автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Моделирование ионизационной реакции в C2L КМОП СБИС и проектирование КМС с заданной стойкостью к воздействию ионизирующих излучений

-I г г Г п

I » 5* " ' •

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

РИДИГЕР Алексей Валентинович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНИЗАЦИОННОЙ РЕАКЦИИ В С2Ь КМОП СБИС И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИМС С ЗАДАННОЙ СТОЙКОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994г.

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (Техническом университете).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Скоробогатов Петр Константинович доктор физико-математических наук Котов Борис Александрович директор НПК "Электронные интегральные системы" г. С.Петербург кандидат физико-математических наук Поляков Игорь Васильевич

начальник лаборатории АО НПП САПФИР г.Москва

Ведущая организация:

Научно-производственное объединение "Импульс" г. С.Петербург

Защита состоится "19"декабря 1994 г. в _ час. _мин.

на заседании специализированного совета Д-053-03.03 в Московском государственном инженерно-физическом институте (Техническом университете) по адресу: 115409, г.Москва, Каширское шоссе, 31. тел. 324-34-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан "_"_ 1994 г.

Просим принять участие в работе совета и прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета

В. М. Онищенко

Актуальность темы: Высокие темпы развития технологии и техники интегральных схем (ИС) привели не только к качественному улучшению характеристик радиоэлектронной аппаратуры, но и к появлению новых методик проектирования РЭА.

Применение современных стандартных- интегральных микросхем с большой степенью интеграции позволяет создавать различные виды малогабаритной электронной аппаратуры, однако, во многих случаях только специализированные большие интегральные схемы (БИС) могут придать этим изделиям конкурентоспособность на современном рынке РЭА.

БИС частного применения (ЧП) позволяет заменить десятки микросхем малой и средней степени интеграции. Это обеспечивает уменьшение массогабаритных характеристик аппаратуры , экономию затрат на комплектующие изделия и материалы, снижение трудоемкости сборки и регулировки аппаратуры, снижение энергоемкости производства и эксплуатации РЭА, увеличение надежности РЭА.

Однако рост интегральности приводит и к появлению сопутствующих паразитных эффектов, влияющих на надежность и работоспособность ИС. Присущие интегральной технологии паразитные структуры усиливают свое влияние с повышением степени интеграции, поэтому при проектировании БИС, предназначенных для работы в жестких условиях, необходимо анализировать влияние дестабилизирующих факторов на поведение интегральной схемы в целом, включая как ее функциональные, так и паразитные элементы. Данное обстоятельство приводит к существенному усложнению технологии проектирования радиацион-ностойких (РС) ИС. Другая проблема заключается в трудоемкости аттестации больших интегральных схем на стойкость к воздействию ионизирующих излучений.

Ввиду все большего распространения специализированных схем большой интеграции при проектирования современной РЭА аэрокосмического назначения , актуальна задача создания методики, проектирования, однозначно приводящей к разработке проекта специализированной БИС обладающей требуемой радиационной стойкостью. В совокупности, методика разработки и ис-

пытаний ИС и принятые конструктивно-технологические решения (КГР) для практической реализации последних,должны приводить к созданию микросхем, отвечающих современным требованиям по интегральности. стойкости, быстродействию и трудоемкости проектирования. Для создания подобной методики необходим анализ ионизационных эффектов, доминирующих в данном классе микросхем, и разработка методов моделирования, пригодных для использования в процессе проектирования ИС. Большая функциональная сложность современных БИС требует привлечения иерархического подхода к анализу ионизационных эффектов и использованию аппаратов физического (2В и Ю),схемотехнического и функционально-логического моделирования.

Цель диссертационной работы: Целью диссертационной работы является разработка методов и средств прогнозирования, диагностирования и обеспечения стойкости КМОП БИС ЧП к воздействию импульсных ионизирующих излучений на основе конструктивных мер, методов расчетно-экспериментального моделирования и имитационных испытаний, а также, разработка на этой основе методов проектирования БИС ЧП с заданной стойкостью .

Научная новизна работы: Впервые проведен комплексный расчетно-экспериментальный анализ объемных ионизационных эффектов в КМОП БИС ЧП проекта К394 (монокремниевой и эпитак-сизльной технологий) при воздействии импульсных ионизирующих излучений (ИИИ). Выявлены доминирующие механизмы ионизационной реакции (ИР) и исследованы их зависимости от амплитудно-временных характеристик ИИИ, конструктивно-технологически х и топологических параметров и режимов работы ИС.

Разработаны конструктивно-технологические методы обеспечивающие возможность повышения интегральности БИС класса К394 в 10 раз (до 10-30 тыс. логических) вентилей при сохранении стойкости и возможности автоматического масштабирования основных базовых структур БИС.

Разработаны частные методики и технические средства имитационных испытаний БИС ЧП рассматриваемого класса, а также, методики входного контроля БИС ЧП, необходимые для

производства радиационностойких БИС в условиях организационной разобщенности разработчиков аппаратуры и ИС и их изготовителей.

Практическая знатность работ заключается в следующем: Результаты диссертационной работы вошли в руководящий документ предприятия:"Методика испытаний интегральных схем производимых в соответствии с ХД0.045.322 ТУ к радиационному воздействию", "Методика входного контроля БИС ЧП серии ХД5.394.XXX на стойкость к воздействию фактора И2", "Методика моделирования ИР в БИС на базе КТР К394", "Инструкция по испытанию БИС ЧП ", "Инструкция на испытание БИС ЧП на стойкость к воздействию фактора И2 и ИЗ".

По результатам работы подготовлены предложения по корректировки отраслевого ТУ - ХД0.045.322 ТУ в части имитационных испытаний ИС.

Результаты работы использовались при разработке первых отечественных КМОП С2Ь СБИС ЧП на основе метода стандартных ячеек (СЯ) и 1.5мкм. топологических норм проектирования [ин-тегральность до 20 ООО логических вентилей].

Результаты работы использовались при разработке комплекта стойких БИС для цифрового адаптивного фильтра (ХДЭ.078.00, ХДЭ.079.00, ХДЭ.080.00) [интегральность около 6000,7700,6000 логических вентилей].

Результаты работы использовались при разработке комплекта интерфейсных БИС ( ХД5.394.105 [1500 лог.вентилей], ХД5.394.153 [3000 логических вентилей] , ХД5.394.204 [3000 логических вентилей] ).

Результаты работы использованы при создании проверочных тестов и методик тестирования БИС ЧП и микросборок (до 18 БИС ЧП объединенных на одной подложке ) - (ХД5.394.188, ХД5.394.902, ХД5.394.627).

Результаты работы использованы при создании библиотеки функциональных фрагментов однослойного цифрового БМК.

В работе использованы результаты практической деятельности автора в области проектирования БИС, испытаний БИС и разработках компонент САПР БИС. Ниже приведен список работ

(с указанием участвующих сторон), в которых автору удалось принять участие, и в ходе которых получен представленный в работе практический материал:

- НПО "Импульс" г. С.Петербург, НПО "Геофизика" г.Красноярск, НИИТ г.С.Петербург, Разработка цифрового фильтра для автоматического корректора канала (3 проекта БИС по * 7000 логических вентилей + 2 микросборки по 120 ООО логических вентилей), работа финансировалась из бюджета МО РФ.

- НПО "Импульс" г. С.Петербург, Тестирование и доработка микросхем и микросборок логического приемника (7 проектов БИС по 4500 логических вентилей + 2 проекта микросборок по 100 000 логических вентилей), работа финансировалась из бюджета МО РФ; .

- НПО "Импульс" г. С.Петербург, Петербургский электротехнический университет, НШТ г. С.Петербург, Разработка синтезатора частот для модема (1 п-роект БИС, 5 ООО логических вентилей).работа финансировалась объединением "УралЭнер-го";

- НПО "Импульс", НИИТ + коммерческие структуры, Разработка БИС для управления кодовыми устройствами (2 проекта БИС по 1000 логических вентилей), работа финансировалась коммерческими структурами;

- НПО "Импульс", Российский институт радионавигации и времени г. С.Петербург Разработка БИС специализированного таймера (1 проект БИС, 5000 логических вентилей), работа финансировалась из бюджета МО РФ;

- НПО "Импульс", ЭНПО СПЭЛС г. Москва, Разработка рас-четно экспериментальных методов анализа стойкости микросхем к фактору И2, источник финансирования - госбюждет;

- НПО "Импульс", МИФИ, ЭНПО СПЭЛС, НПО "Интеграл" г. Минск, НИИТ Имитационные испытания БИС ЧП, выполненных с использованием различных технологий на стойкость к фактору И2 и ИЗ, источник финансирования - госбюджет;

- НПО "Импульс", НИИ Автоматики г.Москва, Моделирование отказов в ИМС разработки НПО "Импульс",источник финансирования - госбюджет;

- НИИ КП г. С.Петербург, МИФИ Разработка гибридной схемы для аналогового приемника, источник финансирования - госбюджет;

- НПО "Импульс" Разработка САПР библиотечных фрагментов, источник финансирования - госбюджет.

Результаты работы вошли в отчетные материалы по ОКР "Методы и средства экспериментальных исследований КМОП ИС на стойкость к воздействию импульсного ИИ", "Методы проектирования БИС стойких к воздействию ИИИ", в отчетные материалы "НИР БАЗА -93. Библиотека К", "НИР БАЗА -94. Библиотека Б", "Протокол испытаний БИС ЧП ХД5.394.205 на стойкость к фактору И2", "Протокол испытаний БИС ЧП ХД5.394.458 на стойкость к фактору Ш ", "Протокол испытаний УЭП ХД5.394.204 на устойчивость к воздействию факторов И2 и ИЗ", "Протокол испытаний БИС ЧП ХД5.394.153 на устойчивость к воздействию факторов И2, ИЗ", Отчет по теме:"Анализ полноты и оптимального состава библиотеки стандартных ячеек БИС ЧП НПО ИМПУЛЬС".

Результаты работы использованы при разработке специализированного лазерного имитационного стенда.

Разработана и апробирована методика контроля стойкости ИС на основе внедрения лазерных ионизационных методов в процесс отбраковочных испытаний.

Результаты диссертационной работы внедрены в НПО "Импульс", ЭНПО СПЭЛС, НИИТ, ЛЭТИ, НПО "Интеграл", НПО "Геофизика".

Результаты выносимые на защиту:

1. Модели (электрического, физического и функционально-логического уровней) и результаты моделирования базовых структур, библиотечных фрагментов БИС, БИС с учетом воздействия ИИИ.

2. Методы, частные методики и результаты прогнозирования, диагностирования и обеспечения стойкости типовых представителей КМОП БИС ЧП к воздействию ИИИ на основе расчет-но-экспериментального моделирования и имитационных испытаний.

3. Имитационный метод приемосдаточных испытаний КМОП БИС ЧП, базовая и частная методики, а также, экспериментальный стенд для проведения приемосдаточных испытаний ИС и входного контроля УЭПов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 1-й Российской научно-технической конференции "Микроэлектроника в 90-х годах 20 столетия " (Московская обл. 1993) , на V Межотраслевой научно-технической конференции "Воздействие спецфакторов на радиоэлектронную аппаратуру, ее элементы и материалы. Методы испытаний и исследований" (пос. Лыткарино 1993), на научно-технической конференции с международным участием "Приборостроение-93 и новые информационные технологии" ( г. Николаев 1993), межотраслевом семинаре "Радиационные процессы в электронике" (Москва 1994), международном рабочем семинаре по проекту И)6 (г.Дубна 1993), 41 студенческой научно-технической конференции Ленинградского электротехнического института связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (г. Ленинград 1987 ), студенческой научно-технической конференции института нефти и химии им. Азизбекова (г. Баку 1987), ХЬШ, ХШП научно-технической конференциях студенческого научного общества Ленинградского электротехнического института им. Ульянова /Ленина/ (г. Ленинград 1990, 1991), V Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники" (г. Звенигород 1994), международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем " (г. Саратов 1994).

Публикации . Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 статьях и тезисах докладов.

Объем и структура диссертации:

Диссертация содержит 164 листа машинописного текста, в том числе 46 рисунков, список литературы из 60 наименований и состоит из введения, пяти глав и заключения.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи работы, практическая ценность и даны положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена рассмотрению конструтивно-техно-логического решения (КТР) для проектирования БИС аэрокосми-

ческого назначения.В главе описана технология проектирования КМОП БИС спецназначения, рассмотрены основные исходные положения для анализа ионизационной реакции схем изучаемого класса, поставлены задачи, решение которых необходимо при моделировании ионизационной реакции (ИР) БИС.

Вторая глава посвящена методам двумерного анализа ионизационных процессов в базовых структурах БИС с использованием аппарата физического моделирования.

Третья глава посвящена расчетам ИР фрагментов БИС с использованием метода электрических эквивалентных схем и систем аналогового моделирования.

Четвертая глава посвящена задачам моделирования ИР на функционально-логическом уровне.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований стойкости схем рассматриваемого класса.

Содержание работы.

В работе рассмотрены основные предпосылки для анализа ИР КМОП БИС ЧП проекта К394. Проведен обзор основных эффектов в КМОП ИС при воздействии ИИИ, сделан вывод о том, что доминирующе механизмы отказов связаны с объемными ионизационными эффектами.

Показано, что особенностью БИС проекта является то обстоятельство, что структуры, вносящие доминирующий вклад в ионизационную реакцию,расположены в строго определенных местах и их топология и электрические режимы работы не зависят от топологической и схемотехнической организации функциональных структур. Это дает возможность проводить анализ ИР в схемах, содержащих десятки тысяч транзисторов, при разумных затратах машинных и временных ресурсов. Указанная особенность позволяет проводить автоматическое масштабирование отдельных фрагментов ИС без опасения за ухудшение стойкости к эффекту радиационного защелкивания всей схемы. Вследствии независимости электрических режимов работы паразитных структур от логического состояния функциональных имеется возмож-

ность существенно сократить тест-вектора при испытаниях на лазерных имитаторах, а как следствие того, внедрить тестирование на стойкость к воздействию ИИИ в процесс отбраковочных испытаний.

Показано, что для монокремниевой технологии уровни сбоев и защелкивания находятся в одном диапазоне мощности дозы, что определяет необходимость совместного моделирования переходных и остаточных эффектов на основе общего подхода в рамках единой модели с учетом как функциональных элементов, так и паразитных структур. Выявлено, что уровень стойкости схем рассматриваемого класса, изготовленных по монокремниевой технологии, не представляет практического интереса, с точки зрения современных требований, предъявляемых к аппаратуре аэрокосмического назначения.

Проведен сравнительный анализ существующих расчетных методов моделирования ИР КМОП ИС. Установлено, что радиационные эффекты в БИС проекта К394 не удается полностью описать одной моделью или даже группой моделей одного уровня с учетом реальных возможностей современных вычислительных систем. Точность моделирования определяется адекватностью используемых моделей,а также,точностью идентификации их параметров , что приводит к необходимости использования экспериментальных методов и изготовлению тестовых кристаллов.

Проведен анализ системы испытаний ИС на стойкость к воздействию ИИИ. Показано, что зависимость результатов испытаний от режима работы схемы и ее функционального состояния не позволяет ограничиться испытаниями на моделирующих установках (МУ) и требует привлечения лазерных имитационных испытаний и специальных алгоритмов генерации тест-наборов, использования специальных стендов позволяющих производить испытание ИС при одновременной подачи функциональных тестов и ионизационных воздействий. Однако, применение лазерных имитационных методов требует дополнительного обоснования их адекватности, и в частности, анализа вклада металлизации и стоковых областей в ионизационную реакцию С2Ь КМОП ИС, для

чего необходимо использовать расчетные методы моделирования.

В результате проведенного анализа определены основные требования к системе моделирования КМОП ИС проекта К394, позволяющей производить моделирование с учетом ионизационного воздействия.

Произведен анализ радиационных эффектов в базовых структурах КМОП С2Ь БИС ЧП . Обоснован выбор в качестве базовой конструктивно-топологической модели (КТМ) фундаментальной системы уравнений Пуассона, непрерывности и переноса в диффузионно-дрейфовом приближении. Проанализирована структура и система параметров КТМ применительно к конструктиву К394.

Разработан алгоритм анализа, в соответствии с которым, на первом этапе производится исследование основных закономерностей ИР в одномерном и квазидвумерных и двумерных приближениях с целью выявления доминирующих эффектов и наиболее существенных областей. В результате осуществляется переход от точной универсальной модели к системе упрощенных локальных моделей, позволяющих описать основной набор ионизационных эффектов. Далее производится анализ корректности одномерного приближения и при необходимости вносятся поправки на основании результатов 2В моделирования.

Обоснован выбор в качестве базовых для моделирования на низшем уровне БИС проекта К394 структур исток-карман-подложка- контакт- охранное кольцо. Показано, что высоколегированные области объединенных истоков и контактов сохраняют свои размеры и электрофизические свойства практически при любой мощности дозы ИИ. Данные области можно считать эквипотенциальными в пределах библиотечного фрагмента. Поэтому результаты моделирования определяются низколегированными областями кармана и подложки, а именно, их размерами, временами жизни, концентрациями примесей и приложенными напряжениями.

В результате моделирования базовых структур в одномерном и двумерном приближениях с использованием программ и 20-В1ро1 получены распределения концентраций свободных но-

сителей и индуцированных потенциалов в базовых структурах БИС проекта, а также, параметров моделей элементов типа "источник тока" для программы pSpice в зависимости от характеристик ИИИ, электрофизических и топологических параметров и размеров структуры. Получены упрощенные выражения для расчетов параметров источников тока для "короткого" и "длинного" импульсов ИИ, для характерных значений параметров базовых структур.

Проверка адекватности разработанных моделей и их адаптация к объектам осуществлялась на основе экспериментальных исследований тестовых структур. Разработана методика построения и типовой состав набора тестовых структур для исследования ионизационной реакции. Разработаны, изготовлены и исследованы три тестовых кристалла ТК-66, ТК-67 и ТК-70 для Зх мкм технологии и тестового кристалла ТК-71 для 1.5 мкм технологии. Разработаны библиотечные фрагменты содержащие различные варианты тестовых структур. Разработаны схемы обрамления для контроля порога сбоев для БИС ХД5.394.153 и К295. Результаты имитационных испытаний тестовых схем экспериментально подтвердили адекватность разработанных моделей и основных закономерностей ИР для БИС проекта К394.

Рассмотрены методы построения электрических моделей КМОП ИС на основе эквивалентных схем базовых элементов. Разработаны методики идентификации их параметров на основе измерении электрофизических характеристик тестовых структур, лазерных имитационных методов, расчетных методик и методов многомерной оптимизации . Разработаны ЭС как функциональных, так и паразитных структур для 120 базовых ячеек БИС и произведено их моделирование с помощью системы аналогового моделирования pSpice.

Разработаны схемотехнические модели стандартных ячеек БИС класса К394:усилительных, триггерных, комбинаторных, счетных, арифметических с учетом воздействия ИИИ. Расчетный анализ производился в рамках системы моделирования pSpice.

Показано, что хотя основными функциональными элементами

КМОП ИС являются МДП транзисторы, при рассмотрении ИР необходимо проводить анализ МДП транзисторных элементов с учетом паразитных биполярных транзисторов, расположенных по границам кармана. Вместе с тем, показано, что в ряде случаев, доминирующий вклад в ИР вносит падение напряжения в распределенных сопротивлениях образуемых диффузионными шинами земли и питания, и таким образом, уровень порога сбоя сильно зависит от способа организации шин питания в БИС проекта К394.

Разработаны электрические эквивалентные схемы (ЭЭС), позволяющие описать доминирующие механизмы ИР:

- ионизационные токи стоковых и истоковых рп переходов и перехода "карман-подложка";

- переход тиристорных пар в низкоимпедансное состояние;

- изменение характеристик МДП транзистора.

Установлено, что в зависимости от диапазона мощности

дозы и типа технологии (монокремниевая, эпитаксиальная) удается пренебречь некоторыми элементами ЭЭС и существенно ее упростить. Так для эпитаксиальной технологии при невысокой мощности дозы ИЛИ ИР практически полностью определяется ионизационным током истокового рп перехода и перехода "карман-подложка".

Результаты исследований показывают, что собственно МДП транзистор практически не оказывает влияния на ИР до предельных мощностей дозы ИМ. В частности установлено, что импульсный ток стока практически не зависит от потенциала затвора и режима работы транзистора, а предварительное стационарное облучение дозами до 10брад31 практически не оказывают влияние на ИР схемы выполненной по стойкой технологии.

Таким образом, в большинстве практических случаев ЭЭС определяется суперпозицией ЭЭС библиотечного фрагмента без учета ИИИ и ЭЭС тиристорной пары и источников и резистив-но-емкостной сети.

В результате анализа четырехслойных паразитных структур КМОП С2Ь ИС установлено, что доминирующим механизмом их ИР являются:

- образование ионизационного тока перехода "карман-подложка" ;

- отпирание катодного и анодного рп переходов;

- регенеративное усиление ионизационного тока в петле положительной обратной связи и переход структуры в низкоим-педансное состояние:

Анализ схемотехнических моделей показывает, что доминирующие механизмы ИР достаточно хорошо описываются двухтран-зисторной ЭЭС. Проведен анализ условий включения и ВАХ в зависимости от параметров моделей транзисторов. Произведен сравнительный анализ ВАХ тиристорных структур получаемых расчетными и экспериментальными методами.

Показано, что для описания защелкивания в ряде библиотечных фрагментов используемых в микросхемах на базе КТР К394 недостаточно двухтранзисторной ЭЭС, которая не позволяет учесть влияния режима работы функциональных МОП транзисторов с низким сопротивлением канала на характеристики эффекта защелкивания. Таким образом, для схемотехнического моделирования ИР библиотечного фрагмента необходимы макромодели, описывающие полную совокупность функциональных и паразитных связей.

Построение схемотехнических макромоделей фрагментов ИС требует решения задачи перехода от параметров характеризующих электрофизические характеристики материалов к параметрам сосредоточенных элементов. Показано, что метод построения резистивно-емкостных цепей, позволяет упростить процедуру идентификации параметров моделей и повысить точность моделирования без эффекта неприемлемого увеличения необходимых затрат машинных ресурсов (для случая использования системы рБрхсе).

Разработаны схемотехнические макромодели базовых элементов БИС (монокремниевой и эпитаксиальной технологии):

- инверторов, усилителей, двунаправленных ключей, выходных элементов с тремя состояниями, многовходовых логических элементов, счетчиков, триггеров , дешифраторов, мультиплексоров, арифметических элементов. Во всех случаях в

рамках единого подхода учитывалась реакция как функциональных так и паразитных элементов.

Анализ конструктивно-топологических особенностей КМОП БИС выполненных с использованием различных технологий, показывает, что метод построения универсальной модели на основе суперпозиции ЭЭС всех функциональных и паразитных структур во многих случаях оказывается неэффективен, во многих случаях возможно существенное упрощение ЭЭС на основе выявления наиболее существенных и исключения из ЭС второстепенных элементов. Проверка адекватности моделей и идентификация их параметров проводилась расчетно-экспериментальными методами с использованием 2Б и Ю анализа и измерения электрических параметров тестовых структур.

Разработаны методы и средства экспериментальных исследований КМОП ИС прс К394 при воздействии ИИИ. Показано, что испытания ИС на стойкость воздействию спецфакторов регламентируются ГОСТ В 20.405.56-81 и проводятся с целью оценки соответствия ИЭТ заданным требованиям ГЗ, стандартов и ТУ (аттестационные испытания), либо с целью определения параметров радиационной стойкости ИЭТ (определительные испытания). Показано, что результаты аттестационных и определительных испытаний без предварительного моделирования БИС и разработки специальных тестов реализующих наиболее уязвимые функциональные состояния, для ряда схем проекта К394 не позволяют получить адекватные результаты. Сделан вывод о том, что существующую систему испытаний необходимо дополнить исследовательскими испытаниями, направленными на построение моделей и идентификацию их параметров с учетом воздействия ИИИ, а также, приемо-сдаточными испытаниями на лазерных имитаторах и рентгеновских установках с целью обеспечения гарантий соблюдения предприятием-изготовителем требований ТУ на БИС.

Показано, что ограниченные возможности существующих МУ тормозного гамма-излучения по производительности и стоимости испытаний не позволяют использовать их в качестве инструмента разработчика ИС, что обуславливает применение МУ для по-

лучения прежде всего эталонных, итоговых результатов для законченных изделий. Испытания на МУ применяются и для обоснования адекватности лазерных имитационных методов. Альтернативными средствами для проведения исследовательских испытаний являются лазерные лабораторные имитаторы на базе которых и предложено проводить основной объем испытаний.

Общие принципы и место лазерных имитационных испытаний в системе испытаний ИС, состав испытаний регламентированы в документах "Методика испытаний интегральных схем производимых в соответствии с ХД0.045.322ТУ к радиационному воздействию", "Методика входного контроля БИС ЧП серии ХД5.394.ХХХ на стойкость к воздействию фактора И2", разработанных с участием автора. Рассмотрены состав и структура экспериментального стенда, сформулированы требования к его элементам, описано специальное программное обеспечение предназначенное для управления промышленным тестером УТК-6 при проведении испытаний БИС ЧП проекта К394. Рассмотрены варианты схем для измерения параметров защелкивания и регистрации сбоев, вызванных ИР. Проведен анализ методических особенностей и разработан набор частных методик имитационных испытаний различных классов БИС построенных на базе рассматриваемого КТР:интерфейсов, арифметических устройств, синтезаторов частот, усилителей, специализированных вычислителей, запоминающих устройств.

Разработан и апробирован общий подход к прогнозированию и обеспечению стойкости ШОП БИС ЧП и систем на их базе к воздействию ИИИ. Подход основан на определении доминирующих механизмов ИР, декомпозиции БИС на отдельные фрагменты поддающиеся машинному моделированию, создание иерархической системы моделей позволяющей описать ИР в системах сложностью от транзисторной пары до сотен тысяч логических вентилей.

Для выявления доминирующих механизмов ИР, взаимного влияния макрофрагментов БИС на характеристики ИР, выявление наиболее уязвимых(критичных) элементов и узлов ИС используются как теоретические методы на основе (.20 моделирования, Ю моделирования+аналогового моделирования), так и экс-

периментальные методы, а именно, анализ зависимости ИР ИС от режима функционирования и локальное облучение отдельных элементов ИС.

Описаны процедуры и результаты моделирования ИР в БИС ХДЭ.079.00, ХДЭ.080.00 (монокремниевая технология), ХД5.394.435 (эпитаксиаиьная технология).

Предложенный подход позволил осуществить определение параметров ИР БИС и систем на базе БИС при воздействии ИИИ в целях обеспечения радиационной стойкости ИС на этапе разработки. Комплексное использование разработанных методов позволило избежать эффекта защелкивания в БИС при переходе от 3 к 1.5мкм нормам проектирования.

Основные результат работ.

1. Проведен комплексный расчетно-экспериментальный анализ объемных ионизационных эффектов в базовых структурах БИС проекта К394 (монокремниевой и эпитаксиальной технологий) при воздействии ИИИ. Показано, что отказы в БИС проекта определяются ионизационными эффектами в полупроводниковых структурах, образующих обрамление кармана. Выявлены доминирующие механизмы ИР и исследованы их зависимости от амплитудно-временных характеристик ИИИ, конструктивно-топологических параметров и режимов работы структур.

2. Разработаны конструктивно-топологические модели базовых полупроводниковых структур БИС ЧП класса К394, справедливые при различных уровнях ИИИ (от [Ю8рад31/с+1010рад-гн/с.] и [1011радз1/с^-2-1012радз1/с]). Разработаны обобщенные алгоритмы анализа ионизационной реакции КМОП С2Ь БИС,основанные на использование методов одномерного, двумерного и квазидвумерного моделирования на физическом уровне.

3. Разработаны схемотехнические модели базовых элементов КМОП ИС, описывающие ИР как функциональных, так и паразитных элементов. Проведен анализ зависимости характеристик ИР от значений параметров элементов ЭЭС и режимов работы библиотечных фрагментов. Проведена проверка адекватности мо-

делей и разработаны методики идентификации их параметров. Разработан алгоритм построения схемотехнических макромоделей библиотечных фрагментов КМОП БИС для систем аналогового моделирования и функционально-логического моделирования. Проведен анализ границ применимости методов аналогового моделирования при построении САПР РС БИС ЧП.

4. Разработаны имитационные методы экспериментального моделирования воздействия ИИИ на КМОП ИС, пригодные для использования в процессе приемо-сдаточных испытаний. Проведен комплекс сравнительных испытаний типовых представителей БИС на базе КТР К394 на моделирующих установках и лазерных имитаторах. Разработаны методики и технические средства для имитационных испытаний КМОП ИС на этапах проектирования, производства собственно ИС, производства аппаратуры на базе ИС.

5. Обоснован общий подход к прогнозированию и обеспечению радиационной стойкости КМОП БИС ЧП и аппаратуры на базе КМОП БИС ЧП к воздействию ИИИ, основанный на определении доминирующих механизмов ИР и создании иерархической системы моделей. Разработаны алгоритмы, частные методики и технические средства для прогнозирования, диагностирования и обеспечения стойкости типовых представителей КМОП ВИС на базе КТР К394 к воздействию ИИИ на основе расчетно-экспериментального моделирования и имитационных испытаний. Полученные результаты использовались при разработке первых отечественных КМОП БИС ЧП на базе метода СЯ стойких к воздействию ИИИ, в том числе свободных от эффекта защелкивания.

6. Результаты работы позволили произвести разработку двух новых КТР для построения БИС аэрокосмического применения (однослойный БМК и 1.5мкм. конструктив на базе СЯ) при минимальных затратах на экспериментальные исследования радиационной стойкости.

7. Впервые произведено сквозное моделирование систем на базе БИС ЧП проекта К394 с учетом ионизационных эффектов. Поднята проблема о процедуре аттестации контролирующих тестов и методик проверки БИС аэрокосмического назначения и

разработки нормативных документов, регулирующих данный процесс.

Главный результатом представленной работы, по мнению автора, является проведенный комплексный анализ ионизационных эффектов в КМОП С2Ь БИС проекта К394 результатом которой стала разработка сквозной методики моделирования ионизационной реакции интегральных схем данного класса.

Полученные результаты опубликованы в следующих работах:

1. В. В. Вишневский, А. В. Ридигер, В. К. Ридигер Метод проектирования и аттестации БИС ЧП стойких к дестабилизирующим воздействиям // В кн. Проблемы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Вып. 1-2, 1994, М. , с. 98-101

2. В. В. Вишневский, А .В. Ридигер, В. К. Ридигер // Элементная база для цифровой аппаратуры аэрокосимческого назначения - Тез. докл. тяг • "той конф. Приборострое-ние-93 и новые информационные технологии, 1993, Винница-Николаев, с. 68

3. В. В. Вишневский, А. А. Матысевич, А. В. Ридигер, В. К. Ридигер //Комплект интерфейсных БИС для бортовой РЭА -Тез. докл. международной конф. Приборостроение-93 и новые информационные технологии, 1993, Винница-Николаев, с. 67

4. В. К. Ридигер, А. В. Ридигер // Система контроля параметров тестовых структур для опытного производства КМОП БИС - Тез. докл. международной конф. Приборостроение-93 и новые информационные технологии, 1993, Винница-Николаев, с.8

5. Ю. И. Кузьмин, А. А. Жаров, А. В.Ридигер //Дистанционное обнаружение аномалий в потоке жидкости методом токо-растекания - в кн. Известия ЛЭТИ, выпуск 426, 1990, Л. , с . 51

6. Ю. И. Кузьмин, А. В. Ридигер, М. В . Вергелес // Расчет вторичного поля сфероида в проводящем слое - в кн. Известия ЛЭТИ, выпуск 406, 1989, Л. , с. 54

7. Е. Р. Аствацатурьян, Б. А. Ахабаев, В. В. Баранов, В. М. Барбашов, В. И. Басс, В. А.Беляев, В. В. Елесин. В. А. Корчак, 0. В. Курганов, А. Ю. Никифоров, А. В. Ридигер , В. К. Ридигер, П. К. Скоробогатов, М. М. Степченко, А. И. Чумаков, Г. Ф. Хабибрахманова // Отчет по ОКР: "Методы и средства экспериментальных исследований БИС ЧП производства НПО "Импульс" на стойкость к фактору И2" Н819 НПО "Импульс", 1993, С. Петербург

8. A.B. Ридигер, П.К. Скоробогатов, С.У.Шанаева // Использование имитационных методов в целях повышения надежности РЭА аэрокос мического назначения построенной на базе БИС ЧП, Тез. докл. международной научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем " , Саратов 1994.

Подписано в печать 21.10.94 Заказ 15И286/248 Тирак 100 я*я.