CC BY
76
УДК 539.12.04+678.01 UDC 539.12.04+678.01
РАССЧЕТ И АНАЛИЗ СТОЙКОСТИ КМОП- CALCULATION AND ANALYSIS OF
КОМПОНЕНТОВ ИС В СТРУКТУРЕ САПР RESISTANCE COMPONENTS IN CMOS
СБИС VLSI CAD STRUCTURE
Чевычелов Юрий Акимович Tchevytchelov Yury Akymovytch
д.т.н., профессор Dr.Sci.Tech., professor
Воронежская государственная лесотехническая Voronezh State Forest Technical Academy, Voronezh,
кадемия, Russia
Воронеж, Россия
В статье рассматривается оценка стойкости The article considers the evaluation of resistance of the
библиотечных компонентов КМОП ИС с помощью CMOS components in the structure of VLSI CAD, расчетных методов в структуре САПР СБИС. obtained by the computational method. Methods for
Способы расчета используют результаты calculating test results were using CMOS IC. We
испытаний КМОП ИС, выполненных по present the results of the calculation and analysis of the
аналогичной технологии. Представлены valve as the main component of the integrated circuit
результаты и анализ расчета вентиля, как основного компонента ИС
Ключевые слова: СТОЙКОСТЬ, КМОП ИС, Кеу words: RESISTANCE, CMOS IC, VALVE,
ВЕНТИЛЬ, ТОК УТЕЧКИ, ИЗЛУЧЕНИЕ, LEAKAGE CURRENT, RADIATION, IMMUNITY,
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ, ЗАДЕРЖКА DELAY
Использование САПР СБИС на всех этапах проектирования (схемо-
техническом, функциональном, системном) разрешает основную проблему, которая заключается в выборе рационального соотношения между сложностью уровня интеграции используемых компонентов и достигаемыми параметрами проектирования на их основе При проектировании учитываются не только достижения надежного функционирования, но реальные условия эксплуатации изделия -ионизационное излучение, широкий температурный диапазон окружающей среды. В САПР ИЭТ для отработки технологических маршрутов изготовления радиационностойких КМОП-БИС определен набор тестовых групп базовых элементов. Для моделирования радиационных эффектов разработана методика методологии единого системного подхода при прогнозировании поведения ЧБИС в условиях ИИ. Она базируется на единстве процессов выделения энергии различными видами ИИ и рассмотрении процессов деградации их характеристик от естественного старения и радиации с учетом зависимости от широкого нвбора воздействий разделенных во времени. При воздействии ионизирующих излучений (ИИ) на ИС наблюдаются
различные эффекты, все разнообразие которых можно условно разбить на два класса устойчивые и временные отказы. Задача оценки стойкости изделия означает определение уровней ИИ, при которых изделие будет еще работоспособным.
Цель данной работы - определить стойкость вновь разрабатываемых библиотечных элементов ИС к гамма-, электронному и протонному статическому излучению.
Метод расчета стойкости опирается на расчетный и расчетноэкспериментальный способ. Расчетный способ оценки стойкости будет основным, так как определение стойкости осуществляется на этапе проектирования изделия. Кроме того, используются и элементы расчетноэкспериментального способа (используя результаты эксперимента подобных тестовых структур) в части получения некоторых необходимых данных, настройки параметров и получения точности прогнозирования.
Оценка стойкости проводилась по следующему алгоритму:
• на основе анализа экспериментальных данных по подобным КМОП ИС, определены наиболее критичные виды ИИ, критериальные параметры ИС;
• на основе теоретических исследований, анализа литературных данных и результатов, полученных на первом этапе, обоснованы критериальные параметры на микроуровне для компонентов ИС, выбран наиболее критичный компонент ИС;
• проводится расчет наиболее критичных характеристик компонента ИС под воздействием гамма-, электронного и протонного статического излучения, при этом недостающая входная информация определяется из экспериментальных данных.
• оценивается стойкость и проводится анализ работы компонентов, выполненных по предложенной технологии к рассматриваемому статическому ИИ.
Анализ результатов эксперимента
Экспериментальные исследования проводились на ИС серии 1554. Сравнение результатов испытаний по факторам И1, И2, С3 показало, что из всех видов воздействия быстрее всего требуемый уровень стойкости достигается по фактору С3. То есть фактор С3 - наиболее критичный вид воздействия.
Анализ результатов испытаний ИС показал, что наиболее критичным электрическим режимом работы в условиях воздействия фактора С3 является статический режим при высоком уровне сигнала на входах и наименее критичным - пассивный режим. Наиболее чувствительным параметром к воздействию фактора С3 является статический ток потребления 1ссИ, т.е. этот параметр является критериальным. Первые отказы у образцов были зарегистрированы для ИС, у которых в процессе облучения поддерживался высокий уровень входных сигналов ^^^=63).
Функциональные отказы ИС наблюдались при более высоких дозах, чем отказы по току потребления. Ток потребления 1ссИ при облучении и после значительно превышал 1сс1. Отказы ИС в первую очередь наблюдались, для образцов, у которых в процессе облучения поддерживался высокий уровень входных сигналов (Uih=Ucc).
Критериальные параметры стойкости элементов ИС.
Известно [1-3], что основными критериальными параметрами логических элементов ИС являются:
1. Токи утечки. В качестве нормы на него в [1-3] приводится критерий: ток утечки в цепи питания превышает 10-4А. Этот параметр напрямую связан с током потребления и поэтому необходим для оценки стойкости логических элементов ИС.
2. Помехоустойчивость. В качестве критерия в [1] выбраны значения: от 2В до 8В при напряжении питания 10В. При питании 5В значения соответственно равны 1,5 и 4В. Оценку по данному параметру также необходимо провести.
3. Работоспособность (функционирование). Данный параметр хорошо коррелирует с уменьшением помехоустойчивости и в силу этого, оценка отказов по данному параметру рассматриваться не будет.
3. Время задержки распространения сигнала. В качестве нормы для данного критерия может служить значение, при котором время задержки распространения сигнала увеличивается в 4 раза.
Основным элементом цифровых ИС является ключ-инвертор (вентиль). Практически любую ИС можно представить в виде цепочек однотипных инверторов. С точки зрения логики этот элемент представляет собой передающий вентиль, функционирующий как реле. Если на управляющем входе имеется сигнал, соответствующий 1. то выключатель замкнут и уровни левого и левого сигнала одинаковы. Если управляющий сигнал равен 0, то выключатель разомкнут. Именно процессы, происходящие в инверторе под действием радиации, определяют в основном стойкость элементов ИС. Поэтому в качестве объекта исследований был выбран ключ-инвертор. Следует отметить, что результаты экспериментальных исследований показали, что в первую очередь наблюдаются отказы ИС, связанные с током потребления, поэтому наибольшее внимание должно быть уделено определению значения токов утечки.
Расчетные значения характеристик библиотечных элементов
Расчетные соотношения для определения стойкости библиотечных элементов могут быть определены по каждому из вышеперечисленных критериев отказов. Соотношения для расчета используют ряд
коэффициентов, определение которых осуществлялось из результатов эксперимента по тестовым структурам ИС серии 1554.
Токи утечки. Определяется суммой токов теплового, терморегуляции и поверхностного тока утечки [2]. Тепловой ток заметного вклада в суммарный ток утечки не дает, поэтому не рассматривается и выражение для тока утечки следующее:
^=Ш+q• Apn 1о- N Кт-D+q • А^ N S(D)+Ьо+ ЬЩ—ехр—Д))) (1)
где ^(0) - ток начальной термогенерации; Арп - площадь р-п
перехода; Аs - площадь поверхности над обедненной областью р-п перехода ; 1о - длина канала; Кт- деградационный коэффициент времени жизни, который зависит от вида воздействия и дозовых характеристик; О -дозовая характеристика воздействия гамма-, рентгеновского, нейтронного, электронного и протонного излучений; Ъп - изменение поверхностного тока утечки до момента насыщения плотности поверхностных состояний; Ь - параметр аппроксимации; £ - скорость поверхностной рекомбинации, которая может быть определена по формуле:
£ = £о+£^а^1—ехр—сО))
Бнас - изменение поверхностной рекомбинации до момента насыщения плотности поверхностных состояний; с- параметр аппроксимации; N - концентрация, аппроксимируется формулой:
N = д/1.51023Т3 ехр(—14028/Т )
Наибольшую неопределенность в токе утечки вносят такие характеристики Кт, а и р. Численная величина этих характеристик может быть получены из сравнения экспериментальных данных по аналогичным тестовым структурам. Результаты расчета дают значение а = 1,24 10-6 (1/Рад) и р=7,13 10-5. Коэффициент Ктв общем случае имеет функциональную зависимость от мощности дозы. Однако для мощности воздействия от 10 до 500Р/с можно ограничится константной приблизительно равной 10-5.
Помехоустойчивость. Напряжение переключения определяется по формуле [2]:
тт 4Кк • (ипит — иор) + иоп
ипер =-------------------------------------------------------------1-- -, (2)
1 + л/ Кк
где иор, иоп - пороговые напряжения п-канального и р-канального транзисторов соответственно; Кк- отношение приведенной крутизны п-МОП транзистора к приведенной крутизне р-МОП транзистора.
Сдвиг порогового напряжения Ш при воздействии стационарного ИИ можно представить в виде суммы составляющих [4-6]:
АМ = АМо + AUot + АШ + АШЪ (3)
где АШо - вклад от подвижных дырок, AUot - сдвиг за счет захвата дырок, АШ - сдвиг за счет роста поверхностных состояний и АМаН - сдвиг за счет отжига дырок. Для р-МОП транзисторов все слагаемые имеют положительный знак, кроме АМаН, для п-МОП транзистора знак, противоположный остальным слагаемым, имеют АШ и АМаН.
Выражение для М в общем случае имеет зависимость
М = ^ (д, до, О, ё, в, /в, К1, К2, Т, т, Та) (4)
где д - заряд электрона; ц0 - скорость генерации; В - доза; й -толщина диэлектрика; е - диэлектрическая проницаемость окисла; £е -функция, определяющая, долю заряда, захваченного на различные уровни ловушек, которая зависит от концентрации примеси и сечения захвата дырок; КI - коэффициент, соответствующий максимальному сдвигу порогового напряжения за счет захвата заряда в окисле при поглощенной дозе, равной 1 рад; К2 соответствует коэффициенту полного отжига дырок; К3 - коэффициент, соответствующий максимальному сдвигу порогового напряжения за счет захвата заряда на поверхностные состояния при поглощенной дозе, равной 1 рад; Т- температура; т -характерное время образования поверхностных состояний; Та - типовое время отжига.
Результаты испытаний позволили определить все коэффициенты и недостающие зависимости. С этой целью решалась система из 5 уравнений с 5 неизвестными. Значения £е - определялось соотношением £е = б К; б -сечение захвата дырок; К- поверхностная плотность ловушек. Результаты представлены в таблице 1 и на рис 1.
Таблица 1. Значения параметров модели, полученные из экспериментальных
данных.
Параметры модели К1 К2 КЗ Та г
значения констант О О О, со" 0,118 9,23 10-6 5,3 105 34,0
5 -2 -
1(Г' I-------1______1______I МО
0 2 0.5 1 20 Еох.МВ/—см-1
Рис. 1. Зависимость
сечений захвата и концентраций дырочных ловушек первого (1) и второго (2) типов от напряженности электрического поля в окисле
Быстродействие. Быстродействие микросхем характеризуется средней задержкой распространения сигнала и определяется по формуле:
где С - емкость на выходе инвертора, равная сумме емкостей нагрузки, межсоединений и выхода инвертора.
Для проведения расчета использовались Spice - параметры, параметры техпроцесса и структур КМОП СПК БМК10-БМК100. Значения характеристик радиационной среды определялись из [7]. Расчет проводился определением токов утечки, помехоустойчивости и времени задержки распространения сигнала для фактора С3, К1 и КЗ по спектрально-энергетическим и амплитудно-временным характеристикам соответствующим моделирующим установкам. Пересчет к реальным характеристикам факторов космического пространства осуществлялся по методике [5,6].
Результаты расчета представлены на рисунках 2, 3, 4 и 5. На рис.2. приведены зависимости изменение значений порогового напряжения n-МОП транзистора и p-МОП транзистора от дозы, при напряжении питания 5В, для высокого и низкого уровня. На рисунке 3 - изменение тока утечки в зависимости от дозы. Изменение стойкости в зависимости от напряжения питания по значениям тока утечки представлено на рис. 4. Изменение задержки распространения сигнала приведено на рисунке 5.
t = 0.5 • (t10 +101)
где величины t01 и t10 определяются по формулам
(5)
(6)
Результаты расчета
1,00Е+01 8,00Е+00 6,00Е+00 4,00Е+00 2,00Е+00 0,00Е+00 -2,00Е+00 -4,00Е+00 -6,00Е+00 -8,00Е+00
-1,00Е+01
ип н ир н ип в ир в
0,00Е + 00 1,00Е + 06 2,00Е + 06 3,00Е + 06 4,00Е + 06 5,00Е + 06 6,00Е + 06 7,00Е + 06 8,00Е + 06
Рис.2. Изменение пороговых напряжений тестовой структуры от дозы (доза взята с коэффициентом 0.5). Ипн - п-МОП транзистор, низкий уровень; Ипв - п-МОП транзистор, высокий уровень; Ирн - р-МОП транзистор, низкий уровень; Ирв - р-МОП транзистор, высокий уровень.
.Рис.3. Изменение тока утечки от дозы (ток имеет множитель 0,5*10"4А).
Рис.4. Изменение предельной дозы в зависимости от напряжения питания по току утечки ось Х - напряжение питания (В), ось У - доза в условных единицах (множитель0.5).
Рис. 6. Изменение задержки распространения сигнала (в относительных единица (^о) - к начальному значению (доза взята с коэффициентом 0.5)
Представленные результаты получены для фактора С3, аналогично получаются результаты по К1 и К3. Для этого использовались коэффициенты эквивалентности пересчета, полученные в [6]. Результирующие значения приведены в таблице 2.
Таблица 2. Значения предельных уровней дозы по факторам С3, К1, КЗ
Фактор значение уровня дозы (в единицах уровня 2У)
минимальное значение максимальное значение
С3 4 7
К1 3 9
К3 3 8
Анализ результатов расчета и выводы.
Наибольшей чувствительностью на микроуровне к воздействию статических видов радиации обладает ток утечки. Стойкость элементов зависит от электрического режима эксплуатации. Для тока утечки увеличение напряжения питания приводит к уменьшению стойкости изделия.
Среди видов воздействия С3, К1 и К3 наибольшее изменение электропараметров наблюдается от воздействия факторов К1 и К3.
Проведенный расчет позволяет оценить стойкость компонентов для данной технологии по фактору С3 - 4*2У, К1-3*2У.
Литература
1. Зольников, В.К. Разработка схемотехнического и конструктивно-
технологического базиса ЭКБ / В.К.Зольников, А.А.Стоянов // Моделирование систем и процессов. 2011. № 1-2. С. 28-30.
2. Чибисов, Д.Е. Воздействие ионизирующего излучения на интегральные микросхемы. / Д.Е.Чибисов, В.К.Зольников // Моделирование систем и процессов. 2010. № 3-4. С. 60-67.
3. Зольников, В.К. Модель расчета накопленного заряда для учета
радиационных эффектов в САПР ИЭТ / В.К.Зольников, А.П. Затворницкий // Моделирование систем и процессов. 2009. № 1-2. С. 16-22.
4. Потапов, И.П. Средства автоматизации проектирования радиационностойкой элементной базы / И.П. Потапов, А.В.Ачкасов, В.К.Зольников //
Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия
на радиоэлектронную аппаратуру. 2006. № 1-2. С. 147-148.
5. Зольников, В. К. Модель накопления заряда в диэлектрике паразитного транзистора КМОП структуры / В.К.Зольников // Информационные технологии моделирования и управления. 2009. № 1 (53). С. 63-67.
6. Методы прогнозирования и оценки стойкости и надежности изделий электронной техники в условиях длительного НИ: Методическое руководство / Баюков А.В., Хаустов В.В., Агаханян Т.М., Малышев М.М., Зольников В.К. // РНИИ "Электронстандарт"; С-Пб, 1995. 453 с.
7. В.К.Зольников Типовая методика испытаний и оценки стойкости биполярных ИМС к воздействию факторов И1,И2,И4,И5,С3,К1,К3 с учетом комплексного характера воздействия и импульса напряжения обусловленного факторами И8-И11.- НИИЭТ, 1997г. - 107с.
