WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Следовательно, для создания радиационно стойкой элементной базы необходима разработка собственных средств проектирования, которые учитывали бы рассмотренные явления. При этом одним из ключевых моментов является разработка методов проектирования, моделей прогнозирования радиационных эффектов алгоритмического и программного обеспечения.

Поэтому поставлена задача разработки средств автоматизации проектирования изделий микроэлектроники с учетом статических видов радиации космического пространства

Во втором разделе определена методика автоматизированного проектирования микроэлементной базы с учетом одиночных событий за счет радиационного характера; методы определения стойкости СФ блоков к одиночным событиям и моделирование одиночных событий радиационного воздействия в КМОП структурах.

Рассмотрим методику проектирования.

Процесс разработки начинается с идентификации целей и задач, выполняемых проектируемой системой, определяются основные эксплуатационно-технические свойства. На основании этих свойств создается системная спецификация.

На системном уровне решаются следующие задачи: минимизация покрытия логической функции; создается и анализируется высокоуровневая поведенческая мо­дель всей системы; выбирается макроархитектура будущей СБИС: программируемые IP-ядра, шины, контроллеры, память и т.д.; проводится анализ тестопригодности; разрабатываются спецификации на проектирование СБИС цели­ком и отдельных блоков.

Затем осуществляется проектирование цифровых и аналоговых блоков отдельно. При проектировании цифровой части решаются следующие задачи: RTL-кодирование - разработка функционального описания блока на языках VHDL или Verilog (может выполняться как в ручном, так и в автоматизированном режимах); RTL-моделирование; логический синтез — процесс автоматизированного создания электрической (логической) схемы на базе RTL-описания и библиотек элементов логического уровня; логическое моделирование; определяются параметры типовых элементов в зависимости от внешнего воздействия ОЯЧ; схемотехнический анализ и моделирование.

Схемотехническое моделирование заключается в определении времени переключения типовых элементов, нагрузочных способностей, помехоустойчивости и др. В методике предложено вычислять их в том числе и за счет радиационного воздействия, температуры и других внешних факторов. Это позволяет получить «реальные» значения задержек, нагрузочных способностей и параметров моделирования, соответствующих определенным внешним воздействующим факторам: дозе радиации, температуре и т.п.

Затем производится верификация электрической схемы путем расчетов узлов в ней по SPICE подобным программам.

Учитывая то, что вычислительные возможности не позволяют провести верификацию всей схемы на схемотехническом уровне, проводится повторная функционально-логическая верификация, генерация тестов, поиск и анализ дефектов. Предложено проводить ее уже с реальными параметрами элементов, соответствующими их деградации при определенных уровнях облучения, температуре окружающей среды, временем потери работоспособности отдельных элементов и т.п. Таким образом, учитываются радиационные эффекты на функционально-логическом уровне.

Проводится верификация топологии. При подготовки блока к интеграции обычно добавляют в топологию специальные экранирующие области для защиты от «сильношумящей» цифровой части, технологических символов и т.д.

На выходе маршрута должны быть получены: топология (GDSII или DFII), список цепей (EDIF, Verilog, VHDL, DFII) и произ­водственные тесты. Кроме того, в ходе реализации проекта должны быть получены IP блоки.

В работе рассмотрены методы оценки стойкости к одиночным событиям и их моделирование. Учитывая вероятностный характер микродозиметрических эффектов необходимо определить частоту сбоев и величину заряда, который собирается по треку воздействующей частицы, форму и величину тока ионизации. Частота сбоев даст вероятность возникновения одиночных событий для данного изделия, а величина заряда, форма и величина тока ионизации необходима для моделирования поведения элемента.

В общем случае ионизационная реакция элемента СБИС опреде­ляется дрейфовыми и диффузионными процессами собирания заря­да p-n-переходе с трека ОЯЧ. Ионизационная реакция элемента микросхемы может быть представлена выражением следующего вида:, где U(t) – напряжение на выходе отдельного элемента, Q – заряд от ОЯЧ, С – внутренняя эффективная емкость, t – время, – время, характеризующее быстродействие отдельного элемента.

Локальные радиационные эффекты возникают в случае, если выде­ленная в чувствительном объеме элемента СБИС энергия превышает пороговую для данного элемента величину. Оценка вероятно­сти появления эффекта Pi в отдельном i-том элементе может быть определена из соотношения:

(1)

где F — флюенс ядерных частиц; Ve, Se — объем и поверхность чувствительного элемента; fi(E) — плотность первичных иониза­ционных потерь ядерной частицы в чувствительном микрообъеме; fj{E) — плотность ионизационных потерь вторичных ядерных ча­стиц — продуктов ядерных реакций, ПВА; Ео, Ejo – пороговые энер­гии переключения элемента для первичных и вторичных ядерных ча­стиц (в большинстве случаев Ео = Ej0); Em, Ejm — максимальные энергии первичной и вторичной ядерной частицы; m — количество механизмов образования вторичных ядерных частиц; l – количество ядерных частиц продуктов ядерных реакций; k – сечение k-того механизма рассеяния; No – концентрация атомов в одном см2.

На практике часто используется упрощенное выражение

(2)

где (LET) – сечение эффекта для отдельного элемента; (LET) - нормированная плотность распределения ЛПЭ для рассматрива­емого потока тяжелых заряженных частиц.

Прогнозирование частоты и вероятности возникновения одиночных сбоев при воздействии тяжелых заряженных частиц с заданными спектрально-энергетическими характеристиками, кроме порогового значения ЛПЭ L0, необходимо также знать значение сечения насыщения 0. Если известны эти два параметра, то в соответствии с РД В 319.03.38-2000 определяются остальные параметры и вычисляется аппроксимирующая зависимость сечения сбоев от ЛПЭ, и рассчитывается частота сбоев по формуле

, (3)

где ion(L) — дифференциальный ЛПЭ-спектр тяжелых заряженных частиц, см–2с–1(МэВсм2/мг)–1; (L) — зависимость сечения событий от ЛПЭ тяжелых заряженных частиц, которая обычно аппроксимируется функцией Вейбулла.

В качестве 0 можно взять площадь торцевой поверхности цилиндрического чувствительного объема, для которого проводилось моделирование сбора заряда:

0 = R2. (4)

Можно также воспользоваться известным соотношением, характерным для статических ОЗУ, между площадью запоминающей ячейки SЗЯ и топологической нормой проектирования lT

SЗЯ [мкм2]  300(lT [мкм])2, (5)

и считать сечение насыщения равным площади запоминающей ячейки. Такой подход будет давать завышенное значение 0, а следовательно — завышенное значение частоты возникновения событий, однако с точки зрения обеспечения стойкости изделий к эффектам ОС это является вполне оправданным.

Следует также отметить, что при вычислении частоты возникновения событий по формуле (3) берется сечение сбоев, приходящееся на корпус. Для этого сечение, приходящееся на одну запоминающую ячейку, умножается на информационную емкость (общее количество бит) моделируемой СБИС.

Для моделирования сбора заряда из трека тяжелых заряженных частиц в случае нормального падения тяжелых заряженных частиц по центру области сбора заряда предложена следующая модель.

Вначале решается система уравнений относительно концентрации носителей заряда в чувствительном объеме

; (6)

; (7)

; ; (8)

; (9)

(10)

(11)

(12)

где n и р — полные концентрации носителей электронов и дырок,, а n0 и р0 — начальные равновесные концентрации носителей, D - коэффициент диффузии (D1 и D2 – соответственно электронов и дырок), - время жизни, Ce и Сh - Оже-коэффициенты для кремния составляют порядка 210–31 см6/с, L - линейные потери энергии ТЗЧ.

Данная задача решается численно для различных значений ЛПЭ, падающих частиц, которые определяют начальную концентрацию электронно-дырочных пар в треке.

Затем вычисляется диффузионный ток неосновных носителей заряда (электронов) через верхнюю торцевую поверхность цилиндрического чувствительного объема:

. (13)

Получив значения тока, проводят его интегрирование:

, (14)

чтобы определить собранный заряд частицы.

Таким образом рассчитывается для заданного значения ЛПЭ падающих частиц форма импульса ионизационного тока и зависимость собранного заряда от времени после попадания частицы.

После того как получена зависимость собранного заряда от значения ЛПЭ отдельных или тяжелых заряженных частиц, может быть определено пороговое значение ЛПЭ тяжелых заряженных частиц для одиночных обратимых сбоев. В качестве порогового выбирается такое значение ЛПЭ, при котором собранный заряд равен заряду переключения логического состояния КМОП-триггера, для которого проводится моделирование. Величина заряда переключения обычно известна: как правило, она рассчитывается на этапе разработки конструкции и технологии СБИС.

В третьем разделе рассмотрено моделирование одиночных событий на схемотехническом и функционально-логическом уровнях, предложен алгоритм расчета стойкости СБИС.

Получив значения величины заряда и сравнив его с пороговым зарядом для переключения элемента, определяют возможность возникновения сбоев. Время протекания переходных процессов рассчитывают из величины и формы тока ионизации.

Для этого полученные ранее значения тока ионизации должны быть включены в качестве дополнительных элементов в электрическую схему. Ток ионизации в МОП – транзисторе проявляется в p-n переходе «Сток – Подложка». Вследствие чего происходит кратковременное увеличение тока стока и уменьшение порогового напряжения МОП-транзистора, что вызывает переключение логического состояния на выходе логических элементов.

Статический режим работы МОП-транзистора характеризуется нулевым током затвора Ig=0 и током подложки Ib. Предложено ввести ток ионизации токи, тогда токи стока и истока описываются следующими выражениями:

(15)

Ток Iis – ток ионизации, величина и форма которого определена ранее, Idrain определяется соотношениями:

(16)

Beta = 0,5210-3W/L – крутизна проходной характеристики; W – ширина канала; L – длина канала;

, (17)

где VTO – пороговое напряжение при Vbs=0, оно составляет 1В; PHI – поверхностный потенциал сильной инверсии, 0,6В; GAMMA – коэффициент влияния потенциала подложки на VTO; KRP1 – коэффициент, учитывающий влияние радиации;

(18)

EPS0 = 8,8610-12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость; EPSSi = 11,7 EPS0 – диэлектрическая проницаемость кремния; Na = 104NSS – уровень легирования подложки; СОХ – удельная ёмкость оксида = EPS0Х/ТОХ; EPS0Х = 3,9 EPS0; ТОХ – толщина оксида затвора.

Для области обратного смещения (Vds < 0).

(19)

где. (20)

Параметр LAMBDA характеризует наклон выходной характеристики транзистора в области насыщения.

Моделирование изменения выходных параметров PМОП и NМОП – транзисторов является основой для моделирования базовых КМОП – элементов. Такое моделирование осуществляется с помощь библиотеки элементов, используемой на схемотехническом уровне. Для этого необходимо стандартную библиотеку дополнить элементами, позволяющими моделировать ОС, начиная от основных элементов И, ИЛИ, НЕ, регистров, счетчиков, дешифраторов и заканчивая моделями IP блоков. Если модели IP блоков приобретаются, то происходит процесс декомпозиции. Сложные функциональные блоки разбиваются на относительно простые, в которых можно проводить моделирование, затем происходит их синтез и получается IP блок, который учитывает ток ионизации радиационного характера.

При моделировании на функционально-логическом уровне проводится анализ переходных и установившихся процессов.

Для анализа переходных процессов используется относительное время t, равное отношению абсолютного времени к длительности такта Т. Процесс изменения параметров элементов описывается уравнением

V' = F(V, U), (21)

где U = U (t) – входные переменных; V – выходные переменные для момента времени t; V' – выходные переменные для момента t+, где — задержка распространения сигнала в элементе.

Для анализа установившихся состояний используется система логических уравнений, если в (18) отож­дествить V и V':

V=F(V, U). (22)

Переменные в логических уравнениях (18) и (19) являются дискретными величинами, которые принимают значения М={0,1, X, D, E}, 0 – значение логического нуля, 1 – значение логической единицы, D — значение сигнала при переключении 1 в 0 (с единичного уровня на нулевой); Е — то же при переключении из 0 в 1; X — неопределенное значение.

В работе представлены алгоритм расчета стойкости изделий к одиночным событиям, который включает несколько этапов: определение наиболее чувствительных элементов для возникновения одиночных событий, определение формы импульса тока и величины заряда, собираемого в треке частицы, перерасчет параметров модели транзистора, моделирование на схемотехническом и функционально-логическом уровнях, при котором определяется стойкость изделия, расчет частоты возникновения одиночных событий.

В четвертом разделе рассмотрены структура, особенности реализации программных средств и их интеграции в САПР сквозного проектирования, определена оценка точности и эффективность разработанных средств, описано методическое обеспечение и результаты внедрения.

В результате проведенных работ создано программное обеспечение моделирования одиночных событий, которое интегрировано в комплекс программ учета космического радиационного излучения. В результате комплекс программ состоит из трех составляющих: базовой, учета дозы и вновь разработанного обеспечения для учета одиночных событий.

Основные модули комплекса следующие:

- базовые: интерфейс пользователя – INTER; управления комплексом в целом – MONITOR, электронные обучающие средства – HELP, графической поддержки - GR;

- проблемно-ориентированного программное обеспечение моделирования статических факторов космического пространства: расчета дозовых характеристик радиационного воздействия – Dos; расчета параметров транзисторных структур – PR; расчет параметров неисправных элементов – RN;

- проблемно-ориентированное программное обеспечение моделирования одиночных событий: VM - анализ и выбор структуры с минимальными размерами активных областей; Q_o - расчет заряда при возникновении одиночных событий; I_o - расчет величины и формы тока ионизации; Qp_o - расчет порогового заряда; N_o - расчет частоты одиночных событий.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»