенсивного излучения вместе с изменением температуры среды имеет некоторые особенности, которые связаны с деградацией элементов интегральных схем. При рассмотрении КМОП – технологии экспериментально установлено, что с уменьшением мощности деградация возрастает. Данное явление исследовалось экспериментально, но на практике были выработаны только рекомендации для экспериментальных исследований, которые позволяли адаптировать экспериментальные данные, полученные при высокой мощности, к данным, которые получились бы при малой мощности, характерной для космоса. Теоретические модели носили частный характер и не использовались в САПР. К таким работам следует отнести разработки сотрудни4 ков «Научно-исследовательского А.В.Ачкасова, В.П.Крюкова, института электронной техники» А.И.Янькова, сотрудников «Научно- исследовательского института системных исследований РАН» В.Б.Бетелина, П.А.Осипенко, Российского института «Электронстандарт» В.Г.Малинина, М.М.Малышева, Московского инженерно-физического института В.А.Тельца, А.Ю.Никифорова, А.И.Чумакова, Научно-исследовательского института приборов В.Н.Улимова, К.И.Таперо, В.В.Емельянова и др. Современная ситуация в области создания изделий электронной компонентной базы, а именно уменьшение проектных норм, привело только к еще более непредсказуемой картине. Поэтому назрела необходимость разработать специальные средства моделирования деградации элементов СБИС при воздействии излучения малой мощности, интегрировать их в САПР сквозного проектирования, которые были бы способны на стадии проектирования дать оценку поведения СБИС в реальных условиях космоса по отношению к статическому излучению. Таким образом, для создания радиационно-стойких микросхем космического назначения в теории и практике САПР были поставлены актуальные задачи. Актуальность работы подтверждает участие автора в ряде работ данной направленности в соответствии с программами Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, которые осуществлялись ФБГОУ ВПО «ВГЛТА»: НИР «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта радиационно-стойких библиотек элементов», НИР «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования физических процессов сложных транзисторных структур»; гранта РФФИ 08-07-99006-р_офи «Развитие средств проектирования изделий микроэлектроники в части моделирования радиационных эффектов и создание на их основе микроконтроллера 1874BЕ36 с высоким уровнем радиационной стойкости»; гранта РФФИ 12-0831439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы». 5 Объект исследования – автоматизированное проектирование микросхем с возможностью учета радиации. Предметом исследования являются модели и алгоритмы проектирования СБИС с учетом низкоинтенсивного излучения космического пространства. Цель исследования состоит в разработке комплекса моделей, алгоритмов и программ моделирования излучения малой мощности для автоматизированного проектирования радиационно-стойких микросхем космического назначения. Для достижения цели в работе должны быть решены задачи: - провести анализ современного состояния средств проектирования для современных проектных норм, физических и математических моделей воздействия космического излучения, оценить их недостатки и определить направления их устранения; - сформулировать методику проектирования СБИС, структуру программного обеспечения, позволяющего учесть низкоинтенсивное ионизирующее излучение космического пространства, и определить способы интеграции его в САПР сквозного проектирования; - разработать математические модели, позволяющие определить закономерности протекания физических процессов в полупроводниковых структурах СБИС при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства; - разработать методы и определить соотношения, описывающие деградацию параметров библиотечных элементов при воздействии ионизирующего излучения космического пространства в зависимости от мощности дозы и температуры среды; - разработать модели поведения элементов КМОП СБИС при воздействии ионизирующего излучения космического пространства на схемотехническом уровне; - с помощью разработанных средств осуществить проектирование микросхем, что позволит оценить эффективность предложенных средств. 6 Методика исследования. Для решения поставленной задачи использованы: теория и процедуры автоматизации проектирования; теория вычислительных систем; вычислительная математика; модульное, структурное и объектноориентированное программирование; экспертные оценки, эксперименты с использованием моделирующих установок. Научная новизна: - методика проектирования КМОП СБИС космического назначения, отличающаяся возможностью моделировать радиационные эффекты космического происхождения в зависимости от мощности излучения, температуры среды и режима работы СБИС для современных маршрутов проектирования; - математические модели протекания физических процессов в полупроводниковых структурах, отличающиеся предложенными соотношениями для накопления заряда в критических областях полупроводниковых структур с современными проектными нормами; - математические соотношения, определяющие деградацию параметров моделей элементов схемотехнического уровня от низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства, отличающиеся средствами учета мощности излучения и температуры среды, а также методы получения параметров моделей элементов; - алгоритмы и программные средства моделирования работоспособности СБИС, отличающихся комплексным учетом деградации элементов СБИС от воздействия низкоинтенсивного космического излучения и режимом эксплуатации изделий в условиях космического пространства. На защиту выносятся следующие положения: - методика проектирования КМОП СБИС космического назначения, позволяющая моделировать радиационные отказы от статического космического излучения с учетом мощности излучения, температуры среды и режима работы СБИС для современных маршрутов проектирования; - математические модели протекания физических процессов в полупроводниковых структурах, позволяющие выявить главные закономерности про7 текания данных событий для полупроводниковых структур с современными проектными нормами; - математические соотношения, позволяющие проводить экстракцию параметров моделей элементов схемотехнического уровня с учетом мощности статического ионизирующего излучения; - алгоритмы и программные средства, включающие в себя все предложенные средства и позволяющие моделировать работоспособность СБИС в условиях воздействия статического космического излучения. Практическая значимость и результаты внедрения. Результаты работы внедрены на ОАО «НИИЭТ» в виде комплексов программ, которые интегрированы в САПР сквозного проектирования. Экономический эффект от внедрения данных средств может составить более 10 млн рублей, так как сокращает значительный объем длительных испытаний, характерный для воздействия излучения малой мощности. Предложенные средства внедрены также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» для направления подготовки 230400 «Информационные системы и технологии», дополнительного профессионального образования «Разработчик профессионально- ориентированных компьютерных технологий» в виде элементов лекций, лабораторных, курсовых и дипломных работ. Результаты внедрения показали высокую эффективность как в части проектных работ в ОАО «НИИЭТ», так и для подготовки кадров. Это позволяет широко их распространить на предприятиях аналогичного профиля и в вузах. Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования, задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований: 1. Методология автоматизированного проектирования в технике, включающая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР; 8 2. разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП. Апробация работы. Результаты научных исследований обсуждались на научно-технических совещаниях, семинарах по выполнению НИР и ОКР в Министерстве промышленности и торговли, на головных предприятиях электронной промышленности, на научных конференциях, отчетах при приеме НИР и ОКР. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: международных: Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» (Нижний Новгород, 2013); Архетип человека и будущее человечества (Воронеж, 2013); Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика (Воронеж, 2013); Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования (Воронеж, 2014). Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 34 работы, включая 5 работ в журналах, входящих в перечень определенных ВАК Минобрнауки России, 5 авторских свидетельств, 2 работы выполнены без соавторов. Общий объем всех публикаций 130 с. (лично автором выполнено 68 с.). Личное участие заключается в определении цели и задач работы [42, 51, 52, 79, 82-84, 89], в выполнении научно-технических исследований [33, 36, 44, 76], разработке и анализе моделей [37, 40, 67, 68, 85, 86, 90, 96], разработке алгоритмов [34, 35, 43, 78], разработке методики проектирования [80, 81, 87, 88], программной реализации [38, 39, 41] и аппаратной реализации [75-77]. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемых источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 172 страницах, включая 25 рисунков, 2 таблицы, список используемых источников из 110 наименований и 1 приложение. 9 1. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1.1. Виды ионизирующих излучений в космическом пространстве и эффекты радиационного воздействия в комплементарных микросхемах 1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства На орбитальные космические аппараты (КА) в процессе функционирования на околоземной орбите и за ее пределами воздействуют различные факторы космического пространства (КП). Основными факторами воздействия космического пространства на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) КА, нарушающими ее работу являются [102, 105, 106, 109]: – ионизирующее излучение (ИИ) космического пространства; – космическая плазма; – инфра-красное (тепловое) излучение; – космический вакуум; – замкнутое пространство; – микрометеориты; – невесомость; – собственная внешняя атмосфера. Ионизирующее излучение космического пространства включает в себя поток первичных заряженных ядерных частиц, а также вторичные ядерные частицы. К первичным относят протоны, электроны, тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ). Вторичные частицы являются продуктами ядерных реакций, связанных с взаимодействием первичных частиц. Ионизирующее излучение имеет две глобальные составляющие, каждая из которых характеризуется своим механизмом протекания физических процессов и соответственно своими методами защиты от них. Одна составляющая 10 – это статическое излучение, состоящее из электронного, протонного и гаммаизлучения, вторая – воздействие отдельных ядерных частиц. Для первой составляющей характерны процессы деградации электропараметров и постепенное увеличение числа функциональных отказов, для второй временные кратковременные отказы, возможны и катастрофические отказы [101, 102]. Влияние ИИ на компоненты РЭА обусловлено потерями энергии (ионизационными и ядерными) первичных и вторичных ядерных частиц в активных и пассивных структурах полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных схем (ИС) компонентов бортовой аппаратуры. Накопление дозы ИИ при воздействии отдельных высокоэнергетических ядерных частиц приводит к одиночные сбоям а также параметрическим отказам ПП и ИС. Кроме этого под воздействием ИИ может происходить изменение прозрачности оптических сред; помехи в оптико-электронной аппаратуре, обусловленные радиолюминесценцией и воздействием космических излучений в оптических деталях; растрескивание и пробой изолирующих материалов по причине электризации диэлектриков и протекания химических реакций, стимулированных радиацией; ухудшение параметров источников питания из-за нарушения работы солнечных батарей. Особое влияние на ПП и ИС бортовой аппаратуры космических аппаратов оказывает длительное воздействие низкоинтенсивного ионизирующего излучения. Противостояние длительному воздействию низкоинтенсивного ионизирующего излучения особо актуально для космических аппаратов, обеспечивающих навигацию, связь (находящихся на геостационарной орбите), а так же в длительных экспедициях за пределы орбиты Земли в дальний космос. Воздействие космической плазмы приводит к электризации диэлектрических защитных и термоизолирующих покрытий. Накопление критического заряда приводит к внутреннему локальному электростатическому пробою, что 11 может привести к непосредственному отказу или сбою в работе прибора [107, 109]. Также, возможны косвенные эффекты, вызванные действием электромагнитного поля, которое возникает при пробое. Неравномерный нагрев конструкций КА под воздействием инфракрасного излучения Солнца, а также попадание в теневую зону от других объектов, приводит к значительным циклическим изменениям температуры поверхности КА. Результатом являются температурные градиенты, приводящие к возникновению термо-э.д.с. и термомеханических напряжений. Кроме того, под воздействием температурных эффектов могут меняться характеристики ПП и ИС бортовой аппаратуры КА. Попадание микрометеоритов приводит к механическим повреждениям внешней поверхности приборов, особенно солнечных батарей. В условиях невесомости вследствие отсутствия конвекции тепла ухудшается тепловой режим работы РЭА. Замкнутое пространство не позволяет реализовать шину земли, вследствие чего общий потенциал колеблется, а протекание поверхностных токов по поверхности КА может быть причиной возникновения дополнительных помех. При этом на работоспособность РЭА КА влияют много различных воздействующих факторов, каждый из которых может привести к сбою или отказу бортовой аппаратуры, и в общем случае необходимо учитывать все действующие факторы, однако основной вклад вносят первые два из выше перечисленных (космическая плазма и ионизирующее излучение). В данной диссертационной работе будут рассмотрены эффекты, обусловленные действием проникающей космической радиации. Поэтому рассмотрим подробнее радиационные условия в космическом пространстве. 12 1.1.2. Источники ионизирующих излучений в космическом пространстве Основными источниками ИИ в космическом пространстве являются [1, 49, 100]: – заряженные частицы (электроны и протоны) естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ); – солнечные и галактические космические лучи (СКЛ и ГКЛ). С первых лет освоения космоса значительное внимание уделялось оценке радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве. На основании данных, полученных с различных спутников, построены различные модели, характеризующие радиационную обстановку [101, 108]. По причине непрерывного изменения всех областей радиационного окружения, ни одна из существующих моделей не является исчерпывающей. Как правило, при построении модели, допускаются предположения: – потоки частиц являются всенаправленными (изотропные); – пространственное распределение заряженных частиц описывается (L, B) координатами (L – высота орбиты, нормированная к радиусу Земли; В – напряженность магнитного поля Земли); – орбитальная интеграция представляется для различных углов наклонения и высот; – дифференциальный поток (Е) представляет собой скорость изменения потока от энергии для определенного значения уровня энергии, см–2с–1МэВ–1; – интегральный поток Ф(>Е) представляет собой общий поток, см–2с–1, при всех энергиях, выше указанного порогового значения энергии; – соответствие моделей конкретным временным промежуткам (условия солнечного минимума или солнечного максимума). Общепризнанными моделями ЕРПЗ в настоящее время являются АР-8 (АР-8min, АР-8max) и АЕ-8 (АЕ-8min, АЕ-8max) [106], которые позволяют описать распределения протонов и электронов для максимума и минимума солнечной активности. В настоящих моделях представлены пространственные 13 распределения протонов с энергией 0,1–400 МэВ и электронов с энергией 0,1– 10 МэВ. На некоторых орбитах КА доминирующим вкладом в общую поглощенную дозу являются потоки протонов СКЛ, которые трудно поддаются прогнозам. Это определяется случайным характером солнечных вспышек. В следствии этого, такие характеристики СКЛ, как энергетические спектры и потоки заряженных частиц значительно меняются от вспышки к вспышке. Результатом солнечных вспышек является выброс солнечных частиц высокой энергии, состоящих как правило из протонов с незначительным содержанием альфачастиц (5–10 %) и более тяжелых ядер с энергией 1–100 МэВ/нуклон (углеродникель, с преобладанием кислорода). Эпизодически появляются потоки СКЛ. Интенсивность этих потоков может превосходить на многие порядки величину потоков ГКЛ. Как правило максимальная энергия ускоренных частиц составляет не более 10 МэВ/нуклон. Подобные вспышки являются довольно распространенным явлением. В солнечно-активные годы периодичность вспышек достигает 1 раз в неделю. В более редких вспышках (примерно 1 раз в месяц) частицы ускоряются до 100 МэВ/нуклон. Еще более редкими случиями, например раз в год, является выброс частиц с энергией до 1 ГэВ. Особенно мощные вспышки возникают 3–4 раза в течение 11-летнего цикла солнечной активности. Они характеризуются очень большими потоками ускоренных частиц с максимальной энергией до 10 ГэВ и выше. Для низких орбит и при малых углах наклонения магнитосфера Земли значительно экранирует поток протонов, вследствие чего остаются только высокоэнергетичные протоны. Такие компоненты СКЛ, как ионы более тяжелых элементов, обычно не дают значительного вклада в общее значение поглощенной дозы. В то же время, они могут приводить к сбоям и отказам за счет эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц. При характеристике таких эффектов нужно иметь интегральные составляющие энергетических спектров протонов и спектры линейных потерь энергии (ЛПЭ) для ионов. 14 Процесс воздействия галактических космических лучей не вносит заметный вклад в суммарную поглощенную дозу (порядка нескольких рад за год). Но они приводят к возникновения в микросхемах эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц. В настоящее время составляющие ГКЛ изучены достаточно подробно. В различных диапазонах значений энергий известны не только потоки групп ядер, но и относительный процентный состав отдельных ядер. Ядерная составляющая ГКЛ включает в себя пять групп. Это протоны, альфа-частицы, легкие (L-группа с атомными номерами Z = 3–5), средние (Мгруппа с атомными номерами Z = 6–9) и тяжелые (Н-группа с атомными номерами Z 10) ионы [104]. Для релятивистских значений энергий интенсивность различных групп ядер изучена достаточно хорошо. Изменение интенсивности ГКЛ в течение фазы солнечного цикла образуют 11-летнюю вариацию космических лучей. Для разных энергий ее величина различна. Например, для значения Е ~ 100 МэВ она составляет 20–30 %, а для значения Е > 2 ГэВ ее величина не превышает 1–3 %. Для разных космических орбит ЛПЭ-спектры ТЗЧ ГКЛ отличаются несущественно. Только для космических орбит с не значительными углами наклонения и малыми высотами необходимо учитывать действие магнитосферы Земли по экранированию потока протонов и ТЗЧ. В подавляющих случаях (ЛПЭ более 1 МэВсм2/мг) отличия спектров между собой для многих приложений можно считать несущественными и использовать данные, полученные, для геостационарной орбиты. Для значений ЛПЭ-спектров тяжелых заряженных частиц ГКЛ в области значений порядка 30–35 МэВсм2/мг представлен значительный (на несколько порядков) спад интегральной составляющей плотности потока частиц. В следствии этого частицы, с ЛПЭ превышающим данные значения, практически не вносят вклад в частоту проявления эффектов от отдельных ядерных частиц и их влияние может не учитываться при определении показателей стойкости микросхем к воздействию данных эффектов. 15 1.1.3. Радиационные эффекты в КМОП микросхемах Ионизационными реакциями (ИР) называется радиационные процессы в ПП и ИС при воздействии ИИ. При этом может нарушаться функционирование ПП и ИС, а так же меняться их параметры относительно норм технических условий. Различные типы ПП и ИС по разному реагируют на воздействие ИИ, то есть обладают различной ионизационной реакцией. Для ее понимания необходимо предварительно проанализировать основные радиационные эффекты и механизмы их проявления в конкретных полупроводниковых структурах и элементах ПП и ИС. Существует две формы проникающей радиации: электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучение) и излучение частиц (электроны, нейтроны, ионы). При прохождении через полупроводниковый материал быстрых частиц, они вследствие ряда процессов теряют свою энергию. Происходящие процессы определяются как свойствами облучаемого материала, так и природой и энергией частиц. Внешние условия (такие как температура) также влияют на механизм энерговыделения. При воздействии на твердое тело ИИ могут возникать следующие первичные эффекты [21, 22, 24]: – обратимая ионизация атомов, представляющая собой разрыв валентных связей; – возбуждение атомной решетки и электронов без смещения (нагрев кристалла); – смещение атомов из узлов кристаллической решетки (образование дефектов типа пар Френкеля); – ядерные превращения. Основной вклад в деградацию характеристик ПП и ИС под действием радиационного излучения играют радиационные эффекты двух типов: эффекты смещения и ионизационные эффекты [4, 24, 66]. Ионизационные эффекты [33, 54] обусловлены ионизацией вещества под действием излучения. При этом происходит образование свободных носи16 телей заряда. При перемещении таких носителей по объему облучаемого материала и захвате имеющимися там ловушками, происходит накопление заряда в различных областях микросхем (в основном в диэлектрических слоях), что приводит к деградации параметров. Данные носители, перемещаясь по объему материала, подверженного излучению, захватываются на ловушки, что приводит к накоплению заряда в различных областях (в основном это различные диэлектрические слои), что вызывает ухудшение параметров ПП и ИС. Ионизационными эффектами такого типа определяется деградация параметров ПП и ИС, изготовленных по технологии КМОП, а также биполярных приборов и микросхем (если нарушения в их работе обусловлены возникновением утечек, связанными с диэлектрическими слоями). Помимо этого, ионизационные эффекты в рабочих областях ПП и ИС могут вызвать импульсы токов ионизации. В зависимости от типа облучаемого изделия, а также от величины и локализации ионизационных токов могут возникнуть различные эффекты как обратимого, так и необратимого характера. Обратимыми эффектами является возникновение в выходных элементах импульсных сигналов помех, что может вызвать сбои в работе бортовой аппаратуры, изменение логического состояния цифровых микросхем (регистров, триггеров, ячеек памяти и т.п.). Необратимыми эффектами, способными привести к катастрофическому отказу облучаемого изделия являются [110]: – тиристорное защелкивание в КМОП-схемах под действием радиации; – пробой подзатворного диэлектрика в мощных МОП - транзисторах; – вторичный пробой в МОП-транзисторах и элементах динамической памяти, обусловленный механизмом усиления ионизационных токов паразитных транзисторов и др. Процессом перемещением атомов в кристаллической решетке из нормального положения обусловлено возникновение эффектов смещения. При этом возникают структурные дефекты кристаллической решетки, назы17 ваемые радиационными дефектами (РД). При образование РД в объеме полупроводниковых материалов, подвергшихся облучению, изменяются их электрофизические параметры, что в свою очередь приводит к изменению параметров облучаемых микроэлектронных изделий. Механизмы отказа при воздействии ионизирующего излучения, обусловленные действием эффектов смещения, наиболее характерны для микроэлектронных изделий, изготовленных по биполярному технологическому процессу, так как их параметры в большей степени определяются объемными свойствами полупроводниковых материалов. Проявление эффектов смещения в основном вызвано воздействием излучения частиц (электронов, протонов, нейтронов, ТЗЧ). Эффекты смещения также могут быть вызваны воздействием гамма-квантов, как результат взаимодействия атомов мишени с возникающими при облучении комптоновскими электронами. Действие космических воздействующих факторов может привести к эффектам, связанным с выделением тепла, приводящим к отказам ПП и ИС по причине механического разрушения корпусов приборов и полупроводниковых кристаллов. Подобные термодинамические эффекты имеют место при значительно неоднородном поглощении энергии при воздействии ионизирующего излучения высокой интенсивности. Под воздействием радиационных факторов космоса, они не проявляются и могут наблюдаться только при проведении экспериментов с использованием мощных ускорителей элементарных частиц. Радиационное воздействие помимо влияния на внутреннюю структуру кристаллов ПП и ИС вызывает также внешние эффекты – электрические воздействия на терминалы приборов, утечки между терминалами и др. Например в результате электростатических разрядов в диэлектрических материалах по причине радиационного заряжения их при воздействии электронов и протонов космического происхождения на выводах ПП и ИС возникают импульсы напряжения и тока. Таким образом, основными радиационными эффектами в КМОП БИС при воздействии факторов космического пространства является ухудшение элек18 трических и функциональных параметров по причине накопления в диэлектрических структурах радиационно-индуцированного заряда (радиационные поверхностные эффекты) [50]. При разработке и производстве бортовой аппаратуры космического применения одним из основных требований является стойкость к длительному воздействию космического ионизирующего излучения малой интенсивности [2, 13, 29]. Рассмотрим составляющие космического ионизирующего излучения. Космическое ионизирующее излучение на 95% состоит из электронного и протонного излучения. На долю ТЗЧ приходится 3-4%. И совсем малой составляющей является гамма-излучение. Воздействие электронов, протонов, гамма-квантов на ПП и ИС, изготовленные по КМОП технологии приводит к эквивалентным изменениям параметров при одинаковых значениях ионизационной составляющей поглощенной дозы космического ионизирующего излучения. На основании этого, а также в связи с трудностями получения электронного и протонного излучения при испытаниях элементов ЭКБ на стойкость к воздействию ионизирующего излучения космического пространства получило широкое распространение замена облучения протонами и электронами на облучение эквивалентной по воздействию дозе гамма-излучения. При длительном воздействии на аппаратуру космических аппаратов низкоинтенсивного космического излучения в ПП и ИС наряду с накоплением радиационно-индуцированных дефектов происходит их временной отжиг. Реакция микроэлектронных структур на воздействие низкоинтенсивного излучения определяется характером отжига дефектов. Эффекты воздействия излучения низкой интенсивности разделяют на эффекты, зависящие от времени облучения (TDE- Time Dependent Effect) и «истинно» определяемые воздействием излучения малой интенсивности (TDRE – «True» Dose Rate Effect). 19 При временных эффектах деградация параметров при длительном воздействии излучения малой мощности одинакова, если набирается та же доза высокоинтенсивным излучением за меньшее время с последующим отжигом. При «истинных» эффектах низкой интенсивности деградация параметров в конце облучения выше, чем при мощном облучении с последующим отжигом при комнатной температуре по продолжительности равным времени низкоинтенсивного излучения. При воздействии низкоинтенсивного излучения деградация параметров ПП и ИС обусловлена особенностями накопления и отжига радиационно-индуцированных дефектов при длительном облучении [49]. Основными механизмами накопления и отжига радиационно- индуцированных дефектов, которые определяют эффекты низкой интенсивности в структурах ПП и ИС являются: – накопление заряда в окисле за счет за счет генерации и переноса электронно-дырочных пар; – отжиг положительного заряда в окисле; – накопление радиационно-индуцированных поверхностных состояний. 1.2. Анализ текущего состояния средств автоматизации проектирования электронной компонентной базы космического назначения В настоящее время на рынке представлено большое количество средств автоматизации проектирования (САПР). Для проектирования изделий электронной компонентной базы выделяют следующие направления [55, 65, 98]: – сложно-функциональных (СФ) блоков и разработки с использованием их базиса микроконтроллеров, микропроцессоров, систем на кристалле (СнК) и других изделий; – разработки памяти; – аналоговых функциональных блоков и аналоговых заказных схем; 20 – разработки полузаказных микросхем, базовых матричных кристаллов (БМК) и программируемых логических микросхем (ПЛИС); – печатных плат; – конструктивов аппаратуры. Для современных дизайн-центров три первых направления являются приоритетными, так как они наиболее полно отвечают задачам разработки современной элементной базы и обеспечивают технологическую независимость при создании современных систем управления, обработки данных и связи. Основной продукцией дизайн-центров являются системы на кристалле (СнК), микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти, микросхемы на основе БМК, ПЛИС, микросхемы стандартные логики [3, 7, 16]. Так как темой настоящего исследования являются микросхемы, эксплуатирующиеся в условиях космического пространства, то вышеназванная номенклатура изделий должна быть стойкой к воздействию факторов космического пространства. Рассмотрим современное состояние инструментов САПР для данного класса изделий микроэлектроники с учетом моделирования КИ и других воздействующих факторов космического пространства [30, 34, 39]. Средства САПР прошли длительный путь развития. Вначале существовали специализированные средства САПР, предназначенные для проектирования цифровых, аналоговых схем, схем памяти, БМК и т.д. Сейчас такого разделения нет. Почти все современные САПР позволяют проектировать цифровые, аналоговые и смешанные аналого-цифровые схемы. Наиболее мощные САПР охватывают разработку практически всех видов микроэлектронных изделий от компонентов элементной базы до сложных аппаратных блоков комплексов и систем, и поддерживают все уровни проектирования: от системного (архитектурного) до конструкторско-топологического. Лидером по разработке программного обеспечения для автоматизации проектирования электронных устройств (EDA) являлась фирма Сadence Design Systemы. По объему продаж программных средств она занимает первое место. Основана в 1988 году в при слиянии компаний SDA Systems и ECAD. 21 Далее находятся позиции фирм Synopsys, Mentor Graphics и других. Вышеуказанные фирмы лидируют на рынке и обеспечивают решение практически всех задач в области проектирования микроэлектронных устройств [28]. Стоимость таких систем определяется конфигурацией программного обеспечения и составляет от 65 тыс. до 900 тыс. USD. Первоначально данные САПР работали на рабочих станциях UNIX платформы, что сильно ограничивало их дальнейшее распространение. В настоящее время появились версии программного обеспечения данного направления, реализованные на персональных компьютерах (РC) под операционной системой UNIX. Следует отметить наличие на рынке САПР достаточно полных программных продуктов других фирм, таких как Tanner Research, Micro Sim, Сhipshop, Viewlogic. Их преимуществом их является более низкая стоимость и возможность реализации на базе PC платформы. При этом данные средства САПР лишены многих специальных возможностей, которыми обладают продукты Cadence, Mentor и других фирм. Кроме того, многие фирмы специализируются на проектировании средств САПР для выполнения отдельных узких задач проектирования, например для ПЛИС. Лидерами здесь являются фирмы Xilincs и Altera, в САПР которых входят средства ввода проектов (редакторы схем, языки высокоуровнего описания аппаратуры на основе стандартов VHDL и Verilog, реализация конечных автоматов на основе проектов схем), логического синтеза, средства логического моделирования, большие библиотеки логических элементов и функциональных блоков и т.д. Стоимость версий данных САПР в сравнении с общецелевыми является более низкой и составляет порядка 2-6 тыс. USD за рабочее место для промышленных структур и 300-600 USD для учебных заведений [19, 25]. Разработчики САПР в развитие своих программных продуктов постоянно вкладывают значительные средства. Например затраты фирмы Cadence Design System на эти цели за год составляют около 250 млн. USD. Средства вкладываются в разработку новых методов и эффективных алгоритмов автоматизи22 рованного проектирования. В настоящее время в штате данной фирмы работает порядка 2000 высококвалифицированных инженеров и программистов. Фирма Mentor Graphics, также в течение года затрачивает от 60 до 120 млн. USD на развитие программных средств САПР, а штат ее сотрудников насчитывает более 1000 программистов. Расходы Synopsys на развитие программных продуктов составляли порядка 70-80 млн. USD, но в последнее время увеличились и стали соизмеримы с затратами на эти цели фирмы Mentor Graphics. Необходимость модернизации программных средств САПР обусловлена постоянным совершенствованием элементной базы: увеличением степени интеграции, уменьшением проектных норм, разработкой и внедрением новых технологий. С развитием средств САПР постоянно повышалась эффективность процесса проектирования за счет исключения итерационности процесса проектирования до получения годных образцов; использования многоуровневых процессов моделирования и верификации; используются средства САПР с максимально открытой архитектурой, для включения в процесс моделирования новых проектов; реализован метод «интеллектуального дублирования» имеющегося задела, для создания новых проектов и внедрения новых технических решений. Рассматривая вопросы моделирования эффектов воздействия радиации следует отметить, что фирмы разработчики САПР имеют специальные проблемно-ориентированные программные средства, позволяющие проектировать радиационно-стойкие изделия. В то же время, несмотря на наличие большого рынка, приобрести проблемно-ориентированные средства САПР, моделирующие радиационное воздействие (например космического характера) черезвычайно трудно, практически не возможно. Отсутствует даже реклама подобных продуктов [14, 15, 28, 56, 59, 72]. Зачастую, сложно приобрести просто современные средства САПР для разработки изделий электронной техники гражданского назначения. Ведущие производители средств САПР полагают, что данный подход позволит им со23 хранить лидирующие позиции как в ближайшее время, так и в долговременной перспективе. Даже при создании совместных предприятий в странах целенаправленно проводящих курс на создание технологически независимой национальной элементной базы, данные фирмы стремятся удержать за собой место лидера. По этой причине на мировом рынке средств САПР представлены устаревшие программные комплексы, разработанные 10 – 15 лет назад. В то же время, встречающееся на рынке программное обеспечение САПР, обеспечивают возможность проведения всех этапов проектирования СБИС, применяемых в аппаратуре гражданского применения и, в первую очередь, радиоэлектронной аппаратуре бытового сегмента рынка. По этому, они могут быть применены как фундамент создания отечественных программных средств САПР для разработки специализированных микросхем военного и двойного назначения, обеспечивая технологическую безопасность страны. Анализ состояния отечественных разработчиков элементной базы и используемых ими средств проектирования показал наличие у предприятий разработчиков современных зарубежных САПР 5-10 летней давности. И только единицами предприятий разработчиков официально приобретены зарубежные средства САПР самого современного уровня. Однако и эти системы проектирования приходится дополнять и модернизировать. В основном в отечественных дизайн-центрах встречается набор САПР в составе минимального набора программного обеспечения фирмы Cadence Design System, дополненный пакетами фирм Synopsys, Avante!, Mentor Graphics и собственными разработками. Это обусловлено невозможностью приобретения предприятиями полного пакета дорогостоящего программного обеспечения фирмы Cadence Design System и использования более дешевого САПР других фирм. Для разработки изделий космического назначения некоторые дизайнцентры разрабатывали и использовали специальное проблемно- ориентированное программное обеспечение. Данные средства САПР позволяли проводить моделирование радиационных эффектов воздействия факторов 24 космического пространства и обеспечили создание радиоэлектронных изделий, стойких к радиации и другим воздействующим факторам [30, 27, 70]. Однако в настоящее время необходима серьезная модернизация, этих средств, так как изменились условия эксплуатации изделий. Меняются существующие, создаются новые виды вооружений; изменяются траектории космических летательных аппаратов (переход спутников на более высокие орбиты, освоение пространства дальнего космоса, проведение долговременных космических полетов как в пределах солнечной системы, так и вне ее; внедрение новых технологий и производств военного, гражданского и научного направления [38, 61, 95]. Следовательно, изменение условий эксплуатации ПП и ИС внесли существенные поправки в моделирование эффектов воздействия радиации. Кроме того, уменьшение проектных норм и повышение степени интеграции ПП и ИС породило массу проблем. Так: – уменьшение норм проектирования до 60 нм привело к появлению множества ранее не проявляемых эффектов: значительно увеличился вклад периферийных структур, снизилась значение величины эффективного собирания заряда, уменьшилась значение величины заряда, необходимое для переключения элементов схемы, как непосредственно от воздействия радиационного излучения, так и от общей тенденции уменьшения напряжения питания, и т.п.; – уменьшение норм проектирования и возрастающая степень интеграции обусловили возникновение помех, связанных с взаимодействием соседних элементов схемы при размещении на кристалле. Даже без воздействия радиации проявляются эффекты такого рода, как перекрестные помехи, наведенные индуктивности, паразитные емкости. В ходе воздействия ионизирующего излучения появилось множество радиационных эффектов, проявляющихся по новому; – повышение функциональности, высокая степень интеграции, сложность изделий привели к значительному разбросу технологических параметров элементов схемы; 25 – расширение областей использования аппаратуры потребовало наряду с учетом традиционных критериев интегральных микросхем (энергопотребление, быстродействие, надежность, площадь кристалла), учитывать новые (уровень шумов, искажения, частота, фаза). Таким образом, средства автоматизации проектирования, используемые в настоящий момент, не удовлетворяют современным требованиям учета влияния действия всех факторов космического пространства. Следовательно, необходимо создание современных средства проектирования, способных осуществить разработку радиационно-стойких ПП и ИС эксплуатирующихся в условиях космического пространства. Современные средства САПР не учитывают изменения параметров разрабатываемых изделий под воздействием космического ионизирующего излучения. Поэтому при разработке изделий электронной компонентной базы, стойких к длительному воздействию космического излучения требуются дополнение стандартных процедур средствами, учитывающими такие процессы, как радиационно-индуцированное накопление заряда в области подзатворного диэлектрика при воздействии ионизирующего излучения низкой интенсивности, приводящее изменениям таких параметров транзисторов, как пороговое напряжение и подвижность носителей. 1.3. Аспекты моделирования воздействия излучения космического пространства на электронную компонентную базу. Постановка задачи Разработка и производство изделий электронной компонентной базы для использования в космическом пространстве не возможна без разработки современных программных средств моделирования эффектов воздействия радиационного излучения космической природы. Рассмотрим тенденции развития средств САПР современной ЭКБ и их возможности по моделированию воздействия ионизирующих факторов космического пространства. 26 Проектирование изделий микроэлектроники является иерархическим процессом, использующим четыре уровня иерархии моделей. Данный процесс не является жестко определенным так, как в каждом конкретном случае возникает необходимость выбора между применением ограниченного набора моделей лишь некоторых уровней, либо увеличением иерархии для введения дополнительных модельных уровней [18, 40, 46, 48, 51]. Анализ и проектирование изделий радиационно-стойкой ЭКБ предполагают детальное изучение системы на каждом уровне проектирования. При этом в качестве составляющих верхнего системно-алгоритмического уровня в зависимости от исследуемых свойств поведения системы обычно используются либо алгоритмические детерминированные модели (системы подстановки или рекурсивных функций), либо вероятностные агрегированные модели, такие как модели массового обслуживания, надежностные, информационные, и т.д. Элементом носителя подобных моделей могут быть такие параметры, как время обмена потоков сообщений, объем информации в данном состоянии системы, потоки обращений в системах связи, и т.п. Моделями третьего уровня чаще всего представляются детерминированные модели непрерывных линейных и линейно-импульсных систем управления или конечных цифровых автоматов. Составляющими носителя для этого случая могут выступать абстрактные непрерывные функции времени или формальные логические переменные. Электрический уровень объединяет детерминированные модели, которые могут быть описаны с помощью основных законов физики и уравнений, связанных с процессом переноса электрического заряда (тока) и влиянием различных полей (электрических, радиационных, магнитных) на характеристики рассматриваемых объектов. Для электрического уровня физическим смыслом элементов носителя являются: концентрация носителей заряда, токи и напряжения и т.д. Для физического уровня элементами носителя выступают координаты элементарных частиц в обычном пространстве или в пространстве волнового 27 вектора. При этом применяются в основном вероятностные модели, описываемые кинетическим уравнением Больцмана, дифференциальным - Шредингера и т.д. Как было установлено ранее, основными радиационными эффектами при воздействии факторов космического пространства в КМОП СБИС являются поверхностные радиационные эффекты - изменение электрических и функциональных характеристик схем по причине накопления в диэлектрических структурах радиационно-индуцированного заряда. Такие эффекты проявляются как деградация параметров элементов интегральных схем и представляют собой остаточные долговременные изменения параметров полупроводниковых структур. Степень деградации параметров элементов от величины воздействующих факторов можно рассчитать на основе физических процессов, протекающих в полупроводниковых структурах. Полученные модели физических процессов интегрируются в процесс проектирования [1, 22, 24, 26]. Только для физического уровня возможно описание непосредственного взаимодействия ионизирующего излучения с веществом [33, 47]. Для проведения моделирования эффектов воздействия ионизирующего излучения на всех уровнях, соответствующие модели различных уровней должны быть между собой связаны, но так как воздействие радиационных полей может быть получено только для физического уровня (и следовательно включено в состав моделей), для остальных уровней радиационная обстановка описывается через изменение параметров, получаемых из моделей более низкого уровня опосредованно. По этой причине, одной из первостепенных задач является определение причинно-следственной связи отображений, которые связывают различные уровни между собой и их опосредованного задания. С учетом того, что основу САПР отечественных дизайн центров составляет программное обеспечение фирмы Cadence Design System, рассмотрим маршрут проектирования ПП и ИС на платформе САПР Cadence с учетом моделирования радиационного воздействия факторов космического пространства. Маршрут проектирования СБИС состоит из следующих уровней: систем28 ного; функционально-логического; схемотехнического; топологического (рисунок 1.1). На системном уровне разрабатывается архитектура всего изделия и проводится поведенческое моделирование, заключаемое в верификации алгоритмов, высокоуровневых интерфейсов и передаточных функций (производится глобальная алгоритмическая оптимизация). Системный уровень представляет собой иерархическую систему и включает в себя подуровни. На самом верхнем уровне разработки представлена «системная архитектура» в целом. Следующий уровень проектирования представляет «поведенческая» модель объекта. На следующем этапе происходит разбиение системы на аппаратные и программные модули, каждый из которых может быть представлен достаточно точно, для определения наиболее оптимальных соотношений на системном уровне проектирования [57, 60]. Моделирование эффектов воздействия радиации может быть проведено с помощью преобразований, которые осуществляют перевод моделей, используемые на функциональном уровне. Однако на данный момент единого подхода к такому проектированию не сложилось. Не разработаны средства САПР, позволяющие провести однозначный перевод описания проектируемого изделия с учетом влияния радиационных эффектов с функционального уровня на системный [33, 36]. На уровне функционально-логического проектирования проводится оценка соответствия высокоуровнего описания схемы первоначальной блокдиаграмме, проводится функциональное моделирование проекта в целом, осуществляется процесс компоновки элементов схемы и трассировка электрических межсоединений. Функционально-логический уровень представлен комплексом программных средств высокоуровнего моделирования, использующий языки VHDL и Verilog-XL и средства синтеза программируемых логических интегральных схем: Logic Synthesis, работающими совместно с программными продуктами фирм Actel, Altera, Xilinx, являющимися производителями FPGA [20]. 29 На рисунке 1.1 представлен маршрут синтеза и анализа HDL. RTL – коды, которые поступают с системного уровня, поступают в 3 модуля: модуль анализа соответствия HDL описания проекта исходной блок-диаграмме, модуль моделирования и модуль синтеза. Процесс моделирования проводится с использованием программных средств функционального моделирования Verilog (Cadence Design Systems), ModelSim (Texas Instruments) или программного обеспечения другого производителя, которое пригодно для функционального моделирования. Далее проводится логическое моделирование всего проекта и отдельных его элементов на базе библиотеки стандартных логических элементов, включенных в базу данных элементов ИС и IP-блоков. Влияние радиационных эффектов на данном уровне описываются с помощью значительного расширения моделей библиотечных логических элементов [35-37]. Библиотека логических элементов расширяется за счет включения дополнительных «деградационных элементов» подвергшихся воздействию радиации. Каждому библиотечному логическому элементу приводится в соответствие несколько элементов с измененными характеристиками в зависимости от величины накопленной дозы облучения (время задержки прохождения сигнала при работе рассматриваемого библиотечного логического элемента и его нагрузочная способность, уменьшаемая при накоплении дозы облучения). На данный момент времени только некоторые фирмы проводят такое моделирование и только для ограниченных изделий. Это обусловлено сложностями процесса математического описания трансляции на функциональнологический уровень со схемотехнического, а также ограничения процесса моделирования из-за существенного роста вычислительных затрат с увеличением числа элементов схемы. На схемотехническом уровне проводится построение и анализ электрической схемы изделия и осуществляется еѐ верификация. В качестве моделей применяются электрические модели стандартных библиотечных элементов ИС и функциональных блоков [79]. 30 Библиотеки С плавающей и фиксированной запятой Входная информация: язык С/С++, MathLab Подсистема проектирован ия сигнальных процессоров (SWP) Совместное проектирование и верификация аппаратной и программной частей С-код WCDMA Проектирование аппаратной части (HDS) Multimedia Design Kit IP - блоки Системный RTL-описание IP - блоки IP - блоки IP - блоки Подсистема функционального проектирования и верификации Синтез схем для ПЛИС Функциональный Actel Altera Xilinx Библиотеки стандартных ИС Библиотеки специализированных ИС IP - блоки Проектирование РЭА на основе программируемы х матриц Описание на языке VHDL или Verilog Проектирование РЭА Проектирование специализированных СБИС Логический IP - блоки IP - блоки IP - блоки Модалирование и синтез электрической схемы Библиотека базовых элеиентов ИС IP - блоки IP - блоки Схемотехнический Проектирование и верификация топологии IP - блоки Проектирование и верификация печатных плат Физический Производство Рисунок 1.1 –Маршрут проектирования СБИС 31 Маршрут проектирования СБИС представлен с помощью стандартных средств прецизионного моделирования - SPICE – подобными программами. Данные программные средства используются для схемотехнического моделирования библиотечных элементов, аналоговых блоков и схем, моделирования сложных процессов в функциональных блоках. Учитывая то, что размерность современных проектов современных СБИС не позволяют проводить полное схемотехническое моделирование, целесообразно использование программных продуктов для ускоренного моделирования, позволяющих моделировать весь проект за счет определенных упрощений и допущений. Они используются для проведения поведенческой верификации проекта в целом и поиска неисправностей в больших структурных блоках и логических схемах. Такими программными средствами являются ATS (accelerate transister-level simulator), UltraSim фирмы Сadence Design Systems и другие. При проектировании цифро-аналоговых микросхем, совмещающих в себе цифровую и аналоговую часть используются программы смешанного моделирования, которые позволяют одновременно осуществлять процессы моделирование на схемотехническом и логическом уровнях [81]. Данные программные средства позволяют многократно ускорить моделирование, экономят машинные ресурсы, поэтому их использование целесообразно при проектировании любых микросхем. Именно данный уровень дает возможность провести моделирование типовых элементов изделия с учетом уровня воздействия радиационного излучения. Для этого варьируются основные параметры моделей библиотечных элементов данного уровня. Например, в модели транзистора могут изменяться динамические характеристики, пороговое напряжение, подвижность и т.д. Для расчета данных параметров применяются модели физических процессов. В то же время, данные модели требуют существенной модификации. Это обусловлено тем, что в настоящий момент времени изменились как условия эксплуа32 тации изделий электронной техники, так и были разработаны новые технические процессы, технологии изготовления ПП и ИС. Эти модели учитывают особенности конструкции и технологии изготовления приборов, требования комплекса стандартов «Климат-7» [8, 37, 53, 66]. Сквозной маршрут проектирования ПП и ИС завершает топологический уровень проектирования. На нем проектируется как топология кристаллов СБИС, так и разводка печатных плат. Выходной информацией являются файлы с управляющей информацией определенного формата, которые поступают на систему технологической подготовки производства. Программными средствами маршрута проектирования выступают стандартные средства ввода топологической информации, синтеза и анализа топологии, верификации проекта на соответствие конструктивно-технологическим требованиям [79]. Для обеспечения возможности технологической реализации проекта на различных кремниевых фабриках используют специальные программные средства для размещения и трассировки элементов схемы, позволяющей переводить проекты с библиотеки одной фабрики на другую. Срок перевода разработанных ранее изделий на библиотеки других фабрик составляет 1,5- 2 месяца [17]. В настоящее время для проектирования ПП и ИС широко применяется так называемая технология ―разделения функций‖, когда процесс проектирование и изготовление ПП и ИС осуществляется на разных предприятиях. При такой методологии процесс проектирования изделий ЭКБ может быть разделен между предприятием, специализирующимся на разработке базовых библиотечных элементов, а завершающее проектирование ПП и ИС проводится на другом предприятии [51, 57, 58, 59]. На предприятиях, специализирующихся на проектировании базовых элементов, используются АРМ, реализованные на PC, которые в то же время обеспечивают достаточную производительность для проектирования базовых элементов СБИС. При таком подходе к используемому математическому 33 обеспечению предъявляются менее жесткие требования по сложности и скорости вычислений. Однако, АРМ на PC не обладают полным набором проблемноориентированного программного обеспечения для реализации выполнения всех этапов процесса проектирования компонентов ЭКБ, и не в полном объеме отвечают вопросам автоматизации преобразования структуры проекта при переходе между уровнями моделирования. По этой причине необходимо обеспечение единства и непрерывности многоуровневого процесса проектирования с общей базой данных проекта для обеспечения проведения сквозного цикла проектирования микросхем. В то же время, необходимо обеспечение существенного развития программных средств моделирования в части разработки и включения в их состав математического обеспечения, учитывающего радиационные воздействия на статические и динамические параметры библиотечных элементов и функциональных блоков КМОП СБИС [53, 84]. Следовательно, разработка КМОП СБИС для работы в условиях космоса требует решения целого комплекса задач по теоретическим и экспериментальным исследованиям по воздействию различных видов радиационного излучения. Для этого требуется наличие полного комплекса данных по характеристикам стандартных библиотечных элементов и функциональных блоков на всех этапах процесса проектирования. Кроме того, в ряде случаев черезвычайно сложно, а порою даже невозможно провести физические эксперименты по оценке поведения составных элементов и СБИС в целом в условиях воздействия радиационного излучения и других воздействующих факторов космического пространства, следовательно, единственным способом прогнозирования поведения приборов в таких условиях являются программные средства различных видов моделирования [70-73]. Таким образом, в рамках настоящей диссертационной работы ставится задача разработки математических моделей активных схемотехнических элементов БИС, изготовленных по КМОП технологии с учетом длительного воз34 действия низкоинтенсивных радиационных излучений космического происхождения. Следовательно, основной целью данной работы является создание комплекса моделей, методов решения, программных средств, алгоритмов моделирования воздействия низкоинтенсивных излучений космического происхождения для обеспечения процесса разработки специализированных КМОП СБИС. Для достижения поставленных целей необходимо обеспечить решение следующих задач: 1. Проанализировать современное состояние средств САПР, определить проблемы и направления их дальнейшего развития; 2. Сформулировать целевые задачи, требования и методику проектирования элементов схем для обеспечения процесса разработки специализированных КМОП СБИС для использования в космическом пространстве; 3. Провести обоснование выбора структуры проблемно-ориентированной программной платформы средств автоматизации проектирования специализированной КМОП элементной базы для применения в условиях космического пространства; 4. Провести разработку математических моделей и алгоритмов моделирования физических процессов влияния воздействия радиационного излучения на активные области приборов в условиях космического пространства с учетом низкой интенсивности излучения; 5. Провести разработку алгоритмического обеспечения для расчета деградации параметров типовых активных элементов, обеспечить программную реализацию разработанных средств проектирования и их интеграцию в общую программную среду проектирования КМОП СБИС для использования разрабатываемых изделий в космическом пространстве; 6. С использованием разработанных средств проектирования провести разработку типовой библиотеки логических элементов КМОП СБИС, с использованием которой осуществить проектирование микросхем, стойких к 35 воздействию радиации и таким образом, организовать опытную эксплуатацию предложенных программных средств проектирования с оценкой экономической эффективности. Выводы 1. Проведен анализ механизмов радиационного воздействия факторов космического пространства на ПП и ИС, изготовленные по КМОП – технологии, показавший, что доминирующим механизмом является деградация электрических и функциональных параметров по причине накопления в диэлектрических структурах радиационно-индуцированного заряда. 2. Рассмотрены современные программные средства разработки КМОП БИС и установлено, что все они имеют ряд недостатков связанных с отсутствием проблемно-ориентированных комплексов программных средств, учитывающих влияние внешних воздействующих факторов, таких как радиация, температура и т.д. Кроме того, возрастающая сложность элементов и функциональных блоков КМОП БИС, изменение методологии их разработки и изготовления в производстве требуют непрерывного совершенствования программных средств САПР. 3. В этих условиях особую актуальность получает необходимость создание комплекса моделей, методов, программных средств моделирования внешних воздействий космического происхождения при проектировании специализированных КМОП СБИС для аппаратуры, функционирующей в условиях космического пространства. 36 2. СТРУКТУРА, МЕТОДИКА, ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОБОСНОВАНИЕ ТИПОВЫХ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА В САПР ДЛЯ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КМОП СБИС 2.1. Методика автоматизированного проектирования изделий электронной компонентной базы стойкой к воздействию излучения космического пространства Моделирование реакции микросхемы на радиационное воздействие включает ряд уровней: физический, схемотехнический, функциональнологический. В алгоритмах реализации реакции микросхемы на ионизирующее излучение низкой интенсивности реализуется принцип взаимосвязи моделей различных уровней. Это связано с тем, что моделирование современных схем с высокой степенью интеграции, содержащих миллионы компонентов не возможно на схемотехническом уровне. Моделирование таких схем осуществляется на функционально-логическом уровне. Однако радиационная реакция КМОП БИС определяется на электрическом уровне набором схемотехнических параметров и моделей. Моделирование неисправностей СБИС под действием низкоинтенсивного излучения можно по следующему алгоритму (рисунок 2.1) [80, 84]. 37 Рисунок 2.1 – Моделирование неисправностей СБИС под действием низкоинтенсивного излучения 38 Сначала определяют критерии неисправности элемента на схемотехническом уровне. Неисправными считаются элементы с характеристиками, выходящими за нормы ТЗ, ТУ или с нарушением функционирования. К параметрам схемотехнического уровня относят: параметры транзисторов, уровни логического нуля и логической единицы, параметры токопотребления, уровень возникновения тиристорного эффекта. На следующем этапе определяют параметры радиационного воздействия низкоинтенсивного излучения. Низкоинтенсивное излучение имеет статический характер, Основными его параметрами являются время облучения и поглощенная доза. От каждого вида воздействия (электроны, протоны, гаммаизлучение) определяется значение дозы, которые потом суммируются и сводятся к эффективному воздействию одного вида излучения – гамма- излучения. Следующий шаг алгоритма заключается в формировании элемента схемотехнического уровня, учитывающего статическое ионизационное излучение с заданным значением накопленной дозы. Для этого используют параметрические и геометрические характеристики транзисторов. При воздействии низкоинтенсивного излучения у транзисторов меняется пороговое напряжение и подвижность носителей заряда. По этим данным определяют остальные параметры, использующиеся в программах схемотехнического моделирования. Для расчета характеристик определяются величины накопленного заряда в окисле и заряда поверхностных состояний. Расчет заряда производят с использованием квазистационарного приближения (постоянство распределения концентрации свободных дырок по толщине подзатворного окисла во время воздействия облучения). При этом решают дифференциальные уравнения второго порядка. Такая методика расчета порогового напряжения транзисторов и подвижности носителей заряда сложна и требует значительных вычислительных ресурсов. Поэтом у в настоящей диссертационной работе предложена методика расчета с использованием коэффициентов апроксимации. 39 Предложенная методика позволяет определить накопленную дозу эквивалентного излучения, которая может быть получена пересчетом от электронного и протонного излучения к поглощѐнной дозе гамма-излучения. В зависимости от дозы и мощности дозы может быть получено время в течение, которого набирается полученная доза. Затем, в зависимости от мощности дозы и времени определяются аппроксимационные коэффициенты в выражениях для библиотечных элементов. Далее рассчитывается SPICE – параметры библиотечных элементов и производится моделирование на схемотехническом уровне. Новизна такой методики заключается в возможности моделировать радиационные эффекты космического назначения в зависимости от мощности излучения, температуры среды и режима работы СБИС для современных маршрутов проектирования [53]. Известно, что мировой подход к разработке и изготовлению изделий ЭКБ претерпел существенные изменения. Произошло разделение труда и определилась специализация предприятий электронной промышленности. В результате снизился необходимый уровень капиталовложений, время проектирования и производства изделий. Различные предприятия электронной промышленности стали взаимно использовать результаты чужой интеллектуальной собственности (технологические маршруты, библиотеки элементов, конструкции схем, шаблонов, стандартизированные спецификации и т. п.), а также передавать их для использования третьей заинтересованной стороне. Возникли новые рынки продукции и услуг. Такой подход существенно изменил методику разработки СБИС. Рассмотрим ее более подробно. В текущий момент времени процесс автоматизации проектирования СБИС осуществляется с использованием традиционной методологии «сверху– вниз», с внесением в него значительных изменений, связанных с созданием 40 библиотек логических элементов как конечного продукта и учета воздействия радиации (для элементов ЭКБ специального или двойного применения). Разработка СБИС включает все традиционные этапы проектирования: поведенческого, функционально-логического, схемотехнического, топологического [5, 9, 10, 14]. Задачу создания библиотеки логических элементов можно определить, как задачу проектирования базового ядра изделия. Это является инвариантной (базовой) частью. После этого на ее основе можно проводить разработку различных вариантов модификаций микросхем, выполняемых на основе типовых стандартных элементов определяющих базовое ядро, что можно рассматривать как изменяемую часть. Данный процесс позволяет за короткий срок обеспечить создание большой номенклатуры КМОП СБИС. Таким образом, в начале процесса проектирования при разработке базового ядра КМОП СБИС происходит определение типовых стандартных двоичных библиотечных элементов (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, инверторы, триггеры и т. д.), логический и схемотехнический базисы их построения, которые состоят их комплекта типовых элементов, образующих библиотеку. После проводятся стадии моделирования на различных иерархических уровнях, и запись информации в библиотеку. На следующем этапе на основе типовых стандартных библиотечных элементов проектируются базовые элементы КМОП СБИС (функциональные блоки), представляющие собой законченные узлы, выполняющие определенные функции (АЛУ, генераторы ПЗУ,ОЗУ, регистры, счетчики, дешифраторы, сдвигатели, ключи и т. д.), вплоть до законченных СФ-блоков, являющимися комплексированные ОЗУ, регистрами, АЛУ, умножителями и т.д., которые также отрабатываются на всех стадиях процесса разработки и уже они являются основой для создания элементов ЭКБ, в том числе и двойного назначения. Предлагается следующая методика разработки базовых элементов КМОП СБИС двойного назначения с учетом влияния воздействия радиационного излучения (рисунок 2.2): 41 Поведенческий уровень Минимизация покрытия логической функции Библиотека элементов на поведенческом уровне Анализ тестопригодности Поведенческое моделирование и верификация Функционально-логический уровень Синтез логической схемы Библиотека элементов на функционально -логическом уровне Поиск и анализ дефектов Логическое моделирование и верификация Генерация тестов Схемотехнический уровень Библиотека элементов на схемотехническом уровне Определение параметров моделирования Схемотехнический анализ и моделирование Моделирование деградаци и электропараметро в от дозы излучения Топологический уровень Разработка топологии учет RC-цепей и экстракции Расчет радиационных эффектов от дозы космического излучения Финишная верификация проекта с учетом RC-цепей Рисунок 2.2 – Методика разработки базовых элементов КМОП СБИС двойного назначения с учетом влияния воздействия радиационного излучения 42 Системный уровень: Обеспечение выбора оптимальной логической структуры. При этом используется алгоритм минимизации покрытия логических функций. Проведение анализа на тестопригодность, Проведение поведенческого моделирования, Функционально-логический уровень: Проведение синтеза логической схемы, Проведение предварительной логической верификации, Перевод логического базиса в схемотехнический. Схемотехнический уровень: Синтез электрической схемы, Моделирование статических и динамических параметров библиотечных элементов с учетом воздействия радиационного излучения. Возврат на функционально-логический уровень: Проведение синтеза логической схемы, Проведение логической верификация, Проведение моделирования отказов стандартных функциональных блоков с учетом реальных параметров (статических и динамических) типовых логических библиотечных элементов с учетом влияния воздействующих факторов космического пространства, Генерация тестовых последовательностей, Анализ дефектов, Формирование библиотеки типовых элементов схемы. В базисе сформированной библиотеки базовых элементов осуществляется процесс проектирования СБИС под конкретную задачу. Для этого проводится синтез логической схемы, разрабатываемого изделия ЭКБ, формирование топологии, трансляция управляющей информации и передача еѐ на определенную кремниевую фабрику для изготовления СБИС. Рассмотрим более подробно данные процессы. 43 Системный уровень Процесс проектирования начинается с определения технических требований на системном уровне. После проверки возможности реализации технических требований проводится моделирование системы на поведенческом уровне. В ходе проведенного анализа происходит выявление макромодулей, с помощью которых описываются параметры схемы и функциональные возможности ее работы. После проводится функциональный синтез разрабатываемой системы и происходит выделение функциональных взаимосвязей между ее модулями. Проектируется архитектура СБИС с учетом всех особенностей еѐ работы в конечном устройстве. Результатом является создание поведенческой модели СБИС. Происходит реализация поведенческой модели - либо в виде текстового описания работы изделия со схемами алгоритмов работы блоков, временными диаграммами и структурными схемами, либо с описанием на специальных высокоуровневых языках (VERYLOG или VHDL), что дает возможность верифицировать проект, промоделировав его работу устройства на составленных тестовых последовательностях [78, 90]. Данный этап определяет все основные параметры разрабатываемой СБИС: производительность в конкретных применениях; характеристики аппаратуры; интерфейсы и др. На начальном этапе поведенческого уровня проектирования происходит минимизация структурной избыточности базовых элементов. При этом используется модифицированный метод эвристической минимизации стоимостной функции. Это определяется в предварительной минимизации логического покрытия функции на основе выработанных правил и экспертных оценок. Сперва просматривается элементный состав проекта, после проводится сортировка состава элементов по типам и определяются условия применяемости различных типов, минимизируется логическое покрытие функции, исходя из условий использования проектируемого изделия. При проведении дальнейшей минимизации уменьшается число минтермов, определяющих покрытие логической функции базовых библиотечных элементов. Минимизация покрытия реализуется дос- 44 тижением оптимального соотношения по эвристическому алгоритму сформированных покрытий и стоимостной функции [6, 11]. На следующем этапе определяется тестопригодность базовых библиотечных элементов. Ее оценка проводится определением количества не выявленных нарушений функционирования из числа возможных. В завершении этапа проводится поведенческое моделирование, заключаемое в оценке работоспособности изделия в различных условиях применения. В ходе данного этапа проводится дальнейшая фрагментация полученных функциональных блоков и их декомпозиция до уровня функциональных элементов, образующих данный модуль. Процесс построение функциональнологической модели является многоэтапным и достаточно сложным, включающим в себя процедуры анализа, синтеза, оптимизации, логической трансформации элементов и функциональных блоков разрабатываемого изделия. Результатом процесса является создание структурной макромодели проекта. Функционально-логический уровень Несмотря на различные функциональные характеристики, макроблоки можно представить, как конечный набор стандартных библиотечных логических элементов. Данные элементы можно представить в виде «черных ящиков» выполняющих определенные логические функции с заданными временными характеристиками. Другими словами - это библиотека функциональнологических элементов, являющаяся функционально-логическим базисом разрабатываемого изделия. Идет процесс разработки структурной схемы или логической схемы на функционально-логическом уровне. При этом возможно использование как автоматического синтеза логической схемы в стандартные библиотечные элементы, так и ручного синтеза. Моделированием на языке VERYLOG осуществляется логическая верификация проекта. При логической верификации проекта используются средние времена за45 держек и стандартные нагрузочные способности элементов с применением алгоритма, основанного на событийном интерпретировании логического анализа с совмещенным моделированием неисправностей. Данный алгоритм обеспечивает единство процессов функционально-логического моделирования и генерации тестов [86]. При этом, типовые библиотечные элементы представляются «идеальными» моделями, реализующие логические функции. В то же время, уже на этом этапе они учитывают влияние радиационных эффектов, которые заключаются в изменении характеристик схемы (нагрузочной способностью элементов, времени распространения сигнала) и возникновением нарушений функционирования. На данном этапе проектирования характеристики воздействия радиационного излучения представляются «усредненными» для данной технологии изготовления СБИС, которые могут возникнуть при конкретном уровне воздействия радиации, заданном в техническом задании. При этом стремятся в достижении компромиса между минимизацией площади кристалла, быстродействием, токопотреблением, рассеиваемой мощностью, а в ряде случаев и в тестируемости схемы [6]. Схемотехнический уровень На этапе схемотехнического проектирования проводится разработка вариантов реализации электрической схемы блоков в зависимости от выбранных базовых топологических элементов. Процесс схемотехнического моделирования выполняется за два этапа: до и после проектирования топологии. На втором этапе схемотехнического моделирования учитываются паразитные элементов схемы, полученные автоматически, с использованием программ экстракции. Как правило, программы экстракции паразитных параметров поставляются в комплекте с программами схемотехнического моделирования. В зависимости от особенностей проекта циклы процессов схемотехнического моделирования и разработки топологии могут выполняться на разных уровнях 46 иерархии, чередуясь с процессами верификации топологии и корректировки электрической схемы. При проведении схемотехнического моделирования учитывается технологический разброс параметров компонентов СБИС [79]. При схемотехническом моделировании определяются времена переключения типовых элементов, нагрузочные способности, помехоустойчивость и др. в том числе и с учетом влияния воздействующих факторов (радиационного воздействия, температуры и др.) [35]. Это дает возможность получить «реальные» значения характеристик (нагрузочных способностей, задержек и параметров моделирования), которые соответствуют определенным значениям внешних воздействующих факторов: дозе радиации, температуре и т.д. В дальнейшем проводится процесс верификации электрической схемы путем расчетов узлов с использованием программ SPICE-уровня. По причине ограничения вычислительных ресурсов задача верификации всего проекта на схемотехническом уровне труднореализуема. Поэтому проводятся процессы повторной функционально-логической верификации, генерации тестов, поиска и анализа дефектов, с реальными параметрами библиотечных элементов, соответствующими деградации их характеристик при определенных значениях воздействий (уровнях облучения, температуре окружающей среды и т.д. При анализе тестов предложен метод, когда на первом этапе тестирование проводится случайным методом. Его преимуществом является высокая скорость построения тестов, В то время как на заключительной стадии тестирования, используется метод направленной генерации для нахождения оставшихся неисправностей. На этапе функционально-логического моделирования процесс проходит на уровне базовых логических элементов. При этом решаются задачи логической верификации элементов схемы (исправных и неисправных). Наличие неисправных элементов обусловлено как ошибками проектирования, так и деградацией элементов под влиянием воздействующих внешних факторов. По 47 этой причине для моделирования во всем диапазоне действия внешних воздействующих факторов в процессе проектирования должна быть проведена оценка как можно большего числа элементов, соответствующих различных уровням воздействия. При этом, увеличение числа оцениваемых элементов приводит к увеличению вычислительных затрат. По этой причине, важнейшим вопросом является обеспечение оптимальности соотношения точности моделирования и минимизации количества неисправных элементов. Для этого предложены методы аппроксимации, позволяющие получить все значения характеристик неисправных элементов при любом уровне воздействия для ограниченного числа элементов. Основой значительного сокращения затрат вычислительных ресурсов в процессе генерации тестов является оптимизация задачи моделирования неисправностей элементов схемы. Анализ современных систем верификации и генерации тестовых последовательностей [43, 90] показывает, что, как правило, проблемы подобных систем определяются минимизацией времени построения тестов, оптимизацией параметров тестов и поиском рациональных способов псевдослучайной генерации тестов для схем с последовательной архитектурой. Метод поиска неисправностей основан на использовании априорной информации о неисправностях СБИС. Данный метод заключается в предварительном определении проверяющей тестовой последовательности, устанавливающей факт неисправности СБИС. После выполняется анализ результатов проверяющего теста. При необходимости проверяющий тест расширяется для уточнения расположения дефекта. Если характеристики разработанного изделия не соответствуют требованиям технического задания, проводятся дополнительные итерации в процессе разработки, что значительно увеличивает сроки проектирования. Для уменьшения времени проектирования используют метод совмещенного проектирования аппаратной и программной части. Примером такого подхода к со48 вмещенному проектированию служит метод моделирования на уровне выполнения системы команд, в соответствии с которой происходит моделирование событий, происходящих на внешних терминалах таких функциональных устройств, как системная шина, АЛУ, внутренняя и внешняя память, и т.д. Совмещенное проектирование не только позволяет на ранней стадии проекта определить и исправить возможные ошибки в программной и аппаратной частях проекта, но и произвести отладку контролирующих тестов [92]. Завершающим этапом перед запуском разрабатываемого изделия на изготовление – является топологическое проектирование с проведением верификации проекта с учетом реальных размеров элементов, а также процесс верификации топологии с учетом заданных фабрикой-изготовителем кристаллов значений параметров конструктивно-технологических требований проектирования (КТТ). 2.2 Структура проблемно-ориентированного программного обеспечения К программному обеспечению для разработки изделий элементной базы космического назначения, стойкой к воздействию радиации должны предъявляться следующие требования [12, 31]: – использование передовых информационных технологий и программных средств на всех стадиях проектирования; – соответствие программных средств решаемым задачам и обеспечение функциональной полноты разрабатываемых изделий элементной базы космического и специального назначения; – обеспечение внутренней и внешней интеграции объектно- ориентированной прикладной платформы; – универсальность программного обеспечения САПР; – простота построения, освоения, применения и развития непосредственно на рабочих местах специалистами центра проектирования. 49 Использование передовых информационных технологий и программных средств предполагает возможность осуществления процесса разработки изделий ЭКБ, исходя из современных достижений и использования последних версий программного обеспечения современного уровня, необходимых для оптимизации и автоматизации проектирования. Второе требование означает, что используемые программные средства САПР должны обеспечивать возможность проведения полного цикла работ, соответствующих задачам дизайн-центра в требуемые сроки и в полном объеме. При этом должно быть обеспечено выполнение следующих поставленных задач: 1. Технологическая среда проектирования элементов ЭКБ должна основываться на современных принципах построения САПР и отражать сложившееся разделение функций между предприятиями изготовителями («кремниевой мастерской») и разработчиками (дизайн-центрами). 2. Используемое программное обеспечение должно обеспечить реализацию оптимальных проектных решений, свойственных классам изделий, в соответствии со специализацией дизайн-центра по обеспечению необходимых функциональных характеристик изделий, сроков разработки и бездефектности проектирования. 3. Средства САПР должны позволять разрабатывать изделия ЭКБ, способные обеспечить работоспособность бортовой аппаратуры в требуемом диапазоне механических нагрузок, температур, электромагнитного и радиационного излучения в соответствии с требованиями технического задания. Первая задача определяется уровнем проектирования в соответствии со спецификой предприятия, сложившимся разделением труда и спецификой разрабатываемых изделий. Ранее отмечалось, что методология проектирования СБИС на современном уровне включает два уровня: системное проектирование и проектирование на уровне СФ-блоков. Системное проектирование подразумевает отработку базовых технических конструкций КМОП СБИС на 50 основе специализированных средств САПР и максимального использования интеллектуального потенциала инженерно-технических кадров предприятия, опыта предыдущих разработок, «ноу-хау». Такой подход рационального использования интеллектуального и технического потенциала позволяет сократить сроки проектирования и избежать или свести к минимуму ошибки. Разработка СФ-блоков требует затрат значительно меньших ресурсов и может осуществляться на более мелких предприятиях, с недостатком специалистов системотехников и отсутствием средств проектирования системного уровня [85, 96]. Однако данные предприятия могут преуспеть в проектировании СФблоков на основе базовых библиотечных элементов, отлаженных на всех этапах проектирования (поведенческом, логическом, схемотехническом, топологическом). Данный подход позволяет резко снизить размерность и сложность выполняемых задач. Однако они могут решаться на персональных компьютерах или в некоторых случаях на более мощных ЭВМ, связанных с АРМ. Выполнение второй задачи сильно влияет на объем проводимых вычислений и уровень автоматизации. В зависимости от функционального назначения разрабатываемых изделий, их архитектуры и регулярности структуры будет зависеть общий объем работ и уровень их автоматизации. Так наличие в проекте регулярных структур предполагает использование большого количества повторных итераций, что увеличивает уровень автоматизации и значительно ускоряет процесс проектирования. Наличие нерегулярных структур предполагают большую роль человека в процессе разработки, использование большого количества библиотечных элементов, усложнение процесса верификации, что приводит в итоге к значительным затратам вычислительных ресурсов и увеличению сроков разработки. При этом функциональная полнота означает возможность решения поставленной задачи самостоятельно с учетом имеющихся средств автоматизации проектирования. Третья задача должна обеспечивать специфику применения разрабатываемых изделий. По причине того, что одним из основных требований к разрабатываемым изделиям является обеспечение требуемой стойкости к радиа51 ционному излучению, средства САПР должны содержать проблемноориентированную программную платформу, моделирующие радиационные эффекты, вызываемые космическими излучениями [37]. Обеспечение внутренней и внешней интеграции означает простоту реализации интеграции средств проектирования с – разработчиками (дизайн-центры), выполняющие проектирование и производителями кристаллов (кремниевые фабрики). – используемыми сторонними продуктами (например IP-блоки) и собственными разработками и техническими решениями. Результатом интеграции средств САПР является создание единого информационного пространства, способствующего реализации совместных проектов, обеспечивающего оперативность взаимодействия и сокращение сроков реализации проекта. Для организации внешней интеграции используются информационные накопители (жесткие диски, оптические диски, запоминающие устройства на основе флеш-памяти), локальные сети, информационная сеть ИНТЕРНЕТ. Такие носители информации как дискеты различных форматов или ленточные накопители в настоящее время не используются Интеграция достигается за счет унификации программных средств САПР, заключаемой в программно-аппаратной совместимости и преемственности, возможности наращивания вычислительных ресурсов, использования стандартных интерфейсов и форматов данных, ведения распределенных баз данных. Эффективность использования средств САПР во многом определяется простотой освоения, использования и развития. Для этого программное обеспечение должно включать в себя проблемно-ориентированную обучающую подсистему и иметь методическое обеспечение для ее эффективного использования. В соответствии с разработанной методикой проектирования изделий электронной техники и требованиями к программному обеспечению САПР рассмотрим структуру программных средств [32, 39]. 52 При сравнении программных продуктов различных разработчиков средств САПР, необходимо отметить, что программное обеспечение фирмы Cadence Design System в большей степени поддерживает концепцию разработки СБИС наибольшей степени интеграции, так как оно наиболее полно удовлетворяет требованиям открытости и дублирования интеллектуальных блоков. Открытость системы предполагает возможность использования собственных разработок в единой интегрированной системе. Дублирование производится как с применением IP-блоков, представляющих собой функциональные блоки, как конечные устройства (процессоры обработки сигналов, микропроцессоры, микроконтроллеры), так и отдельных функциональных устройств. Исходя их этого, в качестве ядра САПР лучше использовать программное обеспечение фирмы Cadence Design System. В дополнение к данной САПР можно использовать пакеты программ Synopsys, Avante!, Mentor Graphics и собственные разработки. Это приводит к снижению затрат на приобретение средств САПР и обеспечивает реализацию необходимых возможностей для проектирования разрабатываемых изделий элементной компонентной базы. По причине того, что процесс проектирования включает системный, функционально-логический, схемотехнический и технологический уровни, программное обеспечение должно включать в свой состав средства моделирования работоспособности разрабатываемых изделий на соответствующих уровнях проектирования. Программное обеспечение для поведенческого моделирования включает стандартные средства и менее всего учитывает эффекты воздействия радиации. Средства САПР для обеспечения функционально-логического уровня проектирования должны включать средства анализа ПП и ИС на тестопригодность, средства функционально-логического моделирования, средства анализа неисправностей и генерации тестов. Влияние радиационных эффектов моделируется корректировкой динамических характеристик, корректировкой нагрузочных способностей элементов схемы, изменением логических уровней 53 нуля и единицы. Это достигается за счет расширения числа моделей элементов, представляющих собой обычные элементы, но с измененными параметрами, соответствующими различным дозам космического излучения. Подобные элементы условно определяют, как «неисправные». При этом, с увеличением числа элементов возрастают вычислительные затраты, поэтому на текущем этапе необходимо наличие средств аппроксимации, которые позволяют небольшим количеством «неисправных элементов» для некоторых доз проводить моделирование всех неисправных элементов для любых значений дозы поглощенной радиации. Схемотехнический уровень проектирования должен содержать как стандартные средства, такие как программы для моделирования с большой точностью проектов, построенных с использованием элементарных типовых элементов (диодов, транзисторов, емкостей, резисторов) так и средства для осуществления ускоренного схемотехнического моделирования всего проекта в целом. Проведение ускоренное моделирования особенно необходимо из-за ограничений программ точного моделирования при увеличении степени интеграции разрабатываемых изделий. Однако, недостатком ускоренного моделирования является снижением достоверности результатов моделирования. В настоящее время, программы ускоренного моделирования стали широко использоваться при генерации тестов для точного электрического моделировании, поэтому используемое программное обеспечение должно включать эту возможность [35]. Именно на нем осуществляется учет всех эффектов воздействия радиации на ПП и ИС. Полученные значения динамических характеристик, изменения выходных напряжений поступают на функциональнологический уровень проектирования и учитываются при моделировании на поведенческом уровне. По этой причине должно быть предусмотрено наличие программных модулей расчета физических процессов, протекающих при воздействии радиационного излучения на полупроводниковые структуры, результаты работы которых должны поступать как входные данные в программы расчета пара54 метров элементов схемы. Затем должно проводиться схемотехническое моделирование с полученными характеристиками. Хочу отметить, что данные программные средства САПР должны работать как автономно, так и в составе комплекса средств для схемотехнического моделирования. При этом расчет результатов влияния ионизационных и структурных эффектов должен быть основан на учете особенностей электрической схемы, технологии и конструкции и поэтому необходима его интеграция с программами схемотехнического моделирования. Расчет данных эффектов проводится с помощью моделирования физических явлений и процессов, протекающих в структурах ПП и ИС при воздействии радиационного излучения. Необходимо отметить, что одним из важнейших средств учета эффектов воздействия радиации является смешенное моделирование. При этом изделие разбивается на определенные блоки, каждый из которых может быть промоделирован средствами логического или электрического моделирования. Процесс смешенного моделирования впервые стал использоваться при проектировании цифро-аналоговых СБИС, имеющих как цифровую, так и аналоговую часть. Возможности смешанного моделирования стали широко применяться для учета эффектов воздействия радиации. По причине невозможности анализа всего проекта большой размерности программами точного схемотехнического моделирования, моделирование всего проекта по частям позволит учесть влияние радиационных эффектов. При этом схема разбивается на блоки, каждый из которых моделируется отдельно. Однако это применимо для изделий, с полной изоляцией элементов (для исключения влияния воздействия соседних блоков на изучаемый). Программные средства технологического уровня проектирования должны включать в себя все необходимые средства графических редакторов, верификации топологии проекта, подготовки управляющей информации для передачи на фабрику – изготовитель кристаллов, с возможностями перевода библиотек элементов и разрабатываемого изделия в целом под различные тех- 55 нологические базисы, что позволяет переводить разрабатываемые проекты на библиотеки любых кремниевых фабрик. Обеспечение непрерывности процесса проектирования является важнейшей задачей. Необходимо наличие автоматизированных средств преобразования базы данных проекта и структуры схемы при переходе между уровнями иерархии проекта как сверху-вниз, так и снизу вверх. Наличие большого объема данных требует построения системы хранения данных с использованием современных средств управления базой данных с развитыми механизмами защиты информации. База данных проекта должна обеспечивать представление об объекте проектирования на всех иерархических уровнях. Управление всеми процессами проектирования осуществляется через монитор. Монитор может содержать и интерфейс обеспечения работы операторов. Структура программных средств САПР радиационно-стойкой ЭКБ в соответствии с вышеизложенным представлена на рисунке 2.3 [73]. Предложена структура программного обеспечения, позволяющего проводить расчеты деградации электропараметров. Новизна предложенной структуры состоит во включении новых проектных процедур в стандартную методику. На схеме отмечены блоки, куда входят предложенные проектные процедуры. Предложенный модуль учета воздействия низкоинтенсивного излучения состоит из трех блоков и интерфейса. Данные блоки проводят: пересчет дозы и определения времени ее набора; выбора коэффициентов аппроксимации и экстракцию SPICE – параметров транзистора, как наиболее чувствительного элемента к воздействию дозы излучения и программы передачи данных модели транзистора, полученные для схемотехнического моделирования в типовой САПР Cadence. 56 Рисунок 2.3 – Методика проектирования СБИС с учетом низкоинтенсивного излучения и структура программных средств САПР радиационностойкой ЭКБ (выделено зеленым цветом - полностью новый блок и красным модифицированные имеющиеся блоки). 57 2.3. Выбор критериальных параметров к гамма-излучению Для учета радиационных эффектов при разработке изделий электронной компонентной базы существовало много подходов и были спроектированы соответствующие им средства прогнозирования [41, 56]. Однако в связи с переходом технологии полупроводникового производства в нанометровую область появилось большое количество ранее не учитываемых эффектов [44]. Помимо этого, стремительный рост средств телекоммуникации, повышение функциональности изделий микроэлектроники, а также средств автоматизации привел к тому, что для стабильного функционирования в условиях радиационного воздействия стал необходимым учет многих эффектов, которые ранее не были доминирующими. Прежде всего, это относится к учету влияния друг на друга стандартных элементов микросхемы, а также различных паразитных элементов. Следует отметить и изменение подхода к оценке радиационной обстановки, параметры которой за последнее время были значительно уточнены, что нашло свое отражение в КГС «Климат-7». В связи с изложенным выше, автором в настоящей работе была проведена разработка математических моделей элементов, позволяющих проводить более адекватный учет радиационных эффектов с учетом конструктивнотехнологических параметров изделий, радиационной обстановки и т.п. Радиационный отклик ИС или реакция ИС на радиационное воздействие – это изменение электропараметров прибора под воздействием радиационного излучения или нарушение его функционирования. В зависимости от вида радиационного воздействия и его параметров реакция микросхемы может быть различной. Известно, что основные механизмы отказов КМОП ИС обусловлены влиянием ионизационных эффектов, которые в зависимости от характера распределения энергии разделяют на объемные, поверхностные и локальные. Объемные ионизационные эффекты [108] возникают в ходе процессов генерации, рекомбинации и переноса неравновесных носителей заряда в полупроводниковых структурах и в активных областях подложки. Поверхностные 58 ионизационные эффекты [21, 22, 69] обусловлены воздействием статического ИИ. Они связаны с накоплением заряда на границах раздела Si - SiO2, а также в тонких слоях подзатворного окисла и пассивирующего диэлектрика. Поверхностные ионизационные эффекты проявляются в виде остаточных отказов, механизм возникновения которых определяется накопленной дозой излучения. Воздействие отдельных ядерных частиц приводит к локальным эффектам. По причине отличия механизмов этих эффектов, рассмотрим каждый из них отдельно их отдельно. При воздействии статических видов радиации происходят необратимые изменения физических свойств материалов. Данные явления характеризуются дозовыми или интегральными эффектами [24], так как степень их проявления определяется величиной поглощенной дозы ионизирующего излучения. Рассмотрим качественную модель объясняющую возникновение подобных эффектов. Под воздействием ионизирующего излучения в МОП структуре происходит образование электронно-дырочных пар. При облучении в диэлектрике наблюдается электрическое поле, обусловленное приложенным внешним напряжением Ug и разностью работ выхода металла и полупроводника φмп. Под действием электрического поля электроны, избежавшие рекомбинации, покидают диэлектрик, а дырки термализуются, заполняя мелкие уровни Ву подзоны (рисунок 2.4). Далее дырки, избежавшие рекомбинации, осуществляют медленный дрейф в сторону отрицательного потенциала. Направление дрейфа определяется напряжением на затворе. При положительном - к границе раздела полупроводник-диэлектрик, при отрицательном - к границе металл-диэлектрик. При захвате дырки на ловушку вблизи границы диэлектрика, она будет находиться на ней длительное время, так как электроны, образовавшиеся в результате ионизации диэлектрика, переносятся электрическим полем в направлении другой границы. Если дырка будет захвачена в середине диэлектрика, 59 то существует большая вероятность еѐ рекомбинации с дрейфующим электроном. Таким образом, происходит накопление объемного фиксированного заряда вблизи границы диэлектрика с отрицательным потенциалом. Накопление заряда меняет распределение электрического поля в диэлектрике: между областью объемного фиксированного заряда и положительным электродом (в качестве которого выступает металлический затвор) оно уменьшается до некоторого значения, при котором процесс накопления заряда уравновешивается процессом его исчезновения по причине переноса электронов из металлического затвора в диэлектрик. СД СП Fп Ug VД FM А) СД E 0 СП Ug Fп VД VД FM Б) Рисунок 2.4 – Зонные диаграммы МОП-структуры в начале облучения при положительном напряжении на затворе (а) и при насыщении заряда (б). Стрелки показывают перемещение электронов (●) и дырок (о), образовавшихся в результате ионизации 60 При изменении приложенного напряжения нарушится состояние равновесия. С увеличением внешнего напряжения продолжится процесс накопления заряда, а с уменьшением напряжения в МОП-структуре будет преобладать рекомбинация носителей заряда до установления нового состояния равновесия. При воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения, когда скорость рекомбинаций с вносимыми из вне в диэлектрик электронами будет соизмерима со скоростью генерации электронно-дырочных пар в структуре диэлектрика, равновесное состояние установится при меньшем объемном заряде диэлектрика, что проявится в меньшем сдвиге вольтфарадной характеристики МОП-структуры. Подобные эффекты проявляются с ростом температуры при облучении. Рост температуры увеличивает число проникающих электронов, что, также уменьшает накапливаемый заряд и радиационный сдвиг вольтфарадных характеристик МОП- структуры. Данные эффекты изменяют значение порогового напряжения, напряжение отсечки, изменение крутизны вольтфарадных характеристик. Изменяются также такие дифференциальные параметры, как внутренне сопротивление транзистора, сопротивление затвора и другие. Определяющей способностью КМОМ микросхем является то, что их схемотехника построена исключительно на МОП транзисторах n- и р-типа. Исключением являются входные защитные резистивно-диодные структуры, но они не определяют, как правило, нормальной работы микросхемы при воздействии ИИ. Поэтому для анализа и прогнозирования изменений параметров КМОП микросхем и их моделей достаточно охарактеризовать модели повреждения транзисторов. Семейство ВАХ МОП транзистора описывается выражением (2.1). I C I M (1 exp( K M UО )) , U Z UO (2.1) где IC – ток стока; IM – максимальный ток, определяемый выражением I M K0 (U Z U 0 )2 , 61 где Ко – приведенная крутизна; KM – параметр модели; UZ – напряжение на затворе относительно истока; UO – пороговое напряжение. Результаты экспериментов показывают, что параметры МОП транзистора после воздействия радиации имели такой же вид, как до облучения. Погрешность их вычисления с помощью выражения (2.1) возрастает незначительно. На основе анализа результатов измерений экспериментальных тестовых структур определены характеристики модели ВАХ после воздействия ионизирующего излучения в зависимости от длины канала транзистора. Изменение ВАХ МОП транзистора показывает, что под действием радиации изменяется пороговое напряжение, подвижность и приведенная крутизна. Пороговое напряжение U0 можно представить, как две составляющие: UOF и UOB[48], представленные формулами U OF 2 FE 2q 0 S N nps 1 COX 1 FE UOB=φms-Qпов/Сох , (2.2.) , (2.3) где φFE – уровень Ферми относительно середины запрещенной зоны полупроводника; q – заряд электрона; ε0εs – диэлектрическая проницаемость полупроводника; Npns – концентрация атомов примеси в полупроводнике; φms – разность работ выхода металла и полупроводника; Сох – удельная емкость подзатворного диэлектрика; Qпов – поверхностный заряд. Поверхностный заряд можно представить как эффективную плотность объемного фиксированного заряда (ОФЗ) в подзатворном окисле (Q0)эф и заряда поверхностных состояний (ПС) на границе окисел-кремний (QSS). Соответственно, пороговое напряжение МОП транзистора можно представить формулой UO=UOi+Uox+ΔUSS , (2.4) 1 Cox 2q o s N пзs – собственное пороговое напряжение 2 FE где U oi ms 2 FE Uох=-Qoэф/Сох, ΔUSS =-Qss/Cox – его изменения, определяемые процессами накоплением ОФЗ и образованием ПС. 62 Для p-канальных МОП транзисторов Qoэфф и Qss имеют положительное значение. Их суммарное действие сдвигает пороговое напряжение в отрицательную сторону. С увеличением величины дозы ИИ Uop монотонно возрастает. Для n-канальных МОП транзисторов знаки Qoэфф и Qss противоположны, по причине захвата уровнями ПС электронов. При этом смещение в области отрицательных напряжений на затворе, вызванное накоплением ОФЗ противодействует смещению в области положительных напряжений, вызванных зарядом в ПС. На рисунке 2.5 представлены дозовые зависимости пороговых напряжений МОП транзисторов. Различие скоростей процессов накопления ОФЗ и образования ПС обуславливает немонотонный характер изменения Uon. Ut,B 2 1 0 1 -1 -2 -3 1 1 10 2 10 3 10 D/Do Рисунок 2.5 – Изменение порогового напряжения n-МОП (1) и p-МОП (2) транзисторов КМОП-инвертора, находящегося во включенном (сплошная линия) и выключенном (штриховая линия) состояниях Таким образом, при воздействии стационарного ИИ, смещение порогового напряжения можно представить суммой составляющих: Ut Uto Uot Uit Uah , (2.5) где Uto – составляющая от подвижных дырок, Uot – смещение за счет захвата дырок, Uit – смещение за счет роста поверхностных состояний и Uah 63 – смещение за счет отжига дырок. При этом значимым является знак каждого из слагаемых. Например, для р-МОП транзистора значения всех слагаемыех, кроме Uah положительные. Для n-МОП транзистора Uit и Uah имеют знак, противоположный остальным слагаемым. Приведенная крутизна Ко под воздействием радиационного излучения уменьшается по причине изменения поверхностной подвижности μs [95]: Ko s Cox WK , LK 2(1 ) (2.6) Где LK и WK – длина и ширина канала транзистора; η – коэффициент влияния подложки. На рисунке 2.6 показаны типичные зависимости μs от дозы при облучении быстрыми электронами [47, 48]. Из рисунка видно, что значения подвижности носителей (как электронов, так и дырок) меняются на 15-20% в пределах потока быстрых электронов 5·1014э/см2. Подобные изменения оказывают влияние на характеристики КМОП СБИС значительно в меньшей степени, чем изменения U0. Это подтверждается результатами радиационных испытаний тестовых МОП транзисторов с короткими и длинными каналами. Изменения плотности ПС на границе раздела Si/SiO2 определяют деградацию подвижности и может быть описано формулой [46]. µ/µ0=1/(1+ωNit), (2.7) где µ, µ0 – подвижности носителей в канале до и после воздействия излучения; ω – коэффициент пропорциональности (типовое значение ω=(8±2)1013 см-2). 64 Рисунок 2.6 – Типичные дозовые изменения подвижности На основании вышесказанного можно сделать вывод, что основными параметрами при моделировании реакции изделий на воздействие ионизационного излучения являются подвижность носителей и пороговые напряжения. Именно изменение данных параметров приводит к изменению работы всего изделия под воздействием радиации. Поэтому одной из проблем моделирования работы изделия при воздействии радиации является расчет изменения этих параметров от величины дозы. Для решения этих проблем использовались апроксимационные зависимости, полученные в ходе испытаний при измерении параметров тестовых структур. Для определения параметров моделирования нужно определить величину изменения порогового напряжения и решить уравнение с неизвестными коэффициентами. Необходимо отметить, что важным параметром, зависящим от воздействия радиации, является подвижность носителей. Подвижность трудно вычислить на основе экспериментальных данных. Для решения этой задачи воспользуемся следующей методикой [48]. С учетом того, что при одинаковых условиях воздействия излучения процессы накопления заряда в окисле и образования поверхностных состояний описываются одним и тем же законом, сделаем следующие предположения: – при одинаковых значениях электрического поля в окисле приращения Uot приблизительно равны как для n- так и для p- типов транзисторов; – поверхностные состояния заряжаются в основном отрицательно для n- и положительно для р- транзисторов; 65 – коэффициенты пропорциональности при оценке изменения подвижности одинаковы для p- и n- транзисторов. При данных предположениях изменения пороговых напряжений транзисторов можно представить следующими уравнениями Utn Uotn Uitn H Sn Utр Uotр Uitр H Sp n / n 0 1 /(1 rSn ) (2.8) p / n 0 1 /(1 rSp ) Полученную систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными (Н, Sn, Sр, r) можно решить с использованием данных, полученных из экспериментальных зависимостей ухудшения сток-затворной характеристики под действием ионизационного излучения. Можно сделать вывод, что воздействие радиации изменяет значения порогового напряжения и подвижности, приводящие к изменению всех остальных параметров. Изменение этих параметров можно определить по формулам (2.5) – (2.7) или экспериментально, решив систему уравнений (2.8). Уравнение, рассчитывающее значение тока стока (2.1), решается с учетом этих значений – что позволяет осуществить моделирование работы транзистора в условиях воздействия ионизирующего излучения. 2.4. Расчет поглощенной дозы при воздействии ионизирующего излучения космического пространства Интегральные ионизационные эффекты определяются ионизационной составляющей поглощенной дозы. Основной причиной их возникновения в КМОП-СБИС является изменение параметров отдельных элементов схемы (транзисторов) по причине накопления заряда в структурах Si/SiO2 , определяемом процессами ионизации в объеме полупроводника. Процессы ионизации в свою очередь зависят от накопленной дозы излучения. Справедливо утверждение, что влияние воздействующих факторов космического излучения (протонов, электронов, гамма-квантов) на КМОП66 структуры ПП и ИС приводит к эквивалентным изменениям их параметров при одинаковых значениях ионизационного компонента поглощенной дозы излучения. Это подтверждают многочисленные экспериментальные данные [49]. Например, на рисунке 2.7 приведены дозовые зависимости величины напряжения на затворе при фиксированном значении тока стока для транзисторов ртипа, входящих в схемотехнику КМОП ИС 564ЛН2, и для р-МОПтранзисторов с толщиной подзатворного SiO2 106,7 нм и толщиной Si3N4 100 нм. Рисунок 2.7 показывает, что все экспериментальные точки, построенные с использованием воздействия различных видов ионизирующего излучения, в пределах значения погрешности эксперимента (не более 20 %) ложатся на общую кривую дозовой зависимости изменения затворного напряжения транзистора при фиксированном значении рабочего тока стока. Учитывая это, в качестве основной характеристики воздействия радиации следует выбрать ионизационную составляющую поглощенной дозы излучения (мощность ионизационной дозы). Тогда учет вида ионизационного излучения (протоны, электроны, гамма-кванты) при проведении моделирования схемы сведется к определению выхода заряда, т.е. доли дырок, избежавших процесса начальной рекомбинации. В процессе моделирования долговременных изменений параметров транзисторов КМОП ИС сдвиг значения порогового напряжения под действием радиационного облучения можно рассматривать как результат процессов, вызванных генерацией электронно-дырочных пар в объеме подзатворного диэлектрика. Можно пренебречь влиянием вносимых при облучении структурных повреждений, поскольку в большинстве случаев данные эффекты начинают проявляться при дозах, при которых уже происходит выход из строя прибора, облучаемого ионизирующем излучением по причине протекания процессов, связанных с ионизацией. 67 Однако, воздействие ионизирующего излучения (электронного и протонного) характеризуется потоком элементарных частиц. Значение ионизационной составляющей можно вычислить по формуле: Wион ион Ф , (2.9) где ион – удельная поглощенная доза в процессе ионизации (поглощенная доза излучения, отнесенная к единичному потоку, частице, кванту излучения); Ф – поток излучения квантов (протонов, электронов). а б Рисунок 2.7. Изменение величины напряжения на затворе при фиксированном значении тока стока для р-канальных транзисторов из состава КМОП ИС 564ЛН2 (а) и р-МНОП-транзисторов с толщиной подзатворного SiO2 106,7 нм и толщиной Si3N4 100 нм (б) в зависимости от величины поглощенной дозы: — облучение -электронами с помощью стронций-итриевого изотопного источника (0,1 рад(Si)/с); , ▲ — облучение электронами с энергией 6,8 МэВ при плотности потока 1,5109 см–2с–1; , ▼ —– облучение гаммаквантами (18,5 Р/с); , ●, ■ — облучение протонами с энергией 100 МэВ; напряжение на затворе р-МОП-транзисторов при облучении –8 В; напряжение на затворе р-МНОП-транзисторов при облучении –5 В [83] 68 Тогда поглощенная доза для гамма-излучения определяется по формуле: Wион Dпог 0,877 мат Dэкс , возд (2.10) где Dпог – величина ионизационной составляющей гамма-излучения, возд – массовый коэффициент поглощения воздуха; мат – массовый коэффи- циент поглощения материала (их отношение для кремния примерно равно 1), Dэкс – экспозиционное значение дозы излучения, определяемое непосредственно с помощью дозиметра, коэффициент 0,877 переводит значение экспозиционной дозы в рентгенах в значение поглощенной дозы в рад. Поглощенная доза для излучения электронов э Wион ион Фэ (2.11) э где ион – величина поглощенной дозы в процессах ионизации, отнесен- ная к единичному потоку электронного излучения, Фэ – поток электронного излучения. Поглощенная доза для излучения протонов p Wион ион Фp , (2.12) p где ион – величина поглощенной дозы в процессах ионизации,, отнесен- ная к единичному потоку протонного излучения, Фэ – поток протонного излучения. При проведении экспериментов на моделирующих установках, как правило, сложно получить электронный и протонный пучки соответствующие по энергии величине воздействия электронного и протонного излучения. Поэтому, согласно комплексу государственных стандартов «Климат-7» воздействие этих видов излучений моделируются статическим гамма-излучением. В качестве источника излучения используется Co60. Действие двух излучений на исследуемый ПП или ИС будет эквивалентным, если величина поглощенной энергии в процессах ионизации для од69 ного излучения аналогична величине поглощенной энергии в процессах ионизации для другого излучения. Поэтому критерий эквивалентности можно представить в виде э р , Wион Wион Wион (2.13) э где Wион – значение ионизационной составляющей электронного потока, р – значение ионизационной составляющей протонного потока, Wион – знаWион чение ионизационной составляющей гамма-излучения. Тогда, для излучения электронов Ф э 0,877 мат Dэкс , э возд ион (2.14) для излучения протонов Ф р 0,877 мат Dэкс , р возд ион (2.15) Величина значения экспозиционной дозы равна соответственно для электронного излучения Dэкс 1,14 э возд ион Фэ , мат (2.16) и для протонного Dэкс 1,14 р возд ион Ф р , мат (2.17) Полученные соотношения позволяют проводить испытания разрабатываемых изделий на моделирующих установках в экспериментальных центрах. В комплексе государственных стандартов «Климат-7» приведены значения величин ионизационных составляющих в зависимости от энергии излучения. Выводы 1. Предложена методика автоматизации разработки КМОП СБИС для использования в космическом пространстве, учитывающая современные тенденции по созданию изделий ЭКБ на основе принципа разделения функций между специализированными предприятиями по разработке и изготовлению микросхем, стойких к воздействию внешних факторов, включая и радиацион70 ные факторы космического пространства. Данная методика принята в департаменте радиоэлектронной промышленности министерства промышленности и торговли Российской Федерации в качестве базовой для всех предприятий данного профиля. 2. Предложен вариант структуры математического обеспечения для моделирования влияния радиационных эффектов. Его особенностью - возможность определения параметров моделей типовых элементов интегральных схем к различным видам ионизирующего излучения с помощью ограниченного набора параметров (на основе эквивалентности воздействия излучения). Математические выражения описывают особенности процесса накопления заряда в конструктивных элементах ПП и ИС на основе опробованных конструктивнотехнологических решений. 3. Определены основные базовые элементы, определяющие работу типовых элементов КМОП СБИС (МОП-транзисторы) и критериальные параметры для них, которые наиболее чувствительны к воздействию космического ионизирующего излучения. 4. Определены соотношения для вычисления величины поглощенной ионизационной дозы протонного и электронного излучения, сводящие его к экспозиционной дозе гамма-излучения на основе принципа эквивалентности радиационных повреждений, все многообразие воздействующих факторов космического пространства. 71 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В КМОП-ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ В САПР СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭКБ 3.1. Моделирование накопления дозы в МОП – транзисторе при воздействии космического излучения низкой интенсивности 3.1.1. Методология моделирования процесса радиационно- индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОПтранзистора с учетом влияния полевого окисла На рисунке 3.1 представлено образование инверсных каналов утечек вследствие накопления положительного заряда в структуре диэлектрика: – канал утечки между n-карманом и стоком n-канального транзистора; – канал утечки между n-карманом и истоком n-канального транзистора; – канал утечки на периферии n-канального транзистора. Рисунок 3.1 – Два возможных канала утечки (обозначены стрелками), характерных для STI-технологи (для изоляции LOCOS характерно возникновение аналогичных каналов утечки) 72 Канал утечки между n-карманом и n+-стоком и можно смоделировать на схемотехническом уровне введением паразитного n- транзистора. Так как в КМОП-ключе стоки транзисторов (p- и n-) соединены между собой, то над полевой изоляцией, разделяющей данные области, можно расположить металлическую шину, связывающую стоки транзисторов в КМОП-ключе. Данная шина является выходом КМОП-ключа и служит затвором паразитного транзистора n-типа, обусловленного каналом утечки. Область стока основного nканального транзистора является истоком паразитного транзистора, а стоком выступает n-карман (это следует из соображений, что потенциал данной области выше потенциала стока n-канального транзистора, так как на n-карман подается потенциал от источника питания). Таким образом, паразитный транзистор n-типа, моделирующий влияние утечек рассматриваемого типа, имеет исток и затвор, соединенные с выходом КМОП-ключа, заземленную подложку и сток, на который подается напряжение от источника питания. Подложкой является область кремния р- типа, лежащая под полевым окислом, в которой может возникать инверсный канал утечек). Канал утечки между истоком n-канального транзистора и n-карманом можно смоделировать на схемотехническом уровне введением паразитного транзистора n- типа, стоком которого выступает n-карман (на эту область подается напряжения питания), а истоком – n+-исток основного n- транзистора. Затвор описанного паразитного транзистора может быть плавающим так, как непосредственно над областью полевого диэлектрика, разделяющего исток nканального транзистора и n-карман, могут отсутствовать шины металлизации. Паразитный транзистор включается в цепь питания (подложка и исток подключены к земле, а на сток данного транзистора подается напряжение питания). Канал утечки на периферии транзистора с каналом n-типа моделируется на схемотехническом уровне введением в электрическую схему КМОП-ключа параллельного основному паразитного n- транзистора. В качестве затвора паразитного транзистора выступает шина затвора основного транзистора, распо73 ложенная над областями STI или LOCOS, а истоком и стоком являются истоковые и стоковые области основного n-канального транзистора. Основное влияние на параметры n- транзистора и КМОП-ключа в целом при воздействии ионизирующего излучения будет оказывать паразитный транзистор, сформированный в периферийной области основного транзистора n-типа. Влияние двух других типов утечек устраняется созданием в р-кремнии под областью полевого диэлектрика охранных областей р+-типа, что затрудняет инверсию по причине накопления в окисле положительного заряда, или исключает ее вообще). Из вышеизложенного данный вид утечек будет исключен из последующих рассуждений, и влияние процесса накопления заряда в полевом окисле будет учитываться только на периферии основного n-канального транзистора. Для данного случая процесс моделирования накопления заряда в области диэлектрика МОП-транзистора с учетом эффектов в области полевого окисла сводится к следующим положениям: – моделирование процесса накопление заряда в области подзатворного диэлектрика происходит без учета влияния периферийных эффектов, аналогично случаю для дискретных МОП-структур; – происходит моделирование процесса накопления заряда в области диэлектрике паразитного транзистора на периферии основного n- транзистора, что является более сложной задачей так, как приходится сталкиваться с более сложной геометрией затвора (подзатворным диэлектриком является либо «птичий клюв» на краю LOCOS, либо край STI-изоляции); – происходит расчет характеристик основного и паразитного транзисторов с учетом процесса накопления заряда в диэлектрических структурах при воздействии радиационного излучения, после чего схемотехническими расчетами определяют суммарные параметры данных транзисторов при параллельном включении (рисунок 3.2). 74 Рисунок 3.2 – Схемотехническая модель n- транзистора из состава КМОП БИС: VT1 — основной n- транзистор; VT2 — паразитный транзистор на периферии основного, подзатворным диэлектриком которого является край полевого окисла. 3.1.2. Моделирование процесса накопления заряда в области подзатворного диэлектрика транзистора Наиболее важными явлениями, которые приводят к процессу накопления заряда в диэлектрике и увеличению плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник, являются [97, 101, 108]: – процесс генерации и частичной рекомбинации электроннодырочных пар; – процесс высвобождения ионов водорода (протонов) при взаимодействии водородсодержащих соединений с дырками; – процесс переноса через диэлектрик электронов и дырок; – процесс захвата дырок на ловушки в диэлектрике; – дрейф протонов к границе раздела Si/SiO2 и участие их в реакциях с образованием поверхностных состояний. 75 Перечисленные явления приводят к росту концентрации заряженных положительно ловушек в области окисла, а также к увеличению плотности ПС. Одновременно с этими процессами, электроны туннелируют из кремния и происходит термоэмиссия электронов из валентной зоны окисла, что приводит к релаксации накопленного заряда в диэлектрике [99, 100]. Величина дозы излучения определяет скорость генерации электроннодырочных пар в области подзатворного окисла. Удобно использовать соотношение: G = g0P, где G – скорость (3.1) генерации электронно-дырочных пар, см–3с–1; g0 – эффективность ионизации (P – мощность дозы ионизирующего излучения, рад/с, g0 = 4,3∙1013 см–3рад–1 для Si, g0 = 8,1∙1012 см–3рад–1 для SiO2);. Разделение образовавшихся при радиационном облучении в объеме SiO2 электронно-дырочных пар, характеризуется выходом заряда f(Eox), который определяют, как долю дырок, избежавшую начальную рекомбинацию и являющуюся функцией от электрического поля в окисле. Для излучения электронов с энергией порядка мегаэлектронвольта и гамма-излучения 60Со справедливо эмпирическое соотношение 1 0,27 f 60 Co ( E ox ) f e ( E ox ) 1 . 0,084 E ox [МВ/см] (3.2) Можно также применять эмпирическое выражение [88] a 1 1,35 f ( E ox ) 1 , a 2 E ox [МВ/см] (3.3) которое описывает действие излучений с различным спектральным составом с помощью параметров а1 и а2 и подтверждается известными экспериментальными данными. При а1 = –0,9 и а2 = 0 формула (3.3) переходит в известное выражение полевой зависимости выхода заряда в SiO2 при рентгенов76 ском излучении с энергией квантов 10 кэВ. При а1 = 0,25 и а2 = –0,065 выражение (3.3) дает результаты, близкие к результатам расчета по выражению (3.2). Электроны, дрейфуя в направлении к затвора, быстро (за несколько пикосекунд) покидают область диэлектрика, поэтому их влиянием на процесс накопления заряда диэлектрика можно пренебречь. Процесс переноса дырок через область SiO2 может проходить как за счет диффузии, так и за счет дрейфа. Напряженность электрического поля в SiO2 определяет, какой из этих процессов преобладает. Дырки, при перемещении по окислу, могут разрывать напряженные связи, что приводит к процессу накопления заряда в области диэлектрика. То есть, напряженные связи выполняют роль ловушек для дырок. Как напряженные связи могут выступать связи Si–O и нестехеометрические связи Si–Si. При разрыве одной напряженной связи образуется комплекс трехвалентного кремния (E’-центр). При этом возникает релаксация нескольких соседних связей. Количество прорелаксировавших связей можно определить с помощью выражения Nрел = KрелNt, , (3.4) где Nрел – число прорелаксировавших напряженных связей в единице объема при образовании оборванных связей (E’-центров) с концентрацией Nt; Kрел – число напряженных связей, релаксирующих при одном разрыве. Концентрация напряженных связей уменьшается с ростом Nt: A(t) = A0 – (Kрел + 1)Nt, (3.5) где A0 – исходная концентрация напряженных связей; A(t) – концентрация напряженных связей в момент времени t. Взаимодействие дырок с соединениями Si–H приводит к образованию свободных ионов водорода (протонов). В дальнейшем, эти протоны перемещаются по направлении к границе Si/SiO2 посредством диффузии и дрейфа, где они вступают в реакции с соединениями Si–H и Si–OH, а также могут 77 разрывать напряженные связи. В результате этих процессов образуются комплексы трехвалентного кремния. В зависимости от области локализации образовавшихся комплексов данные процессы приводят либо к росту плотности поверхностных состояний, либо к накоплению заряда диэлектрика. По современной точке зрения процессы, обусловленные участием протонов, в основном ведут к увеличению плотности поверхностных состояний [23, 108]. Реакции для вышеперечисленных процессов можно записать следующим образом [95]: Si–O–Si + H+ Si+ + Si–OH; (3.6) Si–H + H+ Si+ + H2; (3.7) Si–OH + H+ Si+ + H2O; (3.8) Si–O–Si + h+ Si+ + O–Si; (3.9) Si–Si + h+ Si+ + Si; (3.10) Si–H + h+ Si + H+; (3.11) Si–OH + h+ Si+ + OH (3.12) Можно сказать, что накопление поверхностных состояний происходит за счет реакций, протекающих с участием протонов (реакции (3.6) – (3.8)), а накопление заряда в области диэлектрика происходит за счет процессов, протекающих с участием дырок (реакции (3.9) – (3.12)). При осуществлении моделирования процессов радиационного накопления заряда в диэлектрике и плотности поверхностных состояний, подзатвор78 ный диэлектрик удобно разделить на две области, представленные схематично на рисунке 3.3. Рисунок 3.3 – Схема разбиения подзатворного диэлектрика на области, ответственные за накопление поверхностных состояний и накопление заряда в диэлектрике Область 1 — это тонкий приграничный слой толщиной порядка двух атомных слоев (x1 << tox), ~1 нм, отвечающий за процессы, приводящие к накоплению поверхностных состояний. Проводя моделирование, можно считать, что процессы, проходящие с участием освобожденных протонов, как правило идут в данной области. Область 2 отвечает за процесс накопления заряда в диэлектрике. В этой области захват дырок на различные ловушки приводит к образованию E’центров. Из этой области высвобождаемые протоны перемещаясь в область 1, вступают в реакции, приводящие к возникновению поверхностных состояний. В области 2 также могут протекать реакции с участием протонов с образованием комплексов трехвалентного кремния вносящих вклад в заряд диэлектрика. Так как основной вклад в увеличение заряда диэлектрика вносят процессы, связанные с захватом дырок на различные ловушки, а возрастание плотно79 сти ПС в основном определяется реакциями с высвобожденными протонами, при моделировании процесса накопления заряда в окисле в данной работе уделяется внимание только реакциям (3.9) – (3.12). При этом рассматриваются лишь предшественники для образующихся комплексов трехвалентного кремния (напряженные связи, соединения Si–H и Si–OH), локализованные в области 2. При моделировании процесса накопления поверхностных состояний принимается во внимание лишь реакции (3.9) – (3.12), при этом рассматриваются предшественники для образующихся комплексов трехвалентного кремния, локализованные в области 1. Процесс переноса протонов и дырок в диэлектрике будет происходить только в области 2. Делается предположение, что дырки, попавшие в область 1, свободно переходят в подложку Si, а протоны, вступая в различные реакции, приводят к образованию накопления поверхностных состояний. Приложенное к диэлектрику электрическое поле будет полностью сосредоточено в области 2. Так как область 1 является тонким слоем, толщиною порядка длины одного прыжка для протона или дырки, распределением в данной области концентраций предшественников для комплексов трехвалентного кремния можно пренебречь и считать их постоянными. Аналогично пренебрегаем распределением по толщине области 1 концентрации протонов. 3.1.3. Процесс радиационно-индуцированное накопление заряда в подзатворном диэлектрике МОП-структуры при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения Выполнение данной задачи является наиболее сложной по следующим причинам. Во-первых, нельзя использовать квазистационарное приближение по причине низкой скорости генерации электронно-дырочных пар. Во-вторых, по причине длительной продолжительности набора дозы при низкой интен- 80 сивности ИИ, необходимо учитывать процесс релаксации захваченного на ловушки в SiO2 заряда. Процесс релаксации заряда в диэлектрике происходит за счет явления туннелирования электронов из валентной зоны кремния на уровни ловушек в SiO2 и термоэмиссии на положительно заряженные ловушки электронов из валентной зоны SiO2. Следующее выражение определяет скорость изменения концентрации заряженных ловушек за счет туннелирования электронов из валентной зоны кремния N ot ( x, t ) N ot ( x, t ) Ptun ( x) , t (3.13) где Ptun(x) – вероятность туннелирования в единицу времени электрона из валентной зоны кремния на уровень ловушки, удаленной на расстояние х от границы раздела Si/SiO2. При учете того, что форма потенциального барьера, близка к прямоугольной, вероятность туннелирования в единицу времени можно описать выражением Ptun ( x) e 2m * где r 2 Et 1 / 2 x r , (3.14) ; – частота попыток вылета; m* – эффективная масса электрона внутри барьера; Et – энергетический уровень ловушки. Для типовых значений глубины залегания ловушек в запрещенной зоне SiO2. значения параметров, входящих в (3.14), можно определить как 5∙1012 с–1; r 0,1–0,2 нм [95]. Скорость изменения концентрации заряженных ловушек за счет электронной термоэмиссии из валентной зоны SiO2.определяется следующим выражением 81 N ot ( x, t ) N ot ( x, t ) Pem . t (3.15) Здесь Pem – вероятность термоэмиссии электрона из валентной зоны SiO2 на уровень ловушки в единицу времени. Pem определяется как Pem a p T 2 e Et /(kT ) , (3.16) где Et – энергетический уровень ловушки в запрещенной зоне SiO2; ap – константа, зависящая от сечения захвата ловушки. ap можно выразить выражением [97] a p 2 3 (2) 3 / 2 gm * tp k 2 / h 3 , (3.17) где m* – эффективная масса электрона в SiO2; g – фактор вырождения; tp – сечение захвата носителя на ловушку. При моделировании процесса релаксации заряда за счет термоэмиссии точное значение параметра ар не является критическим, необходимо лишь оценить порядок величины данного параметра [95]. Для значения эффективной массы, равного массе свободного электрона, сечения захвата tp ~ 10–13 см2 (характерное значение для кулоновских притягивающих центров) и фактора вырождения g 1 значение параметра ар можно представить как ар ~ 3∙108 К–2с–1. Следовательно, моделирование процесса накопления заряда в диэлектрике при воздействии ионизирующего излучения низкой эффективности сводится к решению системы уравнений: p( x, t ) p( x, t ) p p( x, t ) E ( x, t ) T p f ( E ( x, t )) g 0 P t x x k1 A( x, t ) k 2 N SiH ( x, t ) k 3 N SiOH ( x, t ) p( x, t ) x r N ot ( x, t ) e a p T 2 e Et /(kT ) ; 82 (3.18) N H ( x, t ) t t H 2 ( x, t ) x 2 2 N H ( x, t ) x 2 H N H ( x, t ) E ( x, t ) x t k 2 N SiH ( x, t ) p( x, t ) ; (3.19) q E ( x, t ) 0 N ot ( x, t ) p( x, t ) n( x, t) N H ( x, t ) ; x 0 E ( x, t ) ( x, t ) ; t (3.20) (3.21) A( x, t ) ( K рел 1)k1 p( x, t ) A( x, t ) ; t (3.22) N SiH ( x, t ) k 2 p( x, t ) N SiH ( x, t ) ; t (3.23) N SiOH ( x, t ) k 3 p( x, t ) N SiOH ( x, t ) ; t (3.24) N ot ( x, t ) A( x, t ) N SiH ( x, t ) N SiOH ( x, t ) 1 K рел 1 t t t t x N ot ( x, t ) e r a p T 2 e Et /(kT ) ; (3.25) p( x1 , t ) 0; p(t ox , t ) 0 ; x (3.26) p( x, 0) 0 ; N H ( x, 0) 0 ; N H ( x1 , t ) t 0 ; N H (t ox , t ) 0 ; ( x1, t ) 0; (tox , t ) Vg . (3.27) (3.28) Исходные распределения концентрации Not(x, 0), A(x, 0), NSiH(x, 0) и NSiOH(x, 0) используются в качестве начальных условий для заряженных E’центров и их предшественников. Последнее слагаемое в правой части уравнения непрерывности для дырок (3.18) учитывает рост концентрации дырок по причине релаксации накопленного заряда посредством термоэмиссии и туннелирования. Последнее слагаемое в правой части уравнения непрерывности 83 для заряженных E’-центров учитывает снижении их концентрации за счет тех же процессов. Данная система уравнений решается численно с заменой производных конечными разностями. 3.1.4. Выбор значений параметров, определяющих кинетику накопления заряда в диэлектрике при радиационном воздействии Важным моментом при проведении моделирования является определение значений параметров, которые входят в уравнения непрерывности для процессов, приводящих к возникновению ответственных за накопление заряда дефектов. Довольно часто моделирование проводят расчетно- экспериментальным методом с подбором параметров модели по критерию наилучшего совпадения экспериментальных данных и результатов расчетов. Данный подход оправдан, так как параметры, которые определяют кинетику зарядовых процессов, во многом зависят от конструктивно- технологического исполнения и исходного состояния МОП-структуры, подвергшейся действию облучения. При отсутствии данных, полученных экспериментальным путем, для моделируемых структур для выбора параметров модели следует руководствоваться рекомендациями приведенными ниже. Константы скоростей реакций захвата дырок, ведущих к образованию E’-центров, можно представить как произведение сечения захвата дырок tp и тепловой скорости vT [95]: k i tp vT . (3.29) Их значения можно считать приблизительно равными в случае отсутствии иной информации. Типовые значения сечения захвата дырок находятся в диапазоне tp ~ (10–16–10–13) см2. При температуре 300 К подвижность дырок в в SiO2 составляет значение порядка 10–8 см2/(В∙с). Величины значений энергетических уровней E’84 центров находятся в диапазоне 0,6–2 эВ. Значения концентрации ловушек для дырок может составлять 1015–1019 см–3 как для однородного, так и для неоднородного распределения [95]. В работе [97] была определена подвижность протонов в SiO2 Она составила H 2∙10–16 см2/(В∙с). При этом величина коэффициента диффузии протонов составила порядка 5∙10–18 см2/с. 3.1.5. Моделирование процесса накопления поверхностных состояний Процесс накопления поверхностных состояний определяют реакции, протекающие в области 1 диэлектрика с участием протонов, (3.6) – (3.8). Так как область 1, где происходит процесс образования ПС, представляет собой тонкий слой (порядка длины одного прыжка для протона или дырки), то в данной области можно пренебречь неоднородностью распределения предшественников для ПС, а также считать постоянной концентрацию свободных протонов. Величина концентрации свободных протонов определяется решением задачи моделирования процесса накопления заряда в диэлектрике под воздействием радиации: N H (t ) N H ( x1 , t ) , (3.30) где N H (t ) – значение концентрации протонов в области 1 в момент времени t; а N H ( x1, t ) – зависимость концентрации протонов от времени на границе областей 1 и 2, определенная из решения задачи о накоплении заряда в области 2 диэлектрика. Тогда уравнение непрерывности, описывающее процесс накопления комплексов трехвалентного кремния, отвечающих за поверхностные состояния (Pb-центров), можно представить в следующем виде: 85 dA(t ) ( K рел 1)k 4 A(t ) N H (t ) ; dt (3.31) dN SiH (t ) k 5 N SiH (t ) N H (t ) ; dt (3.32) dN SiOH (t ) k 6 N SiOH (t ) N H (t ) ; dt (3.33) A(0) N it (t ) N it (0) N SiH (0) N SiOH (0) K рел 1 A(t ) N SiH (t ) N SiOH (t ) ; K рел 1 (3.34) Исходные концентрации предшественников для поверхностных состояний A(0), NSiH(0), NSiOH(0), и исходная концентрация Pb-центров Nit(0) выступают в качестве начальных условий. Вторые два слагаемых из правой части (3.34) являются радиационно-индуцированным изменением концентрации Pbцентров. Величину плотности поверхностных состояний (число поверхностных состояний на единицу площади) можно найти интегрированием концентрации Pb-центров по толщине области 1 диэлектрика. Так как в этой области распределение дефектов предполагается равномерным, данный интеграл преобразуется в произведение значения концентрации Pb-центров на толщину области 1: Dit инт(t) = Nit(t)∙x1. (3.35) Выражение (3.35) определяет интегральное значение плотности поверхностных состояний для момента времени t, т.е. проинтегрированное по ширине запрещенной зоны кремния. Для определения дифференциальной плотности поверхностных состояний нужно задать вид распределения по запрещенной зоне отвечающих за поверхностные состояния дефектов fit(E). В этом случае формула для определения дифференциальной плотности поверхностных состояний представима в виде 86 Dit(E) = fit(E)∙Dit инт, (3.36) где Dit(E) – дифференциальная плотность поверхностных состояний; fit(E) – функция распределения по ширине запрещенной зоны кремния плотности поверхностных состояний (интеграл от этой функции равен единице). Представление диэлектрика в виде двух областей 1 и 2 (область накопления заряда в диэлектрике и область накопления поверхностных состояний) существенно упростило процесс моделирования накопления поверхностных состояний. Моделирование сводится к решению трех дифференциальных уравнений первого порядка с разделяющимися переменными. Так как концентрацию протонов в области 1 диэлектрика для любого момента времени можно задать как внешнее условие, то уравнения (3.31) – (3.33) решаются аналитически аналогично описанному в п. 3.1 решению для квазистационарного приближения. Для данного случая уравнение зависимости концентрации Pbцентров от времени можно представляется в следующем виде N it (t ) N it (0) ( K рел 1) k4 N (t )t A(0) H 1 e K рел 1 k5 N ( t ) t k6 N (t )t H H N SiH (0) 1 e N SiOH (0) 1 e . (3.37) где N it (0) – исходная концентрация Pb-центров; A(0) исходная концентрация неравновесных связей; NSiH (0) – исходная концентрация комплексов Si–H в подзатворном диоксиде кремния; NSiOH (0) – исходная концентрация комплексов Si–ОH в подзатворном ди- оксиде кремния; K рел – число неравновесных связей, релаксирующих при одном разрыве; k4, k5, k6- коэффициенты аппроксимации; 87 N + H (t) – генерация центров, образующихся при разрыве неравновесных свя- зей. Из выражения (3.37) следует, что зависимость плотности поверхностных состояний от времени облучения носит экспоненциальный характер, что качественно хорошо согласуется с данными экспериментов по исследованию процесса накопления зарядов в МОП-структурах при воздействии радиационного излучения. Константы скоростей реакций взаимодействия протонов с напряженными связями, с комплексами SiOH и SiH, оцениваются следующей формулой [45, 46]. ki(x, T) = 4DH(T)rHi(x), (3.38) где DH(T) – коэффициент диффузии протона; rH – радиус взаимодействия протона с комплексами SiOH или SiH (~ 0,1–0,2 нм); i(x) – параметр, определяющий вид реакции с участием протонов (индекс i может принимать значения 4, 5 или 6). 3.2. Расчет изменения схемотехнических параметров при воздействии низкоинтенсивного излучения факторов космического пространства При проведении моделирования работы транзистора с учетом влияния конструктивных и технологических параметров учитываются конструкция и технологические особенности изготовления изделий, динамика изменения захваченного заряда в окисле и на поверхностных состояниях, а также информация об изменениях значений порогового напряжения при радиационном воздействии в зависимости от затворного напряжения. Для этого используется стандартная модель третьего уровня, наиболее полно учитывающая более тон- 88 кие физические эффекты. На рисунке 3.4 приведена физическая структура МОП транзистора. Рисунок 3.4 – Структура МОП – транзистора с каналом n-типа Перед, переходом к системе уравнений, которые описывают работу транзистора в рабочем режиме (статическом и динамическом) охарактеризуем параметры, используемые в данной модели (таблица 3.1) Таблица 3.1 Имя параметра Уровень модели 1 2 AF 1-4 CDB 1-4 CBS 1-4 CGBO 1-4 CGDO 1-4 CGSO 1-4 Параметр 3 Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликкер- шума от тока через переход Емкость донной части перехода стокподложка при нулевом смещении Емкость донной части перехода истокподложка при нулевом смещении Удельная емкость перекрытия затворподложка (за счет выхода затвора за пределы канала) Удельная емкость перекрытия затворсток на длину канала (за счет боковой диффузии) Удельная емкость перекрытия затвористок (за счет боковой диффузии) 89 Размерность Значение по умолчанию 4 5 1 Ф 0 Ф 0 Ф/м 0 Ф/м 0 Ф/м 0 1 2 CJ 1-4 CJSW 1-4 DELTA 2, 3 ETA 3 FC 1-4 GAMMA 1-3 IS 1-4 JS 1-4 JSSW 1-4 KAPPA 3 KP 1-3 KF 1-4 L LAMBDA LD LEVEL 1-4 1, 2 1-3 MJ 1-4 MJSW 1-4 N 1-4 NEFF 2 NFS 2, 3 NSS 2, 3 NSUB 1-3 3 4 Удельная емкость донной части p-nФ/м2 перехода сток(исток)-подложка при нулевом смещении (на площадь перехода) Удельная емкость боковой поверхно- Ф/м сти перехода сток(исток) -подложка при нулевом смещении (на длину периметра) Коэффициент влияния ширины канала на пороговое напряжение Параметр влияния напряжения стокисток на пороговое напряжение (статистическая обратная связь) Коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенного перехода подложки Коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение Ток насыщения p-n-перехода стокА/м2 подложка (исток-подложка) Плотность тока насыщения перехода сток(исток)-подложка А/м2 Удельная плотность тока насыщения (на длину периметра) Параметр модуляции длины канала напряжением сток-исток Параметр удельной крутизны Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликкер-шума Длина канала Параметр модуляции длины канала Длина области боковой диффузии Индекс модели Коэффициент, учитывающий плавность перехода подложка-сток (исток) Коэффициент наклона боковой поверхности перехода подложка-сток (исток) Коэффициент неидеальности перехода подложка-сток Эмпирический коэффициент коррекции концентрации примесей в канале Плотность быстрых поверхностных состояний на границе кремний подзатворный оксид Плотность медленных поверхностных состояний на границе кремний подзатворный оксид Уровень легирования подложки 90 А/м 5 0 0 0 0 0,5 Вычисляется 10-14 0 0 0,2 2·10-5 0 м 1/В м DEFL 0 0 1 0,5 0,3 1 1 1/см2 0 1/см2 Нет 1/см3 Нет 1 2 PB 1-4 PBSW 1-4 PHI 1-3 RB RD RDS RG RS 1-4 1-4 1-4 1-4 1-4 RSH 1-4 THETA TOX 3 1-3 TPG 2, 3 T_ABS T_MEASURED T_REL_GLOBAL 1-4 1-4 1-4 T_REL_LOCAL 1-4 UCRIT 2 UEXP 2 UO 1-3 VMAX 2, 3 VTO 1-3 W WD 1-4 1-3 XJ 2, 3 XQC 2, 3 3 Напряжение инверсии приповерхностного слоя подложки Напряжение инверсии боковой поверхности p-n-перехода Поверхностный потенциал сильной инверсии Объемное сопротивление подложки Объемное сопротивление стока Сопротивление утечки сток-исток Объемное сопротивление затвора Объемное сопротивление истока Удельное сопротивление диффузных областей истока и стока Коэффициент модуляции подвижности носителей под влиянием вертикального поля Толщина окисла 4 5 В 0,8 В РВ В 0,6 Ом Ом Ом Ом Ом 0 0 ∞ 0 0 Ом/кв. 0 1/В 0 м Вычисляется Легирование затвора (+1 – примесью того же типа, как и для подложки; _1 – примесью противоположного типа; 0 – металл) 0 Абсолютная температура С 0 Температура измерения С 0 Относительная температура С Разность между температурой транзи0 С стора и модели-прототипа Критическая напряженность вертикального поля, при которой подвижВ/см ность носителей уменьшается в два раза Эмпирическая константа, определяющая подвижность носителей Подвижность носителей тока в инсм2/В/с версном слое канала Максимальная скорость дрейфа носим/с телей Пороговое напряжение при нулевом В смещении подложки Vbs=0 Ширина канала м Ширина области боковой диффузии м Глубина металлургического перехода м областей стока и истока Доля заряда канала, ассоциированного со стоком 91 1 104 0 600 ∞ 1 DEFW 0 0 0 Некоторые параметры, приведенные в таблице 3.1. можно задать с помощью входного языка. К ним относятся: AD, AS, L, M, NRB, NRD, NRG, NRS, PD, PS, W. Из них AS, AD, L, W устанавливают, как значения по умолчанию с использованием директивы OPTIONS. Значение параметра М – определяет масштаб (учитывает в библиотеке моделей изменение длины канала в зависимости от технологии). Значения объемных сопротивлений задаются в явном виде, или вычисляются RB=RSH∙NRB, RD=RSH∙NRD, RG=RSH∙NRG, RS=RSH∙NRS. Остальные параметры получаются из соотношений: Beta=0,5KR∙W/L – крутизна переходной характеристики МОП- транзистора; Сох=EPS0/TOX – удельная емкость оксида; GAMMA= 2EPS sil EPS o N a /Сох – коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение; PHI=2Vt∙In(Na/Ni) – поверхностный потенциал, где Na=104NSS – уровень легирования подложки, Ni – собственная концентрация носителей, определяемая уравнением N 2 i 1,5 10 23T 3 exp E9 / Vt (при Т=300 К: N1=1,45∙1016 м ); -3 Fp=±PFI/2 – нормированный уровень Ферми (электростатический потенциал, при комнатной температуре и концентрации примесей порядка 1016 Fp ~0,3B); VTO=V1±GAMMA PHI KRP - пороговое напряжение при нулевом смещении Vbs=0 (знак «+» соответствует подложке n-типа, а знак «-» подложке p-типа), где KRP – коэффициент учитывающий радиационное воздействие. Коэффициент учета воздействия радиации можно определить из функциональной зависимости значения порогового напряжения от величины дозы (2.5) 92 Vbi=Ws-104∙NSS∙q/Cox; Ws=Wg-(Fp+3,25+0,5∙Eg); 3,2 – для затвора из материала (TPG=0) 3,25+Eg – для кремниевых затворов с тем же металлом, как в W = подложке (TPG=-1) 3,25 – для кремниевого затвора противоположного типа (TPG=+1), где Vbi, Ws – ширина запрещенных зон и неметаллического оксида; Eg=1,16-0,000702∙Т2/(Т+1108) – нормированная ширина запрещенной зоны; X d 2EPS sil /(q 10 6 NSUB) – нормированная глубина обедненного слоя (индуцированного слоя); CJ 0,5 EPS sil q 10 6 NSUB / PB – удельная емкость p-n-перехода; Leff=L-2 ∙LD – эффективная длина канала; Weff=W-2 ∙WD – эффективная ширина канала; CGBO=Cox ∙Leff – удельная емкость перекрытия затвор-подложка; CGDO=Cox ∙Ldd – удельная емкость перекрытия затвор-сток; CGSO=Cox ∙Lds – удельная емкость перекрытия затвор-исток, где Ldd и Lds длины боковых поверхностей диффузии в областях стока и истока; очевидно, что для большинства транзисторов CGDO=CGSO; CJSW=CJ∙LD – удельная емкость боковой поверхности перехода; CBS=CJ∙AS – емкость перехода исток-подложка при нулевом смещении; CBD=CJ∙AD – емкость перехода сток-подложка при нулевом смещении. Значения SBS и CBD либо AS и AD могут быть заданы пользователем. Если они не заданы, то их значения приравниваются к нулю. Параметры электрических схем замещения RP, GAMMA, PHI и пр. рассчитываются по вышеприведенным формулам с использованием физических 93 параметров NSUB, TOX и др., если в описании модели МОП-транзистора с помощью директивы VODEL отсутствует какой-либо параметр. Кроме того, для описания моделей МОП-транзисторов применяются следующие физические константы: q=1,60∙10-19 К – заряд электрона; V1=kT/q – температурный потенциал p-n-перехода; EPS0=8,86∙10-12 Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость; EPSох=3,9∙EPS0 диэлектрическая проницаемость оксида; EPSsil =11,7∙EPS0 – диэлектрическая проницаемость кремния; k=1,38∙10-23 Дж/0С – постоянная Больцмана. Статический режим работы транзистора Модель статического режима работы МОП-транзистора характеризуются нулевым током затвора Ig=0 и током подложки Ib=Ibs+Ibs, где Ibs и Ibs – токи переходов подложка-исток и подложка-сток; Ibs=Iss[exp(Vbs/(N ∙Vt))-1]; Ibs=Ids[exp(Vdb/(NVt)-1]. При задании нулевого значения одного из параметров AD, AS, JS принимают Iss=Ids=IS, в противном случае Iss=AS∙JS+PS∙JSSW, Ids=AD∙JS+PD∙JSSW . Ток стока Id=Ibd-Idrain, ток истока Is=Ibs+Idrain, Кроме того, применяют полуэмпирические уравнения статистических характеристик МОП-транзистора. При этом пороговое напряжение полагают равным: Vto VTO ( Vds GAMMA Fs PHI Vbs Fn ( PHI Vbs ) Vt XN ) KRP1, (3.38) где σ=ETA∙(8,15∙10-22)/Cox/(Leff)3 – коэффициент статической обратной связи; Fs – коэффициент, учитывающий влияние геометрии прибора на укорочение канала; 94 Fn=0,5∙DELTA∙π∙EPSsil/Cox/W – коэффициент, учитывающий влияние ширины канала на пороговое напряжение; KRP1 – коэффициент учитывающий влияние радиации. Эффективная подвижность носителей с учетом напряженности поля в канале и воздействием дозы облучения: μeff=UO∙μfact, где μfact=KRP2/(1+TNETA ∙(Vgs ∙Vto)), где KRP2 – коэффициент, учитывающий влияние радиации Исходя из вида зависимости (3.37) для KRP1 и KRP2 предложены выражения: 𝐾𝑅𝑃1 = 𝑎0 + 𝑎1 ∙ (1 − exp −𝑏1 ∙ 𝑀 ∙ 𝑡 ) + 𝑎2 ∙ (1 − exp −𝑏2 ∙ 𝑀 ∙ 𝑡 ) +𝑎3 ∙ (1 − exp −𝑏3 ∙ 𝑀 ∙ 𝑡 ), (3.39) где а0, а1, а2, а3, b1, b2, b3 – коэффициенты аппроксимации, M – мощность дозы, t – время облучения. 𝐾𝑅𝑃2 = 1−exp 𝑎4 −𝑏4 ∙𝑀∙𝑡 , (3.40) где а4, b4, – коэффициенты аппроксимации. В работе представлена методика получения всех коэффициентов, она распространяется на полупроводниковые интегральные микросхемы и устанавливает методы определения всех коэффициентов для транзисторных структур при их эксплуатации в полях ионизирующего излучения малой мощности с учетом температуры окружающей среды и электрических режимов работы ИС. В ней также предусмотрен и метод наихудшего случая. Так для КМОП СБИС в пределах мощности от 0.05 до 1P/c - КRP1 1 пределах мощности от 0.05 до 0.01P/c - КRP1 2 95 0,1 0,08 , КRP 2 1 ;в М М 0,05 0,04 , KRP 2 2 , М М Моделирование статического излучения космического пространства на схемотехническом уровне заключается в вычислении всех SPICE – параметров для КМОП транзистора, которые определяются стандартно при предложенных значениях порогового напряжение и подвижности. Получив все эти значения, осуществляют моделирование на схемотехническом уровне. Моделирование может быть осуществлено для любых проектных норм. Полученные соотношения достаточно хорошо описывает изменение кривых чувствительности, и подтверждаются в эксперименте [86]. Для их определения разработана методика, приведенная в Приложении. Напряжение насыщения вычисляется по следующей формуле: VDsat=Va+Vd- Va2 Vb2 , где параметр Va=(Vgs-Vto)/1+Fb) учитывает увеличение значения напряженности поля в канале; параметр Vd=Leff ∙VMAX/ μfact учитывает ограничение скорости носителей заряда в канале; Fd=Fn+0,5∙GAMMA∙Fs/ PHI Vds . Для расчета эффективной длины канала используют соотношение: при Vds VD sat ; L L eff L L при Vds VD sat . где L1 , если L1 0,5L ; L XL (1 0,25XL / L1 , если L1 0,5L ; A , если параметр VMAX не задан 2 A B , если параметр VMAX задан L1= A=KAPPA∙(Vds-VDsat). Ток Idrain определяется из выражений: 0при Vgs Vto Beta[Vgs Vto 0,5(1 F) Vds ] Vds /(1 Vds eff / L eff / VMAX )при Vgs Vto Idrain= 96 Динамический режим работы транзистора Динамические свойства МОП-транзистора учитываются включением в модель транзистора следующих емкостей: емкости обедненного слоя подложка-исток Cbs и емкости обедненного слоя подложка-сток Cbd. Данные емкости складываются из емкости данной поверхности и боковой поверхности переходов. Если параметры CBS и CBD не заданы (по умолчанию их значения равны нулю), то эти емкости вычисляютя по следующим формулам Cbs=AS·CJ·Cbsj+PS·CJSW·Cbss+TT·Gbs; Cbd=AD·CJ·Cbdj+PD·CJSW·Cbds+TT·Gds В противном случае (т.е. при заданных абсолютных значениях CBS и CBD) Cbs=CBS·Cbsj+PS·CJSW·Cbss+TT·Gbs; Cbd=CBD·Cbdj+PD·CJSW·Cbds+TT·Gds , где Gbs =dlbs/dVbs, Gds=dlbd/Vbd – дифференциальные проводимости в окрестности рабочей точки. Скалярные множители, показывающие зависимость барьерных емкостей от напряжений смещения, рассчитывают по следующим выражениям: при Vbs≤FC ·PB Cbsj=(1-Vbs/PB)-MJ Cbss=(1-Vbs/PBSW)-MJSW при Vbs>FC ·PB Cbsj=(1-FC)-(1+MJ) ·[1-FC ·(1+MJ)+MJ ·Vbs/PB]; Cbss=(1-FC)-(1+MJSW) ·[1-FC ·(1+MJSW)+MJSW ·Vbs/PBSW]; при Vbd≤FC ·PB Cbdj=(1-Vbd/PB)-MJ Cbds=(1-Vbd/PBSW)-MJSW при Vbd>FC ·PB Cbdj=(1-FC)-(1+MJ) ·[1-FC ·(1+MJ)+MJ ·Vbd/PB] Cbdj=(1-FC)-(1+MJSW) ·[1-FC ·(1+MJSW)+MJSW ·Vbd/PBSW] 97 Значения емкостей затвор-исток, затвор-сток и затвор-подложка рассчитывают с использованием следующих формул: Cgs=CGSO ·W, CGD=CGDO ·W, Cbd=CGBO ·L. Хочется отметить, что данная схема замещения транзистора приведена с источниками внутренних шумов. Создаваемые резисторами RS, RG, RB и RD, тепловые шумы IшRS, IшRD, IшRB, IшRG имеют спектральные плотности SRS=4kT/RS, SRG=4kT/RG, SRB=4kT/RB, SRD=4kT/RD. Источник тока Iшd, характеризующий дробовой и фликкер-шум, имеет спектральную плотность: Sd=8kT ·Gm/3+KF ·IdrainAF/(f ·Kchan), где Gm=dIdrain/dVgs – дифференциальная проводимость в рабочей точке по постоянному току; Kchsn=(Leff)2 ·EPSsil/TOX . Статическое излучение является причиной деградации параметров элементов СБИС. Меняются такие параметры, как пороговое напряжение транзисторов, подвижность носителей заряда, крутизна вольтамперных характеристик. Воздействие статического излучения характеризуется необратимыми изменениями свойств материала, что отличает его от импульсного излучения. Величина подобных эффектов характеризуется поглощенной дозой излучения. Воздействие низкоинтенсивного статического излучения приводит к сдвигу переключательных характеристик элементов СБИС в результата изменения пороговых напряжений транзисторов, влияющих на напряжение отпирания и запирания. Кроме изменения порогового напряжения на характеристики элементов СБИС оказывает влияние уменьшение крутизны транзисторов. Изменение крутизны транзисторов и порогового напряжения является причиной возникновения неисправных элементов. При высокой мощности дозы и малом времени облучения пороговое напряжение как n-, так и р-транзисторов уменьшается. Большие отрицательные сдвиги порогового напряжения у n-транзисторов повышают ток утечки сток98 исток, что вызывает повышение статического тока утечки по цепям питания, что увеличивает токопотребление транзистора и может быть одним из критериев отказа СБИС. Изменение порогового напряжения может привести к недостаточной помехоустойчивости, которая может коррелировать с отсутствием переключения. При длительном низкоинтенсивном ионизирующем воздействии на СБИС нейтрализуется большая часть захваченного в окисле заряда, а процесс накопления поверхностных состояний выходит на насыщение. Для n-канальных транзисторов это приводит к положительному сдвигу порогового напряжения и уменьшению подвижности носителей заряда. Для p-канальных транзисторов, как при высоких значениях мощности дозы, так и при низких наблюдается отрицательный сдвиг порогового напряжения. Для учета воздействия ионизирующего излучения на схемотехническом уровне требуется внести изменения в SPICE модели транзисторов. 3.3. Алгоритмическая основа расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического пространства К разрабатываемым изделиям электронной компонентной базы предъявляются требования к длительному функционированию в космическом пространстве в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов в условиях длительного воздействия статического ионизационного излучения малой мощности. При проведении испытаний на стойкость изделий электронной компонентной базы к излучению разной интенсивности был обнаружен эффект уменьшения стойкости испытуемых изделий при уменьшении мощности воздействующего излучения. При мощности излучения 100 р/с изделие можно было аттестовать на стойкость 105. Так максимальная деградация параметров полупроводниковых приборов наблюдалась при мощности излучения 1 р/с. 99 При этом значение стойкости составляло 104. При дальнейшей уменьшении мощности излучения, стойкость несколько повышается (рисунок 3.5) [102]. На рисунке 3.6 представлена структура алгоритма расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического пространства. Рисунок 3.5 – Результаты уменьшения стойкости при изменении мощности воздействия [103]. 100 Задание параметров излучения космического пространства Задание температуры внешней среды Приведение всех характеристик космического пространства к дозе гамма-излучения с мощностью воздействия Да Библиотека элементов сушествует? Да Использовать наихудший случай? Нет Нет Создание тестовых структур Проведение полного факторного эксперимента по оценки влияния мощности дозы и температуры на деградацию электропараметров Создание набора типовых элементов для создания библиотеки Типовые элементы Проведение ускоренных испытания на стойкость для малой мощности излучения Определение всех параметров для деградации элементов в зависимости от дозы и мощности дозы Создание библиотеки элементов и характеризация ее по дозе в зависимости от мощности дозы и температуры Библиотека элементов схемотехнического уровня 2 Библиотека элементов схемотехнического уровня 1 САПР Схемотехнический анализ элементов Получение результатов моделирования элементов на схемотехническом уровне Рисунок 3.6 – Структура алгоритма расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического пространства 101 Рассмотрим процесс воздействия на испытуемое изделие электронной компонентной базы космического ионизационного излучения низкой интенсивности. Как уже отмечалось в предыдущих главах работы, составляющими космического ионизирующего излучения являются электронное, протонное, гамма-излучение, а также отдельные воздействующие заряженные частицы. В данном алгоритме процесс воздействия на испытуемый прибор ТЗЧ рассматриваться не будет. В основном космическое излучение в состоит из электронов и протонов и совсем немного приходится на составляющую гаммаизлучения. На Земле при проведении экспериментов сложно получить пучки электронов и протонов, поэтому их воздействие на испытуемый прибор заменяется эквивалентной по возникаемым дефектам и изменении параметров приборов дозе статического гамма-излучения по моделям, описанным в диссертационной работе. Все эти параметры необходимо связать с мощностью воздействующего излучения. Мощность воздействия будет определяться в зависимости от времени существования космического аппарата на орбите и ситуационным условиям на орбите. Обычно для космических аппаратов, работающих на околоземной орбите, время существования составляет 10-15 лет. При этом накопленная доза излучения должна состоять 105–105 рентген. После определения характеристик космического пространства задается температура окружающей среды. Это определяется местом установки аппаратуры на космическом аппарате и степенью ее защиты. Эти значения задаются разработчиками космических аппаратов. Требования по параметрам воздействующего излучения и значения температуры среды поступают к разработчикам элементной базы и вносятся в технические задания на разработку изделий. 102 После этого необходимо привести все воздействующие характеристики космического излучения к дозе гамма-излучения. Например, изделие должно обеспечивать стойкость по накопленной дозе 105 – 106 при мощности излучения 0,05 p/c, 0,1 p/c, 1 p/c. После задания требований технического задания приступают к процессу проектирования изделия. При разработке изделий радиационно-стойкой ЭКБ стандартный маршрут проектирования необходимо модернизировать для учета деградации параметров под воздействием радиации. Для разработки микросхемы с последующим ее изготовлением необходимо наличие библиотеки элементов, аттестованной под конкретный технологический процесс для изготовления кристаллов интегральной схемы. При наличии аттестованной библиотеки элементов переходим к схемотехническому проектированию и определению параметров деградации в зависимости от мощности излучения, времени облучения, температуры окружающей среды. При отсутствии аттестованной библиотеки элементов приступаем к ее созданию и переходим на следующий этап. В зависимости от времени, отводимом в соответствии с техническим заданием на разработку изделия, определяем, существует ли возможность проведения полного цикла испытаний тестовых элементов. В противном случае используются параметры наихудшего случая. При рассмотрении структуры и специфики работы современного дизайн-центра по разработке изделий ЭКБ видно, что в начале лучше выполнять длительные по времени на разработку опытные конструкторские разработки, в которых попутно разработки основного изделия разрабатывается и аттестуется библиотека элементов. Это требует значительных как временных, так и материальных затрат. При этом делается задел на будущие работы, сокращая время на их выполнение и необходимые средства. В начале, создаются тестовые элементы, на основе которых в дальнейшем разрабатываются функциональные блоки и конечные схемы. Для КМОП 103 технологии это инвертирующие логические элементы, так, как для не инвертирующих в схемотехнику включаются дополнительные элементы. После создания тестовых структур определяют набор элементов для создания библиотеки. К простым элементам «нулевого» уровня относят инверторы, буферы, ключи, логические элементы «и-не», «или-не», триггеры на основе которых строятся более сложные, такие как счетчики, сумматоры, умножители, регистры и другие. Результатом этого являются сами тестовые элементы. Из типовых элементов строятся библиотечные элементы, что используются в дальнейшем при всех последующих разработках. Затем необходимо провести полный факторный эксперимент по оценке влияния мощности дозы, и температуры на деградацию параметров. Одной из задач данной работы являлось получение переменных, которые модифицировали SPICE-параметры транзисторов для схемотехнического моделирования с учетом воздействия ионизирующего излучения. Для этого были сформированы тестовые структуры, которые были подвержены испытаниям. Тестовые структуры включали различные схемотехнические элементы: – транзисторы большой геометрии; – транзисторы малой геометрии; – емкости; – резисторы; – диоды; – логические элементы – инверторы; – функциональные блоки. Для обеспечения точности эксперимента, как по дозе, так и по мощности, все тестовые элементы располагаются на одном кристалле. После ставится полный факторный эксперимент, зависящий от факторов: 104 – мощность излучения (0 – отсутствие излучения; 0,1 Р/c; 1 Р/c; 10 Р/c; 100 Р/c); – температура окружающей среды (-60 ̊С; +25 ̊С; +125 ̊С); – режим работы (активный – микросхема включена, пассивный – микросхема выключена). Все результаты испытаний снимаются в контрольных точках, соответствующих определенной дозе облучения. Промежуточные значения находим методом апроксимации. Время проведения испытаний определяется мощностью дозы. Для дозы 106 и более проводят ускоренные испытания. Для дозы 105 и ниже можно провести прямые испытания при мощности излучения 1 p/c и более. Длительность таких испытаний составляет несколько дней. При мощности излучения 0,1 p/c длительность испытаний составит несколько месяцев и возникает необходимость проведения ускоренных испытаний по методике, определенной стандартом «Климат-7». При проведении ускоренных испытаний проводятся несколько циклов облучение-отжиг. После производится определение параметров, деградирующих в процессе воздействия ионизирующего излучения в зависимости от мощности дозы, времени облучения, и температуры. При использовании «наихудшего» случая, все параметры деградации берутся по худшему случаю на основании результатов предыдущих аналогичных испытаний. После проведения измерений, используя методы статистического анализа, строят конечную модель значений параметра, определяющего воздействие ионизирующего излучения, зависящего, как было сказано ранее, от мощности дозы, температуры и режима работы. После снятия таких зависимостей по приведенной в Приложении методике определяем коэффициенты, учитывающие воздействие радиации на такие характеристики транзисторов как пороговое напряжение и подвижность носителей и проводим схемотехническое моделирование с скорректированными SPICE-параметрами. 105 Анализ проведенного полного факторного эксперимента дал все необходимые результаты для определения параметров. Последним этапом является создание библиотеки элементов и характеризация ее по дозе и мощности дозы излучения. Результатом этой работы является создание характеризированной библиотеки элементов схемотехнического уровня. Вместе с типовыми элементами она будет составлять базу данных для разработки радиационно-стойких интегральных схем. На следующем этапе стандартными средствами проводится схемотехническое моделирование. По результатам схемотехнического моделирования оценивается стойкость разрабатываемых изделий к ионизирующему излучению. Выводы 1. Разработаны модели, определяющие закономерности протекания физических процессов в полупроводниковых структурах СБИС при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства. 2. Определены соотношения, описывающие деградацию параметров библиотечных элементов при воздействии ионизирующего излучения космического пространства в зависимости от мощности дозы и температуры среды. 3. Разработаны модели поведения элементов КМОП СБИС при воздействии ионизирующего излучения космического пространства на схемотехническом уровне. Внесены изменения в SPICE -модели транзисторов, позволяющие при проведении схемотехнического моделирования учесть деградацию параметров при воздействии низкоинтенсивного излучения космического происхождения. 106 4. Особенности структуры, интеграции в систему сквозного проектирования и эксплуатации разработанных средств САПР 4.1. Структура, особенности построения разработанных средств и их интеграция в САПР для сквозного проектирования интегральных микросхем Для разработки изделий ЭКБ, стойких к влиянию воздействующих факторов космического пространства осуществлена разработка проблемноориентированной подсистемы [93], позволяющей учитывать влияние радиационных эффектов воздействия излучений космического пространства. Структура САПР для сквозного проектирования изделий ЭКБ космического применения и место в ней разработанной подсистемы представлена на рисунке 4.1. Структура подсистемы расчета статических радиационных воздействий космического излучения представлена на рисунке. 4.2. Основное внимание при разработке уделялось созданию математических моделей, учитывающих влияние воздействия низкоинтенсивного излучения космического пространства, а для выполнения задач моделирования на различных этапах проектирования были адаптированы известные программные средства САПР, обеспечивающие поведенческое, функциональнологическое моделирование и генерацию тестов, схемотехническое и топологическое проектирование. При проведении адаптации вышеперечисленные средства модифицированы для повышения их эффективности и в первую очередь уменьшение вычислительных затрат при проведении расчетов для обеспечения выполнения задач моделирования базовых библиотечных элементов интегральных схем в условиях «реального времени» («реальное время» - соизмеримость с временем проведения анализа пользователем варианта решения, предложенным ЭВМ). 107 Основными стадиями процесса моделирования при сквозном проектировании являются: – поведенческое, представленное тремя блоками, позволяющими минимизировать покрытие логической функции, проводить поведенческое моделирование и верификацию проекта, проводить анализ тестопригодности; – функционально-логическое, состоящее из программных средств минимизации аппаратных затрат, моделирования статических и динамических режимов работы проектируемого изделия, поиска и анализа неисправностей, генерации тестовых последовательностей; – схемотехническое, содержащее программы схемотехнического моделирования, смешанного моделирования и программные средства, учитывающие влияние радиационных эффектов; – топологическое, включающее графические редакторы, программные средства, обеспечивающие автоматизированную разводку и анализ RC – цепей. 108 Минимизация покрытия логической функции Монитор СУБД Анализ тестопригодности Библиотека элементов на поведенческом уровне Поведенческое моделирование и верификация Оптимизация аппаратных затрат для логической схемы Поиск и анализ дефектов Логическое моделирование (статика) Генерация тестов Логическое моделирование (динамика) Графический редактор Схемотехническое моделирование и анализ Моделирование радиационных эффектов Смешанное моделирование и анализ Определение параметров моделирования Топологический редактор Расчет RC-цепей и экстракция Библиотека элементов на функционально -логическом уровне Библиотека элементов на схемотехническом уровне Библиотека элементов на топологическом уровне Рисунок 4.1 – Структура программного обеспечения САПР моделирования базовых элементов КМОП БИС космического назначения. 109 Расчет поглощенной дозы (DOS) Монитор (MN) Расчет заряда в диэлектрике (QD) СУБД Библиотека элементов на функционально -логическом уровне Расчет параметров транзистора (PR) Графический редактор (GR) Библиотека элементов на схемотехническом уровне Расчет параметров неисправных элементов (RN) Интерфейс (IN) Библиотека элементов расчета деградации электропараметров Помощь (HP) Рисунок 4.2 – Структура программного обеспечения САПР для расчета радиационных воздействий космического характера 110 Средства поведенческого моделирования позволяют работать со сложными функциональными блоками (СФ) на различных уровнях проектирования (системном, архитектурном, регистровом, поведенческом, логическом) и их комбинациях при дискретном изменении времени моделирования. Вышеперечисленные средства САПР обладают высокой производительностью вычислений и эффективностью. Для примера время моделирования функциональных блоков интеграцией до 50000 вентилей составляет несколько минут. Современные средства функционально-логического моделирования позволяют уменьшить аппаратные затраты, которые особо критичны при проектировании радиационно-стойких схем, так как в них сосредоточено большее число элементов по сравнению с изделиями обычного применения. Это связано с тем, что в радиационно-стойкие изделия входят дополнительные элементы для обеспечения изоляции, необходимой для нейтрализации эффектов воздействия радиации. Средства моделирования данного уровня основаны на применении событийного интерпретативного алгоритма логического анализа с совмещенным принципом моделирования нарушений функционирования, который также используется в программных блоках при моделировании нарушений функционирования и для направленных методов генерации тестовых последовательностей в блоке. В модуле генерации тестовых последовательностей применяются как направленные методы генерации тестовых последовательностей, так и случайные методы. Тестопригодность базовых элементов анализируется с использованием алгоритма экспресс-анализа, для которого предусмотрено вычисление семи количественных характеристик для каждой линии схемы: – 0 - комбинационная управляемость; – 0 - последовательная управляемость; – 1 - комбинационная управляемость; – 1 - последовательная управляемость; 111 – комбинационная наблюдаемость; – последовательная наблюдаемость; – тест-наблюдаемость. Средства моделирования на схемотехническом уровне позволяет осуществлять все виды анализа с использованием SPICE подобных программ. Существенным показателем ускорения процесса моделирования является применение программного обеспечения для смешанного моделирования, которое позволяют проводить по отдельности моделирование отдельных фрагментов микросхемы, позволяя значительно ускорить процесс моделирования. На топологическом уровне проводится стандартный анализ влияния элементов схемы друг на друга и вычисление RC характеристик. При анализе аналогов разрабатываемых изделий на данном этапе возможно использование программ, позволяющих восстановить топологию схемы с фотографий. Система проектирования содержит базу данных проекта и использует графические редакторы. Графический редактор включает программы построения и редактирования базовых топологических фигур, формирование библиотек графических моделей типовых элементов схемы, поддерживает групповые операции, управляет изображением, а также использует вспомогательные процедуры. База данных проекта и лингвистические средства системы САПР обеспечивают ей функциональную полноту в процессе сквозного цикла проектирования. Они позволяют провести описание данных проекта и синтез схемы в наглядном виде, совмещенную графическую интеграцию моделей базовых библиотечных элементов схемы, интерфейса задания внешних воздействий и результатов моделирования на всех этапах проектирования. Монитор системы является центральным звеном средств моделирования. С его помощью осуществляется взаимодействие программных блоков системы, в том числе и с компонентами операционной системы. 112 Учет воздействий радиационного излучения космического пространства осуществляется пакетом специальных программ. Он позволяет проводить расчеты параметров радиационного воздействия, изменения характеристик моделей стандартных библиотечных элементов при воздействии статических видов излучений космического происхождения. Все данные по расчету и рассчитанные значения помещаются на хранение в базу данных. Данная подсистема интегрируется в систему автоматизации проектирования ПП и ИС. Интеграция осуществляется с использованием политики открытости ядра стандартной САПР и унифицированной базы данных. Унификация означает применение регламентированных стандартизированных соглашений описания данных на каждом из этапов проектирования микросхемы. Подсистема моделирования радиационного воздействия включает восемь блоков. Центральным модулем средств моделирования радиационного воздействия является монитор системы. С помощью монитора системы осуществляется взаимодействие, как между программными блоками, так и с операционной системой. Каждый из блоков выполняет свои задачи. Блок расчета величины накопленной дозы фактически определяет параметры среды. Величина значения накопленной дозы излучения рассчитывается в зависимости от вида воздействующего излучения и его ионизационной составляющей. Использование данного блока позволяет все составляющие воздействия внешних факторов свести к понятиям дозы излучения. После расчета характеристик среды, определяется величина накопленного заряда в области подзатворного диэлектрика транзисторных структур микросхемы. Такой расчет проводится для всех видов транзисторов, которые используются в данной библиотеке элементов. Данная функция осуществляется блоком QD. При расчете применяется методы конечных разностей. Для расчета характеристик моделей транзисторов, используемых в схемотехническом моделировании, предназначен блок PR. Он проводит расчет всех характеристик модели для процесса схемотехнического моделирования 113 SPICE подобных программ. Полученные значения соответствуют деградации параметров транзисторов при воздействии данной дозы радиационного излучения. Полученные элементы записывают в базу данных. Им присваивают название «неисправных» элементов. Для моделирования предусмотрено три вида несправных элементов, соответствующих значению дозы уровней: – начального изменения характеристик; – среднего изменения характеристик; – конечного изменения характеристик. Данные уровни соответствуют следующим величинам дозы излучения, начальный – когда изменения характеристик только начинаются, конечный – при котором изменения характеристик выходят на значения, прописанные в техническом задании или технических условиях на изделие, и среднего – расположенного в средней точке между ними. Значения параметров, соответствующие значениям дозы, которая расположена между этими значениями, определяют аппроксимацией. Этим целям соответствует модуль RN. Графический редактор GR используется для наглядного ввода информации и вывода результатов расчета. Для взаимодействия человека и ЭВМ используется программный блок интерфейса пользователя IN. Предусмотрено наличие обучающей подсистемы HP. Рассчитанные значения помещаются на хранение в базу данных, что исключает необходимость проведения повторных вычислений. 4.2. Оценка точности и эффективности разработанных средств САПР Разработка СБИС стойких к воздействию радиации для использования в космическом пространстве предполагает решение комплекса задач, важнейшей из которых является задача определения точности расчетов и эффектив114 ности программных средств моделирования. Перейдем к более подробному их рассмотрению. Для определения точности математического обеспечения САПР необходимо проведение экспериментальных исследований. Расчетные и экспериментальные данные сравниваются между собой. Такое сравнение предполагает проведение таких оценок на всех этапах разработки для различных библиотечных элементов. Для определения точности моделирования объектом для проведения испытаний выбран радиационно-стойкий микроконтроллер 1874ВЕ7Т используемый в бортовой аппаратуре космических аппаратов. Не стойкий вариант этого контроллера широко известен потребителям. Он используется в управлении автоматизации технологических процессов, в робототехнических комплексах, в системах управления электродвигателями, в средствах телекоммуникаций, в вычислительной технике. Другой сферой применения являются системы управления и диагностики двигателей внутреннего сгорания. Для проведения экспериментов были подготовлены тестовые структуры, в составе одного и том же кристалла. Разработка тестовых структур проведена по конструктивно-технологическим требованиям проектирования основной схемы. Причиной выбора данной интегральной схемы являются следующие: высокая радиационная стойкость микросхемы, распространенные конструктивнотехнологические решения, относительно невысокая стоимость и кроме того большой объем накопленных данных по надежности изделия (свыше 150 тысяч часов наработки на отказ). Для выявления закономерных процессов деградации СБИС необходимо исключить из эксперимента изделия, имеющие дефекты технологического процесса. Для этого испытаниями изделий предшествовал тщательный предварительный отбор СБИС и элементов тестовых структур. После процесса отбраковки микросхем вероятность внезапных отказов сведена к минимуму, что гарантировало высокую достоверность исходных данных проводимого эксперимента. 115 Процесс испытаний проводился при воздействии электронных, протонных пучков и гамма-статического излучения. Хочу отметить, что испытания на воздействие гамма-излучения были проведены при различных значениях интенсивности. Процесс проведения испытаний проводился при различных электрических режимах. Перед проведением испытаний все СБИС проходили полный функциоо нально-параметрический контроль при нормальной, повышенной (+125 С) и о пониженной (- 60 С) температурах среды. Для каждого значения интенсивности электронного и протонного воздействия, гамма-излучения, осуществлялась выборки СБИС и тестовых структур (20 шт. в активном и 20 шт. в пассивном электрическом режимах). Всего испытаниям для P=0.1 Р/с было подвержено 60 шт. P=0.25 Р/с – 100 шт., P=100 Р/с – 60 шт., испытаниям на электронное воздействие – 60 шт. изделий и испытаниям на протонное излучение – 60 шт. изделий. В ходе испытаний дистанционно проводился периодический функциональный контроль параметров микросхем и тестовых структур. В контрольных точках (при достижении суммарных доз излучения: 1у.е., 10у.е., 2 10у.е., 4 10у.е., 6 10у.е., 8 10у.е., 9 10у.е., 100у.е.) контролировались следующие параметры: для СБИС: – Uoh – выходное напряжение высокого уровня; – Uol – выходное напряжение низкого уровня; – Iсс – ток потребления; – Iil – входной ток низкого уровня; – проведение функционального контроля для тестовых структур: – Ic – ток стока транзисторов большой геометрии; – Ic – ток стока транзисторов малой геометрии; – Ud – падение напряжения на антизвонном диоде; – Iz – ток через резистор и R – сопротивление резистора; 116 – Uсeб – напряжение насыщения на переходе сток – исток для транзисторов большой геометрии; – Uceм – напряжение насыщения на переходе сток – исток для транзисторов малой геометрии. Измерения проводились при нормальных температурных условиях без воздействия радиоактивного излучения. После проведения испытаний проводился полный функциональнопараметрический контроль ИС. Длительность испытаний СБИС и тестовых структур определялась временем получения вышеуказанных значений доз при соответствующих интенсивностях излучения. По результатам проведенного эксперимента были сопоставлены расчетные и экспериментальные характеристики. В таблице 4.1 и на рисунке 4.3 приведены результаты расчета и экспериментальные данные [92]. Таблица 4.1 – Изменение электропараметров микросхем 1874В Е7Т от накопленной дозы Накопленная доза 0 1 10 200 400 600 800 900 1000 Ток потребления Напряжение нуля Напряжение еденицы Входной ток эксп. теор. эксп. теор. эксп. теор. эксп. теор. 0 1 1 4 10 22 32 50 100 0 1 1 5 11 20 35 55 110 0 0 0 0 0 0 1 5 14 0 0 0 0 0 1 3 6 15 0 0 0 0 0 1 2 5 13 0 0 0 0 0 1 2 5 13 0 0 0 0 0 2 6 13 25 0 0 0 0 1 3 7 14 31 Функциональный контроль эксп. теор. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Из сравнения экспериментальных и теоретических данных видно, что они почти полностью совпадают с учетом погрешности эксперимента и расче117 та. Значительный вклад в погрешность результатов эксперимента вносит погрешность дозиметрии. С учетом того, что погрешность экспериментальных данных по ГОСТ составляет 10 - 30%, можно сделать вывод, что погрешность расчетов составляет не более 35 %. Подобное сравнение было проведено для СБИС серий 1867, 1830, 1574, 1878 - всего более 50 изделий. Экспериментальная проверка была проведена по типовым изделиям данных серий - всего более 40 изделий. Результаты расчета при сравнении с экспериментальными данными показали хорошее совпадение. Рисунок 4.3 – Изменение электрических параметров микросхем от накопленной дозы (теоретические и экспериментальные результаты). 118 Определение эффективности разработанных средств САПР производилась по следующим показателям: экономическим, функциональным, пользовательским. К экономическими критериям относятся стоимость разработки, эксплуатации и экономический эффект, достигаемый при внедрении данной подсистемы. К функциональным критериям относят используемые ресурсы, время расчета, возможности реализации средств на различных аппаратных платформах, количество одновременно проводимых проектов и т.д. Из них определяющее значение имеют такие параметры, как быстродействие (продолжительность расчетов) и затраты ресурсов памяти. Пользовательскими критериями являются наглядность представления результатов, простота в работе и обучении, удобство использования. Объем затрачиваемой памяти и быстродействие системы оценены экспериментально. Они зависят от количества элементов СБИС, регулярности структуры, значения сетки разбиения, значения шага квантования по времени при оценке величины заряда в подзатворном диэлектрике. В качестве примера на рисунках 4.4 – 4.7 представлены экспериментальные характеристики быстродействия и затрат ресурсов памяти в зависимости от степени интеграции моделируемого изделия. Полученные результаты характерны для изделий ЭКБ с нерегулярной структуры (микропроцессоров цифровой обработки сигнала, микроконтроллеров). При разработке микросхем созданных на основе базового матричного кристалла, быстродействие проектирования увеличивается, а затраты памяти будут меньше. Оценки экспертов по определению эффективности работы данной системы показывают, достижение всех требуемых показателей: времени проведения расчетов, наглядность результатов за счет использования графических форм, простота работы и обучения за счет средств обучения и поддержки, удобство использования, относительно невысокая стоимость разработки и эксплуатации. 119 Зависимость времени моделиварония от количества компонентов 900 800 Время (мин) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 200000 400000 600000 Количество компонентов (шт.) 800000 1000000 Рисунок 4.4 – Экспериментальные характеристики быстродействия системы для воздействия космического излучения при моделировании на электрическом уровне. Зависимость времени моделиварония от количества компонентов 1200 Время (мин) 1000 800 600 400 200 0 0 200000 400000 600000 800000 1000000 Количество компонентов (шт.) Рисунок 4.5 – Экспериментальные характеристики быстродействия системы для воздействия космического излучения при моделировании на логическом уровне 120 Зависимость объема памяти от количества компонентов 35 Объем памяти (ГБ) 30 25 20 15 10 5 0 0 200000 400000 600000 800000 1000000 Количество компонентов (шт.) Рисунок 4.6 – Экспериментальные характеристики требуемого объема памяти для работы системы при моделирования на электрическом уровне. Зависимость объема памяти от количества компонентов 40 35 Объем памяти (ГБ) 30 25 20 15 10 5 0 0 200000 400000 600000 800000 1000000 Количество компонентов (шт.) Рисунок 4.7 – Экспериментальные характеристики требуемого объема памяти для работы системы при моделировании на логическом уровне 121 4.3. Методическое обеспечение и результаты внедрения Разработанные средства проектирования внедрены в ОАО «НИИЭТ». Внедрение разработанных программных средств САПР потребовало больших усилий по адаптации комплекса средств проектирования изделий ЭКБ в ОАО «НИИЭТ», создания соответствующей инфраструктуры и явилось достаточно сложной научно–технической задачей. Доминирующей задачей стала перестройка организации проектирования изделий радиационно-стойкой электронно-компонентной базы, и на основе этого обеспечило успех внедрения разработанной подсистемы [5, 52, 59]. Для этой цели был реорганизован отдел информационно-аналитического обеспечения и создана дополнительная лаборатория по разработке программно-аппаратных средств, созданию методических указаний по их применению, подготовке кадров и проведение работ, связанных с сопровождением и развитием созданных средств. Также были проведены экспериментальные исследования, работы по оценке точности прогнозирования. Дополнительно следует отметить работу по повышению стойкости разрабатываемых изделий к внешним воздействиям. Данная работа является итогом и результатом продолжительного труда по автоматизации проектирования изделий ЭКБ. Она обеспечила ОАО «НИИЭТ» передовые позиции в данном направлении и позволила создавать аппаратуру, соответствующую лучшим зарубежным аналогам по стойкости к воздействию радиации. Первым этапом внедрения стало проведения эскизного проектирования, в ходе которого проводилась опытная эксплуатация, определялись основные проблемы внедрения, вырабатывались рекомендации по использованию разработанной подсистемы. Была проведена первичная оценка качества разработанных программных средств и методы повышения эффективности средств САПР. 122 На основе проделанной работы создан рабочий проект подсистемы, включая методическое обеспечение по еѐ рациональному применению, что в целом повысило эффективность работы предприятия в целом и обеспечило возможность дальнейшего совершенствования процесса проектирования изделий электронной техники. Рассмотрим результаты, результаты внедрения данной подсистемы более подробно. Разработанная подсистема моделирования работоспособности СБИС в условиях воздействия ионизирующего излучения может использоваться в двух аспектах: – для определения показателей стойкости и надежности разрабатываемых изделий; – для разработки новых, анализа существующих схемотехнических и конструктивно-технологических решений обеспечивающих повышение стойкости изделий ЭКБ к внешним воздействиям. Для определения показателей стойкости ионизационному излучению данная подсистема используется для конкретных конструктивно-технологических решений однократно. Определенное при этом значение уровня стойкости к воздействующим факторам является основным. При анализе схемотехнических и конструктивно-технологических решений для повышения стойкости разрабатываемых микросхем к внешним воздействующим факторам космического пространства используются различные конструктивно-технологические решения. Оптимальные из них определяются с помощью экспертных оценок. При этом применяется следующий алгоритм. На первом этапе проводится анализ функционирования СБИС, топологических и технологических особенностей ее изготовления и условия эксплуатации в аппаратуре. Производится анализ механизмов протекания процессов деградирования характеристик, выбираются критериальные электропараметры, а 123 также физические явления, определяющие стойкость. В результате анализа подбираются параметры моделей транзисторов и других элементов, СБИС разбивается на компоненты и определяется взаимосвязь между ними. На втором этапе оцениваются факторы внешней дестабилизирующей обстановки для каждого элемента СБИС с учетом неоднородности полей ИИ. В ходе второго этапа учитываются все виды возникающих вторичных излучений, кроме того при необходимости осуществляется определение комплексного характера воздействия (воздействие нескольких видов ионизирующего излучения). Это определение включает точное определение видов ионизирующего излучения, воздействующих на каждый элемент СБИС и всех спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик ионизирующего излучения. В ходе третьего этапа определяется корректность моделирования от числа внешних воздействующих факторов, выбираются факторы определяющие влияние радиационных воздействий, и проверяется правильность и адекватность выбранных моделей. В ходе этого этапа может быть проведено упрощение процесса моделирования для сокращения затрат вычислительных ресурсов. В ходе четвертого этапа определяется технологический разброс параметров на основании статистики испытаний серии компонентов из состава анализируемого изделия. После, используя методу наихудшего случая, определяют наборы параметров, характеризующих работу микросхемы при наихудшем, наилучшем и наиболее вероятном сочетании значений характеристик элементов по критерию стойкости к радиационному излучению. При выборе значений параметров также учитывают и их корреляцию. В ходе пятого этапа, исходя из возможных условий работы и радиационной обстановки, в которой может эксплуатироваться разрабатываемое изделие, производится исследование работы микросхемы на ЭВМ для определения допустимых граничных уровней радиации для каждого из трех наборов пара124 метров (наиболее вероятный, наихудший, наилучший). Это исследование проводится как на физическом, так и на логическом уровне. Полученные при проведении результаты являются прогнозируемыми значениями стойкости микросхем к ионизирующему излучению и могут быть применены как завершающие результаты либо как исходные данные для обоснования дальнейшего направления поиска других стойких к воздействующим факторам микросхем или применения схемотехнических, конструктивных, технологических методов повышения стойкости изделий ЭКБ к излучениям космического пространства. На основании эксплуатации данной подсистемы выявлено, что стойкость приборов определяется следующими параметрами: – геометрические размеры канала транзисторов; – материал затвора и способ его формирования; – конструктивно технологические решения; – толщина подзатворного диэлектрика; – условия формирования подзатворного диэлектрика; Итогом работ по разработке методического обеспечения, для расчета показателей стойкости и надежности изделий электронной компонентной базы, явилось создание методики испытаний микросхем и оценки стойкости к ионизирующему излучению [91], согласованная в установленном порядке с филиалом 46 ЦНИИИ МО и утвержденная РНИИ "Электронстандарт". В разработанной методике описан порядок проведения испытаний СБИС, процесс обработки результатов испытаний, расчет показателей стойкости и определение оценки стойкости изделий электронной компонентной базы в внешним воздействиям на основе экспериментальных данных и расчетов. В методики вошли также аспекты вопросов влияния температуры, режима работы СБИС на механизм процессов деградации. Дальнейшее развитие разработанной методики отражено в методических руководствах РНИИ "Электронстандарт", куда вошли результаты работ автора 125 по воздействию излучения низкой интенсивности на изделий электронной компонентной базы. В настоящее время, проводится работа по конкретизации ГОСТ в части уточнения методов проведения испытаний и оценке СБИС, изготовленных по КМОП технологии. В результате будет разработана типовая методика испытаний и оценки стойкости КМОП СБИС. Разработанное методическое обеспечение использовалось для оценки показателей стойкости СБИС. Рассчитывались показатели стойкости КМОП СБИС в зависимости от схемотехнического исполнения, конструкции и технологических характеристик. Также учтено влияние температуры среды и режима работы СБИС. Основу методического обеспечения рационального использования составляют следующие документы: – руководство применения; – руководство пользователя; – руководство программиста. Результатом внедрения разработанной подсистемы является разработанная библиотека типовых базовых элементов микроконтроллеров, микропроцессоров, элементов управления и интерфейсов аналоговых схем с учетом воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического происхождения. В ходе проведенного анализа для выпускаемых в ОАО «НИИЭТ» серий микропроцессоров, микроконтроллеров и аналогичных зарубежных разработок определен состав библиотеки типовых элементов, на основе которых возможна разработка изделий данного направления. Библиотека построена по иерархическому принципу и содержит элементы трех уровней: – нулевого (базовые библиотечные элементы); – первого (библиотека функциональных блоков первого уровня); – второго уровня (библиотека СФ- блоков). 126 Состав библиотеки базовых типовых элементов нулевого уровня: Логические элементы (инверторы, схемы «NAND», «NOR», «XOR» и их комбинации) ИНВЕРТОРЫ (L_NOT) .......................................................................... 26 типов ИНВЕРТОРЫ С ЗАЩЕЛКОЙ (L_DNOT) ............................................ 8 типов 2 И-НЕ(L_NAND2) .................................................................................. 18 типов З И-НЕ(L_NAND3) .................................................................................. 18 типов 4 И-НЕ(L_NAND4) .................................................................................. 12 типов 5 И-НЕ(L_NAND5) .................................................................................. 8 типов 6 И-НЕ(L_NAND6) .................................................................................. 8 типов 2 ИЛИ-НЕ(L_NOR2) ............................................................................... 18 типов 3 ИЛИ-НЕ(L_NOR3) ............................................................................... 18 типов 4 ИЛИ-НЕ(L_NOR4) ............................................................................... 12 типов 2/1/1 И-ИЛИ-НЕ(L_2_1ANDNOR) ........................................................ 8 типов 2/1 И-ИЛИ-НЕ(L_2ANDNOR) ............................................................... 6 типов 2/2 И-ИЛИ-НЕ(L_2AND2NOR) ............................................................. 6 типов 3/1 И-ИЛИ-НЕ(L_3ANDNOR) ............................................................... 6 типов 3/2 И-ИЛИ-НЕ(L_3AND2NOR) ............................................................. 6 типов 2/1/1 ИЛИ-И-НЕ(L_2_1ORNAND) ........................................................ 6 типов 2/1 ИЛИ-И-НЕ(L_2ORNAND) ............................................................... 8 типов 2/2 ИЛИ-И-НЕ(L_2OR2NAND) ............................................................. 8 типов 3/1 ИЛИ-И-НЕ(L_3ORNAND) ............................................................... 6 типов L_XORA4I4 .............................................................................................. 6 типов L_XORN4 ................................................................................................. 6 типов L_XORN4I8 .............................................................................................. 6 типов L_XORC4O4 ............................................................................................ 6 типов Мультиплексоры L_MXCI2_8 .............................................................................................. 8 типов L_MX4AT3 ............................................................................................... 8 типов 127 L_MX4AET8I20 ....................................................................................... 8 типов L_MX4AT4I20 ......................................................................................... 8 типов L_MX2AET8I20 ....................................................................................... 6 типов L_MX 2AET8 ........................................................................................... 6 типов L_MX 2AT4I12 ........................................................................................ 8 типов L_MX 2A14 .............................................................................................. 6 типов L_MX2AT8 ............................................................................................... 6 типов L_MXAT12 ............................................................................................... 10 типов Триггеры L_ST11222 ................................................................................................ 8 типов L_ST21222 ................................................................................................ 6 типов L_ST11442A ............................................................................................. 8 типов L_ST21442B ............................................................................................. 6 типов L_ST31442 ................................................................................................ 4 типа L_ST41442 ................................................................................................ 4 типа L_ST21444 ................................................................................................ 8 типов L_ST11448 ................................................................................................ 8 типов L_ST21448 ................................................................................................ 4 типов L_ST31448 ................................................................................................ 6 типов L_ST41448 ................................................................................................ 8 типов L_ST214420 .............................................................................................. 6 типа L_ST114420 .............................................................................................. 6 типа L_ST11882, L_STl1882A и L_STl1882B ............................................... 6 типов L_ST21882, L_ST2I882A и L_ST21882B .............................................. 6 типов L_ST21888 ................................................................................................ 8 типов Ключи(L_KEY) ........................................................................................ 16 типов Буферы L_BUFZl ................................................................................................... 12 типов L_BUFZlM................................................................................................ 8 типов L_BUFZ4 .................................................................................................. 12 типов 128 Состав библиотеки базовых элементов первого уровня: Регистры L1_RG1234 ............................................................................................... 6 типов L1_RG2134 ............................................................................................... 6 типов L1_RG2221 ............................................................................................... 5 типов L1_RG2222 ............................................................................................... 5 типов L1_RG2222S ............................................................................................. 6 типов L1_RGS345 ............................................................................................... 8 типов L1_ RGS346 .............................................................................................. 8 типов L1_ RGS347 .............................................................................................. 4 типа L1_ RGS348 .............................................................................................. 4 типа L1_RGD23 ................................................................................................ 2 типа L1_ RGD24 ............................................................................................... 6 типов L1_ RGD26 ............................................................................................... 4 типа L1_ RGDF23 ............................................................................................. 2 типа Счетчики L1_ST434 .................................................................................................. 4 типа L1_ ST 142 ................................................................................................ 4 типа L1_ ST 143 ................................................................................................ 6 типов L1_ ST 444 ................................................................................................ 4 типа L1_ ST 445SD ........................................................................................... 4 типов L1_ ST 891 ................................................................................................ 6 типов L1_ ST 892 ................................................................................................ 4 типа L1_ ST 23RD ............................................................................................ 5 типов L1_ ST 38RD ............................................................................................ 5 типов L1_ ST 48RD ............................................................................................ 8 типа L1_ ST 48RDA ......................................................................................... 2 типа L1_ ST 38RDNN ...................................................................................... 2 типа L1_ ST 48RDNN ...................................................................................... 2 типа L1_ ST 48RDANN.................................................................................... 2 типа 129 Дешифраторы L1_DESS12 ............................................................................................... 6 типов L1_ DESS14 .............................................................................................. 6 типов L1_ DESS143 ............................................................................................ 4 типов L1_ DESS16 .............................................................................................. 4 типа L1_ DESS18SD......................................................................................... 4 типа L1_ DESS18RD ........................................................................................ 6 типов L1_ DESS12ST12 ..................................................................................... 4 типа L1_ DESS12STG12 .................................................................................. 8 типов L1_ DESS14G14S28................................................................................. 4 типа L1_ DESS14G16S28................................................................................. 2 типа L1_ DESS1RD15 ...................................................................................... 6 типов L1_ DESS2RD15 ...................................................................................... 2 типа L1_ DESS16RD ........................................................................................ 2 типа Сумматоры L1_SUMM2 .............................................................................................. 4 типа L1_ SUMM4 ............................................................................................. 6 типа L1_ SUMM8 ............................................................................................. 6 типов L1_ SUMM16 ........................................................................................... 4 типов L1_ SUMM32 ........................................................................................... 2 типа Селекторы L1_SELM26a ............................................................................................ 8 типов L1_ SELM28a ........................................................................................... 4 типа L1_ SELM2MLT2 .................................................................................... 2 типа L1_ SELM2MLT8 .................................................................................... 6 типов L1_SEL24MLT16 ..................................................................................... 4 типа L1_SEL8STRB ......................................................................................... 6 типов Состав библиотеки базовых элементов второго уровня: Контроллеры L2_PRGCNT1A ........................................................................................ 1 тип 130 L2_ PRGCNT 2A ...................................................................................... 1 тип L2_ PRGCNT 3A ...................................................................................... 2 типа L2_ PRGCNT 4A ...................................................................................... 1 тип L2_ PRGCNT 5A ...................................................................................... 2 типа АЛУ L2_ALU1A ............................................................................................... 2 типа L2_ALU2A ............................................................................................... 2 типа L2_ALUF .................................................................................................. 1 тип Устройства многоразрядного сдвига L2_SDLR1 ................................................................................................ 1 тип L2_SDLR2 ................................................................................................ 1 тип Умножители L2_MULTF1 ............................................................................................. 1 тип L2_MULNP1 ............................................................................................ 1 тип L2_MULTS1 ............................................................................................. 2 типа Блок регистров и счетчиков команд L2_BRIGIS1 ............................................................................................. 2 типа Представленные элементы предназначены для проектирования ядер и периферийных блоков радиационно-стойких процессоров цифровой обработки сигналов (16-разрядов с фиксированной запятой, 32-разряда с плавающей запятой), микроконтроллеров (8-, 16- разрядов), цифровых блоков быстродействующих цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Всего библиотека насчитывает более 400 базовых, 230 первого уровня, 20 элементов второго уровня. Библиотека спроектирована с учетом норм базового технологического процесса НСАМ.02200.00014, реализованного на технологической линейке 1X1 НИИСИ РАН, г. Москва (КМОП - технология, КНИ - структуры, напряжение питания - 3,3 В, 0,35 мкм проектные нормы, STI-изоляция, один уро- 131 вень поликремния и четыре уровня металлизации) и ориентирована на использование программного продукта фирмы Cadence Design Systems. Базовый техпроцесс, выбранный для реализации ИМС, отвечает всем требованиям к конструкции и позволяет сформировать следующую элементную базу: – n-МОП и p-МОП линейные транзисторы A-типа (3,3 В); – n-МОП и p-МОП транзисторы A-типа с внешним расположением истока (3,3 В); – n-МОП и p-МОП транзисторы A-типа с внутренним расположением истока (3,3 В); – n-МОП и p-МОП транзисторы H-типа (3,3 В); – n-МОП и p-МОП кольцевые транзисторы o-типа (3,3 В); – резисторы с рабочими областями, выполненными в слоях поликремния и кремния N- и P-типов, а также в слоях металлизации; – конденсаторы поликремний - затворный оксид - кремний с погрешностью менее 5%. В библиотеке приняты следующие соглашения: для каждого библиотечного элемента (ячейки) приводятся атрибуты: – название библиотечного элемента; – электрическая схема библиотечного элемента; – условное графическое обозначение библиотечного элемента; – емкости входов и выходов библиотечного элемента; – времена задержки переключения из низкого уровня в высокий и из высокого уровня в низкий с учетом емкостной нагрузки; – таблица логических состояний и логическая функция (для логических ячеек) библиотечного элемента. Был проведен полный факторный эксперимент с тестовыми структурами, подвергшимися облучению с дозами 104, 5х104, 105, 106. Результатом испыта132 ний стали модифицированные SPICE параметры транзисторов для проведения схемотехнического моделирования. Разработанная библиотека использована в ОАО «НИИЭТ» г. Воронеж при разработке ряда изделий ЭКБ в рамках проводимых ОКР по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, в том числе космического назначения [91 - 94]: 1 - ОКР «Разработка и освоение производства спецстойкого микроконтроллера типа 1874ВЕ05Т с интерфейсом ГОСТ Р 52070-2003, АЦП и ШИМ», шифр «Обработка-4». Разработаны и освоены в серийном производстве микросхемы 1874ВЕ7Т [68, 75, 92 - 94]. Одной из важнейших составных частей общей бортовой системы управления космическими аппаратами (КА) является аппаратура (подсистема) ввода-вывода информации. В настоящее время для создания таких подсистем в качестве основного элемента используется радиационно-стойкий микроконтроллер 1874ВЕ05Т. Однако, функциональные возможности этого микроконтроллера не в полной мере удовлетворяют требованиям разработчиков систем управления КА, в первую очередь, из-за отсутствия в нем многоканального АЦП и контроллеров интерфейса MIL-STD-1553 (ГОСТ Р 52070-2003) и SpaceWire. В частности, для решения задач высокоскоростного сбора и обработки информации в условиях радиации и других внешних воздействующих факторов требуется наличие точного преобразователя аналоговых сигналов в цифровой эквивалент, т.е. АЦП, а с помощью шины (интерфейса) MIL-STD1553 или SpaceWire можно увязывать в единую систему существующие решения по отдельным подсистемам (блокам) бортовых вычислительных систем космических аппаратов. В этой связи актуальность проведения разработки радиационностойкого микроконтроллера с указанными функциональными устройствами не вызывает сомнений. В новом микроконтроллере будет реализована полная программная совместимость с применяемым сейчас серийным МК 1874ВЕ05Т, что позволит создавать перспективные образцы космической ап133 паратуры, устойчивой к специальным внешним воздействующим факторам, с наименьшими переделками и затратами. Помимо космических применений, разрабатываемый 16-разрядный микроконтроллер с АЦП, контроллерами интерфейсов ГОСТ Р 52070-2003 и SpaceWire и блоком ШИМ будет использоваться в цифровой аппаратуре управления электродвигателями, средствах радиолокации и другой аппаратуре с повышенными требованиями по стойкости к спецвоздействиям. Микроконтроллер программно совместим с микросхемой 1874ВЕ05Т. Применение разработанного микроконтроллера обеспечит бессбойную работу аппаратуры управления объектов единой космической системы (ЕКС) в условиях специальных видов воздействия, а также снижение массогабаритных характеристик и потребляемой мощности блоков (подсистем) ввода-вывода информации космических аппаратов в 2 – 2,5 раза. К числу предприятий, заинтересованных в применении данного микроконтроллера в перспективных образцах вооружения, относятся ФГУП ЦНИИ «Комета», ФГУП МОКБ «Марс», ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, ОАО «НПО автоматики», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». Рисунок 4.8 – Топология СБИС 1874ВЕ7Т 134 Рисунок 4.9 – Экспериментальная проверка адекватности моделирования СБИС 1874ВЕ7Т - спецстойкого микроконтроллера типа 1874ВЕ05Т с интерфейсом ГОСТ Р 52070-2003, АЦП и ШИМ. Достигнутый уровень стойкости: 7.И1 – 5Ус 7.И6 – 5Ус 7.И7 – 0,5х5Ус 7.И8 – 1Ус 7.И12 - 7.И13 – 2х2Р 7.С1 – 5Ус 7.С4 – 5Ус 7.К1 – 0,5х2К1 (2К2) 7.К4 - 0,5х1К1 (1К2) 7.К11 – 60 МэВхсм2/мг (3) Примечания: 1. При совместном воздействии факторов с характеристиками 7.К1 и 7.К4. 2. При независимом воздействии факторов с характеристиками 7.К1 и 7.К4. 3. По катастрофическим отказам и тиристорному эффекту. 135 2 - ОКР «Разработка и освоение производства радиационно-стойкого цифрового сигнального процессора с фиксированной запятой по типу 1867ВМ2 (TMS320C25)», шифр «Обработка-5». Разработаны и освоены в серийном производстве микросхемы 1867ВМ8Т. Целью работы является разработка конструкции, технологии изготовления и освоение серийного производства спецстойкого 16-разрядного процессора цифровой обработки сигнала (ПЦОС) с фиксированной запятой по типу широко применяемого в аппаратуре процессора 1867ВМ2 в интересах Федерального космического агентства и Госкорпорации "Росатом". Разработанная микросхема позволит обеспечить надежную и бессбойную работу систем управления перспективных образцов ВВСТ в жестких условиях специальных внешних воздействующих факторов (СВВФ), а также добиться снижения потребляемой и рассеиваемой мощности и уменьшения стоимости электронных блоков за счет унификации, как аппаратных решений, так и программных кодов. В настоящее время отечественной электронной промышленностью выпускается линейка 16-разрядных цифровых сигнальных процессоров серии 1867 с различными характеристиками. Однако, все микросхемы, выпускаемые в рамках данной серии, как и все другие отечественные микросхемы подобного класса, не обеспечивают стойкость к воздействию СВВФ. Разработка микросхемы направлена на создание на базе достигнутого научно-технического потенциала нового поколения процессоров, а именно СБИС 16-ти разрядных микропроцессоров обработки сигналов с фиксированной запятой, стойких к воздействию СВВФ. Разработанная микросхема способна полностью заменить серийно выпускаемые ПЦОС типа 1867ВМ2 в критически важных к воздействию спецфакторов электронных комплексах, включая бортовые системы управления и обработки сигналов стратегических ядерных комплексов РВСН, ВМФ, ВВС, ракет-носителей и космических аппаратов различного назначения. Микросхема является функциональным аналогом нестойких микросхем 1867ВМ2 (ФГУП "НИИЭТ", Россия). 136 Рисунок 4.10 – Топология СБИС 1867ВМ8Т. Рисунок 4.11 – Экспериментальная проверка адекватности моделирования СБИС 1867ВМ8Т - радиационно-стойкого цифрового сигнального процессора с фиксированной запятой по типу 1867ВМ2 (TMS320C25). 137 Достигнутый уровень стойкости к внешним воздействиям: 7.И1 – 5Ус 7.И6 – 5Ус 7.И7 – 0,5х5Ус 7.И8 – 1Ус 7.И12 - 7.И13 – 2х2Р 7.С1 – 5Ус 7.С4 – 5Ус 7.К1 – 0,5х2К1 (2К2) 7.К4 - 0,5х1К1 (1К2) 7.К11 – 60 МэВхсм2/мг (3) Примечания: 1. При совместном воздействии факторов с характеристиками 7.К1 и 7.К4. 2. При независимом воздействии факторов с характеристиками 7.К1 и 7.К4. 3. По катастрофическим отказам и тиристорному эффекту. 3 - ОКР «Разработка и освоение производства комплекта быстродействующих радиационно-стойких ЦАП разрядностью 8, 12, 14 бит», шифр «Цифра13» [64, 74, 75, 76, 81]. Разработаны и освоены в серийном 1273ПА11Т, 1273ПА12Т, 1273ПА13Т. Достигнутый уровень стойкости: 7.И1 – 4Ус 7.И6 – 4Ус 7.И7 – 4Ус 7.И8 – 0,02х1Ус 7.С1 – 4Ус 7.С4 – 0,5х4Ус 7.К1 – 2,5х1К1 (5х1К2) 7.К4 - 0,1х1К1 (0,25х1К2) 138 производстве микросхемы 7.К12 – 60 МэВхсм2/мг (3) Примечания: 1. При совместном воздействии факторов с характеристиками 7.К1 и 7.К4. 2. При независимом воздействии факторов с характеристиками 7.К1 и 7.К4. 3. По катастрофическим отказам и тиристорному эффекту. 4 - ОКР «Разработка микросхемы шестиканального 16-разрядного АЦП», шифр «Основа-Талон-НИИЭТ». Разработаны и освоены в серийном производстве микросхемы 1273ПВ10Т [42, 83, 87]. Ряд конструктивно-технологических решений, отработанных при разработке библиотеки элементов получил дальнейшее развитие при разработке аналоговых интегральных схем и макроблоков [67, 74, 81, 82, 89]. Выводы 1. Разработана проблемно-ориентированная подсистема САПР, учитывающая влияние радиационных эффектов воздействия низкоинтенсивного излучения космического пространства 2. Разработана радиационно-стойкая библиотека базовых типовых элементов, адаптированная под технологический процесс НСАМ.02200.00014, реализованный на технологической линейке 1X1 НИИСИ РАН. 3. Разработанные средства САПР внедрены в ОАО «НИИЭТ» и использованы при разработке радиационно-стойких изделий электронной техники по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации. 139 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Проведен анализ современного состояния средств автоматизации проектирования, физических и математических моделей, описывающих воздействие ионизационного излучения низкой интенсивности, что позволило определить проблемы и направления их устранения для создания радиационно-стойких микросхем. 2. Разработана методика проектирования СБИС, структура программного обеспечения, позволяющего учесть низкоинтенсивное ионизирующее излучение космического пространства, и определены способы интеграции его в САПР сквозного проектирования. 3. Разработаны математические модели протекания физических процессов в полупроводниковых структурах СБИС при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства. 4. Разработаны методы и определены соотношения, описывающие деградацию параметров библиотечных элементов при воздействии ионизирующего излучения космического пространства в зависимости от мощности дозы и температуры среды. 5. Разработаны модели поведения элементов КМОП СБИС при воздействии ионизирующего излучения космического пространства на схемотехническом уровне. 6. С помощью разработанных средств осуществлено проектирование мик- росхем, что позволило оценить эффективность предложенных средств. 140 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах / Под редакцией Т.М. Агаханяна. Москва: Энергоатомиздат, 1989 - 256 с. 2. Антимиров, В.М. Современные вычислительные комплексы для бортовых систем управления [Текст] / Антимиров В.М., Ачкасов В.Н., Машевич П.Р. // Полет. 2005. – №8. – С.23 - 26. 3. Антимиров, В.М. Создание промышленной инфраструктуры разработки, производства и испытания вычислительных комплексов для систем управления двойного назначения [Текст] / Антимиров В.М., Машевич П.Р., Ачкасов В.Н.// Авиакосмическое приборостроение. 2005. – №8. – С.9 - 11. 4. Аствацатурьян, Е.Р. Методы повышения радиационной стойкости электронных схем и устройств вычислительной техники [Текст] / Е.Р.Аствацатурьян и др.- Москва: Издательство МИФИ, 1986. - 88 с. 5. Ачкасов А.В. Автоматизация проектирования изделий микроэлектроники с учетом статических видов радиации [Текст]: монография / А.В. Ачкасов, В.К.Зольников, К.И.Таперо – Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2006.- 258 с. 6. Ачкасов А.В. Алгоритм оценки стойкости микроэлектронных компонентов к специальным факторам / А.В.Ачкасов // Информационные технологии моделирования и управления. 2005. – № 7(25). – С.984 987. 7. Ачкасов А.В. Задачи развития микроэлементной базы двойного назначения / А.В. Ачкасов // Промышленная информатика: Межвузовский сборник научных трудов Воронеж: ВГТУ. – 2005. – С.24-27. 8. Ачкасов А. В. Моделирование радиационных эффектов в КМОП приборах в САПР [Текст] / А.В.Ачкасов, А.И.Яньков // Приводная техника. – 2006. – №6(64). – С. 17 - 22. 141 9. Ачкасов А.В. Методика проектирования СБИС двойного назначения / А.В.Ачкасов // Материалы Международной научно-практическая конференции «Современные проблемы создания технических средств противодействия терроризму и преступности» – Воронеж: Институт МВД. - 2006.- С.127-128. 10. Ачкасов А.В. Оценка стойкости микроэлектронных компонентов / А.В.Ачкасов// Материалы Российской конференции «Стойкость2006». – Москва: МИФИ. - 2006.- С.13-14. 11. Ачкасов, А.В., Проблемы проектирования современной радиационностойкой элементной базы / А.В.Ачкасов // Материалы X Международной конференции «Системные проблемы надѐжности, качества, информационных и электронных технологий. – Москва: Издательство «Радио и связь». – 2005. Часть 1 – С.84 -85. 12. Ачкасов, А. В. Создание отечественной проектной среды разработки микроэлектронных систем [Текст] / А.В.Ачкасов, А.И.Яньков // Приводная техника. – 2006. – №6(64). – С. 31-34. 13. Ачкасов, В.Н. Методика определения стойкости изделий микроэлектроники / В.Н.Ачкасов // Труды всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы». – Воронеж. Воронежский государственный технический университет. – 2006. –С. 29 – 30 14. Ачкасов, В.Н. Обоснование структуры АРМ проектирования базовых элементов микросхем двойного назначения [Текст] / В.Н.Ачкасов, П.Р.Машевич, Ю.К.Фортинский, В.Е.Межов // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления: Межвузовский сборник научных трудов Выпуск Х. – Воронеж: ВГЛТА, 2005. - С. 215-216. 15. Ачкасов, В.Н. Подсистема автоматизации проектирования радиационно-стойкой элементной базы и унифицированных модулей вычислительных комплексов В.Н.Ачкасов, бортовых В.М.Антимиров, 142 систем управления П.Р.Машевич, [Текст] / Ю.К.Фортинский //Труды всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы». – Воронеж. Воронежский государственный технический университет. – 2005. –С. 45-46. 16. Ачкасов, В.Н. Создание промышленной и научной инфраструктуры корпоративной разработки, производства и испытания элементной базы, модулей и вычислительных комплексов для систем управления [Текст] / Ачкасов В.Н., Антимиров В.М., Машевич П.Р., Фортинский Ю.К.// Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2005. Выпуск 3–4. С. 3–5. 17. Ачкасов, В.Н. Средства автоматизации проектирования радиационностойкой элементной базы и унифицированных модулей вычислительных комплексов бортовых систем управления [Текст] / В.Н. Ачкасов, В.М. Антимиров. П.Р.Машевич // Материалы Российской конференции «Стойкость-2005». – Москва: МИФИ. - 2005.- С.251. 18. Ачкасов В. Н. Технические средства дизайн центра проектирования универсальных и специализированных радиационно - стойких микросхем [Текст] / В.Н. Ачкасов, А.В.Ачкасов, И.П.Потапов // Приводная техника. – 2006. – №5(63). – С. 24 - 27. 19. Бадин, М. Платформенный принцип проектирования СБИС и ПЛИС. Часть 1 [Текст] / М. Бадин, Д. Воронков, А. Руткевич, М. Сенченко, В. Стешенко, Г. Шишкин // Электронные компоненты. - 2008. - №1. 20. Бибило, П.Н. Системы моделирования интегральных схем на основе языка VHDL. StateCAD, ModelSim, Leonardo Spectrum [Текст] / П.Н. Бибило. - Москва: СОЛОН Пресс, 2005. - 384 с. 21. Вавилов, В.С. Действие излучений на полупроводники. [Текст] / В.С. Вавилов - Москва:Атомиздат, 1974. - 232 с. 22. Вавилов, В.С. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. [Текст] / В.С.Вавилов, Н.А. Ухин - Москва: Атомиздат, 1969. - 312 с. 143 23. Гадияк, Г.В. Моделирование распределения водорода при инжекции электронов в пленках SiO2 в сильных электрических полях [Текст] / Г.В. Гадияк // ФТП. 1997. Т. 31, № 3. С. 257–263. 24. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники [Текст] / Под ред. Е.А. Ладыгина. Москва: Советское радио, 1980. 25. Зольников В.К. Задачи автоматизации проектирования современной радиационно-стойкой элементной базы / В.К.Зольников, А.В.Ачкасов // Труды всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» – Воронеж. Воронежский государственный технический университет. – 2005. –С. 61-62. 26. Зольников, В.К. Метод оценки стойкости интегральных схем к специальным факторам [Текст] / В.К. Зольников, Е.А.Кузьмин, О.Н. Мануковский // Специальная электроника. - 1991. - Серия 8. Выпуск 1(37). С. 13-18. 27. Зольников, В.К. Моделирование реакции ИС при воздействии ИИ в САПР ИЭТ [Текст] / В.К. Зольников, В.П.Крюков // Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники: Труды I Международной практической конференции Королев. Издательство Москва РАКА, 2002. С.69. 28. Зольников, В.К. Проблемы создания проектной среды разработки микроэлектронных систем [Текст] / В.К.Зольников, В.Е. Межов, П.Р.Машевич, В.Н.Ачкасов // Материалы международной научнопрактической конференции «Наука и образование» - Воронеж, 2005. – С. 216-219. 29. Зольников, В.К. Прогнозирование работоспособности биполярных ИМС при воздействии гамма-излучения малой мощности [Текст] / В.К. Зольников, В.Г. Калинин // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиаэлектронную аппаратуру, - 1997. - Выпуск 1-2. - С.40-43. 144 30. Зольников, В.К. Разработка математических моделей расчета радиационной стойкости параметров типовых элементов и определение адекватности схемотехнических и конструктивно-технологических решений [Текст] /В.К. Зольников, В.П. Крюков, В.Н. Ачкасов, В.А. Смерек // Моделирование систем и процессов. 2011. – № 1,2. – С – 2426. 31. Зольников, В.К. Создание микроэлементной базы двойного назначения [Текст] / В.К. Зольников, И.П. Потапов, А.Н. Зольникова, В.И. Анциферова // Материалы X Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий». - Москва: Издательство «Радио и связь». - 2006. Часть 1. - С.26. 32. Зольников, В.К. Создание отечественной проектной среды разработки микроэлектронных систем [Текст] / В.К. Зольников, В.Н. Ачкасов, П.Р. Машевич, И.П. Потапов // Вестник ВГТУ. Системы автоматизации проектирования, 2006, выпуск 2. - №3. - С.9-11. 33. Зольников, К.В. Методы создания стойких микросхем в САПР [Текст] / К.В.Зольников А.А.Стоянов, В.А.Скляр // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2013. - №5 - С. 212-217. 34. Зольников, К.В. Метод и алгоритм поиска дефектов для радиационностойких микросхем [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, В.И.Анциферова, В.П.Крюков, А.В.Ачкасов, С.А.Евдокимова // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2014. - № 2. - С. 10-13. 35. Зольников, К.В. Методы схемотехнического моделирования КМОП СБИС с учетом радиации [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, В.И.Анциферова, С.А.Евдокимова // Вопросы атомной науки и техни- 145 ки. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2014. - № 2. - С. 5-9. 36. Зольников, К.В. Моделирование воздействия ТЗЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Смерек, А.В. Ачкасов, В.А.Скляр // Моделирование систем и процессов. - 2014. - № 1. - С. 15-17. 37. Зольников, К.В. Моделирование радиационных эффектов на физикотехнологическом уровне в САПР ИЭТ [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, А.А.Стоянов, К.И.Таперо, А.И.Озеров // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 4. - С. 92-97. 38. Зольников, К.В. Обзор программ для САПР субмикронных СБИС [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр В.А., В.В.Лавлинский, С.А.Евдокимова, В.И.Анциферова В.И. // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 2. - С. 72-76. 39. Зольников, К.В. Обзор средств САПР для субмикронных СБИС [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, И.В.Нагорный, В.В. Лавлинский // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 1. - С. 60-64. 40. Зольников, К.В. Проблемы моделирования воздействия космического излучения на элементную базу [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, С.А.Евдокимова // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2014. - № 2. - С. 17-20. 41. Зольников, К.В. Развитие технологии и платформ проектирования при топологических нормах менее 90 нм [Текст] / К.В.Зольников В.А.Скляр, В.В.Лавлинский, К.И.Таперо, А.И.Озеров // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 4. - С. 72-76. 42. Зольников, К.В. Разработка микросхемы для систем сбора и обработки данных [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, А.В.Ачкасов // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 1. - С. 40-44. 146 43. Зольников, К.В. Совмещенная аппаратно-программная верификация микросхем [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, И.В.Нагорный // Моделирование систем и процессов. - 2012. - №2. - С. 63-65. 44. Зольников, К.В. Учет электрофизических эффектов субмикронного уровня при проектировании современных СБИС [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр, И.В.Нагорный / Моделирование систем и процессов. - 2012. - №3. - С. 42-44. 45. Зольникова, А.Н. Комплекс программ расчета работоспособности ИС при воздействии ионизирующих излучений. [Текст] / А.Н. Зольникова, В.Е. Межов // Вопросы атомной науки и техники. Серия Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2000. - Вып. 1-2. – С.93-96. 46. Зольникова, А.Н. Математическая модель расчета изменения параметров ИС при воздействии дозы ИИ [Текст] / А.Н.Зольникова, В.Н.Ачкасов, В.П.Крюков // Радиационная стойкость электронных систем: Научно-технический сборник Выпуск 5. - Москва: СПЭЛСНИИП, 2002. - С.107 - 108. 47. Зольникова, А.Н. Оценка стойкости и надежности ИС при воздействии гамма–излучения [Текст] / А.Н. Зольникова, В.Н. Ачкасов, В.П.Крюков // Актуальные проблемы анализа и обеспечение надежности и качества приборов, устройств и систем: Сборник докладов научно-технической конференции Под редакцией А.П.Андреева, А.В.Блинова, Н.К.Юркова. - Пенза: Издательство Пензенского государственного технического университета, 2002. - С.236-239. 48. Зольникова, А.Н. Расчет стойкости компонентов КМОП ИС, к радиационному воздействию / А.Н. Зольникова, В.Н. Ачкасов, В.П. Крюков // Актуальные проблемы анализа и обеспечение надежности и качества приборов, устройств и систем: Сборник докладов научнотехнической конференции [Текст] / Под редакцией А.П.Андреева, 147 А.В.Блинова, Н.К.Юркова. - Пенза: Издательство Пензенского государственного технического университета, 2002. - С.234-235. 49. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов [Текст] /под редакцией Г.Г. Райкунова; Москва:ФИЗМАТЛИТ, 2013. -256с. 50. Коршунов, Ф.П. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. [Текст] / Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, В.А.Вавилов // - Минск: Наука и техника, 1986. - 254с. 51. Крюков, В.П. Координационное управление предприятиями электронной промышленности [Текст] / В.П.Крюков, А.Н.Зольникова, К.А.Чубур, В.А.Скляр, Н.В.Нагорный // Первая Российко-Белорусская научно-техническая конференция, Н.Новгород, Издательство: ННГУ. - 2013. – 204-206. 52. Крюков, В.П. Математические методы координационного управления предприятиями электронной промышленности [Текст] / В.П.Крюков, А.Н.Зольникова, К.А.Чубур, В.А.Скляр, Н.В.Нагорный // Материалы международной научно-практической конференции «Архетип человека и будущее человечества» Воронеж. 2013- С.234-239. 53. Крюков В.П. Моделирование изменения параметров ИС при воздействии дозы ИИ [Текст] / В.П. Крюков // Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий: Труды Международной научно-технической конференции Москва, 2002. - С.93-95. 54. Крюков, В.П. Моделирование изменения параметров-критериев годности при воздействии радиации [Текст] / В.П. Крюков, В.Н. Ачкасов, В.К. Зольников // Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий: Труды Международной научно-технической конференции Москва, 2002. - С.146-151. 148 55. Машевич, П.Р. Инструментальные средства автоматизации проектирования дизайн центра [Текст]: монография / П.Р. Машевич, В.К. Зольников; ВГУ. - Воронеж, 2006. - 284 с. 56. Машевич, П.Р. Лингвистические средства для проектирования микросхем [Текст] / П.Р.Машевич // Информационные технологии моделирования и управления. 2005. – № 2(20). – С.209 - 213. 57. Машевич, П.Р. Промышленная технология разработки и изготовления отечественных микросхем [Текст] / П.Р.Машевич // Вестник воронежского государственного технического университета. Серия: системы автоматизации проектирования. 2005. Выпуск 1. - №11. – С.127 - 129. 58. Машевич, П.Р. Создание отечественной промышленной технологии автоматизации разработки и изготовления СБИС [Текст] / П.Р. Машевич, Ю.К. Фортинский // Информационные технологии моделирования и управления. - 2005. - №2(20). - С.301-306. 59. Машевич, П.Р. Технология создания современной элементной базы [Текст] / П.Р. Машевич // Материалы Всероссийской конференции «Информационные технологии». – Воронеж: Издательство «Научная книга». – 2005. – С.157-158. 60. Межов, В.Е., Метод повышения стойкости ИС с помощью радиационно-стимулированного метода отбраковки [Текст] / В.Е. Межов, В.К. Зольников, В.П. Крюков // Вестник. Научно-технический журнал центрального черноземного регионального отделения наук о лесе - Воронеж: ВГЛТА. - 2002. - С.51-59. 61. Мещуров, О.В. Дозиметрический контроль на борту космических аппаратов с помощью МДП-дозиметров [Текст] / О.В. Мещуров и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. : Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2003. Выпуск 4. С. 34–38. 62. Научно-технический отчет по ОКР «Разработка и освоение производства спецстойкого микроконтроллера типа 1874ВЕ05Т с интерфейсом 149 ГОСТ Р 52070-2003, АЦП и ШИМ», шифр «Обработка-4» / ОАО «НИИЭТ». 2013. -121с. 63. Научно-технический отчет по ОКР «Разработка и освоение производства радиационно-стойкого цифрового сигнального процессора с фиксированной запятой по типу 1867ВМ2», шифр «Обработка-5» / ОАО «НИИЭТ». 2013. -145с. 64. Научно-технический отчет по ОКР «Разработка и освоение производства комплекта быстродействующих радиационно-стойких ЦАП разрядностью 8, 12, 14 бит», шифр «Цифра-13» / ОАО «НИИЭТ». 2013. 153с. 65. Немудров, В. Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие [Текст]/ В. Немудров., Г.Мартин – Москва: Техносфера, 2004. – 216с. 66. Никофоров, А.Ю. Радиационные эффекты в КМОП ИС [Текст] / А.Ю.Никифоров, В.А.Телец, А.И.Чумаков. - Москва: Радио и связь, 1994. -164с. 67. Патент на полезную модель RUS 135863 Дифференциальный усилитель для КМОП-технологий с низким напряжением питания / Балашов Ю.С, Русанов А.В., Скляр В.А. - № 2013115973 заявл. 09.04.2013; опубл. 20.12.2013. 68. Патент на полезную модель RUS 143321 Интегральный МОП транзистор для низковольтных микросхем / Русанов А.В., Ткачев А.Ю., Скляр В.А. - № 2014105070 заявл. 11.02.2014; опубл. 19.06.2014. 69. Першенков, В.С. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. [Текст] / В.С. Першенков, В.Д. Попов, А.В. Шальнов - М.: Этомэнергоиздат, 1988. - 256с. 70. Потапов, И.П. Архитектура и структура информационной среды проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П. Потапов // Промышленная информатика ВГТУ. – 2005. – С. 45-46. 71. Потапов, И.П. Архитектура САПР радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П.Потапов // Моделирование систем и информацион150 ные технологии: межвузовский сборник научных трудов / Воронеж: Издательство «Научная книга» - 2006. Выпуск 3. Ч.2. – С. 226 – 227 72. Потапов, И.П. Обоснование архитектуры интегрированной информационной среды проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П.Потапов, П.Р.Машевич // Информационные технологии моделирования и управления. 2005. – № 7(25). – С.1002 - 1005. 73. Потапов И.П. Средства автоматизации проектирования радаиционностойкой элементной базы / И.П.Потапов, А.В.Ачкасов, В.К.Зольников // Вопросы атомной науки и техники. Серия 8. 2006. – Выпуск 1-2. – С.147 - 149. 74. Русанов, А.В. Операционные усилители для КМПО-технологий 180нм [Текст] / А.В.Русанов, Ю.С.Балашов, В.А.Скляр // Межвузовский сборник научных трудов, «проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем. Воронеж. – 2011. – С.152-155. 75. Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS №2013630073 Интегральная микросхема биполярной МОП транзисторной структуры с низким напряжением питания / Скляр В.А., Русанов А.В., Ткачев А.Ю., Балашов Ю.С. - № 2013630028 заявл. 09.04.2013; опубл. 30.05.2013. 76. Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS №2013630129 Топология интегральной микросхемы 1273ПА11Т / Скляр В.А., Горбунов Д.Е., Битюцких С.В. - № 2013630092 заявл. 05.07.2013; опубл. 29.08.2013. 77. Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS №2013630119 Топология интегральной микросхемы 1273ПА12Т / Скляр В.А., Борисов Ю.Н., Горбунов Д.Е. - № 2013630085 заявл. 18.06.2013; опубл. 02.08.2013. 78. Скляр, В.А Виды и этапы верификационных процедур систем на кристалле [Текст] / В.А.Скляр, В.В. Лавлинский // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 61-63. 151 79. Скляр, В.А. Методика верификации современных микросхем [Текст] / В.А.Скляр // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 53-57. 80. Скляр В.А. Методика проектирования СБИС с учетом низкоинтенсивного ионизирующего излучения [Текст] / В.А.Скляр, В.К.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2014. - № 2. С. 38-40. 81. Скляр, В.А. Методы проектирования аналоговых схем в КМОП технологиях с низким напряжением питания [Текст] / В.А.Скляр, А.В.Русанов, Ю.С.Балашов Ю.С. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. № 2. - С. 45-50. 82. Скляр, В.А. Микросхемы импульсных преобразователей напряжения для стабилизированных источников питания [Текст] / В.А.Скляр, И.А.Суров, А.В.Родин // Первая Российко-Белорусская научнотехническая конференция, Н.Новгород, Издательство: ННГУ. - 2013. – 206-209. 83. Скляр, В.А. Микросхемы шестиканального 16-разрядного АЦП [Текст] / В.А.Скляр // Первая Российко-Белорусская научнотехническая конференция, Н.Новгород, Издательство: ННГУ. - 2013. – 210 - 214. 84. Скляр В.А. Моделирование эффектов низкоинтенсивного ионизирующего излучения в СБИС [Текст] / В.А.Скляр, В.К.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2014. - № 2. - С. 35-37. 85. Скляр, В.А. Основные методы и процедуры верификации СФ-блоков [Текст] / В.А.Скляр, В.П.Крюков, В.Н.Ачкасов, Ю.А.Чевычелов // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 58-61. 86. Скляр, В.А. Проблема целостности сигнала: характеризация и моделирование процессов в САПР [Текст] / В.А.Скляр, В.К.Зольников, А.И.Яньков, Ю.А.Чевычелов, В.Ф.Барабанов // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 2. - С. 67-72. 152 87. Скляр, В.А. Проектирование и испытания микросхем для систем сбора и обработки информации [Текст] / В.А.Скляр, А.В.Ачкасов, К.В.Зольников // Радиотехника. - 2014. - № 6. - С. 94-98. 88. Скляр В.А. Разработка микросхемы для использования в автомобильном транспорте при сборе и обработке данных [Текст] / В.А.Скляр, К.В.Зольников, А.В.Ачкасов, А.А.Стоянов // Материалы международной конференции «Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования» - 2014 - ВГЛТА – С. 348-354. 89. Скляр, В.А. Разработка преобразователей напряжения для стабилизированных источников питания [Текст] / В.А.Скляр, И.А.Суров, А.В.Суров // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 1. - С. 44-47. 90. Скляр, В.А. Создание тестовых последовательностей [Текст] / В.А.Скляр, В.Н.Крюков, В.Н.Ачкасов В.Н. // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 1. - С. 65-70. 91. Смерек, В.А. Микроконтроллер 1830ВЕ32У - 8-разрядная архитектура MSC-51 в радиационно-стойком исполнении [Текст] / В.А. Смерек, А.И. Яньков, А.В. Крюков // Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС)". Сборник трудов. – 2010. – № 1. – С.279-282. 92. Смерек, В.А. Радиационно-стойкий микроконтроллер со встроенным АЦП, контроллером интерфейса ГОСТ Р 52070-2003 и SpaceWire [Текст] / В.А. Смерек, / Труды первой Российско-Белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» - Н.Новгород, Издательство ННТУ. – 2013 - Т1 – С 79-83. 93. Смерек, В.А. Разработка средств повышения радиационной стойкости и создание радиационно-стойких СБИС [Текст] / В.А. Смерек // Моделирование систем и процессов. - 2010. - № 3-4. - С. 31-33. 153 94. Смерек, В.А. Реализация методов средств повышения радиационной стойкости и создание радиационно-стойких СБИС [Текст] / В.А. Смерек, В.М. Антимиров // Моделирование систем и процессов. - 2012. № 4. - С. 32-34. 95. Таперо, К.И. Кинетика накопления и отжига радиационных дефектов в активных областях кремниевых МОП и КМОП структур. [Текст] / К.И. Таперо // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. 1997. 96. Уткин, Д.М. Математическая модель сложных функциональных блоков, функционирующих в условиях воздействия радиации [Текст] / Д.М.Уткин, В.В.Лавлинский, В.А.Скляр // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 3. - С. 55-58. 97. Фортинский, Ю.К. Зольников, В.К. Конарев, М.В. Создание подсистемы верификации сложных цифровых микросхем с учетом радиационного Ю.К. Фортинский, В.К. Зольников, М.В. Конарев; ВГУ. - Воронеж, 2011. - 208 с. 98. Шагурин, И. Системы на кристалле. Особенности реализации и перспективы применения / И. Шагурин // Электронные компоненты. 2009.-№1. 99. Boesch H.E. Jr. Interface-State Generation in Thick SiO2 Layers // Ibid. 1982. N 6. P. 1446–1451. 100. Boesch H.E. Jr., McLean F.B. Hole Transport and Trapping in Field Oxides // Ibid. 1985. Vol. 32, N 6. P. 3940–3945. 101. Brown D.B., Saks N.S. Time-Dependence of Radiation-Induced Interface Trap Formation in Metal-Oside-Semiconductor Devises as a Function of Oxide Thickness and Applied Field // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 70, N 7. P. 3734–3747. 102. Dodd, P.E. Shaneyfelt, M.R. Schwank, J.R. Felix, J.A. ―Current and Future Challenges in Radiation Effects on CMOS Electronics,‖ IEEE Trans. on Nucl. Sci, vol. 57, no. 4, pp. 1747-1763, August 2010 154 103. Fleetwood D.M., Shaneyfelt M.R., Schwank J.R. Simple Method to Estimate Oxide-Trap, Interface-Trap and Border-Trap Charge Densities in Metal-Oxide-Semiconductor Transistors // Appl. Phys. Lett. 1994. Vol. 64, N 15. P. 1965–1967. 104. Koga R. et al. On the Suitability of Non-Hardened High Density SRAMs for Space Applications // Ibid. 1991. Vol. 38. P. 1507. 105. McLean F.B. A Framework for Understanding Radiation-Induced Interface States in SiO2 MOS Structures // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1980. Vol. 27, N 6. P. 1651–1657. 106. Rashkeev S.N., Fleetwood D.M., Schrimpf R.D., Pantelides S.T. Defect Generation by Hydrogen at the Si-SiO2 Interface // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 87, N 16. 165506/1–4. 107. Rashkeev S.N., Fleetwood D.M., Schrimpf R.D., Pantelides S.T. ProtonInduced Defect Generation at the Si-SiO2 Interface // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2001. Vol. 48, N 6. P. 2086–2092. 108. Shaneyfelt M.R., Dodd P.E., Draper B.L., Flores R.S. Challenges in Hardening Technologies Using Shallow-Trench Isolation // Ibid. 1998. Vol. 45, N 6. P. 2584–2592. 109. Schwank J.R., Fleetwood D.M., Winokur P.S. et al. The Role of Hydrogen in Radiation-Induced Defect Formation in Polysilicon Gate MOS Devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1987. Vol. 34, N 6. P. 1152–1158. 110. Schwank J.R., Dawes W.R. Jr. Irradiated Silicon Gate MOS Device Bias Annealing // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983. Vol. 30, N 6. P. 4100–4104. 155 Методика Руководящий документ Изделия электронной техники МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ИС ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ПОЛЯХ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОЙ МОЩНОСТИ Российский научно-исследовательский институт «Электронстандарт» 1999 1.Назначение и область применения Настоящий руководящий документ (РД) распространяется на полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС) и устанавливает методы прогнозирования параметрической надежности ИС при их эксплуатации в полях ионизирующего излучения малой мощности с учетом температуры окружающей среды и электрических режимов работы ИС. 2. Определения 2.1. Надежность (Н) – внутреннее свойство ИС сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. 2.2. Исправное состояние (ИСО) – состояние ИС, при котором она соответствует всем требованиям нормативно-технической документации. 2.3. Работоспособное состояние (РСО) – состояние ИС, при котором все параметры, характеризующие ее способность выполнять заданные функции, соответствуют нормативнотехнической документации. Однако в ИС, способной выполнять свои основные функции, в данном состоянии могут быть повреждения, не влияющие на ее электрические параметры. 2.4. Отказ (ОТ) – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния. 2.5. Внезапные отказы (ВО) – отказы, возникающие за очень короткий промежуток времени, позволяющие говорить о мгновенном отказе и заключающиеся в прекращении функционирования, значительном изменении электрических параметров и т.п. 2.6. Дрейфовые отказы (ДО) – отказы, связанные с выходом электрических параметров за норму ТУ, происходящие за значительное время, соизмеримое со всем временем эксплуатации, транспортирования и хранения. 2.7. Параметрическая надежность (ПН) – составляющая надежности, которая из всех видов отказов рассматривает только дрейфовые отказы. 2.8 Параметр-критерий годности (ПКГ) – параметры, которые в наибольшей степени изменяются в ходе эксплуатации и которые выходят за норму ТУ в первую очередь. Для разных технологий ИС такими параметрами являются: - биполярные: UOL, UOН, IOL, Ioz - КМОП: ICC, UOL, UOН, IOL, Ioz 2.9. Линия среднего значения ПКГ (СЗ) – линия на графике изменения ПКГ от времени, соответствующая изменению среднего значения ПКГ. 2.10. Статистические границы разброса ПКГ (СГ) – линии на графике изменения ПКГ от времени, соответствующие изменению СЗ ПКГ± 3σ. 2.11. Линия критического значения ПКГ (ЛКЗ) – линии на графике изменения ПКГ от времени, соответствующие изменению СЗ ПКГ + 3 σ или СЗ ПКГ - 3σ в зависимости от того, откуда норма ТУ ограничивает ПКГ. Если норма ТУ ограничивает ПКГ снизу, то выбирается СЗ ПКГ - 3σ, если сверху, то СЗ ПКГ + 3σ. 156 2.12. Порог времени отказа (ПВО) – момент время от начала эксплуатации ИС до момента, когда ЛКЗ ПКГ достигает нормы ТУ. 2.13. Кривая стабильности (50%) – кривая зависимости числа ИС, у которых ПКГ не вышел за 50% границу от среднего начального значения (в процентах к общему числу ИС в выборке) от времени. По оси абсцисс откладываются число ИС, у которых изменения параметров не превысили 50% границу от среднего начального значения (в процентах к общему числу ИС в выборке), а по оси ординат – время эксплуатации. Если ПКГ ИС хотябы раз пересекли 50% границу от среднего начального значения, то такая ИС считается забракованной. 2.14. Нормальный режим эксплуатации – режим, соответствующий режиму ТУ при испытании на долговечность. 2.15. Форсированный режим эксплуатации – режим, отличающийся от режима ТУ при испытании на долговечность в части воздействия повышенной температуры окружающей среды и (или) повышенной электрической нагрузки. 3. Методология расчета 3.1 Цель расчета – рассчитать ПВО. 3.2. Для достижения поставленной цели рассчитываются: обязательные характеристики расчета: - изменение СЗ ПКГ от времени; - изменение СГ ПКГ от времени; из анализа полученных кривых вычисляется значение ПВО. информативные характеристики расчета: - кривая стабильности. - изменение статистического разброса ИС со временем; анализ полученных кривых показывает статистический разброс параметров ИС 3.3. Изменение ПКГ от времени состоит из трех составляющих: - изменение ПКГ вследствие старения, - изменение ПКГ от облучения - изменение ПКГ от взаимодействия процессов старения и облучения. 3.4. Изменение ПКГ от старения 3.4.1. Изменение среднего значения ПКГ от старения описывается аппроксимационной функцией вида: Y Yo a exp( b Х ) Yo K Y , (3.1) где Yо – среднее начальное значение ПКГ,; a, b – параметры аппроксимации; Х – время. КУ – коэффициент влияния температуры и электрического режима. Среднее начальное значение ПКГ определяется по формуле N Yо Yо i 1 N i , (3.2) где Yo i – начальное значения параметра для i-ой ИС в выборке; N – число ИС в выборке. Значения параметров a и b вычисляются по формулам: N 1 N a exp ln(Y i ) b X i i 1 , N i 1 157 (3.3) N b N N X ln(Y ) N X i i 1 i i 1 i 1 i ln(Y i ) 2 N N X i N X i2 i 1 i 1 3.4.2. Изменение СГ определяется по формуле: Yсг = Y ± 3σ . (3.4) (3.5) где N (Y i 1 Y i )2 N 1 . 3.4.3. Коэффициент влияния температуры и электрического режима представляется в виде КY K T K Э (3.6) где Кт – коэффициент влияния температуры; Кэ – коэффициент влияния электрического режима. 3.4.4.Коэффициент влияния температуры определяется из соотношения E 1 1 K T exp a k T ПЕР 0 273 T ПРЕФ 273 , (3.7) где Еа – энергия активации; k – постоянная Больцмана; ТПЕР0, ТПЕРФ - температура кристалла (перехода) в нормальном и форсированном режимах соответственно. Значение Ea определяется по формуле N1 Ea q i Ea i i 1 (3.8) где N1- число механизнов отказа; qi – весовой коэффициент i-го механизма отказа; Eai - значение энергии активации для i-го механизма отказа. 3.4.5. Значения энергии активации для отдельных механизмов отказов (Eai) определяют экспериментально в соответствие с РД II 0755-90 одним из следующих методов: на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах (метод 2--1); по накопленным данным (метод 2-2); по результатам испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой (метод 2-3); по результатам электротермотренировки (ЭТТ) при ступенчато возрастающей нагрузке (метод 2-4); Перечисленные методы изложены в приложениях 2-5 РД II 0755-90. 3.4.6. При недостаточном объеме данных для определения qi общий коэффициент рассчитывают по формуле: E E 1 1 1 1 0,1exp aмакс K T 0,9 exp aмин T 273 T 273 k T ПЕР 0 273 T ПРЕФ 273 k ПРЕФ ПЕР 0 , (3.9) где Eaмин и Eaмакс - ссоответственно минимальное и максимальное значения энергии активации из диапазона наименьших значений для основных механизмов отказов. 3.4.7. Если энергию активации и механизмы отказов определить не удается, то значение 158 обобщенной (средней) энергии активации выбирают из таблицы 1. При этом, если ТПЕР0, ТПЕРФ лежат в разных диапазонах температур (для которых в табл. 1 указаны разные значения энергии активации), то общий коэффициент равен произведению коэффициентов, рассчитанных для каждого диапазона в пределах ТПЕР0, ТПЕРФ по формуле (3.7). Группа ИС Биполярные цифровые ТТЛ Биполярные цифровые ТТЛ-Ш, на р-МОП структурах на n-МОП структурах Таблица 1 Значение средней энергии активации отказов при различных температурах кристалла (перехода), эВ 25-70ОС 71151201150ОС 200ОС 250ОС 0,3 0,4 0,5 0,6 0,3 0,5 0,6 0,7 0,35 0,55 0,65 0,75 Значение ТПЕР0, ТПЕРФ рассчитывают по формуле T ПЕР T ОКРСР R ПЕР ОКРСР P , (3.10) TПЕР – температура перехода; ТОКРСР – температура окружающей среды; RПЕР-ОКРСР – тепловое сопротивление переход – окружающая среда; P – мощность. Мощность определяется произведением тока питание на напряжения питания. 3.4.8. Коэффициент влияния электрического режима определяется из соотношения: Кэ= КЭm KЭнап , (3.11) где КЭm - коэффициент, зависящий от токовой составляющей. KЭнап - коэффициент, зависящий от составляющей напряжения. При воздействии на ИС форсированным током коэффициент равен: где n J K Эт Ф J ном При форсированном напряжении питания коэффициент равен: U K Энап ехр A CCФ U CCном , (3.12) (3.13) где Jф – величина тока потребления при эксплуатации ИС в форсированном режиме; Jном – величина тока потребления ИС, в соответствии с режимами ТУ; Uccф - величина напряжения питания при эксплуатации ИС в форсированном режиме; Uccном - величина напряжения питания ИС, в соответствии с режимами ТУ; A, n – коэффициенты аппроксимации. Коэффициенты аппроксимации определяются из РД II 0755-90. 3.4.9. В случае отсутствия данных по изменению среднеквадратичного отклонения ПКГ со временем ее величина принимается равной σ = σнач Кпр, (3.14) где σнач – начальное значение среднеквадратичного отклонения; Кпр – коэффициент приемки, который выбирается из таблицы 2. Таблица 2. вид приемки 1 2 3 Система отбраковочных испытаний Полный комплекс отбраковочных испытаний в том числе 168ч ЭТТ Полный комплекс отбраковочных испытаний в том числе 72ч ЭТТ Полный комплекс отбраковочных испытаний но без 159 Кпр 0,1 0,2 0,5 Неполный комплекс отбраковочных испытаний, но с применением ЭТТ Неполный комплекс отбраковочных испытаний, без применения ЭТТ Без отбраковочных испытаний 4 5 6 1,0 2,0 4,0 3.4.10. Если не известны все значения среднеквадратичного отклонения, то она принимается за 5% от среднего значения ПКГ и умножается на коэффициент в соответствие с видов приемки изделий, который определяется из таблицы 2. 3.5. Изменение ПКГ от облучения 3.5.1. Изменение среднего значения ПКГ от облучения описывается аппроксимационной функцией вида: Y Yo c exp( d D ) Yo K МO , (3.15) где Yо – начальное значение ПКГ; с, d – параметры аппроксимации; D – доза, равная D =M t; М – мощность; t – время; КMO – коэффициент влияния температуры и малой мощности. Начальное значение ПКГ определяется по формуле: N Yо Yо i 1 i N , (3.16) где Yo i – начальное значения параметра для i-ой ИС в выборке; N – число ИС в выборке. Значения параметров с и d вычисляются по формулам: N 1 N c exp ln(Y i ) d Di . i 1 N i 1 N d N D ln(Y i 1 i i 1 N i ) N D i ln(Y i ) i 1 2 N Di N D i2 i 1 i 1 3.4.2. Изменение СГ определяется по формуле: Yсг = Y ± 3σ , где N N (Y i 1 (3.17) . (3.18) (3.19) Y i )2 N 1 . 3.4.2. Коэффициент влияния температуры и малой мощности представляется в виде К MO K M K O (3.20) где Ко – коэффициент влияния температуры; Км – коэффициент влияния малой мощности. 3.4.3.Коэффициент влияния температуры определяется из соотношения t K О С (1 exp( )) (3.21) где t – время; – постоянная отжига; 160 С- параметр апроксиммации. 3.4.4. Значение определяется по формуле: 0 (1 А exp( B N T / D )) , (3.22) где T- температура среды; N – кратность воздействия температуры; 0 , А, В – коэффициенты аппроксимации. Коэффициенты аппроксимации определяются для каждой ИС экспериментально с помощью метода, изложенного в приложении 1. 3.4.8. Коэффициент влияния малой мощности определятся для каждой ИС экспериментально. Методика его определения приведена в приложении 2. В случае невозможности провести испытания, определение осуществляется по формуле для наихудшего случая - в пределах мощности от 0.05 до 1P/c: 0,1 К М 1 М , (3.23) где М –мощность; - в пределах мощности от 0.05 до 0.01P/c: 0,05 КМ 2 М , (3.24) где М –мощность; 3.4.9. В случае отсутствия данных по изменению среднеквадратичного отклонения ПКГ со временем ее величина принимается равной σ = σнач Кпр, (3.25) где σнач – начальное значение среднеквадратичного отклонения; Кпр – коэффициент приемки, который выбирается из таблицы 2. 3.4.10. Если не известны все значения среднеквадратичного отклонения, то она принимается за 5% от среднего значения ПКГ и умножается на коэффициент в соответствии с видов приемки изделий, который определяется из таблицы 2. 3.6. Изменение ПКГ от облучения и старения 3.6.1. Изменение ПКГ от облучения и старения описывается аппроксимационной функцией вида: Y Yo Yст Yоб R Yст Yоб , (3.26) где Yо – начальное значение ПКГ; Yст – изменение параметра от старения, определяется в соответствие с п.3.4. Yоб – изменение параметра от облучения, определяется в соответствие с п.3.5. R – параметр аппроксимации. 3.6.2. Коэффициент аппроксимации R определяется для каждой ИС экспериментально с помощью метода, изложенного в приложении 3. В случае невозможности провести испытания, то такие значения выбираются для наихудшего случая: R=0,05 - для биполярных ИС; R=0,08 - для К-МОП ИС. 3. 7. Расчет информативных показателей поведения ИС. 3.7.1. Информативные показатели несут дополнительную информацию о степени статистического разброса параметров. 3.7.2. Информативными параметрами являются: - кривая стабильности. - изменение статистического разброса ИС со временем. 161 3.7.3. Для построения кривой стабильности вычисляется n - процент числа ИС, у которых ПКГ не вышел за 50%-границу среднего начального значения ПКГ, из общего числа изделий. При этом, если у изделия хотя бы раз значение ПКГ превысило 50% границу, то оно исключается из значения n. 3.7.4. Вычисление n осуществляется в виде зависимости значения n от времени. Результаты вычислений представляются в виде графика n от времени. По виду этого графика определяют степень разброса ПКГ и судят о стабильности поведения ПКГ от времени. 3.7.5. Изменение статистического разброса представляет собой гистограммы распределения ПКГ для каждого момента времени эксплуатации ИС, выбранных через определенный произвольный шаг по времени. В результате получается семейство гистограмм, полученных при разных значениях времени. 4. Методика проведения расчета Методика проведения расчета включает в себя правила и методы проведения расчета с помощью специального комплекса программ USTIGR. Руководство оператора пользования этим комплексом приведено в приложении 4. 4.1.Начальный этап 4.1.1. Вначале оператор производит загрузку комплекса программ из операционной среды Windows. 4.1.2. Затем оператор вводит необходимые данные. Данные вводятся в 3 видах в зависимости от имеющейся информации. Первых вид предполагает наличие полной информации, второй ограниченный набор данных и третий – аппроксимация данных из тех значений, которые имеются в базе данных. 4.1.3. Полный набор данных включает в себя следующее: - фамилия оператора; - тема; - типономинал ИС; - тип технологии; - количество элементов на кристалле; - норма ТУ на соответствующий параметр; - температура эксплуатации ИС; - напряжение питания эксплуатации ИС; - ток потребления эксплуатации ИС; - вид отбраковочных испытаний; - вид воздействия радиации; - мощность воздействия радиации; - массивы значений ПКГ для всех ИС для каждого квантованного значения наработ1 ки; - массивы значений ПКГ для всех ИС для каждого квантованного значения дозы; 2 - данные, необходимые для определения постоянной отжига (массивы значений T и U (приложение 1)); - данные, учитывающие влияние мощности (массив значений W (приложение 2)); - данные, учитывающие не аддитивность процессов естественного старения и облучения (массив значений R (приложение 3)); - данные, необходимые для определения параметров вывода (графического, символьного, на принтер или монитор). Примечание: 1 В результате вводятся M массивов N-размерности. M – число квантованных моментов времени наработки, при которых производились замеры ПКГ; N – число ИС в вы162 борке. 2 В результате вводятся K массивов N-размерности. K – число квантованных значений дозы, при которых производились замеры ПКГ; N – число ИС в выборке. 4.1.4. Ограниченный набор данных включает в себя следующее: - фамилия оператора; - тема; - типономинал ИС; - тип технологии; - количество элементов на кристалле; - норма ТУ на соответствующий параметр; - температура эксплуатации ИС; - напряжение питания эксплуатации ИС; - ток потребления эксплуатации ИС; - вид отбраковочных испытаний; - вид воздействия радиации; - мощность воздействия радиации; - массив количества ИС вышедших за 50% границу от наработки*; - массив изменения среднего значения ПКГ от наработки; - массив изменения среднеквадратичного отклонения от наработки*; - массив изменения среднего значения ПКГ от дозы; - массив по количеству ИС вышедших за 50% границу от дозы*; - массив изменения среднеквадратичного отклонения от дозы*; - данные, необходимые для определения постоянной отжига (массивы значений T и U (приложение 1));* - данные, учитывающие влияние мощности (массив значений W (приложение 2));* - данные, учитывающие не аддитивность процессов естественного старения и облучения (массив значений R (приложение 3));* - данные необходимые для определения параметров вывода (графического, символьного, на принтер или монитор). Примечание: Данные отмеченные * являются необязательными и могут не вводится. В этом случае программа сама производит вычисления и определяет эти значения исходя из, имеющейся в ней, базе данных. 4.1.5. При аппроксимации данных оператор вводит следующее: - фамилия оператора; - тема; - типономинал ИС; - тип технологии; - количество элементов на кристалле; - норма ТУ на соответствующий параметр; - температура эксплуатации ИС; - напряжение питания эксплуатации ИС; - ток потребления эксплуатации ИС; - вид отбраковочных испытаний; - вид воздействия радиации; - мощность воздействия радиации; - параметры аппроксимации, которые аппроксимируют изменение ПКГ от наработки и дозы по значениям ИС с аналогичными технологическими характеристиками и количеством элементов1; - данные необходимые для определения параметров вывода (графического, символьного, на принтер или монитор). Примечание: 1 Аппроксимация может производиться - по одной ИС, 163 - по нескольким ИС, выбранных оператором, - по всем ИС с аналогичной технологией и степенью интеграции; - по всем ИС с аналогичной технологией; - по всем ИС, имеющихся в базе данных. При этом погрешность расчета в зависимости от принятой аппроксимации изменяется. 4.2. Проведение расчета 4.2.1. Проведение расчета производится с помощью комплекса программ US_TIGR автоматически. 4.2.2. Результаты расчета могут быть представлены в виде символьной информации (массива результатов). - изменение среднего значения ПКГ от времени, - среднего значения ПКГ + 3 σ от времени; - среднего значения ПКГ - 3 σ от времени; - кривой стабильности; - гистограмм распределения ИС в зависимости от времени. 4.2.3. Результаты расчета могут быть представлены в графическом виде. параметр Iih Изменение среднего значения от времени 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 y = 0,9494e3E-06x R2 = 0,0888 среднее сигма ср+3сигма ср-3сигма аппроксиммация 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 часы Кривая стабильности 7 y = 18,532e-2E-05x R2 = 0,8553 6 25 5 Ряд 1 Ряд 2 4 Число ИС 20 3 15 2 10 1 0 5 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 часы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ряд1 0 0 1 2 5 6 3 2 1 0 Ряд2 0 0 1 2 4 5 5 2 1 0 4.3. Анализ результатов расчета 4.3.1. На основе информации, полученной в результате расчета, определяется момент времени, при котором ПКГ выходит за норму ТУ, что является ПВО. 5. Приложения Приложение 1 Определение коэффициентов аппроксимации для учета отжига ИС в ходе облучения под воздействием температуры 1. Коэффициент, определяющий воздействие температуры в ходе облучения имеет вид: 164 t K О С (1 exp( )) , (6.1.1.) где коэффициент С и постоянная отжига определяются выражениями Uк Uo С Uo , (6.1.2) 0 (1 А exp( B N T / D )) , (6.1.3) где Uo – начальное значение ПКГ; Uк - конечное значение ПКГ (значение ПКГ после отжига); N – число циклов «облучение-отжиг»; T – температура; D – доза гамма-облучения; t – время необходимо определить коэффициенты 0 , А, В, С 2. Определение коэффициентов аппроксимации осуществляется экспериментальным путем с помощью облучения и последующего отжига ИС, которые проводят циклически. Схема эксперимента приведена на рис. 6.1 Формирование 9 выборок по 20 штук 1 ступень Воздействие дозы гамма-излучения Д1 Д2 Д3 Отжиг +85ОС +125ОС +155ОС +85ОС +125ОС 165 +155ОС +85ОС +125ОС +155ОС 2 ступень «облучение – отжиг» (аналогично 1 ступени) 3 ступень «облучение – отжиг» (аналогично 1 ступени) Рис.6.1 3. Формируются 9 выборок по 20 штук ИС, примерно с одинаковыми значениями ПКГ. 4. Проводят входной замер значений ПКГ при нормальной температуре окружающей среды. 5. Все ИС подвергают воздействию гамма-излучения со значениями доз Д1, Д2, Д3, таким образом, что на каждую дозу приходится три выборки ИС. Значения доз следующие: Д1 – численно равна дозе по ТУ, на которую аттестовано данное изделие; Д2 – численно равно 1.5*Д1; Д3 – численно равно 2*Д1. Примечание: Допускается выбирать другие значения доз, если при указанных значениях доз наблюдается выход ПКГ ИС за норму ТУ, или изменения ПКГ составляют не более 20% от начального значения. При выборе других значений доз необходимо руководствоваться принципами: а) изменение ПКГ должно составлять более 20% от начального значения; б) изменение ПКГ не должно выходить за пределы норм ТУ. 6. После воздействия облучения каждую выборку подвергают воздействию повышенной температуры окружающей среды, таким образом, чтобы для 3 выборок, которые подвергались воздействию одной дозы температуры составили +85оС, +125оС, +155оС соответственно. 7. В ходе воздействия температуры снимаются значения ПКГ через 3, 5, 8, 15, 30, 60, 120, 240, 480 минут. 8. После отжига приступают ко второй ступени операции «облучение-отжиг». Изделия вновь подвергаются воздействию излучения аналогично п.5., а затем производится отжиг ИС с замером ПКГ аналогично п.6 и 7. 9. Затем проводят третью ступень операции «облучение-отжиг». 10. Результаты замеров обрабатывают статистическими методами. При этом строят изменение среднего значения ПКГ от времени. 11. Для каждого графика изменения ПКГ от времени находят значение постоянной отжига по формуле t Uo Uк ln Uт Uк , (6.1.4) где Uo – начальное значение ПКГ; Um – текущее значение ПКГ (значение ПКГ, соответствующее времени t); Uк - конечное значение ПКГ (значение ПКГ, соответствующее времени 480 минут). 166 t –время, при котором происходит замер ПКГ – Um. 12. В результате получаем массив значений постоянной отжига для каждой дозы, температуры и ступени отжига доза Т отжига Д1 +85оС +125оС +155оС Д2 +85оС +125оС +155оС Д3 +85оС +125оС +155оС 1 ступень 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 ступень 21 22 23 24 25 26 27 28 29 3 ступень 31 32 33 34 35 36 37 38 39 и массив значений Uк от температуры отжига, дозы и ступени отжига доза Т отжига Д1 +85оС +125оС +155оС Д2 +85оС +125оС +155оС Д3 +85оС +125оС +155оС 1 ступень U11 U12 U13 U14 U15 U16 U17 U18 U19 2 ступень U21 U22 U23 U24 U25 U26 U27 U28 U29 3 ступень U31 U32 U33 U34 U35 U36 U37 U38 U39 Из полученных значений определяются коэффициенты аппроксимации 0 , А, В, С. Эти массивы являются входными данными в программном комплексе, рассчитывающим коэффициенты аппроксимации. Программный комплекс рассчитывает значения коэффициентов аппроксимации построением регрессионной зависимости. 13. В качестве инженерного метода расчета можно выбрать следующий метод. 13.1. Значения С вычисляются по формуле (6.1.2.) 13.2. Для вычисления 0 , А, В составляются 3 системы из 3 уравнений: 1 система уравнений Значения U11, С25, С39 подставляются в формулу (6.1.1) 2 система уравнений Значения 21, 35, 19 подставляются в формулу (6.1.1) 3 система уравнений Значения 31, 15, 29 подставляются в формулу (6.1.1) Из решения каждой системы уравнений находят значения 0 , А, В. Рассчитывают средние значения 0 , А, В, из полученных трех значений каждого коэффициента аппроксимации. Приложение 2 Определение коэффициента влияния малой мощности. 1. Определение коэффициентов аппроксимации осуществляется экспериментальным путем с помощью облучения. Схема эксперимента приведена на рис. 6.2. 167 Мощность (P/c) 0.1 0.5 1 100 Входной замер Замер ПКГ при значениях доз 0.01 ТУ 0.05 ТУ 0.1 ТУ 0.2 ТУ 0.4 ТУ 0.6 ТУ 0.8 ТУ 1.0 ТУ 1.2 ТУ 1.4 ТУ 1.6 ТУ 1.8 ТУ 2.0 ТУ Рис.6.2. 2. Формируются 4 выборки по 20 штук ИС, примерно с одинаковыми значениями ПКГ. 3. Проводят входной замер значений ПКГ при нормальной температуре окружающей среды. 4. Все ИС подвергают воздействию гамма-излучения со значениями мощности доз равных 0,1; 0,5; 1,0 и 100 Р/с по одной выборке на каждую мощность. Чтобы исключить влияние механизмов старения и частичного отжига в ходе испытаний ИС должны находиться в пассивном режиме. 168 5. При значениях суммарной накопленной дозы 0,01; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2.0 дозы по ТУ, на которую аттестовывается данная ИС проводят замер ПКГ в ходе воздействия гамма-излучения. Примечание: Допускается выбирать другие значения доз, если при указанных значениях доз наблюдается выход ПКГ ИС за норму ТУ, или изменения ПКГ составляют не более 20% от начального значения. При выборе других значений доз необходимо руководствоваться двумя принципами: а) изменение ПКГ должно составлять более 20% от начального значения; б) изменения ПКГ не должно выходить за пределы норм ТУ. 6. Результаты замеров обрабатываются с использованием статистических методов, при этом определяются изменение среднего значения ПКГ. 7. В каждой точке рассчитывается отношение изменения среднего значения ПКГ при данной мощности к среднему значению ПКГ при мощности 100P/c. В результате получается массив значений следующего вида: Мощность (Р/с) 0.1 0.5 1 100 доза 0.01 W11 W12 W13 W14 0.5 W21 W22 W23 W24 1.0 W31 W32 W33 W34 2.0 W41 W42 W43 W44 4.0 W51 W52 W53 W54 6.0 W61 W62 W63 W64 8.0 W71 W72 W73 W74 1.0 W81 W82 W83 W84 1.2 W91 W92 W93 W94 1.4 W10 1 W10 2 W10 3 W10 4 1.6 W11 1 W11 2 W11 3 W11 4 1.8 W12 1 W12 2 W12 3 W12 4 2.0 W13 1 W13 2 W13 3 W13 4 8. Полученный массив значений загружается в программное обеспечение, которое рассчитывает коэффициенты аппроксимирующие влияние низкой мощности, с помощью корреляционных зависимостей. 9. Коэффициент влияния низкой мощности может быть получен и инженерным способом, например: Рассчитывается среднее значение отношения W для мощности 0,1; 0.5; 1.0 и 100, по которым строится графическая зависимость, интерполируя и экстраполируя которую находят величину W для других значений мощности. Приложение 3 Определение коэффициента влияния R процессов облучения и старения. 1. Определение коэффициента влияния осуществляется экспериментальным путем. Схема эксперимента приведена на рис. 6.3. 169 Мощность (P/c) 0.1 0.5 1.0 Долговечность 100 Входной замер Замер ПКГ при значениях доз 0.01 ТУ 0.05 ТУ 0.1 ТУ 0.2 ТУ 0.4 ТУ 0.6 ТУ 0.8 ТУ 1.0 ТУ 1.2 ТУ 1.4 ТУ 1.6 ТУ 1.8 ТУ 2.0 ТУ Рис.6.3. 2. Формируются 5 выборок по 20 штук ИС, примерно с одинаковыми значениями ПКГ. 3. Проводят входной замер значений ПКГ при нормальной температуре окружающей среды. 170 4. 4 выборки ИС подвергают воздействию гамма-излучения со значениями мощности доз равных 0,1; 0,5; 1.,0 и 100 Р/с по 1 выборке на каждую мощность. Испытания проводятся в активном режиме, что позволяет присутствовать в данном механизме деградации составляющих: старения, облучения и взаимного влияния этих процессов друг на друга. Кроме того, берется 1 выборка для испытания на долговечность. 5. При значениях суммарной накопленной дозы 0,01; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2.0 дозы по ТУ на которую аттестовывается данная ИС, проводят замер ПКГ в ходе воздействия гамма-излучения. Примечание: Допускается выбирать другие значения доз, если при указанных значениях доз наблюдается выход ПКГ ИС за норму ТУ, или изменения ПКГ составляют не более 20% от начального значения. При выборе других значений доз необходимо руководствоваться двумя принципами: а) изменение ПКГ должно составлять более 20% от начального значения; б) изменения ПКГ не должно выходить за пределы норм ТУ. Для выборки, которая подвергается испытаниям на долговечность, проводят замер ПКГ через определенный временной интервал. Он выбирается таким образом, чтобы суммарное время испытания на долговечность примерно равнялось времени, которое необходимо для облучения ИС. 6. Результаты замеров обрабатываются с использованием статистических методов, при этом определяются изменение среднего значения ПКГ. 7. В каждой точке рассчитывается отношение изменения среднего значения ПКГ при данной мощности к среднему значению ПКГ при мощности 100P/c. В результате помучается массив значений следующего вида: Мощность (Р/с) 0.1 0.5 1 100 доза 0.01 W11 W12 W13 W14 W15 0.5 W21 W22 W23 W24 W25 1.0 W31 W32 W33 W34 W35 2.0 W41 W42 W43 W44 W45 4.0 W51 W52 W53 W54 W55 6.0 W61 W62 W63 W64 W65 8.0 W71 W72 W73 W74 W75 1.0 W81 W82 W83 W84 W85 1.2 W91 W92 W93 W94 W95 1.4 W10 1 W10 2 W10 3 W10 4 W10 5 1.6 W11 1 W11 2 W11 3 W11 4 W11 5 1.8 W12 1 W12 2 W12 3 W12 4 W12 5 2.0 W13 1 W13 2 W13 3 W13 4 W13 5 8. Полученный массив значений загружается в программное обеспечение, которое рассчитывает коэффициенты аппроксимирующие значение коэффициента влияния R. 9. Коэффициент влияния R может быть получен и инженерным способом, например: Рассчитывается среднее значение отношения W для мощности 0,1; 0.5; 1.0 и 100, R вычисляется по формуле 171 R W Woб Wст Wоб Wcт (6.3.1.) где W – значения, полученные в п.9 настоящего приложения при мощностях 0.1; 0.5; 1.0 и 100 Р/с Wоб – значения, полученные в п.9 приложения 2 при мощностях 0.1; 0.5; 1.0 и 100 Р/с Wcm – значения, полученные в п.9 настоящего приложения при испытаниях на долговечность. Примечание: Для более точной оценки составляющей облучения Wоб, ее значения целесообразно получить (приложение 2), используя повышенную температуру среды равную температуре кристалла, работающего в активном режиме. 10. В результате получаем массив значений R Мощность (Р/с) доза 0.01 0.5 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.1 0.5 1 100 R11 R21 R31 R41 R51 R61 R71 R81 R91 R10 1 R11 1 R12 1 R13 1 R12 R22 R32 R42 R52 R62 R72 R82 R92 R10 2 R11 2 R12 2 R13 2 R13 R23 R33 R43 R53 R63 R73 R83 R93 R10 3 R11 3 R12 3 R13 3 R14 R24 R34 R44 R54 R64 R74 R84 R94 R10 4 R11 4 R12 4 R13 4 Эти коэффициенты нормируются относительно R при мощности 100 Р/с. Рассчитывается среднее значение отношения R для мощности 0,1; 0.5; 1.0, по которым строится графическая зависимость, интерполируя и экстраполируя которую находят величину R для других значений мощности. 172 173 174
