Содержание к диссертации
Введение
1. Современные средства автоматизированного проектирования изделий электронной компонентной базы и их возможности по учету влияния космического излучения 10
1.1. Виды ионизирующих излучений в космическом пространстве и эффекты радиационного воздействия в комплементарных микросхемах 10
1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства 10
1.1.2. Источники ионизирующих излучений в космическом пространстве 13
1.1.3. Радиационные эффекты в КМОП микросхемах 16
1.2. Анализ текущего состояния средств автоматизации проектирования электронной компонентной базы космического назначения 20
1.3. Аспекты моделирования воздействия излучения космического пространства на электронную компонентную базу базу. Постановка задачи 26
Выводы 36
2. Структура, методика программного обеспечения и обоснование типовых конструкций базовых элементов при моделировании радиационных эффектов воздействия факторов космического пространства в сапр для сквозного проектирования КМОП СБИС 37
2.1. Методика автоматизированного проектирования изделий электронной компонентной базы стойкой к воздействию излучения космического пространства 37
2.2. Структура проблемно-ориентированного программного обеспечения 49
2.3. Выбор критериальных параметров к гамма-излучению 58
2.4. Расчет поглощенной дозы при воздействии ионизирующего излучения космического пространства 66
Выводы 70
3. Моделирование интегральных ионизационных эффектов в кмоп-интегральных схемах в сапр сквозного проектирования 72
3.1. Моделирование накопления дозы в МОП - транзисторе при воздействии космического излучения низкой интенсивности 72
3.1.1. Методология моделирования процесса радиационно индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОП транзистора с учетом влияния полевого окисла 72
3.1.2. Моделирование процесса накопления заряда в области подзатворного диэлектрика транзистора 75
3.1.3. Процесс радиационно-индуцированное накопление заряда в подзатворном диэлектрике МОП-структуры при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения 80
3.1.4. Выбор значений параметров, определяющих кинетику накопления заряда в диэлектрике при радиационном воздействии 84
3.1.5. Моделирование процесса накопления поверхностных состояний 85
3.2. Расчет изменения схемотехнических параметров при воздействии низкоинтенсивного излучения факторов космического пространства 89
3.3. Алгоритмическая основа расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического
пространства 99
Выводы 106
4. Особенности структуры, интеграции в систему сквозного проектирования и эксплуатации разработанных средств САПР 107
4.1. Структура, особенности построения разработанных средств и их интеграция в САПР для сквозного проектирования интегральных микросхем 107
4.2. Оценка точности и эффективности разработанных средств САПР 114
4.3. Методическое обеспечение и результаты внедрения 122
Выводы 139
Заключение 140
Список используемых источников
- Внешние воздействующие факторы космического пространства
- Структура проблемно-ориентированного программного обеспечения
- Методология моделирования процесса радиационно индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОП транзистора с учетом влияния полевого окисла
- Расчет изменения схемотехнических параметров при воздействии низкоинтенсивного излучения факторов космического пространства
Внешние воздействующие факторы космического пространства
Как было установлено ранее, основными радиационными эффектами при воздействии факторов космического пространства в КМОП СБИС являются поверхностные радиационные эффекты - изменение электрических и функциональных характеристик схем по причине накопления в диэлектрических структурах радиационно-индуцированного заряда. Такие эффекты проявляются как деградация параметров элементов интегральных схем и представляют собой остаточные долговременные изменения параметров полупроводниковых структур. Степень деградации параметров элементов от величины воздействующих факторов можно рассчитать на основе физических процессов, протекающих в полупроводниковых структурах. Полученные модели физических процессов интегрируются в процесс проектирования [1, 22, 24, 26].
Только для физического уровня возможно описание непосредственного взаимодействия ионизирующего излучения с веществом [33, 47].
Для проведения моделирования эффектов воздействия ионизирующего излучения на всех уровнях, соответствующие модели различных уровней должны быть между собой связаны, но так как воздействие радиационных полей может быть получено только для физического уровня (и следовательно включено в состав моделей), для остальных уровней радиационная обстановка описывается через изменение параметров, получаемых из моделей более низкого уровня опосредованно. По этой причине, одной из первостепенных задач является определение причинно-следственной связи отображений, которые связывают различные уровни между собой и их опосредованного задания.
С учетом того, что основу САПР отечественных дизайн центров составляет программное обеспечение фирмы Cadence Design System, рассмотрим маршрут проектирования ПП и ИС на платформе САПР Cadence с учетом моделирования радиационного воздействия факторов космического пространства. Маршрут проектирования СБИС состоит из следующих уровней: систем ного; функционально-логического; схемотехнического; топологического (рисунок 1.1).
На системном уровне разрабатывается архитектура всего изделия и проводится поведенческое моделирование, заключаемое в верификации алгоритмов, высокоуровневых интерфейсов и передаточных функций (производится глобальная алгоритмическая оптимизация).
Системный уровень представляет собой иерархическую систему и включает в себя подуровни. На самом верхнем уровне разработки представлена «системная архитектура» в целом. Следующий уровень проектирования представляет «поведенческая» модель объекта. На следующем этапе происходит разбиение системы на аппаратные и программные модули, каждый из которых может быть представлен достаточно точно, для определения наиболее оптимальных соотношений на системном уровне проектирования [57, 60].
Моделирование эффектов воздействия радиации может быть проведено с помощью преобразований, которые осуществляют перевод моделей, используемые на функциональном уровне. Однако на данный момент единого подхода к такому проектированию не сложилось. Не разработаны средства САПР, позволяющие провести однозначный перевод описания проектируемого изделия с учетом влияния радиационных эффектов с функционального уровня на системный [33, 36].
На уровне функционально-логического проектирования проводится оценка соответствия высокоуровнего описания схемы первоначальной блок-диаграмме, проводится функциональное моделирование проекта в целом, осуществляется процесс компоновки элементов схемы и трассировка электрических межсоединений.
Функционально-логический уровень представлен комплексом программных средств высокоуровнего моделирования, использующий языки VHDL и Verilog-XL и средства синтеза программируемых логических интегральных схем: Logic Synthesis, работающими совместно с программными продуктами фирм Actel, Altera, Xilinx, являющимися производителями FPGA [20]. На рисунке 1.1 представлен маршрут синтеза и анализа HDL. RTL - коды, которые поступают с системного уровня, поступают в 3 модуля: модуль анализа соответствия HDL описания проекта исходной блок-диаграмме, модуль моделирования и модуль синтеза. Процесс моделирования проводится с использованием программных средств функционального моделирования Verilog (Cadence Design Systems), ModelSim (Texas Instruments) или программного обеспечения другого производителя, которое пригодно для функционального моделирования.
Далее проводится логическое моделирование всего проекта и отдельных его элементов на базе библиотеки стандартных логических элементов, включенных в базу данных элементов ИС и ІР-блоков.
Влияние радиационных эффектов на данном уровне описываются с помощью значительного расширения моделей библиотечных логических элементов [35-37]. Библиотека логических элементов расширяется за счет включения дополнительных «деградационных элементов» подвергшихся воздействию радиации. Каждому библиотечному логическому элементу приводится в соответствие несколько элементов с измененными характеристиками в зависимости от величины накопленной дозы облучения (время задержки прохождения сигнала при работе рассматриваемого библиотечного логического элемента и его нагрузочная способность, уменьшаемая при накоплении дозы облучения).
На данный момент времени только некоторые фирмы проводят такое моделирование и только для ограниченных изделий. Это обусловлено сложностями процесса математического описания трансляции на функционально-логический уровень со схемотехнического, а также ограничения процесса моделирования из-за существенного роста вычислительных затрат с увеличением числа элементов схемы.
На схемотехническом уровне проводится построение и анализ электрической схемы изделия и осуществляется её верификация. В качестве моделей применяются электрические модели стандартных библиотечных элементов ИС и функциональных блоков [79].
Структура проблемно-ориентированного программного обеспечения
Для учета радиационных эффектов при разработке изделий электронной компонентной базы существовало много подходов и были спроектированы соответствующие им средства прогнозирования [41, 56]. Однако в связи с переходом технологии полупроводникового производства в нанометровую область появилось большое количество ранее не учитываемых эффектов [44]. Помимо этого, стремительный рост средств телекоммуникации, повышение функциональности изделий микроэлектроники, а также средств автоматизации привел к тому, что для стабильного функционирования в условиях радиационного воздействия стал необходимым учет многих эффектов, которые ранее не были доминирующими. Прежде всего, это относится к учету влияния друг на друга стандартных элементов микросхемы, а также различных паразитных элементов. Следует отметить и изменение подхода к оценке радиационной обстановки, параметры которой за последнее время были значительно уточнены, что нашло свое отражение в КГС «Климат-7».
В связи с изложенным выше, автором в настоящей работе была проведена разработка математических моделей элементов, позволяющих проводить более адекватный учет радиационных эффектов с учетом конструктивно-технологических параметров изделий, радиационной обстановки и т.п.
Радиационный отклик ИС или реакция ИС на радиационное воздействие -это изменение электропараметров прибора под воздействием радиационного излучения или нарушение его функционирования. В зависимости от вида радиационного воздействия и его параметров реакция микросхемы может быть различной. Известно, что основные механизмы отказов КМОП ИС обусловлены влиянием ионизационных эффектов, которые в зависимости от характера распределения энергии разделяют на объемные, поверхностные и локальные.
Объемные ионизационные эффекты [108] возникают в ходе процессов генерации, рекомбинации и переноса неравновесных носителей заряда в полупроводниковых структурах и в активных областях подложки. Поверхностные ионизационные эффекты [21, 22, 69] обусловлены воздействием статического ИИ. Они связаны с накоплением заряда на границах раздела Si - Si02, а также в тонких слоях подзатворного окисла и пассивирующего диэлектрика. Поверхностные ионизационные эффекты проявляются в виде остаточных отказов, механизм возникновения которых определяется накопленной дозой излучения. Воздействие отдельных ядерных частиц приводит к локальным эффектам.
По причине отличия механизмов этих эффектов, рассмотрим каждый из них отдельно их отдельно.
При воздействии статических видов радиации происходят необратимые изменения физических свойств материалов. Данные явления характеризуются дозовыми или интегральными эффектами [24], так как степень их проявления определяется величиной поглощенной дозы ионизирующего излучения.
Рассмотрим качественную модель объясняющую возникновение подобных эффектов. Под воздействием ионизирующего излучения в МОП структуре происходит образование электронно-дырочных пар. При облучении в диэлектрике наблюдается электрическое поле, обусловленное приложенным внешним напряжением Ug и разностью работ выхода металла и полупроводника фмп- Под действием электрического поля электроны, избежавшие рекомбинации, покидают диэлектрик, а дырки термализуются, заполняя мелкие уровни Ву подзоны (рисунок 2.4). Далее дырки, избежавшие рекомбинации, осуществляют медленный дрейф в сторону отрицательного потенциала. Направление дрейфа определяется напряжением на затворе. При положительном - к границе раздела полупроводник-диэлектрик, при отрицательном - к границе металл-диэлектрик.
При захвате дырки на ловушку вблизи границы диэлектрика, она будет находиться на ней длительное время, так как электроны, образовавшиеся в результате ионизации диэлектрика, переносятся электрическим полем в направлении другой границы. Если дырка будет захвачена в середине диэлектрика, то существует большая вероятность её рекомбинации с дрейфующим электроном.
Таким образом, происходит накопление объемного фиксированного заряда вблизи границы диэлектрика с отрицательным потенциалом.
Накопление заряда меняет распределение электрического поля в диэлектрике: между областью объемного фиксированного заряда и положительным электродом (в качестве которого выступает металлический затвор) оно уменьшается до некоторого значения, при котором процесс накопления заряда уравновешивается процессом его исчезновения по причине переноса электронов из металлического затвора в диэлектрик.
Зонные диаграммы МОП-структуры в начале облучения при положительном напряжении на затворе (а) и при насыщении заряда (б). Стрелки показывают перемещение электронов () и дырок (о), образовавшихся в результате ионизации При изменении приложенного напряжения нарушится состояние равновесия. С увеличением внешнего напряжения продолжится процесс накопления заряда, а с уменьшением напряжения в МОП-структуре будет преобладать рекомбинация носителей заряда до установления нового состояния равновесия.
При воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения, когда скорость рекомбинаций с вносимыми из вне в диэлектрик электронами будет соизмерима со скоростью генерации электронно-дырочных пар в структуре диэлектрика, равновесное состояние установится при меньшем объемном заряде диэлектрика, что проявится в меньшем сдвиге вольтфарадной характеристики МОП-структуры. Подобные эффекты проявляются с ростом температуры при облучении. Рост температуры увеличивает число проникающих электронов, что, также уменьшает накапливаемый заряд и радиационный сдвиг вольтфарадных характеристик МОП- структуры.
Данные эффекты изменяют значение порогового напряжения, напряжение отсечки, изменение крутизны вольтфарадных характеристик. Изменяются также такие дифференциальные параметры, как внутренне сопротивление транзистора, сопротивление затвора и другие.
Методология моделирования процесса радиационно индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОП транзистора с учетом влияния полевого окисла
Рассмотрим процесс воздействия на испытуемое изделие электронной компонентной базы космического ионизационного излучения низкой интенсивности.
Как уже отмечалось в предыдущих главах работы, составляющими космического ионизирующего излучения являются электронное, протонное, гамма-излучение, а также отдельные воздействующие заряженные частицы. В данном алгоритме процесс воздействия на испытуемый прибор ТЗЧ рассматриваться не будет. В основном космическое излучение в состоит из электронов и протонов и совсем немного приходится на составляющую гамма-излучения.
На Земле при проведении экспериментов сложно получить пучки электронов и протонов, поэтому их воздействие на испытуемый прибор заменяется эквивалентной по возникаемым дефектам и изменении параметров приборов дозе статического гамма-излучения по моделям, описанным в диссертационной работе. Все эти параметры необходимо связать с мощностью воздействующего излучения.
Мощность воздействия будет определяться в зависимости от времени существования космического аппарата на орбите и ситуационным условиям на орбите. Обычно для космических аппаратов, работающих на околоземной орбите, время существования составляет 10-15 лет. При этом накопленная доза излучения должна состоять 105-105 рентген.
После определения характеристик космического пространства задается температура окружающей среды. Это определяется местом установки аппаратуры на космическом аппарате и степенью ее защиты. Эти значения задаются разработчиками космических аппаратов. Требования по параметрам воздействующего излучения и значения температуры среды поступают к разработчикам элементной базы и вносятся в технические задания на разработку изделий.
После этого необходимо привести все воздействующие характеристики космического излучения к дозе гамма-излучения. Например, изделие должно обеспечивать стойкость по накопленной дозе 105 - 106 при мощности излучения 0,05 р/с, 0,1 р/с, 1 р/с.
После задания требований технического задания приступают к процессу проектирования изделия. При разработке изделий радиационно-стойкой ЭКБ стандартный маршрут проектирования необходимо модернизировать для учета деградации параметров под воздействием радиации.
Для разработки микросхемы с последующим ее изготовлением необходимо наличие библиотеки элементов, аттестованной под конкретный технологический процесс для изготовления кристаллов интегральной схемы.
При наличии аттестованной библиотеки элементов переходим к схемотехническому проектированию и определению параметров деградации в зависимости от мощности излучения, времени облучения, температуры окружающей среды.
При отсутствии аттестованной библиотеки элементов приступаем к ее созданию и переходим на следующий этап.
В зависимости от времени, отводимом в соответствии с техническим заданием на разработку изделия, определяем, существует ли возможность проведения полного цикла испытаний тестовых элементов. В противном случае используются параметры наихудшего случая.
При рассмотрении структуры и специфики работы современного дизайн-центра по разработке изделий ЭКБ видно, что в начале лучше выполнять длительные по времени на разработку опытные конструкторские разработки, в которых попутно разработки основного изделия разрабатывается и аттестуется библиотека элементов. Это требует значительных как временных, так и материальных затрат. При этом делается задел на будущие работы, сокращая время на их выполнение и необходимые средства.
В начале, создаются тестовые элементы, на основе которых в дальнейшем разрабатываются функциональные блоки и конечные схемы. Для КМОП технологии это инвертирующие логические элементы, так, как для не инвертирующих в схемотехнику включаются дополнительные элементы.
После создания тестовых структур определяют набор элементов для создания библиотеки. К простым элементам «нулевого» уровня относят инверторы, буферы, ключи, логические элементы «и-не», «или-не», триггеры на основе которых строятся более сложные, такие как счетчики, сумматоры, умножители, регистры и другие.
Результатом этого являются сами тестовые элементы. Из типовых элементов строятся библиотечные элементы, что используются в дальнейшем при всех последующих разработках.
Затем необходимо провести полный факторный эксперимент по оценке влияния мощности дозы, и температуры на деградацию параметров.
Одной из задач данной работы являлось получение переменных, которые модифицировали SPICE-параметры транзисторов для схемотехнического моделирования с учетом воздействия ионизирующего излучения.
Расчет изменения схемотехнических параметров при воздействии низкоинтенсивного излучения факторов космического пространства
Библиотека спроектирована с учетом норм базового технологического процесса НС AM. 02200.00014, реализованного на технологической линейке 1X1 НИИСИ РАН, г. Москва (КМОП - технология, КНИ - структуры, напряжение питания - 3,3 В, 0,35 мкм проектные нормы, STI-изоляция, один уровень поликремния и четыре уровня металлизации) и ориентирована на использование программного продукта фирмы Cadence Design Systems.
В библиотеке приняты следующие соглашения: для каждого библиотечного элемента (ячейки) приводятся атрибуты: - название библиотечного элемента; - электрическая схема библиотечного элемента; - условное графическое обозначение библиотечного элемента; - емкости входов и выходов библиотечного элемента; - времена задержки переключения из низкого уровня в высокий и из высокого уровня в низкий с учетом емкостной нагрузки; - таблица логических состояний и логическая функция (для логических ячеек) библиотечного элемента.
Был проведен полный факторный эксперимент с тестовыми структурами, подвергшимися облучению с дозами 104, 5х104, 105, 106. Результатом испыта 132 ний стали модифицированные SPICE параметры транзисторов для проведения схемотехнического моделирования.
Разработанная библиотека использована в ОАО «НИИЭТ» г. Воронеж при разработке ряда изделий ЭКБ в рамках проводимых ОКР по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, в том числе космического назначения [91 - 94]: 1 - ОКР «Разработка и освоение производства спецстойкого микроконтроллера типа 1874ВЕ05Т с интерфейсом ГОСТ Р 52070-2003, АЦП и ШИМ», шифр «Обработка-4». Разработаны и освоены в серийном производстве микросхемы 1874ВЕ7Т [68, 75, 92 - 94].
Одной из важнейших составных частей общей бортовой системы управления космическими аппаратами (КА) является аппаратура (подсистема) ввода-вывода информации. В настоящее время для создания таких подсистем в качестве основного элемента используется радиационно-стойкий микроконтроллер 1874ВЕ05Т. Однако, функциональные возможности этого микроконтроллера не в полной мере удовлетворяют требованиям разработчиков систем управления КА, в первую очередь, из-за отсутствия в нем многоканального АЦП и контроллеров интерфейса MIL-STD-1553 (ГОСТ Р 52070-2003) и SpaceWire. В частности, для решения задач высокоскоростного сбора и обработки информации в условиях радиации и других внешних воздействующих факторов требуется наличие точного преобразователя аналоговых сигналов в цифровой эквивалент, т.е. АЦП, а с помощью шины (интерфейса) MIL-STD-1553 или SpaceWire можно увязывать в единую систему существующие решения по отдельным подсистемам (блокам) бортовых вычислительных систем космических аппаратов.
В этой связи актуальность проведения разработки радиационно-стойкого микроконтроллера с указанными функциональными устройствами не вызывает сомнений. В новом микроконтроллере будет реализована полная программная совместимость с применяемым сейчас серийным МК 1874ВЕ05Т, что позволит создавать перспективные образцы космической аппаратуры, устойчивой к специальным внешним воздействующим факторам, с наименьшими переделками и затратами. Помимо космических применений, разрабатываемый 16-разрядный микроконтроллер с АЦП, контроллерами интерфейсов ГОСТ Р 52070-2003 и SpaceWire и блоком ШИМ будет использоваться в цифровой аппаратуре управления электродвигателями, средствах радиолокации и другой аппаратуре с повышенными требованиями по стойкости к спецвоздействиям.
Применение разработанного микроконтроллера обеспечит бессбойную работу аппаратуры управления объектов единой космической системы (ЕКС) в условиях специальных видов воздействия, а также снижение массо-габаритных характеристик и потребляемой мощности блоков (подсистем) ввода-вывода информации космических аппаратов в 2 - 2,5 раза. К числу предприятий, заинтересованных в применении данного микроконтроллера в перспективных образцах вооружения, относятся ФГУП ЦНИИ «Комета», ФГУП МОКБ «Марс», ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, ОАО «НПО автоматики», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». ОКР «Разработка и освоение производства радиационно-стойкого цифрового сигнального процессора с фиксированной запятой по типу 1867ВМ2 (TMS320C25)», шифр «Обработка-5». Разработаны и освоены в серийном производстве микросхемы 1867ВМ8Т.
Целью работы является разработка конструкции, технологии изготовления и освоение серийного производства спецстойкого 16-разрядного процессора цифровой обработки сигнала (ПЦОС) с фиксированной запятой по типу широко применяемого в аппаратуре процессора 1867ВМ2 в интересах Федерального космического агентства и Госкорпорации "Росатом". Разработанная микросхема позволит обеспечить надежную и бессбойную работу систем управления перспективных образцов ВВСТ в жестких условиях специальных внешних воздействующих факторов (СВВФ), а также добиться снижения потребляемой и рассеиваемой мощности и уменьшения стоимости электронных блоков за счет унификации, как аппаратных решений, так и программных кодов.
В настоящее время отечественной электронной промышленностью выпускается линейка 16-разрядных цифровых сигнальных процессоров серии 1867 с различными характеристиками. Однако, все микросхемы, выпускаемые в рамках данной серии, как и все другие отечественные микросхемы подобного класса, не обеспечивают стойкость к воздействию СВВФ.
Разработка микросхемы направлена на создание на базе достигнутого научно-технического потенциала нового поколения процессоров, а именно СБИС 16-ти разрядных микропроцессоров обработки сигналов с фиксированной запятой, стойких к воздействию СВВФ. Разработанная микросхема способна полностью заменить серийно выпускаемые ПЦОС типа 1867ВМ2 в критически важных к воздействию спецфакторов электронных комплексах, включая бортовые системы управления и обработки сигналов стратегических ядерных комплексов РВСН, ВМФ, ВВС, ракет-носителей и космических аппаратов различного назначения.
