автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Проектирование микросхем глубоко-субмикронной технологии с учетом воздействия тяжелых заряженных частиц

На правах рукописи

Зольников Константин Владимирович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМ ГЛУБОКО-СУБМИКРОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Воронеж - 2014

005554130

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель: доктор технических наук,

Ачкасов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Улимов Виктор Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт приборов», заместитель генерального директора по науке

Питолин Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры электропривода, автоматизации, управления в технических системах

Ведущая организация: ОАО «Воронежский завод полупроводнико-

вых приборов — сборка» (г. Воронеж)

Защита состоится 12 декабря 2014 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.034.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 240.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» и на сайте www.vglta.vrn.ru

Автореферат разослан 17 октября 2014 г.

Ученый секретарь . - /

диссертационного совета: Ъ »'А— Анциферова Валентина Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современном мире изделия микроэлектроники являются одним из важнейших факторов развития научно-технического потенциала любой страны. Они определяют развитие многих отраслей, в том числе и космической техники. Именно способность микроэлектронных устройств сохранять работоспособность в различных условиях внешних воздействий, таких как радиация, механические нагрузки, температура, во многом определяет в настоящее время длительность функционирования космических летательных аппаратов в космосе.

Современное состояние отечественной промышленности характеризуется уменьшением проектных норм, резким расширением функциональных характеристик, уменьшением напряжения питания, внедрением новых технологий и способов проектирования и производства. Такое состояние привело к тому, что среди всех радиационных эффектов, наиболее критичным стали одиночные события эффекты от воздействия тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ). Именно они в значительной мере стали проявляться при уменьшении проектных норм менее 500 нанометров и значительно возросли при уменьшении до 350 — 180 нм.

Следует отметить, что работы по моделированию радиационных событий от воздействия данных частиц и обеспечению стойкости к одиночным событиям стали проводиться начиная с конца XX века и сейчас имеют широкое распространение. К таким работам следует отнести исследования сотрудников Воронежского «Научно-исследовательского института» В.Н.Ачкасова, В.П.Крюкова, И.П.Потапова, В.А.Смерека, «Научно исследовательского института системных исследований РАН» В.Б.Бетелина, П.А.Осипенко, Московского инженерно-физического института В.А.Телец, А.Ю.Никифорова А.И.Чумакова, "Научно-исследовательского института приборов" В.Н.Улимова, К.И.Таперо, В.В. Емельянова В.В. и др. В этих работах были определены математические модели протекания таких эффектов, методы защиты и способы определения параметров чувствительности микросхем к ним.

Однако переход в область десятков нанометров привел к тому, что проявление таких эффектов стало носить другой характер, который заключался в выходе из строя не одного элемента, а целых кластеров. Причем форма этих кластеров очень существенно зависит от топологической реализации, расположения шин металлизации и схемотехнических решений. Поэтому возникла задача разработать математические модели протекания таких эффектов, характерные для глубоко-субмикронных технологий, когда проектные нормы соизмеримы с сотней или несколькими десятками нанометров.

Эти математические модели должны быть интегрированы в САПР. Это необходимо по двум причинам: первая при проектировании микросхем надо определить параметры чувствительности к воздействию ТЗЧ, что позволит применить необходимые способы защиты; вторая - из-за высокой размерности задачи моделирования воздействия ТЗЧ в элементах СБИС, число которых достигает нескольких сотен миллионов вентилей, необходима достаточно высокая степень автоматизации данного процесса.

Следовательно, для разработки радиационно-стойких микросхем космического назначения нанометрового диапазона в области САПР были поставлены актуальные задачи, требующие своего решения.

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 1874ВЕ36 с высоким уровнем радиационной стойкости»; гранта РФФИ 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы».

Объектом исследования является автоматизированное проектирование микросхем глубоко-субмикронной технологии с учетом воздействия ТЗЧ.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования воздействия ТЗЧ на элементы СБИС.

Цель исследования состоит в разработке средств проектирования в виде моделей, алгоритмов и программ для моделирования воздействия тяжёлых заряженных частиц в КМОП СБИС, выполненных по глубоко-субмнкронной технологии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Проанализировать состояние средств проектирования для современных проектных норм, физических и математических моделей воздействия ТЗЧ, оценить их недостатки и определить направления их устранения;

2. Сформулировать требования, определить целевые задачи и методику проектирования СБИС глубоко-субмикронной технологии с учетом комплексного моделирования одиночных событий при различных режимах эксплуатации;

3. Разработать математические модели для прогнозирования локальных одиночных эффектов в полупроводниковых структурах КМОП СБИС при воздействии ТЗЧ, характерных для глубоко-субмикронной технологии;

4. Разработать модели поведения элементов КМОП СБИС, выполненных по глубоко-субмикронной технологии, при воздействии ТЗЧ на схемотехническом уровне;

5. Разработать модели работоспособности элементов КМОП СБИС, выполненных по глубоко-субмикронной технологии, при воздействии ТЗЧ на функционально-логическом уровне;

6. С помощью разработанных средств осуществить проектирование микросхем, что позволит оценить эффективность предложенных средств.

Методика исследования. Для достижения указанных задач использованы: методы автоматизации проектирования; теория вычислительных систем; вычислительная математика; модульное, структурное и объектно-ориентированное программирование; экспертные оценки, эксперименты с использованием моделирующих установок.

Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- методика проектирования КМОП СБИС космического назначения, отличающаяся комплексным моделированием одиночных событий для глубоко-субмикронной технологии с возможностью определения потенциальных областей отказов;

- математические модели локальных радиационных эффектов, отличающиеся возможностью учета одиночных событий типа «кластеров», что характерно для глубоко-субмикронной технологии, в зависимости от топологических и схемотехнических решений и температуры среды;

- модели элементов схемотехнического уровня, отличающиеся учетом проявлений локальных эффектов для глубоко-субмикронной технологии при различных энергиях ТЗЧ, температурах внешней среды и режимах работы микросхемы;

- модели элементов функционально-логического уровня, отличающиеся учетом показателей логического состояния элементов, временных параметров работы и взаимного влияния ячеек друг на друга при воздействия ТЗЧ;

- алгоритмы и программные средства моделирования работоспособности СБИС, отличающихся комплексным учетом одиночных событий и режимом эксплуатации изделий в условиях космического пространства.

На защиту выносятся:

- методика проектирования КМОП СБИС космического назначения, позволяющая моделировать одиночные события для глубоко-субмикронной технологии;

- математические модели локальных радиационных эффектов, обеспечивающие прогнозирование эффектов для глубоко-субмикронной технологии;

- модели элементов схемотехнического уровня, позволяющие учесть проявления локальных эффектов для глубоко-субмикронной технологии;

- модели элементов функционально-логического уровня, позволяющие учесть проявления локальных эффектов для глубоко-субмикронной технологии;

- алгоритмы и программные средства моделирования работоспособности СБИС, позволяющие провести комплексное моделирование одиночных событий при различных режимах эксплуатации изделий в условиях космического пространства.

Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанные средства внедрены на ОАО «НИИЭТ». При этом экономический эффект составил более 1 млн рублей для реализации одного проекта. Предложенные методы проектирования были внедрены в учебный процесс «ВГЛТА» для направления подготовки «Информационные системы и технологии» и дополнительного 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, что позволяет широко их распространить на предприятиях аналогичного профиля.

Соответствие паспорту специальности. Работа защищается по специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования и соответствует 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;

3. 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. Предложенные в работе научные результаты прошли апробацию на отраслевых совещаниях и научно-технических конференциях.

Результаты докладывались на конференциях:

международных: Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» (Нижний Новгород - 2013); Архетип человека и будущее человечества (Воронеж, 2013); Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты (Новосибирск 2013); Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика (Воронеж 2013); Системные проблемы надежности, качества, компьютерного моделирования, кибернетических, информационных и телекоммуникационных технологий в инновационных проектах (Сочи 2013); Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования (Воронеж, 2014);

российских: «Стойкость -2014» (Москва, 2014).

Публикации результатов работы. Всего опубликована 41 работа, включая 6 работ в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 2 авторских свидетельства. Общий объем всех публикаций 112 с. (лично автором выполнено 69 е.).

Личное участие автора в работе заключается в формулировании цели и задач исследования [5,10, 14, 33, 38, 40], в проведении научных исследований [2,9, 18, 19, 27, 34], разработке и применения моделей [1,4, 17, 20, 23, 29, 36, 39], создании алгоритмов [6, 11, 12, 32], формулировке методики проектирования [24, 26, 30, 31], программной реализации [7,8,13, 15,16] и применения результатов работы [3, 21, 22,25,28, 35,37,41].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Материалы диссертации изложены на 118 страницах, включая 103 страницы машинописного текста, 22 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 105 наименований и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы; сформированы цель и задачи работы; обоснованы предмет и объект исследования; указана методика решения задач; сформулированы научная новизна, положения, выносимые на защиту; определены результаты работы и их практическая значимость; приведены сведения о внедрении и апробации результатов работы; рассмотрено соответствие работы паспорту специальности; указаны публикации и структура работы.

В первом разделе проведен анализ современного состояния электронной компонентной базы, различных видов излучения космического пространства, и прежде всего ТЗЧ, физических процессов, протекающих в полупроводниковых структурах элементов СБИС и связанных с ними одиночных событий, средств САПР для электронной компонентной базы и их возможностей по моделированию одиночных событий для глубоко-субмикронных технологий. Определены цель и задачи исследования.

Современное состояние электронной компонентной базы характеризуется развитием функционально-ориентированных микросхем, созданием новых технологий их изготовления, уменьшением питающих токов и напряжений, обеспечением высокой функциональности, способной решать определенные многоцелевые задачи систем управления, резким уменьшением проектных норм и внедрения методов повышения надежности работы микросхем. Внедрение новых способов проектирования с использованием сложно-функциональных блоков привело к появлению и развитию нового класса микросхем, получившему название «система на кристалле». Для этого класса характерно размещение на одном кристалле нескольких сложно-функциональных блоков, например, процессоров, различных видов памяти, интерфейсов, контроллеров, таймеров и т д. При тенденции роста степени интеграции и функциональной насыщенности главными задачами проектирования являются обеспечение бездефектности проектирования, уменьшение сроков и стоимости проектирования и производства проектов.

Данные тенденции, в частности, уменьшение проектных норм, снижают радиационную стойкость. При этом стали наблюдаться новые физические явления, которые ранее были пренебрежимо малы.

Рассматривая электронную компонентную базу космического назначения, можно отметить, что стойкость ее к радиации еще больше усугубляется необходимостью учета воздействия ТЗЧ, фактора, который воздействует на микросхемы в космосе. Поэтому ранее разработанные методы создания стойкой ЭКБ, прежде всего к накопленной дозе излучения, уже не удовлетворяют современным требованиям. При воздействии ТЗЧ на-

ступает одиночное событие, которое относится к микродозиметрнческнм радиационным эффектам. В настоящее время, при переходе к проектным нормам менее 100 нм, одиночные события стали проявляться по - «новому»: из стооя выходит не один элемент, а сразу несколько соседних элементов - фактически «кластер». Форма данного кластера существенно зависит от схемотехнических решений и топологии. Кроме того, на конфигурацию кластера оказывают влияние режим работы СБИС и температура среды.

В главе проводится анализ средств проектирования с точки зрения их возможностей по моделированию одиночных событий. Несмотря на проведенные исследования целого ряда авторов и организаций, в частности, «Научно-исследовательского института» В.Н.Ачкасова, В.П.Крюкова, И.П.Потапова, В.А.Смерека, «Научно исследовательского института системных исследований РАН» В.Б.Бетелина, П.А.Осипенко, Московского инженерно-физического института В.А.Телец, А.Ю.Никифорова А.И.Чумакова «Научно-исследовательского института приборов» В.Н.Улимова, К.И.Таперо, В.В. Емельянова и др., в настоящее время необходимо более детально рассмотреть данные явления с возможностью моделирования отказов в виде «кластеров». В современных средствах САПР

Относительно автоматизации проектирования констатируется, что средства, которые находятся РФ, фактически недостаточны для моделирования радиационных эффектов в СБИС с проектными нормами менее 180 нм, а следовательно, и применения различных способов достижения необходимой стойкости. Зарубежные средства практически недоступны.

Таким образом, можно сделать основной вывод: для разработки радиационно-стойкой элементной базы космического назначения необходимо создание собственных средств моделирования одиночных событий для глубоко-субмикронных технологий.

На основании выполненного анализа и указанных проблем определены цели и сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во второй главе рассмотрена предложенная методика проектирования электронной компонентной базы космического назначения с возможностью моделирования процессов воздействия ТЗЧ для глубоко-субмикронных технологий, моделирование одиночных событий от воздействия ТЗЧ в КМОП структурах ц СФ-блоках.

Отличительной особенностью предложенной методики является возможность моделирования одиночных событий на схемотехническом и функционально-логических уровнях. Для этого в методику моделирования вставлен модуль расчета величины заряда и тока ионизации, которые образуются при воздействии ТЗЧ в активной области элемента с учетом топологии и схемотехнического решения. Дополнительные блоки расчета позволяют определить границы кластеров, на которые скажется ионизационная реакция. Существует два варианта расчета отказов: ускоренный и полный. Ускоренный вариант дает быстрые оценки, но достаточно грубой точности, когда погрешность расчета может достигать до 300 %. Полный достаточно точный с погрешностью до 30 % (ее величина получена на испытуемых типах микросхем).

Ускоренный способ проводит оценку стойкости на основе сравнения величины полученного заряда и заряда необходимого для переключения элементов. Если величина заряда от ТЗЧ превышает величину заряда, необходимого для переключения, то данный элемент считается «неисправным» на время «рассасывания» носителей заряда. Время «рассасывания» заряда вводится проектировщиком вручную на основе экспериментальных данных подобных элементов. Как правило, оно превышает реальное время нахождения в «неисправном» состоянии, но дает общую картину отказов. Моделирование на

функционально-логическом уровне на основе «неисправных» элементов позволяет получить такую картину.

Полный вариант расчета использует предложенную модель тока ионизации. Значения этого тока являются входными значениями дополнительных генераторов тока, участвующих в схеме замещения элементов на схемотехническом уровне проектирования. Затем осуществляется проектирование на схемотехническом уровне на основе новых библиотечных элементов, учитывающих радиационную реакцию на воздействие ТЗЧ. Предусмотрен специальный модуль, который позволяет преобразовать параметры библиотечных элементов со схемотехнического на функционально-логический уровень. Далее осуществляется моделирование на функционально-логическом уровне стандартными методами, но на основе новых библиотечных элементов, позволяющих учесть радиационный отклик на воздействие ТЗЧ.

На заключительном этапе проводится моделирование работы микросхемы в условиях воздействия ТЗЧ с различными параметрами воздействия: величиной потока и энергией частиц. Для этого с помощью случайного разброса точек попадания частиц на кристалл определяются места областей ионизации и проводится оценка работы всей СБИС.

На основе комплексного моделирования функционирования микросхемы в различных температурных условиях, режимах работы и частоты отказов (которая зависит от величины потока и энергии ТЗЧ) определяются параметры чувствительности СБИС к воздействию ТЗЧ.

Полученные результаты являются важной информацией для лица, принимающего решение, так как они содержат потенциально возможные точки отказа элементов СБИС и частоту отказов в зависимости от энергии и потока. Применив определенные меры по защите, можно провести моделирование уже со средствами защиты и повысить стойкость изделий.

Таким образом, проектировщик микросхем будет определять различные варианты защиты исходя из ее особенностей: топологии и схемотехнических решений.

В главе предложены математические модели протекания локальных радиационных эффектов в полупроводниковых структурах, которые учитывают распространение тока ионизации в нескольких рядом расположенных ячейках, что приводит к возникновению «кластеров» отказов.

Для этого предложено зависимость тока ионизации от времени рассчитывать по формуле

1(1) = 1шах X к X ((1 - ехр(-Э) х (ехр(-Э)) », (1)

где п - коэффициент аппроксимации, к - нормирующий множитель

тах |((1 - ехрН)) х (ехрН)))

т - постоянная времени, определяется по формуле

т = т„ ■ (1 + А • ехр(-В • N • Т)), (3)

где Т - величина температуры внешней среды; N - количество циклов изменения температуры; А, В - коэффициенты аппроксимации; т0 - начальное значение по-

стоянной времени, для КМОП СБИС в зависимости от технологии оно лежит в пределах от 10"8 до 10"7 сек.

В главе разработан оригинальный метод определения всех параметров аппроксимации и точного значения постоянной отжига. Для этого необходимо провести испытания тестовых структур в различных температурных режимах с последующим отжигом, которые проводятся многократно. Результаты экспериментальных исследований дадут необходимую информацию для проведения дальнейших расчетов. Фактически данный этап работ можно отнести к экстракции параметров и дальнейшей характеризацин библиотечных элементов по параметрам воздействия ТЗЧ и температуры внешней среды. Для технологии «объемный кремний» и «кремний на изоляторе» с проектными нормами 350, 180 и 90 нм значения данных коэффициентов получены. Они используются для моделирования воздействия ТЗЧ для микросхем, проектируемых в ОАО «НИИЭТ». В качестве примера можно сказать, что для проектных норм 90 нм технологии «кремний на изоляторе» т0 = 1,27 10"8 сек, п=0,00708, коэффициенты А и В определяются в зависимости от N.

Для учета кластерного эффекта определяется область ионизации в микросхеме в зависимости от энергии частиц. Область ионизации может быть определена по формуле

Для микросхем технологии КМОП определены данные коэффициенты

= 0,00313; а2 = 0,00912; а3 = 1; Е - линейные потери энергии частиц при прохождении кремния. Данная формула работает в диапазоне энергий от 0 до 120 МЭВ см" /мг. Значение Z(x) - определяет передачу тока ионизации смежным ячейкам по токо-проводящнм контактам, включая металлизацию.

Максимальное значение тока ионизации в точке попадания частицы в активную область будет равно

Г dn(t)

/(Оион = 4jrqD J -fit-rdr. (4)

о

где п (t) - концентрация электронов в активной области, которая представлена в виде цилиндра радиусом R, z - ось, вдоль которой пролетает частица и собирается заряд электронов, D - коэффициент диффузии, г — координаты области в цилиндрической системе координат, q - величина заряда электрона.

Или для глубоко-субмикронных технологий:

Imex = "<7 -D ■ S • р, (5)

где р - концентрация неосновных носителей заряда в единичной области; S - площадь подложки; D - коэффициент диффузии; q - заряд электрона.

С учетом области и возможностью передать заряд соседним ячейкам ток ионизации для нескольких активных ячеек в точке попадания частицы равен

Imax = -q-D • 5 • р "ZW^ + ^ + Bsj-ßW. (6)

где R(x) - коэффициент взаимного влияния ячеек, значение которого лежит в пределах от 0 до 1. Конкретное значение определяется топологией и схемотехническими решениями.

Зная значение тока ионизации, можно определить заряд, накопленный в ячейках. Для этого вычисляют собранный заряд частицей в объеме активного элемента по формуле

QW= JU'dt- ™

о

за время воздействия частицы на область полупроводника t, обычно оно составляет до 10 не.

Таким образом, основная характеристика воздействия ТЗЧ - ток ионизации определен с учетом одиночных событий типа «кластеров», топологии схемотехники и температуры окружающей среды с возможностью учета циклического изменения температуры.

Для моделирования активных ячеек в составе микросхемы воспользуемся моделированием работы ячеек на схемотехническом и функционально-логическом уровне.

В третьей главе рассматривается моделирование на схемотехническом и функционально-логическом уровне.

Моделирование воздействия ТЗЧ на схемотехническом уровне заключается во внесении в эквивалентную схему замещения дополнительных генераторов тока, ёмкостей, паразитных биполярных транзисторов и резисторов, которые с некоторой частотой включаются в работу.

Для этого создаются новые библиотечные элементы, которые дополнены указанными выше элементами. Такие элементы получили название «радиационные». Ток генератора - ток ионизации в МОП - транзисторе вносится в р-п переход «Сток - Подложка». В результате наблюдается увеличение тока стока в течение некоторого малого времени, уменьшение порогового напряжения МОП-транзистора, что в конечном итоге приводит к переключению логического состояния.

Математически работа МОП-транзистора в статическом режиме соответствует нулевому току затвора 1Ё=0 и подложки 1ь. Предложено ввести ток ионизации, тогда выражения для вычисления токов стока и истока описываются:

Id = las [exp(VM /(N • V,)) -1] - Idrain

I, =Iss[exp(Vbs/(N-Vt))-l]+llllM (8)

Ток Idrain определяется соотношениями: 0 при Vgs-Vlo<0

Beta(l + LK -VJS)(V^ -VJ2 при 0 < Vgs - V,„ < Vds , (9)

Beta(l + LK • VJ-V^V^ -VJ-VJ при Vds < Vgs -V10

Beta - крутизна переходной характеристики = 0,75-10"3-W/L; W - ширина, a L - длина канала;

V10 = VT + GAMMA • [,/PHI - Vbs - VPHI]• KR , (10)

где VT - пороговое напряжение для элементов КМОП СБИС, если величина Vbs = 0, он равен 1 В; PHI - поверхностный потенциал инверсии, он составляет для элементов КМОП СБИС = 0,6В; GAMMA - коэффициент воздействия потенциала подложки на VT; KR - коэффициент влияния радиации;

GAMMA = р • EPSs, • Na / Сох , (11)

^ drain

EPSsi = 11,7-EPS - диэлектрическая проницаемость кремния (EPS = 8.86-10"12 Ф/м); Na - величина уровня легирования подложки; Сох - величина удельной ёмкости оксида, которая составляет EPSox'TO; значение EPSox = 3,9-EPS; ТО - толщина оксида затвора.

Соотношения при обратном смещении (Vj, < 0). 0 при VgJ - V,0 <0

Idrain = • - Beta(l - LAMBDA• V, )(Vgd - VIoпри 0<V?d- Vlo < Vds (12)

Beta(l - LAMBDA-VJs)-Vds [2( Vgd - Vlo) - Vds ] при Vds < Vgd - Vt0

На основе схемотехнического моделирования определяется изменение выходных параметров РМОП и NMOn. Данные значения являются входной информацией для описания изменения поведения блоков на функционально-логическом уровне. Для этого в модели функционально-логического уровня вносятся новые характеристики переходных и установившихся процессов. Для установившихся процессов вносятся новые состояния элементов, а для переходных процессов вносятся новые состояния времени переходных процессов.

В результате состояние элемента на функционально-логическом уровне можно описать соотношением

U = (С, С, ^кк,ЬМЛеыкЛССЛсс) > _ (13)

где С - логическая функция элемента в исправном состоянии; С — логическая функция элемента в неисправном состоянии; ЕзаЛвк - задержка распространения сигнала в элементе при включении; t3afll!bM( - задержка распространения сигнала в элементе при выключении; tc— задержка распространения сигнала в элементе при переходе из исправного в неисправное состояние; tSc — задержка распространения сигнала в элементе при переходе из неисправного в исправное состояние.

В работе предложен алгоритм оценки стойкости изделий к одиночным событиям. Он состоит из двух вариантов: ускоренного расчета и полного. Ускоренный расчет заменяет исправные элементы на неисправные, причем временные соотношения определяются проектировщиком для «наихудшего» случая. Для полного, как более точного, варианта временные соотношения вычисляются из переходных характеристик, которые получаются на этапе схемотехнического моделирования.

На основе моделирования получается зависимость сечения сбоев от величины энергии частиц.

Полученные выражения могут быть описаны выражением

- ерх {—)] приЕ > Епор ^ (И)

.0 при Е < Епор

где стнас - значение сечения насыщения, может быть определено как суммарная площадь активных элементов, которые попадают под «пятно» воздействия ТЗЧ.

О-нас = Zi?-l№) (15)

Si — площадь активных элементов, Епор - пороговая - минимальная энергия частиц, при которой наблюдается ОС, Е - энергия частиц, к - поправочный коэффициент (к=0,1 - 0,35 в зависимости от технологии), L - проектная норма, W - коэффициент аппроксимации (\V= 9,135789+1,400938kL+0,0116448k2L2).

Полученная формула достаточно хорошо описывает изменение кривых чувствительности, которые стремятся к линейной зависимости при уменьшении проектных норм.

В четвертом разделе описывается практическая реализация разработанных средств: особенности разработки программных средств, результаты экспериментальных

исследований и их сравнение с теоретическими оценками, методическое обеспечение и описание библиотек элементов на схемотехническом и функционально-логическом уровнях.

Предложенные средства моделирования и оценки стойкости СФ-блоков нашли свое применение в интегральном программном комплексе моделирования космического излучения, который состоит из следующих блоков: базового, определения области взаимодействия частицы и микросхемы, расчета токи ионизации, расчета заряда.

На основе полученных средств были реализованы библиотечные элементы, которые использовались при проектировании микросхем космического назначения. На основе этих блоков были реализованы микросхемы 1867ВМ7 и 1867ВМ7Т. Результаты испытаний и теоретических оценок приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные данные отказов при моделировании одиночных событий

Тип микросхемы Число сбоев при энергии ЛПЭф) = 15,7 МэВ см2/мг и длительности облучения 700 с (40АГ+5) Число сбоев при энергии ЛПЭ(80 = 40 МэВ см2/мг и длительности облучения 700 с (84Кг+п) Число сбоев при энергии ЛПЭф) = 69 МэВ см'/мг и длительности облучения 700 с (шХе+п)

экспер. расчет экспер. расчет экспер. расчет

1874ВЕ7Т 0 0 937 995 3308 3411

Таким образом, использование разработанных средств повышает эффективность проектирования за счет обеспечения стойкости к ТЗЧ. Важным результатом работы явилось создание иерархической библиотеки типовых и функциональных элементов с учетом радиационного воздействия, что явилось основой для проектирования СБИС космического назначения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современного состояния средств автоматизации проектирования, физических и математических моделей, описывающих одиночные события, что позволило определить проблемы и направления их устранения для создания радиаци-онно-стойких микросхем.

2. Сформулированы требования, определены целевые задачи и разработана методика проектирования СФ-блоков КМОП СБИС, выполненных по глубоко-субмикронным технологиям, которая обеспечила системный подход к проблеме, позволила моделировать одиночные события с учетом современных требований комплекса государственных стандартов «Климат-7» и глубоко-субмикронных технологий.

3. Предложены математические модели локальных радиационных эффектов, возникающих в СФ-блоках КМОП СБИС, выполненных по глубоко-субмикронным технологиям, при воздействии ТЗЧ космического пространства, которые позволили определить условия и степень проявления одиночных событий в зависимости от энергии частиц и топологических решений элементов СБИС, температуры среды.

4. Разработаны модели элементов схемотехнического уровня, отличающиеся учетом проявлений локальных эффектов для глубоко-субмикронных технологий при различных энергиях ТЗЧ, температурах внешней среды и режимах работы микросхемы.

5. Разработаны модели элементов функционально-логического уровня, отличающиеся учетом показателей логического состояния элементов, временных параметров работы и взаимного влияния ячеек друг на друга при воздействии ТЗЧ.

6. Созданы алгоритмы и программные средства моделирования работоспособности СБИС, отличающихся комплексным учетом одиночных событий и режимом эксплуатации изделий в условиях космического пространства.

7. С помощью разработанных средств создана библиотека типовых элементов специализированных КМОП СБИС, на основе которой проектируются микросхемы с повышенной радиационной стойкостью, которые нашли применение в космических летательных аппаратах и ракетной технике.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях Перечня, определенного ВАК Минобрнауки России

1. Зольников, К.В. Модель радиационных эффектов воздействия тяжелых заряженных частиц в КМОП-элементах микросхем [Текст] / К.В.Зольников, Т.П.Беляева, К.И.Таперо, В.А.Смерек // Программные продукты и системы. 2011. - № 3. - С. 35-38.

2. Зольников, К.В. Методы преобразования библиотеки элементов схемотехнического уровня в библиотеку функционально-логического уровня с учетом радиационного воздействия [Текст] / К.В.Зольников, М.В.Конарев // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2012,-№ 3. - С. 9-13.

3. 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.

4. 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 техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2014. - № 2. - С. 5-9.

5. 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. 17-22

6. Зольников, К.В. Метод и алгоритм поиска дефектов для радиационно-стойких 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.

Патенты и зарегистрированные программы

7. Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 2014619293 Монитор сигналов для микропроцессоров 1867ВЦ2Т, 1867ВЦ2АТ / Зольников К.В., Ко-нарев М.В. - заявка № 2014616957 17.06.2014 опубл. 12.09.2014г

8. Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 2014618869 Загрузчик программного обеспечения СБИС 1867ВЦ8Ф через интерфейсы Ethernet, USB 2.0, UART / Конарев М.В., Макеев С.Н., Зольников К.В., - заявка № 2014616950 17.06.2014 опубл. 01.09.2014г

Статьи и материалы конференций

9. Зольников, К.В. Расчет радиационных эффектов в элементной базе [Текст] /

В

К.В.Зольников, А.И.Яньков // Моделирование систем и процессов. - 2010. - №1-2. - С. 91-99.

10. Зольников, К.В. Проблемы моделирования базовых элементов КМОП БИС двойного назначения [Текст] / К.В.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2010. - № 3,4. - С. 20- 27.

11. Зольников, К.В. Основы построения средств верификации блоков ОЗУ микропроцессора с системой команд TMS320C5 [Текст] / К.В.Зольников // Моделирование систем и процессов. -2011. - № 1, 2. - С. 31- 37.

12. Зольников, К.В. Тестирование последовательного порта с временным мультиплексированием [Текст] / К.В.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 1-2. -С. 35-38.

13. Зольников, К.В. Проверка работоспособности последовательного порта TDM микропроцессора с системой команд TMS320C50 [Текст] / К.В.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2011.- № 3. - С. 29-34.

14. 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.

15. Зольников, К.В. Создание тестовых программ для TMS320C50 на языке VERILOG [Текст] / К.В.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2012. -№ 1. - С. 31-36.

16. 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.

17. 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.

18. Зольников, К.В. Методы проектирования микросхем, стойких к одиночным событиям [Текст] / КВ.Зольников, В.Н.Ачкасов, С В.А.мерек, Д.М.Уткин // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 3. - С. 17-20.

19. 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.

20. Зольников, К.В. Моделирование радиационных эффектов на физико-технологическом уровне в САПР ИЭТ [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр,

A.А.Стоянов, К.И.Таперо, А.И.Озеров // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 4. - С. 92-97.

21. 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.

22. Зольников, К.В. Разработка радиационно-стойкого микроконтроллера со встроенными специальными средствами [Текст] / К.В.Зольников, Смерек В.А., Стоянов A.A. // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 1. - С. 48-51.

23. Моделирование работы компонентов микросхем в условиях воздействия радиации в САПР [Текст] / К.В.Зольников, Ю.А.Чевычелов Ю.А.// Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 2. - С. 14-17.

24. 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

B.И. // Моделирование систем и процессов. - 2013.- № 2. - С. 72-76.

25. Кононов, B.C. Двоично-взвешенный цунговый ЦАП для низковольтных АЦП на КНИ-подложках [Текст] / В.С.Кононов, К.В.Зольников / Материалы первой Российко-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной электроники», Н.Ноггород, Изд.: ИНГУ,- 2013. - С. 22.

26. Зольников, К.В. Проектирование радиационно-стойкой электронной компонентной базы [Текст] / К.В.Зольников, А.А.Стоянов, В.С.Кононов / Материалы первой Российко-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной электроники», Н.Ноггород, Изд.: ННГУ,- 2013. - С. 64-68.

27. Ачкасов, В.Н. Математическое обеспечение преобразования элементов с учетом радиации со схемотехнического на функционально-логический уровень [Текст] / В.Н.Ачкасов, К.В.Зольников, М.В.Конорев // Материалы первой Росснйко-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной электроники», Н.Ноггород, Изд.: ННГУ,- 2013. - С. 68-71.

28. Яньков, АИ. Подход к тестированию сложно-функциональных микросхем, примененный при испытаниях двухпроцессорной «системы на криталле» на базе ядер 32-разрядных процессоров ЦОС [Текст] / А.И.Яньков, А.В.Ачкасов, К.В.Зольников, М.В.Конарев // Материалы первой Российко-белорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной электроники», Н.Ноггород, Изд.: ННГУ.- 2013. - С. 96-99.

29. Зольников, К.В. Определение вероятности безотказной работы при структурной оптимизации элементов сложных функциональных блоков в САПР [Текст] / К.В.Зольников, В.А. Смерек, А.И.Яньков, М.В.Конарев М.В., Н.А.Орликовский, A.B. Ачкасов A.B.// Моделирование систем и процессов. - 2013,- № 3. - С. 35-37.

30. Зольников, К.В. Обобщенная методика проектирования сложных блоков, составляющих программно-технические комплексы специального назначения [Текст] / К.В.Зольников, Д.М.Уткин // Моделирование систем и процессов. - 2013.- № 3. - С. 5155.

31. Зольников, К.В. Этапы проектирования радиационно-стойких микросхем [Текст] / К.В.Зольников // Материалы международной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты». - 2013. - № 6. - С. 117-122.

32. Ачкасов В.Н. Алгоритм моделирования работоспособности микросхем в условиях воздействия внешних факторов в подсистеме САПР ИЭТ [Текст] / В.Н.Ачкасов, К.В.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 4. - С. 16-19.

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. Крюков, В.П. Проблемы моделирования базовых элементов КМОП БИС двойного назначения в САПР [Текст] / В.П.Крюков, К.В.Зольников, С.А Евдокимова. // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 4. - С. 41-44.

35. Зольников, К.В. Создание специальной радиационно-стойкой электронной компонентной базы [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Фиронов / Материалы международной научно-практической конференции «Архетип человека и будущее человечества», Воронеж. 2013.-С. 206-212.

36. Ачкасов В.Н. Математическое представление преобразования элементов с учетом радиации со схемотехнического на функционально-логический уровень [Текст] / В.Н.Ачкасов, К.В.Зольников, М.В.Конарев // Материалы международной научно-

практической конференции «Архетип человека и будущее человечества», Воронеж. 2013.-С. 206-212.

37. Яньков, А.И. Результаты исследования сбоеустойчевого процессора серии 1867 [Текст] / А.И.Яньков, А.В.Ачкасов, К.В.Зольников, М.В.Конарев, Н.А.Орликовский // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 4. - С. 72-74.

38. Зольников, К.В. Проектирование радиационно-стойких микросхем [Текст] / К.В.Зольников // Материалы международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, компьютерного моделирования, кибернетических, информационых и телекоммуникационных технологий в инновационных проектах». — 2013. - Ч. 1. — С. 51-52.

39. Зольников, К.В. Моделирование воздействия ТЗЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Смерек, A.B. Ачкасов, В.А.Скляр//Моделирование систем и процессов. -2014. -№ 1. -С. 15-17.

40. Смерек, В.А. Методы разработки микросхем космического применения [Текст] / Смерек В.А., Яньков А.И., Ачкасов A.B., Крюков В.П., Конарев М.В., Зольников К.В., Скляр В.А.// Российская конференция «Стойкость-2014». - 2014. - Москва. - С. 73-75.

41. 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.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу: 394087, г. Воронеж, ул.Тимирязева, 8, ВГЛТА, ученому секретарю. Тел / Факс (4732)-53-67-08.

Зольников Константин Владимирович Проектирование микросхем глубоко-субмикронной технологии с учетом воздействия тяжелых заряженных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 16.10.2014. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 336

ФГБОУ "Воронежская государственная лесотехническая академия" 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8

Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО "ВГЛТА" 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10