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

• Автор: Зольников, Константин Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 117 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Современные средства автоматизированного проектирования электронной компонентной базы космического назначения, выполненных по глубоко
субмикронным технологиям
1.1. Анализ состояния и развития современной электронной компонентной базы космического назначения
1.2. Основные факторы космического пространства и физические явления в электронной
компонентной базе, выполненных по глубоко субмикронным технологиям
Выводы
2. Разработка методики проектирования и математического обеспечения для
моделирования воздействия на схемотехническом уровне проектирования
2.1. Методика проектирования современной электронной компонентой базы специального назначения с учетом одиночных событий радиационного характера
2.2. Моделирование воздействия ТЗЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании
2.3. Математические соотношения для тока ионизации, соответствующие глубоко-
субмикронным технологиям
Выводы
3. Моделирование одиночных событий на различных уровнях проектирования и
алгоритмическая основа определения стойкости к ТЗЧ
3.1. Моделирование работы элементов СБИС на схемотехническом уровне при воздействии ТЗЧ
3.2. Моделирование работы СБИС на функционально-логическом уровне
3.3. Алгоритмическая основа моделирования отказов на глубоко-субмикронных
технологий
Выводы
4. Результаты внедрения и оценка адекватности и эффективности разработанных
программных средств
4.1. Особенности разработанного программного обеспечения и его внедрение в САПР сквозного проектирования
4.2. Методика моделирования работы СБИС на функционально-логическом уровне
4.3. Внедрение предложенных средств и оценка адекватности моделей
Выводы

Введение
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
A.И.Чумакова «Научно-исследовательского института приборов»
B.Н.Улимова, К.И.Таперо, В.В. Емельянова В.В. и др. В этих работах были

определены математические 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 08-07-9

какие моменты их подавать и в какой части СБИС генерировать импульс. Таким образом, в военной и космической областях разработчики СБИС как правило поддерживают собственные средства моделирования и допусков для обеспечения необходимой стойкости.
Небольшие фирмы поставщики САПР тоже предлагают свои методы моделирования воздействия ТЗЧ. Например, компания Denali Software создала модели с памятью C-level, которые устойчивы к ОС. Фирма Alternative System Concepts также предлагает средства тройного резервирования Virtual TMR. Фирма Xilinx на протяжении ряда лет также предлагает средства TMR, и продукция данной фирмы уже имеет встроенные функции обнаружения и коррекции ошибок кода для однобитных и двухбитных сбоев.
Фундаментальные методы моделирования и оценки радиационной стойкости к рассматриваемым явлениям - это разработка системы обнаружения потенциально-возможных мест сбоя, создание системы тестирования с учетом сбоем и обеспечение ускоренных испытаний. В частности фирма iRoC проводит свою деятельность по поставке СБИС через жесткий контроль на радиационную стойкость. Она же разработала аппаратные средства для обнаружения и анализа сбоев, что дают главную информацию для разработчика по обеспечению необходимой стойкости.
Отметим и разработанное тестовое и программное обеспечение ускоренных имитационных испытаниях в лабораториях Лос Аламоса, TRIUMF и TSL. Проводились экспериментальные исследования радиационного воздействия в реальном времени на Международной высокогорной испытательной базе в Швейцарии. При этом поток нейтронов в 11 раз превосходил интенсивность потоков лаборатории в Модане.
Фирмой SoCFIT разработаны средства наиболее полного анализа кристаллов, этой фирмы, что позволяет определить область отказов внутри кристалла. Компания TFIT позволяет детально моделировать ОС на уровне SPICE программ в проблемных зонах, которые определяются по методике