CC BY
74
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11/2015 ISSN 2410-6070
При построении модели целесообразно использовать различные расширения. Для того чтобы пропускать через узлы только определенный тип данных можно ввести раскраску сетей. Фишки трансформируются в объект, который может содержать в себе один или более параметров, каждый из которых может принимать дискретный набор значений. К позициям добавляется информация о типах фишек. К переходам может быть добавлена информация с инструкцией возбуждения перехода в зависимости от значений переменных, содержащихся в фишках. К исходящим дугам добавляется информация о типах фишек, исходящих из перехода и о преобразовании переменных. Для передачи данных между фишками различных цветов используются выражения на дугах. Переменные на дугах, входящих в переход, конкретизируются значениями компонент цветов фишек, находящихся во входной позиции. Выражения на дугах, исходящих из перехода, формируют фишку для выходной позиции. Таким образом, переход может порождать фишки любого цвета.
Кроме того, для более детального исследования цифровых АТС можно использовать сети Петри, представленные в виде иерархической композиции объектов. Каждый узел в такой сети можно представить в виде отдельной сети Петри.
При построении модели для снижения затрат и повышения надежности рассмотрен вариант с размещением IP-шлюза не только в головном офисе, но и в некоторых центральных офисах. При этом необходимо определить количество и места размещения IP-шлюзов и решить задачу доведения сообщений от источника до получателя при наличии дестабилизирующих факторов. Для того чтобы проверить сеть на наличие блокировок необходимо решить задачу достижимости одной маркировки из другой.
Использование расширенных сетей Петри позволит промоделировать работу сети IP-телефонии, найти ее слабые места, блокировки, как в аппаратной, так и программной части, решить задачу пропускной способности сети и перераспределения трафика.
Список использованной литературы
1. Основные подходы к разработке IP-телефона / Т.А. Онуфриева, А.А. Зайцева // Инновационное развитие современной науки: матер. Международной научно-практической конференции.- Уфа, 2015. - Т.1 - С.149-152.
2. Моделирование сетями Петри решения классической задачи о максимальном потоке/ Михайлов А.С. // Международный журнал экспериментального образования. -М., 2011. - № 11. - С. 85-89.
© Онуфриева Т.А., Зайцева А.А., 2015
УДК 621.382.323:544.541
К. А. Панышев, Ю.А. Парменов
Факультет Электроники и Компьютерных Технологий Национальный исследовательский университет «МИЭТ» г. Зеленоград, Москва, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ УГЛА И МЕСТА ПАДЕНИЯ ТЯЖЕЛОЙ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЗАЩЕЛКИ В 90 НМ КМОП ТЕХНОЛОГИИ
Аннотация
Рассматривается эффект радиационно-индуцированной защелки в 90 нм объемной КМОП технологии. Проанализировано влияние точки падения тяжелой заряженной частицы (ТЗЧ) на ширину импульса индуцированного тока и формирование защелки. Установлено, что истоковые области наиболее уязвимы к тиристорному эффекту. Продемонстрирована зависимость пороговой линейной потери энергии от угла падения ТЗЧ. Показано, что наиболее опасным случаем с точки зрения образования защелки является попадание частицы в торец структуры параллельно ее поверхности в направлении оси оХ.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11/2015 ISSN 2410-6070
Ключевые слова
Радиационная стойкость, радиационно-индуцированная защелка, ТЗЧ, Sentaurus TCAD.
1. Введение
Обеспечение стойкости КМОП интегральных схем (ИС) к защелке, вызванной воздействием тяжелых заряженных частиц космического пространства, является актуальной задачей [1, 2]. Процесс масштабирования полупроводниковой технологии имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения проблемы образования защелки. С переходом к каждой следующей технологической норме растут концентрации примеси в карманах, но уменьшаются глубины их залегания. Данные процессы являются конкурирующими по отношению к паразитным сопротивлениям карманов [3, с. 30]. С масштабированием уменьшаются ширины баз вертикального и горизонтального транзисторов, что увеличивает коэффициенты их усиления, однако, более высокий уровень легирования в области базы ведет к уменьшению их коэффициентов. С точки зрения электрических характеристик, имеющих отношение к защелке, уменьшение напряжения питания, очевидно, улучшает стойкость к эффекту. Таким образом, можно говорить о неоднозначности влияния масштабирования технормы на стойкость к защелке, что в очередной раз подчеркивает необходимость тщательного исследования данной проблемы на конкретных примерах [4, с. 19].
Опубликованы исследования влияния угла падения тяжелой заряженной частицы на ширину кратковременного импульса тока (Single Event Transient -SET) [5, с. 39]. Результаты показали снижение пороговой линейной потери энергии (ЛПЭ) при увеличении угла падения. В этих и других подобных испытаниях рассматривается обычно падение частицы в истоковую область p-канального транзистора, а диапазон углов не включает в себя "скользящие углы", которые могут быть критическими с точки зрения возникновения защелки. Следует также заметить, что измерения удерживающих напряжений, токов тиристорной структуры и коэффициентов усиления биполярных транзисторов при комнатной температуре недостаточно для формирования вывода о стойкости к защелке конкретной структуры; требуется учет диапазона температур окружающей среды.
В данной работе представлены результаты моделирования 90 нм КМОП структуры, разработанной для определения чувствительности к защелке. Рассмотрено влияние точки и угла падения на указанный эффект в широком диапазоне температур. Показаны распределения электронов и потенциала в структуре в разные моменты времени после падения ТЗЧ для формирования полной картины возникновения защелки. Обнаружено сильное влияние скользящих углов падения на пороговую ЛПЭ защелки.
2. Формирование структуры
С целью исследования тиристорного эффекта в КМОП элементах ИС, вызванного воздействием ТЗЧ, проведено приборно-технологическое моделирование структуры, сформированной по коммерческой технологии с проектной нормой 90 нм в программном пакете Sentaurus ISE TCAD. Исследуемый в данной работе прибор представляет собой NPNP структуру с длинными полосковыми контактами, расположенными вдоль всей ширины структуры. Для ускорения расчета проводилось 2D моделирование, полученные токи затем домножались на коэффициент, учитывающий ширину структуры, равную 1 мкм.
Расстояние между анодом (P-исток) и катодом (N-исток) в данном приборе является минимальным по техпроцессу. На рис. 1 (а) показан вид структуры сверху. Прибор был промоделирован с использованием известных профилей легирования коммерческой технологии. Расстояние между P-истоком и контактом к карману составляет 5 мкм, как и расстояние между N-истоком и контактом к подложке, ширина прибора - 1 мкм. Отмечены рассмотренные в данной статье точки попадания ТЗЧ: по центру каждого из контактов NPNP структуры, а также в середины P- и N-карманов. На рис. 1 (б) показано поперечное сечение 2D TCAD структуры. На анод (P-исток) и контакт к N-карману подается напряжение питания 1,2 В, другие два контакта заземлены. Температура в диапазоне от комнатной до повышенной (423 К).
Рисунок 1 - (а) Вид структуры сверху. (б) Поперечное сечение 2D TCAD структуры.
3. Моделирование и результаты Известно, что целью подавляющего большинства методов повышения радиационной стойкости к защелке является либо развязка паразитных биполярных транзисторов и уменьшение коэффициентов их усиления, либо снижение сопротивлений карманов и подложки. Удельное сопротивление кармана зависит
от концентрации и подвижности носителей и, как следствие, от температуры: р = ^^ (1).
Интересующий нас рабочий температурный диапазон прибора - от 300 К до 423 К. В данном диапазоне концентрация электронов практически не зависит от температуры, поскольку происходит истощение примеси (рис. 2).
1000 Г(К')
Рисунок 2 - Температурная зависимость концентрации электронов в кремнии. [6, с.329] В то же время в это температурном диапазоне подвижность носителей падает с ростом температуры по степенному закону из-за рассеяния на фононах. Таким образом, в указанном диапазоне удельное
сопротивление кармана увеличивается с ростом температуры, в результате чего усиливается восприимчивость к тиристорному эффекту.
На рисунке 3 показана зависимость тока анода (Р-истока), вызванного падением ТЗЧ, от температуры. Частица Хе падает под прямым углом к поверхности структуры в область Р-истока. Продолжительность (ширина) импульса тока растет с увеличением температуры, и при Т = 423 К возникает тиристорная защелка. На рисунке 4 отображено распределение электронов и потенциала в структуре для случая Т = 358 К во
временном промежутке 35-45 нс, из рисунка 3 видно, что именно в этот момент заканчивается процесс рассасывания накопленного заряда, и паразитные биполярные транзисторы закрываются. На верхней левой части рисунка 4 оба р-п перехода Чисток - Р-карман и Р-исток - К-карман открыты и продолжают инжектировать носители заряда. В момент времени 45 нс потенциал Р-кармана уменьшился, а К-кармана -упал настолько, что оба эмиттерных перехода паразитных биполярных транзисторов сместились в обратном направлении, и инжекция прекратилась. В нижней части рисунка показано распределение электронов в указанном временном промежутке. Таким образом, защелка в данной структуре при Т = 358 К не образуется.
Ток, вызванный одиночным событием
..........
—■— Р Исток, общий ток, Т = 300 К —•— Р Исток, общий ток, Т = 358 К
—•— Р Исток, общий ток, Т = 423 К
\
......... ......... .........
2е-07 Бремя, с
Рисунок 3 - Зависимость тока одиночного события от температуры. Частица Хе падает под прямым углом к
поверхности структуры в область Р-истока.
Рисунок 4 - Распределения потенциалов в структуре с открытыми (а) и закрытыми(б) эмиттерными переходами паразитных БТ. Распределения электронов в указанном временном промежутке (в, г). ТЗЧ - Хе, Т = 358 К.
С. А. Бткш8 в своей работе [5, с. 40] показал, что для четырехслойных структур подобного типа, выполненных по 180 нм технологии, самым уязвимым местом с точки зрения возникновения тиристорного эффекта является р+ исток. Однако, в структуре, симметричной относительно оси оУ с минимальным расстоянием между анодом (Р-исток) и катодом (К-исток), могут возникнуть и другие уязвимые к защелке области.
Необходимо определить, какое влияние оказывают ТЗЧ, падающие в разные части структуры, на возникновение тиристорного эффекта. С данной целью было решено промоделировать 6 разных случаев: падение частицы в центр каждого из четырех контактов (К-исток, Р-исток, контакт к К-карману, контакт к подложке) и в середину обоих карманов (как показано на рис. 1).
В модуле Heavy Ion программы sdevice пакета Sentaurus TCAD дискретно задается зависимость линейной потери энергии частицы от пробега в кремнии. Использованные числовые значения получены из результатов испытаний на циклотроне. Указанные зависимости представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 - Зависимости ЛПЭ заряженных частиц от пробега в кремнии.
Рисунок 6 демонстрирует, что структура способна защелкиваться даже при попадании в области, удаленные от границы между карманами, такие как контакт к К-карману. Поскольку в начальный момент времени после падения ТЗЧ сгенерированные электроны будут вытягиваться полем через контакт к N карману, в образовании тиристорного эффекта преобладающую роль будут играть процессы диффузии. Вследствие этого время формирования защелки будет существенно выше, чем в случае падения частицы непосредственно в Р-исток, когда подавляющая часть носителей накапливается из-за дрейфа.
Рисунок 6 - Зависимость тока, индуцированного ТЗЧ, от области структуры, в которую падает частица. Сплошная линия соответствует падению в Р-исток, пунктирная - в центр К-кармана, штрихпунктирная - в контакт к К-карману.
Температура равна 423 К.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11/2015 ISSN 2410-6070
Легко видеть, что максимальный пик тока и минимальное время образования защелки возникает при падении частицы с наибольшей ЛПЭ (Xe) в область P-истока. Однако, как показали расчеты в TCAD, симметрия прибора приводит к аналогичным результатам и для левой половины структуры, т.е. для случаев падения ТЗЧ в N-исток, середину P-кармана и в контакт к P-карману. Таким образом, самыми уязвимыми к защелке областями КМОП структуры являются истоки p- и n-канального транзисторов. Подобная симметрия в результатах может не наблюдаться при больших расстояниях между анодом и катодом. Ключевым параметром является ширина базы паразитного pnp транзистора; при увеличении расстояния между P-истоком и границей карманов ток эмиттерного перехода начинает течь вглубь кармана и через подложку - в контакт к P-карману, в то время как ток npn транзистора по-прежнему течет в приповерхностной области.
Результаты исследования влияния места падения ТЗЧ на возникновение тиристорного эффекта представлены в таблице 1. Красным цветом отмечены ячейки, которые соответствуют образованию защелки. Зеленым - паразитные БТ открыты в течение определенного времени, но защелка отсутствует.
Таблица 1
Влияние места падения ТЗЧ на возникновение тиристорного эффекта.
Частица Температура, К P-Исток N-Исток Центр P-кармана Центр N-кармана Контакт к P-карману Контакт к N-карману
300 - ^ - - - - -
Xe 358 - - - - - -
398 У У У У У У
423 У У У У У У
300 - - - - - -
Kr 358 - - - - - -
398 У У У У - -
423 У У У У - -
300 - - - - - -_
Ar 358 - - - - - -
398 У У - - - -
423 У У - - - -
300 - - - -
Ne 358 - - -
398 У У - 1 -
423 У У - 1 -
С целью более подробного исследования восприимчивости прибора к защелке, было проведено моделирование падения ТЗЧ под разными углами вплоть до угла, параллельного поверхности структуры, т.н. "скользящего угла". В данном эксперименте пораженной областью является контакт к К-карману, которая, как показал предыдущий расчет, наиболее устойчива к тиристорному эффекту. Рассматривается падение частиц с различными энергиями под углами 0° (вертикальное падение), 30°, 60°, 90° (параллельно поверхности). Моделирование проводилось при максимальной температуре 423 К при стандартном напряжении питания 1,2 В.
Рис.7 демонстрирует существенное влияние пороговой ЛПЭ частицы (ЬЕТ^), достаточной для активизации защелки, от угла падения. Следует заметить, что выбранные значения энергий в работе соответствуют конкретным интересующим нас частицам: Хе, Кг, Аг, №. Поэтому термин "пороговая ЛПЭ ТЗЧ" используется здесь с определенной оговоркой - вместо точных значений ЬЕТ^ имеет смысл говорить только о диапазоне. При вертикальном попадании структура защелкивается лишь в случае частицы с наибольшей энергией, Хе. Однако, при падении ТЗЧ параллельно поверхности прибора защелка возникает абсолютно для всех рассмотренных типов частиц.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11/2015 ISSN 2410-6070
Зависимость тока, вызванного одиночным событием, от угла падения ТЗЧ
Время, с
Рисунок 7 - Влияние угла падения ТЗЧ на пороговую энергию образования защелки. Вместо конкретных числовых значений, которые будут приведены далее на диаграмме, здесь приведены лишь типы частиц, энергий которых достаточно для формирования защелки. Температура равна 423 К, напряжение питания - 1,2 В. Частица падает в контакт к Ы-карману, данная область является самой устойчивой к тиристорному эффекту.
Числовые значения ЬЕТш представлены ниже на диаграмме рис. 8. Как уже было сказано, они не являются минимальными, т.е. когда далее в работе говорится, что ЬЕТш для угла падения 30° равна 40 МэВ-см2/мг (энергия Кг), а для угла 60° - 17 МэВ-см2/мг (энергия Аг), это означает, что пороговая энергия при а = 30° ниже 40, но выше 17 МэВ-см2/мг. Данные значения взяты на основе анализа рисунка 5. Интересующей нас областью являются первые 10 мкм пробега, поскольку заряд, оказывающий влияние на защелку, преимущественно накапливается в Ы-кармане, глубина которого не превышает 2 мкм. Даже в случае скользящего угла падения, когда частица проходит через всю длину кармана, которая в работе равна 5 мкм, этого приближения будет достаточно. Таким образом, пороговые ЛПЭ частиц Хе, Кг, Аг, № равны 70, 40, 17, 7 МэВ-см2/мг, соответственно, а значениями, отвечающими за генерацию заряда в подложке (Я > 10 мкм) можно пренебречь.
падения
Рисунок 8 - Зависимость пороговой ЛПЭ от угла падения ТЗЧ.
Легко видеть, что угол падения частицы оказывает существенное влияние на пороговую ЛПЭ частицы. Основная причина этого заключается в следующем: чувствительный к защелке объем структуры напрямую связан с длиной и глубиной кармана. Когда частица падает вертикально, заряд генерируется вдоль всего трека, но преобладающую роль играет лишь та его часть, которая накопилась в кармане. Электронно-дырочные пары, сгенерированные в подложке, также влияют на исследуемый эффект, однако, в активную область они текут под действием диффузии слишком медленно, и паразитные транзисторы к этому времени могут уже закрыться. Также эти пары с большой вероятностью могут подвергнуться процессам рекомбинации. Таким образом, чувствительным объемом является К-карман.
Глубина кармана связана с конкретным технологическим процессом и изменена быть не может, здесь она приблизительно равна 1,9 мкм. Ширина и длина кармана могут варьироваться в зависимости от поставленной задачи. В эксперименте в данной работе ширина кармана равна 1 мкм, а длина - 5 мкм. В связи с этим при падении частицы параллельно поверхности в направлении оси оХ, количество собранного индуцированного заряда будет выше, чем для случая вертикального попадания. Ширина кармана по сути соответствует ширине истоковой/стоковой области в КМОП структуре, ее значения едва ли могут превышать величину глубины кармана. В связи с этим исследование случая падения частицы вдоль оси о2 (см. рис. 1) здесь не проводилось. По результатам моделирования самым опасным случаем с точки зрения возникновения тиристорного эффекта оказалось попадание частицы в торец структуры параллельно поверхности в направлении оси оХ.
4. Заключение.
В работе показано влияние точки падения ТЗЧ на ширину импульса индуцированного тока и образование защелки. Установлено, что самыми уязвимыми областями структуры являются Р- и К-истоки в связи преобладанием дрейфовых процессов сбора заряда над диффузионными. При больших расстояниях между истоками симметрии в результатах относительно оси оУ может не наблюдаться из-за различия в ширинах баз паразитных КРК и РКР транзисторов, требуются дополнительные исследования.
Продемонстрирована зависимость пороговой линейной потери энергии от угла падения ТЗЧ. Показано, что наиболее опасным случаем с точки зрения образования защелки является попадание частицы в торец структуры параллельно ее поверхности в направлении оси оХ. Чувствительным объемом является N карман, длина которого превышает глубину. В связи с этим количество собранного заряда, индуцированного ТЗЧ, будет выше в случае горизонтального пролета, нежели вертикального. Особое внимание разработчикам радиационно-стойкой элементной базы нужно обратить на то, что разница в пороговых энергиях при горизонтальном и вертикальном пролетах частицы больше одного порядка, и что падения даже
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11/2015 ISSN 2410-6070
низкоэнергетической частицы может быть достаточно для образования защелки. В качестве метода подавления данного эффекта может быть использована боковая изоляция вместе с внешними охранными кольцами.
Список использованной литературы:
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. - М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.
2. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. - М.: Радио и связь, 1994. - 164 с.
3. Dodds N.A. Single event latchup: hardening strategies, triggering mechanisms, and testing considerations // Ph. D. Thesis (Nathaniel: Graduate School of Vanderbilt University). - 2012. - 121 P.
4. Voldman S.H. Latchup // John Wiley & Sons, Ltd. - 2007. - 474 P.
5. Dinkins C. A. Qualitation characterization of single-event transient and latchup trends in 180 nm CMOS technology // Master of Science Thesis (Nathaniel: Graduate School of Vanderbilt University). - 2011. - 94 P.
6. Гуртов В.А., Осауленко Р.Н. Физика твердого тела для инженеров // Техносфера. - 2007. - 520 с.
© Панышев К. А., Парменов Ю.А., 2015
УДК 658.562; 658.511
Д.И. Панюков
к.т.н., доцент
Факультет информационно-технического сервиса Поволжский государственный университет сервиса Г. Тольятти, Российская Федерация Е.В. Панюкова к.п.н., доцент
Институт математики, физики и информационных технологий Тольяттинский государственный университет Г. Тольятти, Российская Федерация
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТА АНАЛИЗА В РАМКАХ МЕТОДА FMEA
Аннотация
В статье приводится описание этапа предварительного исследования объекта при проведении анализа видов, последствий и причин потенциальных дефектов (FMEA). Предлагаются способы и даются рекомендации по проведению структурного и функционального анализа объекта.
Ключевые слова Управление качеством, FMEA, функциональный анализ.
В настоящее время в автомобильной промышленности большую популярность приобрел метод анализа и управления рисками потенциальных дефектов в новых проектах, называемый FMEA (от англ. Failure Mode and Effects Analysis). Широкое применение FMEA получил благодаря требованиям международного стандарта ISO/TS 16949, которые явным образом указывают поставщикам автомобильной промышленности на необходимость применять FMEA при проектировании автокомпонентов и процессов их производства с целью предотвращения дефектов ещё на стадии разработки и проектирования, т.е. прежде чем они произойдут на самом деле. Кроме того, все автопроизводителя требуют от своих поставщиков
