Проектирование изделий электронной компонентной базы с учетом анализа влияния космического излучения
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Микроэлектроника. Наноэлектроника
Издательство:
Воронежский государственный лесотехнический университет
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 163
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7994-0724-7
Артикул: 656940.01.99
В монографии рассматривается один из наиболее перспективный подходов в САПР сквозного проектирования с использованием методологий, основанных на построении моделей процесса радиационно-индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОП-транзистора, а также разработано соответствующее программное обеспечение и особенности его интеграции в САПР, приведено методическое обеспечение, а также результаты практического использования.
Данная монография рекомендована как студентам, так и аспирантам, занимающимся САПР в микроэлектронике, а также преподавателям, ведущим курсы по данной проблематике.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 11.00.00: ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
К.В. Зольников В.А. Скляр М.Л. Лапшина ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ С УЧЕТОМ АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Ф. МОРОЗОВА» К.В. Зольников В.А. Скляр М.Л. Лапшина ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ С УЧЕТОМ АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Монография Воронеж 2015
УДК 621 З81 Печатается по решению научно-технического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № 6 от 02 ноября 2015 г.) Рецензенты: кафедра туризма и естественно-математических наук Филиала ФГБОУ ВПО «РГСУ» в г. Воронеже; д-р техн. наук, проф. кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «ВГТУ» Ю. Г. Пастернак Зольников, К. В. З81 Проектирование изделий электронной компонентной базы с учетом анализа влияния космического излучения [Текст] : монография / К. В. Зольников, В. А. Скляр, М. Л. Лапшина ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2015. – 163 с. ISBN 978-5-7994-0724-7 (в пер.) В монографии рассматривается один из наиболее перспективный подходов в САПР сквозного проектирования с использованием методологий, основанных на построении моделей процесса радиационно-индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОП-транзистора, а также разработано соответствующее программное обеспечение и особенности его интеграции в САПР, приведено методическое обеспечение, а также результаты практического использования. Данная монография рекомендована как студентам, так и аспирантам, занимающимся САПР в микроэлектронике, а также преподавателям, ведущим курсы по данной проблематике. УДК 621 © Зольников К. В., Скляр В. А., Лапшина М. Л., 2015 ISBN 978-5-7994-0724-7 © ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2015
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………..…….…….. 5 1. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ…………………………………………... 7 1.1. Виды ионизирующих излучений в космическом пространстве и эффекты радиационного воздействия в комплементарных микросхемах 7 1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства…… 7 1.1.2. Источники ионизирующих излучений в космическом пространстве………………………………………………………….……….. 9 1.1.3. Радиационные эффекты в КМОП микросхемах……………….……. 12 1.2. Анализ текущего состояния средств автоматизации проектирования электронной компонентной базы космического назначения....................... 17 1.3. Аспекты моделирования воздействия излучения космического пространства на электронную компонентную базу. Постановка задачи... 23 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………………………………………………………………….. 32 2.1. Методика автоматизированного проектирования изделий электронной компонентной базы стойкой к воздействию излучения космического пространства................................................................................................. 32 2.2. Структура проблемно-ориентированного программного обеспечения…………………………………………………………………… 44 2.3. Выбор критериальных параметров к гамма-излучению…………….. 53 2.4. Расчет поглощенной дозы при воздействии ионизирующего излучения космического пространства…………………………………....... 61 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В КМОП-ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ В САПР СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ……………………………………….. 66 3.1. Моделирование накопления дозы в МОП – транзисторе при воздействии космического излучения низкой интенсивности…………….. 66 3.1.1. Методология моделирования процесса радиационно
индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОП-транзистора с учетом влияния полевого окисла……………………. 66 3.1.2. Моделирование процесса накопления заряда в области подзатворного диэлектрика транзистора……………………………………... 69 3.1.3. Процесс радиационно-индуцированное накопление заряда в подзатворном диэлектрике МОП-структуры при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения…………………………… 74 3.1.4. Выбор значений параметров, определяющих кинетику накопления заряда в диэлектрике при радиационном воздействии……………………. 77 3.1.5. Моделирование процесса накопления поверхностных состояний… 78 3.2. Расчет изменения схемотехнических параметров при воздействии низкоинтенсивного излучения факторов космического пространства…… 81 3.3. Алгоритмическая основа расчета стойкости КМОП СБИС при воздействии факторов космического пространства……………………….. 91 4. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ, ИНТЕГРАЦИИ В СИСТЕМУ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ САПР……………………………………… 99 4.1. Структура, особенности построения разработанных средств и их интеграция в САПР для сквозного проектирования интегральных Микросхем…………………………………………………………………….. 99 4.2. Оценка точности и эффективности разработанных средств САПР…. 106 4.3. Методическое обеспечение и результаты практического использования…………………………………………………………………. 114 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….. 130 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………………………. 131 МЕТОДИКА…………………………………………………………………… 146 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………... 155
ВВЕДЕНИЕ Для любой страны важен приоритет в самых высокотехнологичных облас тях. Космическая техника – это одна из отраслей, которая способна вывести на передовые позиции страну, где ей уделяется самое пристальное внимание. На личие широко развитой космической отрасли считается одним из важнейших показателей технологического приоритета страны. Но ключевой проблемой данной отрасли является создание радиационно-стойкой электронной компо нентой базы. Отметим, что космическое ионизирующее излучение имеет две глобаль ные составляющие, каждая из которых характеризуется своим механизмом протекания физических процессов и соответственно своими методами защиты от них. Одна составляющая – это статическое излучение, состоящее из элек тронного, 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 катастрофиче ские отказы. Мы будем рассматривать статические ионизирующие излучения. Они ха рактеризуются малой мощностью излучения. Механизм воздействия низкоин тенсивного излучения вместе с изменением температуры среды имеет некото рые особенности, которые связаны с деградацией элементов интегральных схем. При рассмотрении КМОП – технологии экспериментально установлено, что с уменьшением мощности деградация возрастает. Данное явление исследо валось экспериментально, но на практике были выработаны только рекоменда ции для экспериментальных исследований, которые позволяли адаптировать экспериментальные данные, полученные при высокой мощности, к данным, ко торые получились бы при малой мощности, характерной для космоса. Теорети ческие 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 «Электронстан дарт» В.Г. Малинина, М.М. Малышева, Московского инженерно-физического института В.А. Тельца, А.Ю. Никифорова, А.И. Чумакова, Научно исследовательского института приборов В.Н. Улимова, К.И. Таперо, В.В. Емельянова и др. Современная ситуация в области создания изделий электронной компо нентной базы, а именно уменьшение проектных норм, привело только к еще более непредсказуемой картине. Поэтому назрела необходимость разработать специальные средства моделирования деградации элементов СБИС при воздей ствии излучения малой мощности, интегрировать их в САПР сквозного проек тирования, 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.
1. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1.1. Виды ионизирующих излучений в космическом пространстве и эффекты радиационного воздействия в комплементарных микросхемах 1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства На орбитальные космические аппараты (КА) в процессе функционирова ния на околоземной орбите и за ее пределами воздействуют различные факторы космического пространства (КП). Основными факторами воздействия космиче ского пространства на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) КА, нарушающие ее работу, являются [102, 105, 106, 109]: – ионизирующее излучение (ИИ) космического пространства; – космическая плазма; – инфракрасное (тепловое) излучение; – космический вакуум; – замкнутое пространство; – микрометеориты; – невесомость; – собственная внешняя атмосфера. Ионизирующее излучение космического пространства включает в себя по ток первичных заряженных ядерных частиц, а также вторичные ядерные части цы. К первичным относят протоны, электроны, тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ). Вторичные частицы являются продуктами ядерных реакций, связанных с взаимодействием первичных частиц. 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 электропара метров и постепенное увеличение числа функциональных отказов, для второй – временные кратковременные отказы, возможны и катастрофические отказы [101, 102]. Влияние ИИ на компоненты РЭА обусловлено потерями энергии (иониза ционными и ядерными) первичных и вторичных ядерных частиц в активных и пассивных структурах полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных схем (ИС) компонентов бортовой аппаратуры. Накопление дозы ИИ при воздействии отдельных высокоэнергетических ядерных частиц приводит к одиночным сбоям, а также параметрическим отка зам ПП и ИС. Кроме этого под воздействием ИИ может происходить изменение прозрач ности оптических сред; помехи в оптико-электронной аппаратуре, обусловлен ные радиолюминесценцией и воздействием космических излучений в оптиче ских деталях; растрескивание и проба изолирующих материалов по причине электризации диэлектриков и протекания химических реакций, стимулирован ных радиацией; ухудшение параметров источников питания из-за нарушения работы солнечных батарей. Особое влияние на ПП и ИС бортовой аппаратуры космических аппаратов оказывает длительное воздействие низкоинтенсивного ионизирующего излуче ния. Противостояние длительному воздействию низкоинтенсивного ионизи рующего излучения особо актуально для космических аппаратов, обеспечи вающих навигацию, связь (находящихся на геостационарной орбите), а так же в длительных экспедициях за пределы орбиты Земли в дальний космос. Воздействие космической плазмы приводит к электризации диэлектриче ских защитных и термоизолирующих покрытий. Накопление критического за ряда приводит к внутреннему локальному электростатическому пробою, что
может привести к непосредственному отказу или сбою в работе прибора [107, 109]. Также, возможны косвенные эффекты, вызванные действием электромаг нитного поля, которое возникает при пробое. Неравномерный нагрев конструкций КА под воздействием инфракрасного излучения Солнца, а также попадание в теневую зону от других объектов, при водит к значительным циклическим изменениям температуры поверхности КА. Результатом являются температурные градиенты, приводящие к возникнове нию термо-э.д.с. и термомеханических напряжений. Кроме того, под воздейст вием температурных эффектов могут меняться характеристики ПП и ИС борто вой аппаратуры КА. Попадание микрометеоритов приводит к механическим повреждениям внешней поверхности приборов, особенно солнечных батарей. В условиях невесомости вследствие отсутствия конвекции тепла ухудша ется тепловой режим работы РЭА. Замкнутое пространство не позволяет реализовать шину земли, вследствие чего общий потенциал колеблется, а протекание поверхностных токов по по верхности КА может быть причиной возникновения дополнительных помех. При этом на работоспособность РЭА КА влияют много различных воздей ствующих факторов, каждый из которых может привести к сбою или отказу бортовой аппаратуры, и в общем случае необходимо учитывать все действую щие факторы, однако основной вклад вносят первые два из выше перечислен ных (космическая плазма и ионизирующее излучение). 1.1.2. Источники ионизирующих излучений в космическом пространстве Основными источниками ИИ в космическом пространстве являются [1, 49, 100]: – заряженные частицы (электроны и протоны) естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ); – солнечные и галактические космические лучи (СКЛ и ГКЛ).