автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование характеристик КМОП ИС с учетом радиации в САПР ИЭТ

На правах рукописи

ГГо ОД 2 7 ДНИ 20СЭ

ЗОЛЬНИКОВА Анна Николаевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КМОПИС С УЧЕТОМ РАДИАЦИИ В САПР ИЭТ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации

проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2000

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники в Воронежской государственной лесотехнической академии

Научный руководитель - д-р техн. наук, проф. Межов В.Е.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф. Кофанов Ю.Н.;

Защита диссертации состоится 24 ноября 2000 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д063.81.02 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г.Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан 20 /0_ 2000 г.

Ученый секретарь

канд. техн. наук, доц. Панюшкин Н.Н.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

электронной техники (г. Воронеж)

диссертационного совета

Львович Я.Е.

4 ЯН^. А - /V/", /ЛГ /">

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный этап развитая радиоаппаратуры характеризуется широким использованием перспективных методов проектирования специализированных интегральных схем (ИС) на базе высокопроизводительных САПР. Одним из важнейших аспектов создания специализированных ИС является необходимость учета и прогнозирования стойкости разрабатываемых ИС к воздействию специальных факторов. Однако известные отечественные и зарубежные программные комплексы, системы и подсистемы, предназначенные для автоматизированного проектирования ИС, или не позволяют прогнозировать работоспособность ИС в условиях воздействия ионизирующего излучения (ИИ), или прогнозируют ее не достаточно адекватно.

Следует отметить, что в последнее время появились системы, позволяющие проводить моделирование работа ИС в условиях ИИ для определенного класса ИС, например, бнполярных. Для КМОП ИС исследования в этой области еще требуют своего развития. Такое положение возникло из-за того, что КМОП ИС обладают малой радиационной стойкостью, и поэтому им уделялось меньше внимания, чем биполярным ИС, у которых стойкость значительно выше. В настоящее время КМОП ИС имеют самое широкое применение, и ставится задача создать радиационно-стойкие КМОП ИС. Для решения этой задачи необходимо разработать средства моделирования.

Кроме того, созданные к настоящему времени системы и подсистемы моделирования ИС в условиях воздействия ИИ также требуют модификации и дополнения, ввиду того, что уточнение характеристик радиации привело к изменению состава и параметров воздействия, что отразилось в ГОСТ «Климат-7». Проведенный анализ внешней дестабилизирующей обстановки реальных условий эксплуатации ИС в космическом пространстве, на АЭС и т.п. показал, что требуется корректировка параметров ИИ по спектрально-энергетическим и амплитудно-временным характеристикам. Это требует модификации физических моделей, определяющих воздействие радиации на ИС, что ведет к необходимости изменения соответствующего математического, алгоритмического и программного обеспечения САПР в части учета влияния ИИ.

Кроме того, недостаточно отработаны методы проектирования на схемотехническом уровне, учитывающие процессы радиационного воздействия. Это связано, с одной стороны, с изменением технологии создания изделий, с увеличением числа компонентов систем и функциональных связей между ними, а с другой стороны, с уточнением характеристик радиационного воздействия.

Проектирование ИС на функционально-логическом уровне также требует своего решения в части учета необратимых эффектов радиации и переходных эффектов.

— ■ 2

В настоящее время для этой цели применяются различные подходы, но они не учитывают комплексного характера изменений характеристик электропараметров, вызванных различными процессами деградации.

Цель работы: создание и исследование средств моделирования работоспособности КМОП ИС с учетом радиации в САПР ИЭТ, которая учитывает требования ГОСТ «Климат-7». Они должны прогнозировать показатели радиационной стойкости в различных режимах эксплуатации и проводить анализ работоспособности ИС в условиях воздействия радиации.

Для решения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи, а именно, разработка:

методики учета радиации различных видов при прогнозировании работоспособности КМОП ИС в условиях ИИ;

модели деградации элекгропараметров КМОП ИС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и режима работы;

моделей активных компонентов КМОП ИС, которые зависят от конструктивно-технологических особенностей исполнения, режимов работы, спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений с учетом требований ГОСТ «Климат-7» к параметрам воздействующей радиации;

алгоритмов для моделирования реакции КМОП ИС на импульсное и статическое излучение ИИ;

программного обеспечения, позволяющего моделировать поведение элекгропараметров КМОП ИС к ИИ.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы физические методы исследования поведения ИС в условиях ИИ, э л сметы теории системного анализа, методы вычислительной математики, структурного и системного программирования, теории цепей, методы теории графов, а также новые информационные технологии.

Научная новизна состоит в следующем:

»

1. Разработана методика расчета работоспособности КМОП ИС в условиях воздействия ИИ, отличающаяся тем, что позволяет различные виды воздействия представлять сравнительно ограниченным набором характеристик, проводить моделирование ИС в зависимости от широкого набора входных воздействий, включая ИИ, которое может состоять из нескольких видов ИИ и иметь комплексный характер в соответствии с ГОСТ «Климат-7».

2. Создана модель деградации электропараметров КМОП ИС при воздействии статических видов ИИ, отличающаяся учетом конструктивно-технологических осо-

бенностей изготовления ИС, мощности дозы, температуры среды режима работы и требований ГОСТ «Климат-7».

3. Предложены модели активных компонентов КМОП ИС, работающие в полях импульсного ИИ, отличающиеся учетом конструктивно-технологических особенностей исполнения, режима работы ИС, спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик ИИ в соответствии с ГОСТ «Климат-7».

4. Разработаны алгоритмические процедуры, которые учитывают все предложенные элементы математического обеспечения с целью прогнозирования поведения КМОП ИС в условиях радиации и автоматизированного определения показателей стойкости.

5.Создано программное обеспечение для моделирования работоспособности ИС в условиях ИИ, которое содержит все элементы предложенного математического и алгоритмического обеспечения.

Практическая ценность работы. Разработанные методика, алгоритмы и программное обеспечение позволяют прогнозировать работоспособность КМОП ИС в условиях ИИ, определять показатели радиационной стойкости. На основе предложенных средств можно оценить стойкость КМОП ИС и дать рекомендации по ее повышению. Их использование позволяет проектировать радиационно-стойкие КМОП ИС и дает ценную информацию по анализу поведения ее компонентов в условиях ИИ, которую практически невозможно получить в эксперименте.

Реализация и внедрение результатов работы. Представленные в диссертации исследования являются результатом научной работы, проведенной в НИИ электронной техники и Воронежском заводе полупроводниковых приборов. Работы выполнялись в рамках ряда научно-исследовательских работ по заказам Министерства электронной промышленности.

Методика, алгоритмы и комплексы программ, разработанные в диссертации, внедрены в НИИ электронной техники, что позволило разработать КМОП ИС серии 1554, обладающих повышенной радиационной стойкостью.

Элементы алгоритмического и программного обеспечения внедрены в Воронежском государственном техническом университете, Воронежской государственной лесотехнической академии в НИР.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению ряда НИР и ОКР в РНИИ "Электронстандарт" и в НИИЭТ.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе: на Российской конференции "Радиационная стойкость элек-

тронных систем (Стойкость 99)" (Москва, 1999); на Российской конференции "Радиационная стойкость электронных систем (Стойкость 2000)" (Москва, 2000); на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2000); на II Международной практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (С.Петербург , 2000); на Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2000).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований. Материал диссертации изложен на 109 страницах, содержит 26 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту, излагается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе рассмотрены физические процессы, возникающие в КМОП ИС при эксплуатации в полях ИИ, классифицированы эффекты, определены цели и задачи представленной работы. В ней также определена методика системного подхода при прогнозировании показателей радиационной стойкости.

Вторая глава посвящена моделированию статических и импульсных видов излучения. В ней предложены основные математические соотношения и аппроксима-ционные формулы, из результатов эксперимента определена вся недостающая информация для них.

Для моделирования на схемотехническом уровне реакции КМОП ИС на статическое ИИ рассматриваются физические процессы, происходящие в изделии. Причем для моделирования радиационной реакции ИС на ИИ используются расчетные методы схемотехнического моделирования, а недостающая информация получается из эксперимента. Для этого были сделаны специальные тестовые структуры, разработана методика испытаний и проведены эксперименты. Результаты экспериментальных исследований позволили автору получить всю недостающую информацию для моделирования. Решение поставленной цели достигается следующим:

- на первом этапе на основе анализа экспериментальных данных по КМОП ИС определяются наиболее критичные виды ИИ, критериальные параметры, которые и определят стойкость изделия в целом;

- на втором этапе на основе теоретических исследований, анализа литературных данных и результатов, полученных на первом этапе, определяются критериальные параметры на микроуровне для библиотечных элементов КМОП ИС;

- на третьем этапе разрабатываются модели процессов, происходящие в КМОП ИС при воздействии статических видов ИИ для компонентов ИС, при этом для недостающей входной информации используются экспериментальные данные;

- полученная информация может являться входной информацией для моделирования на схемотехническом уровне как компонентов, так и всей КМОП ИС.

Работоспособность КМОП ИС определяется по следующим параметрам: токи утечки, помехоустойчивость, время задержки распространения сигнала, порог переключения. Предложены аппроксимационные зависимости по каждому из вышеперечисленных критериев отказов, и из экспериментальных результатов определена вся необходимая информация.

В частности, для токов утечки определены коэффициенты, определяющие изменение тока для радиации. Токи утечки определяются суммой токов теплового, терморегуляции и поверхностного тока угечки. При этом тепловой ток заметного вклада в суммарный ток угечки не дает, поэтому он не рассматривается.

г, = +1 ■ Аг* -■ Н. ■ К< ■ ° + Ч'■ ^ ' + + - <*Р(-/Ю)), (1) где I, (0) - ток начальной термогенерации; - площадь р-п перехода; Д, - площадь поверхности над обедненной областью р-п перехода ; 1а - длина канала; Кт -деградационный коэффициент времени жизни, который зависит от вида воздействия и дозовых характеристик; О - дозовая характеристика воздействия гамма-, рентгеновского, нейтронного, электронного и протонного излучений; /„ - изменение поверхностного тока утечки до момента насыщения плотности поверхностных состояний; р - параметр аппроксимации; 5 - скорость поверхностной рекомбинации, которая может быть определена по формуле

5„ас - изменение поверхностной рекомбинации до момента насыщения плотности поверхностных состояний; а- параметр аппроксимации; N. - концентрация, аппроксимируемая формулой

И, =Л/1-5-Ю23Гехр(-14028/Г) .

В диссертации определены численные значения Кг а и /?. Численные величины этих характеристик получены из сравнения экспериментальных данных по тестовым структурам. Результаты расчета дшот значение а ~ 1,24 10"6 (1/Рад) и /7=7,13 10"5. Коэффициент Кт в общем случае имеет функциональную зависимость от мощности дозы. Однако для мощности воздействия от 10 до 500Р/с можно ограничиться консгаитой приблизительно равной 10"5.

Для определения порога переключения и быстродействия использовано предложенное выражение для сдвига порогового напряжения. В частности, напряжение переключения определяется по формуле

где иор, Ц,, - пороговые напряжения п-канального и р-каналыюго транзисторов соответственно; Кк- отношение приведенной крутизны п-МОП транзистора к приведенной крутизне р-МОП транзистора.

Сдвиг порогового напряжения и, при воздействии стационарного ИИ представлен в виде суммы составляющих

А1!, = Д£/ю + Д1/м + ДС/11+Д£/.,, (3)

где Д ию - вклад егг подвижных дырок, Д(/„, - сдвиг за счет захвата дырок, Д£/„ - сдвиг за счет роста поверхностных состояний и Д£/л - сдвиг за счет отжига дырок. Дня р-МОП транзисторов все слагаемые имеют положительный знак, кроме Д иоН, для п-МОП транзистора знак, противоположный остальным слагаемым, имеют Д и„ и Шл.

Предложено выражение для Ц , которое в общем случае имеет зависимость

и,=Р(Ч,ч.,ОАе,/.,К„КгъК1.Т.г.Т.-), (4)

где q - заряд электрона; q0 - скоросп, генерации; Б - доза; с! - толщина диэлектрика; е - диэлектрическая проницаемость окисла; Гс - функция, определяющая долю заряда, захваченного на различных уровнях ловушек, которая зависит от концентрации примеси и сечения захвата дырок; К| - коэффициент, соответствующий максимальному сдвигу порогового напряжения за счет захвата заряда в окисле при поглощенной дозе, равной 1 рад; Кг соответствует коэффициенту полного отжига дырок; К3 - коэффициент, соответствующий максимальному сдвигу порогового напряжения за счет захвата заряда на поверхностные состояния при поглощенной дозе, равной I рад; Т- температура; г -характерное время образования поверхностных со-

стояний; Та - типовое время отжига. Результаты испытаний позволили определить все коэффициенты и недостающие зависимости.

Бысгродействие микросхем характеризуется средней задержкой распространения сигнала и определяется по формуле

I = 0.5 -(/|0 +'01), (5)

где величины I01 и I10 определяются по формулам:

/а=С-итт--^-г, I0' = С -11---г, (6)

где С - емкость на выходе инвертора, равная сумме емкостей нагрузки, межсоединений и выхода инвертора.

Для проведения расчета определены дозовые соотношения различных видов ИИ. Такое определение необходимо провести с точки зрения адекватности воздействия различных видов по конечным эффектам, которые они производят в элементах КМОП ИС.

Для прогнозирования переходных процессов в КМОП ИС автором использованы два подхода.

1. Макромоделпрованне Макромоделирование проводится на основе расчетных и расчетно-экспериментальных методов. Применение расчетного метода возможно, если все необходимые данные для расчета присутствуют в базе данных. Если эти данные отсутствуют, то необходимо использовать расчетно-экспериментальный метод. Он заключается в проведении испытаний на моделирующей установке (МУ) гамма-импульса с известными амплитудно-временными и спектрально-энергетическими характеристиками, на основе которых определяются все параметры макромоделирования и прогнозирование реакции КМОП ИС в условиях импульсного ИИ с любыми амплитудно-временными и спектрально-энергетическими характеристиками. Если параметры макромоделирования определены и внесены в базу данных, то нет необходимости в проведении предварительных испытаний, т.е. используется расчетный метод. Библиотека исходных данных сформирована на основе результатов испытаний КМОП ИС, полученных на различных отечественных и зарубежных предприятиях электронной промышленности и в исследовательских центрах. Этот метод позволяет достаточно оперативно получить реакцию ИС на ИИ воздействие.

Расчетная часть опирается на основные особенности работы КМОП ИС и использует их с целью упрощения макромодели с одновременным соблюдением условия достоверности получаемых результатов. Достоверность модели определяется из сравнения расчетных и экспериментальных результатов.

2. Сплошное моделирование

Моделирование на основе учета всех компонентов основано на моделировании в составе САПР, где в качестве библиотечных элементов используются компоненты ИС.

Моделирование осуществляется на двух основных уровнях - электрическом и поведенческом. Прогнозирование на электрическом уровне подразумевает получение реакции КМОП ИС на радиационное воздействие по основным электрическим параметрам, например, напряжению низкого уровня, напряжению высокого уровня, функционированию и т.п. В результате получается характеристика, которая моделирует изменение электрических параметров КМОП ИС от ИИ. Для прогнозирования на электрическом уровне в электрическую схему компонентов вводились данные, которые позволяли учесть радиационные эффекты. Моделирование на поведенческом уровне прогнозирует логическое поведение ИС. Оно позволяет проанализировать реакцию КМОП ИС на воздействие ИИ на двоичном уровне (состояние логического "нуля" или состояние логической "единицы"). Основными параметрами, которые обеспечивают поведение КМОП ИС под действием радиации, являются времена задержек на включение и выключение ИС, а также нагрузочная способность компонента.

Физическое рассмотрение процессов позволяет определить величину ионизационных токов в зависимости от технологических параметров и параметров излучения, учесть внутренние связи в каждом компоненте КМОП ИС, которые выражаются в виде дополнительных генераторов токов. В данной модели учитываются следующие сложные явления, которые не были учтены или были учтены не полностью в ранее существующих методах расчета.

1. Изменение коэффициентов усиления транзисторов не только от вида и продолжительности воздействия, но и с учетом спектрально-энергетических и амплитудно-временных параметров воздействия.

2. Время жизни неосновных носителей заряда в зависимости от концентрации основной легирующей примеси и уровней потока нейтронов, протонов, электронов и их сечений захвата.

>

3. Величина "фактора отжига" с учетом спектрального состава.

4. Повышение температуры активных элементов в зависимости от факторов ИИ и ее влияние на элекгропараметры КМОП ИС.

Основные математические соотношения, используемые в этих моделях, заключаются в следующем:

1. Любой вид воздействия ИИ (рентгеновское, гамма, нейтронное) пересчиты-вается к мощности дозы по предложенным соотношениям:

— ----------------9

где К - коэффициент, учитывающий ослабление потока рентгеновского излучения,

для остальных видов ИИ равен I; Гп(Е) - спектр излучения (нормируемый к 1 по интервалу энергии); ЦЕд) - плотность потока излучения: W(E) - коэффициент, характеризующий ионизирующее воздействие единичного потока корпускулярного излучения для энергии Е; Еверх - максимальное значение энергии в спектре; Еиижи - минимальное значение энергии в спектре.

2. Величина ионизационного тока в р-п переходе определяется предложенным соотношением:

= ¿'„-('Ж'-',), <8>

<« I

где 5(Ы;) - дельта-функщ[я; I, - шаг разбиения реального импульса на совокупность прямоугольных; I - время. Соотношение для 1РР, равно: при Ми

/

.(')=?• й'-РО) +', ^rf (J^) + /„- erf (JJ-) J i (9)

при t>t„

/„(') = ?• Г-Р(') •{',•! «f < Jf) - "f (J1-*-) I +

(10)

где Ipp(t) - ионизационный ток; q - заряд электрона; q' - скорость генерации носителей; P(t) - мощность дозы излучения в i-том прямоугольном импульсе; 1р(Р), 1„(Р) - коэффициенты собирания в прилегающих к р-п переходу областях, Dp - коэффициент диффузии неосновных носителей в р-области; Dn - коэффициент диффузии неосновных носителей в n-области; Wp.n - ширина р-п перехода; Sp_„ - площадь р-п перехода; t„ - время действия импульса; tp - время жизни неосновных носителей в р области; tn - время жизни неосновных носителей в п области; К- коэффициент, учитывающий нелинейность ионизационного тока, который может быть аппроксимирован соотношением

у _ F ■ (1 -ехр(-i/Р(<)/tK)) ■ (1 - М • ехр(tit,)) ()1)

где tK, N, М, F - параметры аппроксимации.

Использование предложенных моделей дает более адекватное моделирование, так как уточнены спектрально-энергетические и амплитудно-временные характеристики излучения, а также некоторые явления, о которых говорилось выше.

В третьей главе рассматриваются алгоритмические и программные средства для моделирования параметров радиационно-стойких КМОП ИС.

На ОС1ЮНС разработанной методики расчета, предложенных моделей и математических соотношений автором разработаны алгоритмические средства для моделирование поведения КМОП ИС в условиях ИИ. Основные этапы алгоритма для моделирования статических видов ИИ приведены на рис.1, для импульсных видов ИИ -на рис.2. Предложенные алгоритмические процедуры позволяют прогнозировать поведение КМОП ИС в полях ИИ, а также по результатам моделирования определять показатели радиационной стойкости.

Для определения временной потери работоспособности (ВПР) рассчитывается переходная характеристика наиболее чувствительного к ИИ электропарамстра для заданной мощности излучения с указанием времени, в течение которого параметр находится за пределами норм ТУ. Определение уровня бессбойной работы (УБР) производится аналогично ВПР на первом этапе. Затем варьируется мощность дозы, для которой определяется переходная характеристика. Величина мощности дозы, для которой изменение параметра укладывается в норму ТУ с заданной погрешностью, определяется как УБР.

Рис.1. Алгоритм прогнозирования поведения КМОП ИС при статическом ИИ

п

Моделирование осуществляется на электрическом (схемотехническом) и поведенческом (функционально-логическом) уровнях. На электрическом уровне формируются такие характеристики, как импульсные источники тока, по своей форме повторяющие ионизационные токи, возникающие в КМОГТ ИС при воздействии импульсного ИИ. Кроме того, при моделировании на уровне макрофрагментов формируются необходимые вольтамперные характеристики.

Рис.2. Алгоритм прогнозирования поведения КМОГТ ИС при импульсном ИИ

Комплекс прикладных программ МЕОБТ

Комплекс МЕОЭТ

Формирование данных (РАМ)

Формирование системы уравнений

Определение погрешности расчета

Комплекс ТЕЯ МО

Комплекс ЗТ

, Формирование

данных (РАМ2) *

Определение параметров модели объекта (ЭТ МР)

I

( Решение системы • уравнений по опред. изменен, параметров

Определение реакции« ' объекта на заданный уровень ИИ (ИЕАШ)

Сервисные профаммы (В1В1.)

Программы экстраполяции и интерполяции (ЭРЬАМ!.)

Формирование данных (ОАЖ)

Расчет влияния температуры

Расчет влияния мощности дозы

г о 0 х

Комплекс ЫЛЭ

Формирование данных (ЭАМЗ)

Определение параметров модели деградации объекта (Р МР)

X

Решение системы уравн. по показат. ст.

I

Определение показателей стойкости (ТТ)

ах =г

о га

О. £

з; о. 2 й

е I

Программа вывода ОиТ

а зе 9 Е 5 5!

Ввод 1 данных , (УМЮО)

Формирование выходного файла

Набор

серэисн.

проф.

т

Профамма поиска РО;5К

га

5 £

£ га

§ ес й .о 9-

Ввод данных (УМОЙ) Организация поиска

Рис. 3. Структура комплекса МЕОЭТ

На функционально-логическом (или поведенческом) уровне происходит формирование таких переменных, как задержки компонентов КМОП ИС на включение и

______________13

выключение. Численные значения згих задержек получаются при проведении моделирования на электрическом уровне, где вычисляются задержки компонентов КМОП ИС с учетом переходных процессов и изменения времени жизни неосновных носителей заряда, коэффициентов усиления. Из анализа уменьшения коэффициентов усиления и прогнозирования на электрическом уровне формируется переменная -нагрузочная способность компонента КМОП ИС, которая по команде .ТОКИ, при моделировании на поведенческом уровне определяет реальную и номинальную нагрузочную способность компонента.

Программные средства адаптированы для типовых АРМ проектирования электронной и вычислительной техники на основе ПЭВМ PC IBM (могут использоваться также мини-ЭВМ «Электроника - 82», микро-ЭВМ «Электроника - МС0104» и программно-совместные отечественные и зарубежные ЭВМ). Данные средства функционируют под управлением операционной системы MS - DOS, Windows - 95, МОС-32М.

Для расчета влияния необратимых эффектов на микросхемы создан комплекс программ NEOST, для расчета влияния импульсных видов ИИ - комплекс программ PRICIR. Структура комплексов приведена на рис.3 и 4 соответственно.

Структура комплекса программ NEOST приведена на рис. 3. Он состоит из основной программы NEOST, в которой формируются начальные данные и происходит расчет, комплекса TER_MD, определяющей влияние температуры, комплекса ST, для расчета изменения электропараметров от дозы, комплекса NAD, для определения показателей стойкости, программы вывода OUT и программы поиска рассчитанных значений POISK.

Комплекс программ расчета составлен на алгоритмическом языке PASCAL и адаптирован для различных операционных систем UNIX, WINDOWS и MS-DOS для различных ЭВМ типа IBM PC. Работа комплекса осуществляется в диалоговом режиме с использованием библиотек как начальных, так и рассчитанных данных.

Для расчета ионизационных эффектов, возникающих в KMOII ИС, разработан комплекс программ PRICIR (рис.4), состоящий из программы PRICIR, в которой формируются начальные данные, система уравнений и выходная информация (кроме того, в ней определяются параметры макромоделирования); MD_ION, где происходит расчет мощности дозы и ионизационного тока, возникающего в база-коллекторном переходе при рассчитанной выше мощности дозы; TRANS - в которой происходит расчет переходного процесса в ИС; REAK. - которая определяет реакцию ИС; OUT - вывода рассчи-тагшых значений и программы поиска POISK.

Комплекс прикладных программ PRICIR

Комплекс PRICIR

Формирование данных (DAN)

Формирование системы уравнений

Определение

параметров

моделирования

•х о

g

X

m

о

I s

го Jj.

о та о. 5

S О &£ в i

Комплекс MD ION

Формирование данных (DAN2)

Определение ,

мощности дозы (МО)

Определение ионизационного тока (IONIZ)

s о

Sf

е I

Программы экстраполяции и интерполяции (SPLANL)

Комплекс REAK

Формирование данных (DAN1)

Определение реакции ИМС

Определение

показателей

стойкости

2 О

of ö 1

Комплекс TRANZ

Формирование данных (DAN3)

х

Определение параметров транзистора (ELEMENT)

t 7=

Решение уравнения методом Рунге-Кутта

i ~

Определение измен, порог, налряж. (PRG)

о (О о. s

!& в I

Определение измен. Подвижности (TAU)

Рис. 4. Структура комплекса программ PRICIR

Комплекс программ расчета составлен на алгоритмическом языке PASCAL и реализован для операционных систем MS-DOS и WINDOWS 95. Работа комплекса осуществляется в диалоговом режиме с использованием библиотек как начальных, так и рассчитанных значений. Область применения данного комплекса ограничива-

- - ________15

егся техническими возможностями применяемой ЭВМ (памятью и быстродействием)- Для проведения расчета необходимо использовать ЭВМ с процессором 486, частотой не менее 75МГц и оперативной памятью 16МБ.

В четвертой главе проведен анализ точности расчета и эффективности средств моделирования цифровых радиационно-стойких микросхем.

Оценка точности математического обеспечения проверялась путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на моделирующих установках, а также по результатам испытаний, полученных в реальных условиях эксплуатации КМОП ИС на АЭС, включая имитирование нештатной ситуации.

Расчет проводился на КМОП ИС серий 1554, 1830, 1838, 1867. Экспериментальная проверка проводилась по наиболее типовым представителям этих серий. Результаты расчета в сравнении с экспериментальными результатами показали хорошее совпадение. При воздействии импульсных видов ИИ (гамма-, нейтронного и рентгеновского) оценивались ВПР, УБР и УТО (если он возникает). При воздействии статических видов ИИ (гамма-, нейтронного, электронного и протонного) определялась доза отказа изделий. По некоторым ИС проводилась оценка комплексного воздействия рентгеновского и гамма-излучений, а также гамма- и нейтронного излучений. При этом оценивались такие показатели, как ВПР, УБР и УТО. Расхождение среднестатистических результатов расчета и эксперимента не превышало 30 %.

Эффективность расчета складывается из многих факторов, среди которых доминирующее значение имеет быстродействие (продолжительность расчета) и затраты памяти. Для данной подсистемы оценить эти факторы теоретически довольно трудно, поэтому оценка этих параметров производится экспериментально. На рис. 5 показаны быстродействие и необходимые затраты памяти.

Рис.5. Затраты оперативной памяти и продолжительность времени расчета подсистемы для импульсного и статического излучения для моделирования КМОП ИС

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Созданы средства моделирования работоспособности КМОП ИС с учетом радиации в САПР ИЭТ, которые учитывают требования ГОСТ «Климат-7» и позволяет

прогнозировать показатели радиационной стойкости в различных режимах эксплуатации и проводить анализ работоспособности ИС в условиях воздействия радиации.

В ходе выполнения указанной работы были решены следующие задачи:

1. Предложена методика расчета работоспособности КМОП ИС в условиях воздействия ИИ, основанная на комплексном подходе к процессам энерговыделения, позволяющая различные виды воздействия представлять сравнительно ограниченным набором характеристик, проводить моделирование при комплексном воздействии ИИ (состоящим из нескольких видов, разнесенных во времени).

2. Разработана модель деградации электропараметров КМОП ИС с учетом воздействия статических видов ИИ, отличающаяся рассмотрением деградации параметров в зависимости от вида ИИ, амплитудно-временных и спектрально-энергетических видов ИИ в соответствии с ГОСТ «Климат-7», режима работы КМОП ИС с учетом мощности дозы, температуры среды и режима работы.

3. Предложены математические соотношения, позволяющие определять деградацию критериальных параметров КМОП ИС с учетом воздействия статических видов ИИ различной мощности, температуры среды и режима работы ИС. Определены все параметры моделирования из экспериме1ггальных данных по тестовым структурам.

4. Разработаны модели активных компонентов КМОП ИС, определяющие работоспособность в полях ИИ, учитывающие конструктивно-технологические особенности исполнения, режимы работы, спектрально-энергетические и амплитудно-временные характеристики ИИ, включая требования ГОСТ «Климат-7».

5. Определены математические соотношения, определяющие реакцию моделей активных компонентов КМОП ИС к ИИ на схемотехническом уровне, учитывающие конструктивно-технологические особенности исполнения, режимы работы, спеетрально-энергетические и амплитудно-временные характеристики ИИ, включая требования ГОСТ «Климат-7». Определены все параметры моделирования га экспериментальных данных по тестовым структурам ИС.

6. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для определения показателей стойкости, а также их зависимостей ог амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик ИИ.

7. С помощью разработанной методики и программ расчета был проведен расчет КМОП ИС, который использовался при проектировании ИС серии 1554.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Зольникова А.Н. Программное обеспечение моделирования работы ИС в полях гамма-излучения малой мощности, с характеристиками космического излучения //Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб.науч.тр. - Воронеж: ВГЛТА, 1999. -С.153-156.

--------17

2. Зольникова А.Н. Программное обеспечение расчета работоспособности ИС в молях гамма-излучения // Интеллектуальные информационные системы: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 1999. - С.65.

3. Зольникова А.Н Типовая методика испытаний и оценки стойкости КМОП ИС к воздействию факторов И1 - И5 с учетом комплексного характера воздействия и импульса напряжения обусловленного факторами И8-И11., Воронеж: НИИЭТ, 1999.-187 с.

4. Зольникова А.Н. Расчетно-экспериментальный метод определения стойкости КМОП логических элементов ИС // Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-техн. сб. - М.: СПЭЛС-НИИП, 2000. - С.51-52.

5. Межов В.Е. Определение стойкости КМОП элементов ИС к ИИ. /В.Е. Межов, А.Н. Зольникова П Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб.науч.тр. - Воронеж: ВГЛТА, 2000.-С. 135-139.

6. Зольникова А.Н. Расчет изменения параметров-критериев годности ИС при воздействии гамма-излучения малой мощности. /А.Н. Зольникова, В.К. Зольников // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб.науч.тр. - Воронеж: ВГЛТА, 1999. - С.157-161.

7. Межов В.Е. Расчет стойкости элементов КМОП ИС к статическому излучению /В.Е. Межов, А.Н. Зольникова // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2000. - С.41-48.

8. Зольникова А.Н. Комплекс программ расчета показателей параметрической надежности ИС при воздействии ИИ малой мощности. / А.Н. Зольникова, В.К. Зольников // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1999. - С.77-80.

9. Зольникова А.Н. Комплекс программ расчета работоспособности ИС при воздействии ионизирующих излучений. /А.Н. Зольникова, В.Е. Межов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2000. - Вып. 1-2. -С.93-96.

10. Комплекс программ расчета работоспособности ИС при воздействии ионизирующих излучений / В.К.Зольников, Д.Е. Соловей, А.Н. Зольникова, P.A. Землянухин // Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-техн. сб. - М.: СПЭЛС-НИИП, 2000. - С.45-46.

11. Разработка радиационно-стойких транзисторов КП707 / А.Н. Зольникова, В.Д. Попов, С.С. Глебов, A.B. Коновалов // Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-техн. сб. -М.: СПЭЛС-НИИП, 2000. - С.240.

12. Межов В.Е. Расчетно-экспериментальный метод определения стойкости элементов КМОП ИС /В.Е. Межов, В.К. Зольников, А.Н. Зольникова // Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий: Тр. Междунар. науч.-техн. конф. М., 2000. - С.57-58.

13. Межов В.Е. Особенности методологии проектирования радиационно-стойких ИС космического назначения / В.Е. Межов, А.Н. Зольникова, Д.Е. Соловей // Информационные технологии в моделировании и управлении: Тр. II Междунар. практ. конф. .СПб: Изд-во СПб ГТУ, 2000. С.45-46.

14. Межов В.Е. Методика расчета стойкости КМОП логических элементов ИС / В.Е. Межов, А.Н. Зольникова // Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах: Тр. Всерос. конф.. Воронеж: ВГТУ, 2000. С.96-97.

ЛР №066815 от 25.08.99. Подписано в печать 19.10.2000-Усл. печ.л. 1,0. Тираж 75 экз. Заказ3V2-Издательство Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский просп., 14