автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Проектирование микросхем с учетом воздействия статического ионизирующего излучения космического пространства

На правах рукописи

Скляр Валерий Александрович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г О И0Я 2014

Воронеж — 2014

005555488

005555488

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зольников Владимир Константинович

Официальные оппоненты: Рембеза Станислав Иванович,

доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственные технический университет», заведующий кафедрой «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника»

Быстрицкий Алексей Викторович,

кандидат технических наук, ОАО " Конструкгорско-технологический центр "ЭЛЕКТРОНИКА" Главный конструктор-заместитель генерального директора

Ведущая организация: ОАО «Специализированное конструкторско-

технологическое бюро электронных систем» (г. Воронеж)

Защита состоится 29 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 30 октября 2014 г.

Ученый секретарь , ,

диссертационного совета: Л ХА* * Анциферова Валентина Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для любой страны важен приоритет в самых высокотехнологичных областях. Космическая техника - это одна из отраслей, которая способна вывести на передовые позиции страну, где ей уделяется самое пристальное внимание. Считается одним из важнейших показателей технологического приоритета страны - наличие широко развитой космической отрасли. Но ключевой проблемой данной отрасли является создание радиационно-стойкой электронной компонентой базы.

Отметим, что космическое ионизирующее излучение имеет две глобальные составляющие, каждая из которых характеризуется своим механизмом протекания физических процессов и соответственно своими методами защиты от них. Одна составляющая - это статическое излучение, состоящее из электронного, протонного и гамма-излучения, вторая - воздействие отдельных ядерных частиц. Для первой составляющей характерны процессы деградации электропараметров и постепенное увеличение числа функциональных отказов, для второй - временные кратковременные отказы, возможны и катастрофические отказы.

В данной работе мы будем рассматривать статические ионизирующие излучения. Они характеризуются малой мощностью излучения. Механизм воздействия низкоинтенсивного излучения вместе с изменением температуры среды имеет некоторые особенности, которые связаны с деградацией элементов интегральных схем. При рассмотрении КМОП - технологии экспериментально установлено, что с уменьшением мощности деградация возрастает. Данное явление исследовалось экспериментально, но на практике были выработаны только рекомендации для экспериментальных исследований, которые позволяли адаптировать экспериментальные данные, полученные при высокой мощности, к данным, которые получились бы при малой мощности, характерной для космоса. Теоретические модели носили частный характер и не использовались в САПР. К таким работам следует отнести разработки сотрудников «Научно-исследовательского института электронной техники» А.В.Ачкасова, В.П.Крюкова, А.И.Янькова, сотрудников «Научно-исследовательского института системных исследований РАН» В.Б.Бетелина, П.А.Осипенко, Российского института «Электронстандарт» В.Г.Малинина, М.М.Малышева, Московского инженерно-физического института В.А.Тельца,

A.Ю.Никифорова, А.И.Чумакова, Научно-исследовательского института приборов

B.Н.Улимова, К.И.Таперо, В.В.Емельянова и др.

Современная ситуация в области создания изделий электронной компонентной базы, а именно уменьшение проектных норм, привело только к еще более непредсказуемой картине. Поэтому назрела необходимость разработать специальные средства моделирования деградации элементов СБИС при воздействии излучения малой мощности, интегрировать их в САПР сквозного проектирования, которые были бы способны на стадии проектирования дать оценку поведения СБИС в реальных условиях космоса по отношению к статическому излучению.

Таким образом, для создания радиационно-стойких микросхем космического назначения в теории и практике САПР были поставлены актуальные задачи.

Актуальность работы подтверждает участие автора в ряде работ данной направленности в соответствии с программами Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, которые осуществлялись ФБГОУ ВПО

«ВГЛТА»: НИР «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта радиационно-стойких библиотек элементов», НИР «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования физических процессов сложных транзисторных структур»; гранта РФФИ 08-07-99006-р_офи «Развитие средств проектирования изделий микроэлектроники в части моделирования радиационных эффектов и создание на их основе микроконтроллера 1874ВЕ36 с высоким уровнем радиационной стойкости»; гранта РФФИ 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы».

Объект исследования - автоматизированное проектирование микросхем с возможностью учета радиации.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы проектирования СБИС с учетом низкоинтенсивного излучения космического пространства.

Цель исследования состоит в разработке комплекса моделей, алгоритмов и программ моделирования излучения малой мощности для автоматизированного проектирования радиационно-стойких микросхем космического назначения.

Для достижения цели в работе должны быть решены задачи:

- провести анализ современного состояния средств проектирования для современных проектных норм, физических и математических моделей воздействия космического излучения, оценить их недостатки и определить направления их устранения;

- сформулировать методику проектирования СБИС, структуру программного обеспечения, позволяющего учесть низкоинтенсивное ионизирующее излучение космического пространства, и определить способы интеграции его в САПР сквозного проектирования;

- разработать математические модели, позволяющие определить закономерности протекания физических процессов в полупроводниковых структурах СБИС при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства;

- разработать методы и определить соотношения, описывающие деградацию параметров библиотечных элементов при воздействии ионизирующего излучения космического пространства в зависимости от мощности дозы и температуры среды;

- разработать модели поведения элементов КМОП СБИС при воздействии ионизирующего излучения космического пространства на схемотехническом уровне;

- с помощью разработанных средств осуществить проектирование микросхем, что позволит оценить эффективность предложенных средств.

Методика исследования. Для решения поставленной задачи использованы: теория и процедуры автоматизации проектирования; теория вычислительных систем; вычислительная математика; модульное, структурное и объектно-ориентированное программирование; экспертные оценки, эксперименты с использованием моделирующих установок.

Научная новизна:

- методика проектирования КМОП СБИС космического назначения, отличающаяся возможностью моделировать радиационные эффекты космического происхождения в зависимости от мощности излучения, температуры среды и режима работы СБИС для современных маршрутов проектирования;

- математические модели протекания физических процессов в полупроводниковых структурах, отличающиеся предложенными соотношениями для накопления за-

ряда в критических областях полупроводниковых структур с современными проектными нормами;

- математические соотношения, определяющие деградацию параметров моделей элементов схемотехнического уровня от низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства, отличающиеся средствами учета мощности излучения и температуры среды, а также методы получения параметров моделей элементов;

- алгоритмы и программные средства моделирования работоспособности СБИС, отличающихся комплексным учетом деградации элементов СБИС от воздействия низкоинтенсивного космического излучения и режимом эксплуатации изделий в условиях космического пространства.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика проектирования КМОП СБИС космического назначения, позволяющая моделировать радиационные отказы от статического космического излучения с учетом мощности излучения, температуры среды и режима работы СБИС для современных маршрутов проектирования;

- математические модели протекания физических процессов в полупроводниковых структурах, позволяющие выявить главные закономерности протекания данных событий для полупроводниковых структур с современными проектными нормами;

- математические соотношения, позволяющие проводить экстракцию параметров моделей элементов схемотехнического уровня с учетом мощности статического ионизирующего излучения;

- алгоритмы и программные средства, включающие в себя все предложенные средства и позволяющие моделировать работоспособность СБИС в условиях воздействия статического космического излучения.

Практическая значимость н результаты внедрения. Результаты работы внедрены на ОАО «НИИЭТ» в виде комплексов программ, которые интегрированы в САПР сквозного проектирования. Экономический эффект от внедрения данных средств может составить более 10 млн рублей, так как сокращает значительный объем длительных испытаний, характерный для воздействия излучения малой мощности.

Предложенные средства внедрены также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» для направления подготовки 230400 «Информационные системы и технологии», дополнительного профессионального образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий» в виде элементов лекций, лабораторных, курсовых и дипломных работ. Результаты внедрения показали высокую эффективность как в части проектных работ в ОАО «НИИЭТ», так и для подготовки кадров. Это позволяет широко их распространить на предприятиях аналогичного профиля и в вузах.

Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования, задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований;

1. Методология автоматизированного проектирования в технике, включающая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР;

2. разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.

Апробация работы. Результаты научных исследований обсуждались на научно-технических совещаниях, семинарах по выполнению НИР и ОКР в Министерстве промышленности и торговли, на головных предприятиях электронной промышленности, на научных конференциях, отчетах при приеме НИР и ОКР.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: международных: Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» (Нижний Новгород, 2013); Архетип человека и будущее человечества (Воронеж, 2013); Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика (Воронеж, 2013); Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования (Воронеж, 2014).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 34 работы, включая 5 работ в журналах, входящих в перечень определенных ВАК Минобр-науки России, 5 авторских свидетельств, 2 работы выполнены без соавторов. Общий объем всех публикаций 130 с. (лично автором выполнено 68 е.).

Личное участие заключается в определении цели и задач работы [11, 19, 21-25, 30, 32], в выполнении научно-технических исследований [12, 18, 28, 31], разработке и анализе моделей [4, 6, 7, 13, 16, 20, 26, 29], разработке алгоритмов [3, 5, 14, 17], разработке методики проектирования [1, 2, 33, 34], программной реализации [15, 27] и аппаратной реализации [8-10].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемых источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 172 страницах, включая 25 рисунков, 2 таблицы, список используемых источников из 110 наименований и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы: определены цель и задачи работы; установлены предмет и объект исследования; сформулирована методика решения задач; определены научная новизна и положения, которые выносятся защиту; рассмотрены результаты работы и ее практическая значимость; указаны сведения о внедрении и апробации результатов работы; установлено соответствие работы паспорту специальности; приведено число публикаций, личный вклад и структура работы.

В первой главе работы проведен анализ статического радиационного воздействия малой мощности на полупроводниковые структуры, современной электронной компонентой базы и возможности САПР по учету данного явления, определена цель и сформулированы задачи исследования.

При рассмотрении радиационного воздействия космического пространства определено, что основными воздействующими факторами статического излучения являются электронное, протонное и гамма-излучения. Все эти виды воздействия приводят к деградации электропараметров, которая зависит, прежде всего, от дозы облучения, мощности излучения, а также от технологии, топологии, конструктивных и схемотехнических решений. В настоящее время с помощью конструкции элементов и технологии изготовления СБИС удалось повысить стойкость изделий к дозе. Однако

анализ работы космических летательных аппаратов длительное время в космосе показал, что наблюдается такое явление, как отказ работы СБИС для значений дозы при которой она должна еще работать. Экспериментально установлено, что на увеличение деградации электропараметров, возникающие функциональные отказы в значительной мере влияет мощность дозы - т.е. скорость, с которой был осуществлен набор дозы.

Анализ проведенных ранее исследований показал, что конкретная зависимость от мощности излучения не была выявлена, главным образом потому, что на нее достаточно сильно влияют технологические, конструктивные и схемотехнические решения. Поэтому точное определение такой зависимости было сделано лишь для конкретных микросхем на основе экспериментального материала.

Рассматривая технологию, экспериментально было определено, что для биполярной технологии такая зависимость отличается неустойчивым характером. Были выявлены случаи как понижения стойкости - большая деградация (в частности, для серий 1505, 1504, 1804 меньшая мощность приводила к увеличению деградации почти на порядок), так и увеличения стойкости — меньшая деградация. Относительно КМОП-технологии экспериментально установлено, что уменьшение мощности приводит к более высокой деградации, причем такая зависимость прослеживается достаточно устойчиво.

Так как основная доля используемых СБИС сейчас изготавливается по КМОП-технологии, то исследованию именно такого направления посвящена данная работа.

В работах, посвященных исследованию изменения деградации от мощности дозы, в основном ставилась задача экспериментально пересчитать деградацию элементов, полученную при высокой мощности, к деградации элементов, которую бы следовало ожидать при малой мощности. Были разработаны руководящие материалы, которые позволяли оценить деградацию элементов для малой мощности в условиях эксперимента. Однако такие оценки носили исключительно приблизительный характер, связанный с большим объёмом экспериментальных работ. Результаты практически не увязывались со средствами автоматизации проектирования. Кроме того, не было исследовано влияние уменьшения проектных норм на величину деградации. Все это потребовало провести данные исследования, конечным результатом которых стали бы разработанные специальные средства, входящие в состав САПР, и с помощью которых можно было бы предсказать стойкость изделий при статических излучениях малой мощности.

Для достижения данной цели были сформулированы задачи: вывести соотношения, которые позволили бы определить закономерности, протекающие в полупроводниковых структурах; на основе полученных соотношений предложить зависимости деградации параметров элементов схемотехнического уровня; разработать методику определения всех коэффициентов, входящих в предложенные соотношения; получить все параметры библиотечных элементов схемотехнического уровня; осуществить разработку одной из микросхем и провести испытания при высокой мощности воздействующего излучения, пересчитать полученные результаты для воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения по стандартной методике, утвержденной в установленном порядке и принятой к исполнению; сравнить полученные результаты эксперимента с расчетом и определить адекватность и эффективность работы предложенных средств.

Во второй главе представлена предложенная методика проектирования микросхем космического назначения с учетом моделирования деградации параметров от воздействия электронов, протонов и гамма-излучения с низкой мощностью воздействия, которая характерна для статического космического излучения, структура программного обеспечения, позволяющего проводить расчеты деградации электропараметров, методы определения дозы протонного и электронного излучения, а также пересчета их к дозе гамма-излучения.

Предложенная методика позволяет определить накопленную дозу эквивалентного излучения, которая может быть получена пересчетом от электронного и протонного излучения к поглощённой дозе гамма-излучения. В зависимости от дозы и мощности дозы может быть получено время, в течение которого набирается полученная доза. Затем, в зависимости от мощности дозы и времени определяются аппроксимационные коэффициенты в выражениях для библиотечных элементов. Далее рассчитываются SPICE - параметры библиотечных элементов и производится моделирование на схемотехническом уровне.

Новизна такой методики заключается в возможности моделировать радиационные эффекты космического назначения в 'зависимости от мощности излучения, температуры среды и режима работы СБИС для современных маршрутов проектирования.

Предложена структура программного обеспечения, позволяющего проводить расчеты деградации электропараметров. Она состоит из трех блоков и интерфейса. Данные блоки проводят: пересчет дозы и определения времени ее набора; выбор коэффициентов аппроксимации и экстракцию SPICE - параметров транзистора, как наиболее чувствительного элемента к воздействию дозы излучения, и программы передачи данных в модели транзистора, полученные для схемотехнического моделирования в типовой САПР Cadence.

В работе обосновывается правомочность учета только транзистора как наиболее чувствительного элемента. Показано что для КМОП СБИС деградация транзисторов начинается значительно раньше, чем деградация резисторов, емкостей, и эта разница составляет около двух порядков. На основе проведенных исследований показано, что деградация параметров транзистора сказывается на изменении порогового напряжения и подвижности в зависимости от дозы.

Так, пороговое напряжение МОПТ может определяться выражением

и0х=-С>оэф/Сох , Л!^ - его изменения, вызванные накоплением заряда и об-

разованием поверхностных состояний соответственно, <р,т - разность работ выхода металла и полупроводника; фрн - местоположение уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны полупроводника; я - заряд электрона; - диэлектрическая проницаемость полупроводника; Ы„55 - концентрация атомов примеси в нем; Сох -удельная емкость подзатворного окисла.

Деградация подвижности определяется изменениями плотности поверхностных состояний на границе раздела 8¡/8Юг и может быть аппроксимирована формулой

Uo=Uoi+Uox+AUss,

(1)

где

собственное пороговое напряжение;

H/|io=l/(l+wNit),

(2)

где ц, Цо - подвижности носителей в канале до и после облучения; со - коэффициент пропорциональности с типовым значением, равным (8±2)10"13см~, Ni, - плотность поверхностных состояний.

Поэтому формируется вывод, что для SPICE - параметров необходимо учесть влияние дозы, пороговое напряжение и подвижность с помощью некоторых функций, которые имели зависимость от дозы. Но так как доза вычисляется в виде произведения мощности на время, и учитывая, что мощность воздействия влияет на деградацию, то целесообразно представить поправочные функции зависящими от мощности дозы и времени.

Учитывая то, что все SPICE - параметры взаимосвязаны и характеризованы по температуре, подставив полученные значения подвижности и порогового напряжения, можно получить все остальные SPICE - параметры, характерные для конкретного вида космического излучения, его мощности, времени воздействия и температуры среды. Зависимость от режима работы дает непосредственно схемотехническое моделирование.

В работе определены соотношения позволяющие определить дозу гамма-излучения эквивалентной по ионизационным и структурным эффектам воздействию электронного и протонного излучения. Это необходимо потому, что статическое излучение космического пространства состоит из электронного и протонного излучений, а оценку стойкости на испытательных базах проводят в подавляющем большинстве случаев на установках статического гамма-излучения в силу экономических причин (что особенно важно при испытаниях на малую мощность).

В третьей главе рассматривается моделирование накопления заряда в полупроводниковых структурах КМОП транзистора при воздействии излучения малой мощности; предложены соотношения для изменения порогового напряжения и подвижности в зависимости от мощности дозы, времени и температуры; рассматриваются методы получения всех коэффициентов в данных соотношениях для различных технологий, топологических норм и схемотехнических решений.

В работе исследованы математические модели накопления заряда в подзатвор-ном диалектике и определено, что зависимость концентрации поверхностных состояний от времени представляется в виде

V-.+1

.N^W-ll-e-^'^KN^W.tl-e-^""), (3)

где Nit(0) - исходная концентрация Рь-центров; 'А(О) - исходная концентрация неравновесных связей; Ns¡„(0) - исходная концентрация комплексов sSi-H в подза-творном диоксиде кремния; NsiolI(0) - исходная концентрация комплексов =Si-OH в подзатворном диоксиде кремния; Крсл - число неравновесных связей, релаксирую-

щих при одном разрыве; к4 , к5. кб~ коэффициенты аппроксимации; N и" (t) - генерация центров, образующихся при разрыве неравновесных связей.

Из выражения (3) следует экспоненциальный характер зависимости плотности поверхностных состояний от времени облучения, что качественно хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными по исследованию накопления зарядов в МОП-структурах при облучении.

Константы скоростей реакций взаимодействия протонов с напряженными связями, с комплексами SiOH и SiH, оцениваются предложенной формулой

к,(х, 7) = 4яО/у(7У„с,(х), (4)

где Dtff) - коэффициент диффузии протона; Гц - радиус взаимодействия протона с комплексами SiOH или SiH 0,1-0,2 нм);^,(.г) - параметр, определяющий вид реакции с участием протонов (индекс i может принимать значения 4, 5 или 6).

Затем в работе рассматриваются SPICE - параметры для КМОП транзистора и вводятся некоторые зависимости для изменения порогового напряжения и подвижности носителей от мощности дозы и времени.

Пороговое напряжение полагается равным

VI0 = VTO - (а ■ V* + GAMMA ■ Fä • jPHl - Vbä + F„ • (PHI - VJ + Vl XN ) • KRP1, (5)

где <T=ETA-(8,15-10"22)/Cox/(Leff)3 - коэффициент статической обратной связи; Fs - коэффициент, учитывающий влияние геометрии прибора на укорочение канала; Fn=0,5-DELTA-n-EPSsii/CoxAV - коэффициент, учитывающий влияние ширины канала на пороговое напряжение; KRP1 - функция, учитывающая влияние радиации.

Эффективная подвижность носителей с учетом напряженности поля в канале и воздействием дозы облучения:

рс„=и0-ц11|с„ где püct=KRP2/( 1+TNETA -(V¥s -Vtl))), (6)

где KRP2 — функция, учитывающая влияние радиации.

Исходя из вида зависимости (4) для KRP1 и KRP2, предложены выражения: KRP1 = а0 + аг • (1 - ехр(—Ьг • М • t)) + а2 • (1 - ехр(-Ь2 • М • t)) +

+а3 • (1 - ехр(—Ь3 • М ■ t)), (7)

где ао, аь а:, аз, bi, b2, Ьз - коэффициенты аппроксимации, М - мощность дозы, t -время облучения.

KRP2 = a7(l-exp(-b4.M-i)) • W

где а4, Ь4, - коэффициенты аппроксимации.

В работе представлена методика получения всех коэффициентов, она распространяется на полупроводниковые интегральные микросхемы и устанавливает методы определения всех коэффициентов для транзисторных структур при их эксплуатации в полях ионизирующего излучения малой мощности с учетом температуры окружающей среды и электрических режимов работы ИС. В ней также предусмотрен и метод наихудшего случая. Так, для КМОП СБИС в пределах мощности от 0.05 до

1Р/с - KRP1 = 1 + —, KRP2 = 1 + —; в пределах мощности от 0.05 до O.OlP/c М М

KRP1 = 2 +

0,05

KRP2 = 2 +

0,04

М ' М

Моделирование статического излучения космического пространства на схемотехническом уровне заключается в вычислении всех SPICE - параметров для КМОП транзистора, которые определяются стандартно при предложенных значениях порогового напряжения и подвижности.

Получив все эти значения, осуществляют моделирование на схемотехническом уровне.

В работе предложен алгоритм проектирования и расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического пространства. Структурная схема алгоритма приведена на рисунке 1.

Приведение всех характеристик космического пространства к дозе гамма-излучения с мощностью воздействия Задание параметров излучения космического пространства Задание температуры внешней среды

Создание наЬора Типовых лементов дл: .создания^ библиотеки

Типовые элементы

Проведение полного факторного эксперимента по оценки влияния мощности дозы и температуры на деградацию

злектропараметров

Проведение ускоренных испытания на стойкость для малой мощности излучения

Определение всех параметров для деградации элементов в зависимости от дозы и мощности дозы

Создание библиотеки

элементов и характеризация ее по дозе в зависимости от мощности дозы и температуры

Библиотека элементов схемотехнического уровня 2

САПР

Библиотека элементов схемотехнического уровня 1

Схемотехническим анализ элементов

Получение результатов моделирования элементов на схемотехническом уровне

Рисунок 1. Структурная схема алгоритма расчета проектирования и расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического пространства.

В четвертой главе 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 уровне.

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 1867ВМ7Т, 1874ВМ7Т и другие изделия радиационно-стойкой электронной компонентной базы. Результаты испытаний и теоретических оценок приведены на рисунке. Сравнение их показывает удовлетворительное совпадение

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

1сс,тА

- - *3;Ш2Я

(ааушь 1 Рй

- - м<щ«сть 1Р/:

--*5<>рсГ,1 »Дли фшя

-*иСЩ№СТЬ1Р* --«СШ^ЗсР/С

4-18 5-10*

юе Доза,Р

«' Доза.Р

СБИС 1867ВМ8Т - радиационно-стойкий СБИС 1874ВЕ7Т - спецстойкий микроцифровой сигнальный процессор с фикси- контроллер типа 1874ВЕ05Т с интер-рованной запятой по типу 1867ВМ2 фейсом ГОСТ Р 52070-2003, АЦП и

ШИМ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современного состояния средств автоматизации проектирования, физических и математических моделей, описывающих воздействие ионизационного излучения низкой интенсивности, что позволило определить

проблемы и направления их устранения для создания радиационно-стойких микросхем.

2. Разработана методика проектирования СБИС, структура программного обеспечения, позволяющего учесть низкоинтенсивное ионизирующее излучение космического пространства, и определены способы интеграции его в САПР сквозного проектирования.

3. Разработаны математические модели протекания физических процессов в полупроводниковых структурах СБИС при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства.

4. Разработаны методы и определены соотношения, описывающие деградацию параметров библиотечных элементов при воздействии ионизирующего излучения космического пространства в зависимости от мощности дозы и температуры среды.

5. Разработаны модели поведения элементов КМОП СБИС при воздействии ионизирующего излучения космического пространства на схемотехническом уровне.

6. С помощью разработанных средств осуществлено проектирование микросхем, что позволило оценить эффективность предложенных средств.

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

1. Скляр, В. А. Методы проектирования аналоговых схем в КМОП технологиях с низким напряжением питания [Текст] / В.А.Скляр, А.В.Русанов, Ю.С.Балашов Ю.С. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 2. - С. 4550.

2. Скляр, В.А. Проектирование и испытания микросхем для систем сбора и обработки информации [Текст] / В.А.Скляр, А.В.Ачкасов, К.В.Зольников II Радиотехника. - 2014. -№ 6. - С. 94-98.

3. 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.

4. 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. 17-21.

5. 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

6. Патент на полезную модель RUS 135863 Дифференциальный усилитель для КМОП-технологий с низким напряжением питания / Балашов Ю.С, Русанов А.В., Скляр В.А. -№2013115973 заявл. 09.04.2013; опубл. 20.12.2013.

7. Патент на полезную модель RUS 143321 Интегральный МОП транзистор для низковольтных микросхем / Русанов A.B., Ткачев А.Ю., Скляр В.А. - № 2014105070 заявл. 11.02.2014; опубл. 19.06.2014.

8. Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS № 2013630073 Интегральная микросхема биполярной МОП транзисторной структуры с низким напряжением питания / Скляр В.А., Русанов A.B., Ткачев А.Ю., Балашов Ю.С. - № 2013630028 заявл. 09.04.2013; опубл. 30.05.2013.

9. Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS № 2013630129 Топология интегральной микросхемы 1273ПА11Т / Скляр В.А., Горбунов Д.Е., Битюцких С.В. -№2013630092 заявл. 05.07.2013; опубл. 29.08.2013.

10. Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS № 2013630119 Топология интегральной микросхемы 1273ПА12Т / Скляр В.А., Борисов Ю.Н., Горбунов Д.Е. -№2013630085 заявл. 18.06.2013; опубл. 02.08.2013.

Статьи и материалы конференций

11. Скляр В.А. Методика верификации современных микросхем [Текст] / В.А.Скляр // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 53-57.

12. Русанов A.B. Операционные усилители для КМОП-технолопш 180 нм [Текст] /

A.В.Русанов, Ю.С.Балашов, В.А.Скляр // «Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем». Межвузовский сборник научных трудов, - Воронеж. - 2011. -С. 152-155.

13. Скляр В.А. Основные методы и процедуры верификации СФ-блоков [Текст] /

B.А.Скляр, В.П.Крюков, В.Н.Ачкасов, Ю.А.Чевычелов И Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 58-61.

14. Скляр В.А Виды и этапы верификационных процедур систем на кристалле [Текст] / В.А.Скляр, В.В. Лавлинский //' Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 61-63.

15. 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.

16. Скляр В.А. Создание тестовых последовательностей [Текст] / В.А.Скляр, В.Н.Крюков, В.Н.Ачкасов // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 1. - С. 6570.

17. 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.

18. 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.

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. Крюков В.П. Координационное управление предприятиями электронной промышленности [Текст] / В.П.Крюков, А.Н.Зольникова, К.А.Чубур, В.А.Скляр, Н.В.Нагорный // Первая Росснйко-Белорусская научно-техническая конференция, Н.Новгород, Изд.: ННГУ- 2013.-204-206.

22. Скляр В.А. Микросхемы импульсных преобразователей напряжения для стабилизированных источников питания [Текст] / В.А.Скляр, И.А.Суров, A.B.Родин // Первая Российко-белорусская научно-техническая конференция, Н.Ноггород, Изд.: ННГУ,-

2013.-206-209.

23. Скляр В.А. Микросхемы шестиканального 16-разрядного АЦП [Текст] / В.А.Скляр // Первая Российко-Белорусская научно-техническая конференция, Н.Новгород, Изд.: ННГУ.-2013.-210-214.

24. 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.

25. Скляр В.А. Разработка преобразователей напряжения для стабилизированных источников питания [Текст] / В.А.Скляр, И.А.Суров, А.В.Родин И Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 1. - С. 44-47.

26. Скляр В.А. Проблема целостности сигнала: характеризация и моделирование процессов в САПР [Текст] / В.А.Скляр, В.К.Зольников, А.И.Яньков, Ю.А.Чевычелов,

B.Ф.Барабанов // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 2. - С. 67-72.

27. Зольников, К.В. Обзор программ для САПР субмикронных СБИС [Текст] / К.В.Зольников, В.А.Скляр В.А., В.В.Лавлинский, С.А.Евдокимова, В.И.Анциферова В.И. // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 2. - С. 72-76.

28. 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.

29. Уткин Д.М. Математическая модель сложных функциональных блоков, функционирующих в условиях воздействия радиации [Текст] / Д.М.Уткин, В.В.Лавлинский, В.А.Скляр // Моделирование систем и процессов. - 2013. - № 3. - С. 55-58.

30. Крюков В.П. Математические методы координационного управления предприятиями электронной промышленности [Текст] / В.П.Крюков, А.Н.Зольникова, К.А.Чубур, В.А.Скляр, Н.В.Нагорный // Материалы международной научно-практической конференции «Архетип человека и будущее человечества». Воронеж, 2013 - С. 234-239.

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

32. Скляр В.А. Моделирование эффектов низкоинтенсивного ионизирующего излучения в СБИС [Текст] / В.А.Скляр, В.К.Зольников // Моделирование систем и процессов. -

2014. - № 2. - С. 35-37.

33. Скляр В.А. Методика проектирования СБИС с учетом низкоинтенсивного ионизирующего излучения [Текст] / В.А.Скляр, В.К.Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2014. - № 2. - С. 38-40.

34. Скляр В.А. Разработка микросхемы для использования в автомобильном транспорте при сборе и обработке данных [Текст] / В.А.Скляр, К.В.Зольников, АВ.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-б7-08. Скляр Валерий Александрович ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 23.10.2014. Формат 60*84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 336

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10