eng
Выпуск #1/2017
Ю.Московская, Р.Федоров, А.Денисов, Д.Бобровский, А.Уланова, А.Никифоров
Состав и принцип формирования типовой оценочной схемы как имитатора БМК и полузаказных БИС на их основе для задач радиационных испытаний
Состав и принцип формирования типовой оценочной схемы как имитатора БМК и полузаказных БИС на их основе для задач радиационных испытаний
Просмотры: 4296
Проанализированы основные особенности и недостатки существующей системы обеспечения требований радиационной стойкости для полузаказных БИС на основе БМК путем разработки и испытаний типовой оценочной схемы (ТОС). Предложено включать в состав ТОС все базовые библиотечные элементы. Предлагается максимально унифицировать ТОС для задач характеризации БМК и контроля партий пластин, анализа особенностей контроля стабильности техпроцесса и оценки радиационной стойкости рабочих зашивок по результатам испытаний ТОС.
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.60.69
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.60.69
Теги: gate array integrated circuit radiation resistance базовый кристалл интегральная схема радиационная стойкость
Базовые матричные кристаллы (БМК) представляют собой матрицу базовых элементов (как правило – КМОП-вентилей) со стандартной библиотекой базовых функциональных элементов, реализованных путем коммутации вентилей слоями металлизации и контактов. Полузаказные большие интегральные схемы (БИС) на основе БМК реализованы в виде так называемых "зашивок" путем внутренней коммутации базовых библиотечных элементов с использованием специализированного САПР. Данный подход по сравнению с созданием заказных БИС позволяет существенно сократить сроки и стоимость проектирования и изготовления изделий, так как значительная часть работ переносится с этапа проектирования конкретной БИС на более ранний этап проектирования и аттестации БМК, а основные параметры приемки-поставки БИС отражены в ТУ на БМК и априори должны обеспечиваться ее технологией, конструкцией и правилами проектирования [1]. Такое решение особенно эффективно при широкой номенклатуре и малой тиражности комплектующих изделий, что характерно для бортовой аппаратуры космических и ядерных комплексов, которая эксплуатируется в жестких условиях и должна отвечать требованиям радиационной стойкости.
Общий методический подход к оценке радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе представлен в [2].
Обеспечение требований радиационной стойкости для полузаказных БИС на основе БМК в сложившейся инженерной практике имеет ряд особенностей:
уровни радиационной стойкости БИС определяются преимущественно конструктивно-технологическими параметрами БМК, при этом считается, что они "закладываются" в процессе разработки БМК, подтверждаются квалификационными испытаниями в ходе ОКР и гарантируются контролем партий пластин "базы" в соответствии с требованиями подгруппы "Е" "Общих технических условий на Микросхемы интегральные" (ОСТ В 11 0998, ОСТ В 11 1010);
для подтверждения радиационной стойкости БМК разрабатывают специальную тестовую "зашивку" (так называемую "нулевую"), которая обобщает и имитирует типовую зашивку БМК для ее аттестации и квалификации, а в большинстве случаев – и для контроля партий пластин [3, 4]. Такая тестовая зашивка является типовой оценочной схемой (ТОС) для БМК;
в состав ТОС входит несколько несложных (с целью упрощения контроля работоспособности при испытаниях) функциональных блоков на основе стандартных библиотечных элементов, при этом принято считать, что все библиотечные элементы БМК имеют одинаковые или, по крайней мере, близкие уровни радиационной стойкости;
в рамках одной производственной партии (группы партий) "базы" могут быть изготовлены различные рабочие зашивки полузаказных БИС на БМК, при этом считается, что проведенный контроль стойкости "базы" по подгруппе "Е" (ОСТ В 11 0998) гарантирует заданный уровень стойкости всех реализованных на ней рабочих зашивок, независимо от их функциональной сложности и сроков изготовления, поэтому проводить радиационные испытания рабочих зашивок нет необходимости [3, 5].
Представленный выше подход к обеспечению радиационной стойкости БИС на БМК имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают достоверность и информативность результатов испытаний ТОС и возможность их безусловного распространения на рабочие зашивки:
в ходе ОКР по созданию БМК, как правило, отсутствуют данные сравнительных исследований радиационной стойкости всех базовых библиотечных элементов БМК с учетом их возможного взаимного влияния при совместном применении;
отсутствует четкое разделение по уровням радиационной стойкости цифровых, аналого-цифровых (цифро-аналоговых) и аналоговых базовых библиотечных элементов БМК, которые даже при близости конструктивно-технологической реализации имеют совершенно разные системы параметров-критериев годности, и, следовательно, разные уровни радиационной стойкости;
состав тестовой "нулевой" зашивки ТОС, как правило, не содержит все базовые библиотечные элементы и сформирован лишь из нескольких их типов, отобранных, в основном, по критерию простоты и оперативности измерений [4];
в результате радиационных испытаний выявлено различие уровней радиационной стойкости как между разными рабочими зашивками БМК, так и между рабочими зашивками и ТОС, хотя полноценный статистический анализ значимости этих различий до настоящего времени не выполнен;
принятый подход к оценке стабильности показателей стойкости на основе контроля партий пластин недостаточно эффективен при эпизодическом изготовлении больших партий (групп партий) пластин с последующей длительной (не ограниченной по времени) реализацией на их основе широкой номенклатуры рабочих зашивок – заказных БИС.
С учетом изложенного, по требованию потребителей в наиболее ответственных случаях проводят квалификационные радиационные испытания каждой рабочей зашивки БМК с контролем всех значимых для функционирования изделия параметров-критериев годности во всех информативных режимах и условиях работы, что гарантирует безусловное соответствие ее уровня радиационной стойкости заданным требованиям. Этот радикальный подход, безусловно, уменьшает риски потребителя, но существенно увеличивает стоимость малых партий изделий, что снижает технико-экономические показатели и в целом конкурентоспособность продукции.
Целями настоящей работы является обоснование критериев для выбора способа оценки радиационной стойкости полузаказных схем на БМК (по результатам испытаний ТОС или рабочих зашивок), а также разработка требований к составу, принципу формирования и порядку испытаний ТОС с целью обеспечения рационального сочетания достоверности и информативности полученного прогноза уровня стойкости рабочих зашивок при снижении затрат на испытания.
Рациональный состав и характеристики ТОС определяются используемым элементно-технологическим базисом и уровнем функциональной сложности создаваемых на его основе изделий.
Типовая оценочная схема должна удовлетворять следующим требованиям (с учетом положений ОСТ 11 0999-99):
количество вентилей на кристалле ТОС должно быть не менее половины максимального числа вентилей на кристаллах полузаказных БИС на основе БМК;
в состав ТОС должны входить все стандартные библиотечные элементы, использованные при проектировании полузаказных БИС на основе БМК. Возможно объединение библиотечных элементов близкого назначения (функциональных классов) в функциональные блоки;
архитектура ТОС должна обеспечивать возможность диагностирования отказов всех функциональных классов библиотечных элементов, а в идеале – каждого их типа;
конструктивно-технические решения ТОС должны соответствовать базовым значениям проектных норм для полузаказных БИС на основе БМК;
состав и структура ТОС должны быть максимально унифицированы для решения всех задач оценки радиационной стойкости в ходе квалификационных испытаний БМК, а также для контроля партий пластин и мониторинга техпроцесса их изготовления;
электрические режимы при испытаниях ТОС должны быть установлены, исходя из соображений наихудших сочетаний проектных норм и нагрузок на применяемые элементы;
для изготовления ТОС следует использовать стандартные (аттестованные) материалы, технологические системы и корпуса (при необходимости).
ТОС для оценки радиационной стойкости БМК должна обеспечивать возможность определения (контроля) по результатам испытаний следующих параметров [6–10]:
степень деградации характеристик в условиях воздействия накопленной дозы ионизирующего излучения (ИИ) с особым вниманием радиационно-индуцированным утечкам по питанию;
пороги возникновения катастрофических отказов (КО) и тиристорного эффекта (ТЭ) при воздействиях импульсного ИИ и отдельных ядерных частиц (ОЯЧ);
характер откликов параметров, значения уровня бессбойной работы и времени потери работоспособности в условиях импульсного воздействия ИИ;
чувствительность к одиночным эффектам (в том числе сбоям) при воздействии ОЯЧ – тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), высокоэнергетических протонов (ВЭП), а также одиночных нейтронов;
степень деградации параметров в условиях радиационно-индуцированных структурных повреждений от воздействия нейтронов и протонов (для биполярных элементов БМК).
Основной проблемой при разработке ТОС является обеспечиваемая глубина диагностики видов и механизмов отказов библиотечных элементов в условиях разнообразия их номенклатуры и ограниченности числа выводов корпуса ТОС. При построении рациональной ТОС рекомендуется объединять библиотечные элементы близкого функционального назначения в функциональные блоки с дешифрацией доступа и буферированием выходной информации (см. рисунок).
Трудности усугубляются наличием в составе библиотек современных БМК аналого-цифровых (цифро-аналоговых) и аналоговых элементов, к которым желательно по возможности обеспечить доступ, минуя цифровые буферные элементы или минимизируя влияние последних.
В целях получения достоверной оценки, состав ТОС для характеризации радиационной стойкости микросхем на основе БМК (по доминирующим радиационным эффектам) должен содержать следующие функциональные узлы:
базовые цифровые элементы (комбинационные и последовательностные) логики, дешифраторов, мультиплексоров, АЛУ, триггеров, регистров, счетчиков;
ячейки ввода-вывода;
матрицы памяти;
аналоговые, аналого-цифровые (цифро-аналоговые) элементы;
библиотечные макроэлементы и IP-блоки.
В ходе разработки ТОС необходимо убедиться в функциональной значимости каждого библиотечного элемента и узла, то есть в том, что радиационный отказ любого библиотечного элемента при испытаниях проявится (будет выявлен) вследствие отказа соответствующего функционального блока или ТОС в целом.
Считаем целесообразным, кроме набора типовых функциональных блоков на основе библиотечных элементов близкого назначения, включить в состав ТОС один или несколько функциональных узлов с максимально-возможными уровнями функциональной сложности и быстродействия, которые обеспечиваются данным БМК и характеризуют его предельные возможности.
С целью корректной оценки уровня радиационной стойкости изделий необходимо выбирать информативные параметры-критерии годности (ПКГ), которые отражают основные функциональные особенности изделия и изменяются вследствие радиационного воздействия. При этом следует учитывать, что если состав ПКГ цифровых узлов БМК довольно ограничен (функциональный контроль, уровни логических нуля и единицы, ток потребления, входной ток), то для аналоговых узлов БМК состав ПКГ весьма разнообразен (см. таблицу) [11–14].
В ходе производства БИС на БМК нормативные документы (ОСТ 11 0998) требуют проводить контроль производственных партий пластин-полуфабрикатов "базы". Радиационные испытания ТОС на этапе контроля производственных партий пластин должны решать следующие задачи:
обеспечение и контроль сохранности показателей стойкости БМК при внесении контролируемых изменений в производственный процесс, в том числе подтверждение отсутствия влияния разброса электрофизических и электрических параметров кристаллов по пластине в пределах партии, а также – от партии к партии – на стабильность показателей радиационной стойкости;
обеспечение оперативной и достоверной оценки радиационной стойкости готовых изделий (рабочих зашивок) в процессе изготовления микросхем на основе непрерывного и периодического контроля показателей стойкости ТОС [4].
ТОС, предназначенные для контроля технологического процесса изготовления пластин в части радиационной стойкости, должны обеспечивать возможность оценки устойчивости всех использованных вариантов конструктивно-технологических решений к заданному минимальному уровню радиационных воздействий, при этом топология ТОС должна включать в себя все стандартные библиотечные элементы, использованные при проектировании микросхем, выпускаемых в данном технологическом процессе. В целом, на наш взгляд, следует обеспечить максимальную унификацию ТОС для характеризации БМК и для контроля партий пластин.
Следует отметить, что задача оценки (гарантирования) радиационной стойкости полузаказных БИС на БМК по существу допускает контроль в ходе радиационных испытаний лишь той части библиотечных элементов и блоков в составе ТОС, которые используются в рабочей зашивке, поэтому фактически определенный уровень стойкости может быть существенно выше указанного в ТУ на БМК, например, если рабочая зашивка не включает аналоговые элементы. Однако на практике такое сокращение состава контролируемых функциональных блоков крайне нежелательно, так как ограниченность "урезанного" набора данных по результатам радиационных испытаний ТОС не позволит обеспечить информативный контроль технологического процесса и стабильности уровня радиационной стойкости по результатам статистического анализа и регулирования. Поэтому следует проводить полноценные радиационные испытания ТОС в ходе контроля партий пластин, а для оценки фактического уровня стойкости рабочих зашивок использовать лишь те данные испытаний, которые относятся к библиотечным элементам, задействованным в рабочей зашивке. Если испытания ТОС показали отсутствие запаса по уровню стойкости конкретной рабочей зашивки относительно типового уровня стойкости БМК, указанного в ТУ, то для обеспечения гарантий потребителям считаем целесообразным проводить контрольные радиационные испытания рабочих зашивок.
В завершение отметим, что с целью гарантирования уровня радиационной стойкости рабочих зашивок БМК, изготавливаемых на общей "базе" в течение длительного времени, целесообразно включать радиационные испытания ТОС в состав периодических испытаний, что предусмотрено предположениями по развитию ОТУ на микросхемы интегральные.
ВЫВОДЫ
В результате анализа сложившейся инженерной практики установлены основные особенности обеспечения требований радиационной стойкости для полузаказных БИС на основе БМК путем разработки и испытаний типовой оценочной схемы – имитатора БИС. Проанализированы связанные с принятым подходом недостатки, ограничивающие достоверность и информативность результатов испытаний ТОС и возможность их безусловного распространения на рабочие зашивки:
отсутствие в составе ТОС всех базовых библиотечных элементов БМК;
отсутствие в составе ТОС возможностей раздельно определить уровни радиационной стойкости цифровых, аналого-цифровых (цифро-аналоговых) и аналоговых базовых библиотечных элементов БМК с учетом их систем ПКГ;
отсутствие достоверной статистической информации о соотношении уровней радиационной стойкости различных рабочих зашивок БМК, а также рабочих зашивок и ТОС;
неэффективность контроля при эпизодическом изготовлении больших партий (групп партий) пластин с последующей длительной (не ограниченной по времени) реализацией на их основе широкой номенклатуры рабочих зашивок – заказных БИС.
Предложены принцип формирования и состав ТОС для оценки контроля радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе, позволяющие преодолеть отмеченные недостатки. В состав ТОС предлагается включать все базовые библиотечные элементы. С целью обеспечения необходимой глубины диагностики видов и механизмов отказов широкой номенклатуры библиотечных элементов в условиях ограниченности числа выводов корпуса при построении рациональной ТОС рекомендуется объединять библиотечные элементы близкого функционального назначения в функциональные блоки с дешифрацией доступа и буферированием выходной информации.
Предлагается максимально унифицировать ТОС для задач характеризации БМК и контроля партий пластин, анализа особенностей контроля стабильности техпроцесса и оценки радиационной стойкости рабочих зашивок по результатам испытаний ТОС.
Если испытания ТОС показали отсутствие запаса по уровню стойкости конкретной рабочей зашивки относительно типового уровня стойкости БМК, указанного в ТУ, то для обеспечения гарантий потребителям рекомендовано проводить контрольные радиационные испытания рабочих зашивок.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серий базовых матричных // Известия высших учебных заведений. МИЭТ. 2015. Т. 20. № 5. C. 497–504.
Московская Ю.М. Общий методический подход к оценке радиационной стойкости базовых матричных кристаллов и полузаказных БИС на их основе // Наноиндустрия. 2017. № 1(71).
С. 50–59.
Денисов А.Н., Коняхин В.В. Семейство серий БМК НПК "Технологический центр" // Сб. докладов Международной конференции "Микроэлектроника-2015. Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение" / г. Алушта, Крым, 28 сентября – 3 октября 2015 г. – М.: ТЕХНОСФЕРА,
2016. С. 192–195.
Московская Ю.М., Сорокоумов Г.С., Бобровский Д.В., Никифоров А.Ю., Уланова А.В., Денисов А.Н., Сницар В.Г., Жуков А.А. Рациональный состав типовой оценочной схемы для контроля радиационной стойкости партий пластин базовых матричных кристаллов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016 : Сб.тр. / Под общ. ред. акад. А.Л.Стемпковского. – М.: ИППМ, 2016. Ч. IV. С. 153–157.
Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пос. / Под общ. ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Belykov V.V., Pershenkov V.S., Zebrev G.I., Sogoyan A.V., Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K. Methods for the prediction of total-dose effects on modern integrated semiconductor devices in space: a review // Russian Microelectronics. 2003. Vol. 32. No. 1. P. 25–38.
Belykov V.V., Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Pershenkov V.S., Skorobogatov P.K., Sogoyan A.V. Prediction of local and global ionization effects on ICs: The synergy between numerical and physical simulation // Russian Microelectronics. 2003. Vol. 32. No. 2. P. 105–118.
Калашников О.А., Уланова А.В. Радиационные эффекты в цифровых микросхемах. Доминирующие радиационные эффекты в элементах ИС. Радиационная стойкость изделий ЭКБ : Научн. изд. / Под ред. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ "МИФИ", 2015. С. 315–360.
Loskutov I.O., Karakozov A.B., Nekrasov P.V., Nikiforov A.Y. Automated radiation test setup for functional and parametrical control of 8-bit microcontrollers. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON 2015), Omsk, Russian Federation, May 21–23, 2015. Article number 7147128.
Boruzdina A.B., Ulanova A.V., Grigor’ev N.G., Nikiforov A.Y. Radiation-induced degradation in the dynamic parameters of memory chips // Russian Microelectronics. 2012. Vol. 41. No. 4. P. 259–265.
Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Давыдов Г.Г. Радиационные эффекты космического пространства в аналоговых ИС. Радиационная стойкость изделий ЭКБ : Научн. изд. / Под ред. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ "МИФИ", 2015. С. 370.
Shvetsov-Shilovskiy I.I., Nekrasov P.V., Ulanova A.V., Nikiforov A.Y. Advanced system for CMOS SOI test structures measurements. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON 2016), Moscow, Russian Federation, May 12–14, 2016. Article number 7491817.
Kalashnikov O.A., Nekrasov P.V., Nikiforov A.Y., Telets V.A., Chukov G.V., Elesin V.V. System-on-chip: Specifics of radiation behavior and estimation of radiation hardness // Russian Microelectronics. 2016. Vol. 45. No. 1. P. 33–40.
Boychenko D.V., Kalashnikov O.A., Karakozov A.B., Nikiforov A.Y. Rational methodological approach to evaluation of dose resistance of CMOS microcircuits with respect to low intensity effects // Russian Microelectronics. 2015. Vol. 44. No. 1. P. 1–7.
Общий методический подход к оценке радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе представлен в [2].
Обеспечение требований радиационной стойкости для полузаказных БИС на основе БМК в сложившейся инженерной практике имеет ряд особенностей:
уровни радиационной стойкости БИС определяются преимущественно конструктивно-технологическими параметрами БМК, при этом считается, что они "закладываются" в процессе разработки БМК, подтверждаются квалификационными испытаниями в ходе ОКР и гарантируются контролем партий пластин "базы" в соответствии с требованиями подгруппы "Е" "Общих технических условий на Микросхемы интегральные" (ОСТ В 11 0998, ОСТ В 11 1010);
для подтверждения радиационной стойкости БМК разрабатывают специальную тестовую "зашивку" (так называемую "нулевую"), которая обобщает и имитирует типовую зашивку БМК для ее аттестации и квалификации, а в большинстве случаев – и для контроля партий пластин [3, 4]. Такая тестовая зашивка является типовой оценочной схемой (ТОС) для БМК;
в состав ТОС входит несколько несложных (с целью упрощения контроля работоспособности при испытаниях) функциональных блоков на основе стандартных библиотечных элементов, при этом принято считать, что все библиотечные элементы БМК имеют одинаковые или, по крайней мере, близкие уровни радиационной стойкости;
в рамках одной производственной партии (группы партий) "базы" могут быть изготовлены различные рабочие зашивки полузаказных БИС на БМК, при этом считается, что проведенный контроль стойкости "базы" по подгруппе "Е" (ОСТ В 11 0998) гарантирует заданный уровень стойкости всех реализованных на ней рабочих зашивок, независимо от их функциональной сложности и сроков изготовления, поэтому проводить радиационные испытания рабочих зашивок нет необходимости [3, 5].
Представленный выше подход к обеспечению радиационной стойкости БИС на БМК имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают достоверность и информативность результатов испытаний ТОС и возможность их безусловного распространения на рабочие зашивки:
в ходе ОКР по созданию БМК, как правило, отсутствуют данные сравнительных исследований радиационной стойкости всех базовых библиотечных элементов БМК с учетом их возможного взаимного влияния при совместном применении;
отсутствует четкое разделение по уровням радиационной стойкости цифровых, аналого-цифровых (цифро-аналоговых) и аналоговых базовых библиотечных элементов БМК, которые даже при близости конструктивно-технологической реализации имеют совершенно разные системы параметров-критериев годности, и, следовательно, разные уровни радиационной стойкости;
состав тестовой "нулевой" зашивки ТОС, как правило, не содержит все базовые библиотечные элементы и сформирован лишь из нескольких их типов, отобранных, в основном, по критерию простоты и оперативности измерений [4];
в результате радиационных испытаний выявлено различие уровней радиационной стойкости как между разными рабочими зашивками БМК, так и между рабочими зашивками и ТОС, хотя полноценный статистический анализ значимости этих различий до настоящего времени не выполнен;
принятый подход к оценке стабильности показателей стойкости на основе контроля партий пластин недостаточно эффективен при эпизодическом изготовлении больших партий (групп партий) пластин с последующей длительной (не ограниченной по времени) реализацией на их основе широкой номенклатуры рабочих зашивок – заказных БИС.
С учетом изложенного, по требованию потребителей в наиболее ответственных случаях проводят квалификационные радиационные испытания каждой рабочей зашивки БМК с контролем всех значимых для функционирования изделия параметров-критериев годности во всех информативных режимах и условиях работы, что гарантирует безусловное соответствие ее уровня радиационной стойкости заданным требованиям. Этот радикальный подход, безусловно, уменьшает риски потребителя, но существенно увеличивает стоимость малых партий изделий, что снижает технико-экономические показатели и в целом конкурентоспособность продукции.
Целями настоящей работы является обоснование критериев для выбора способа оценки радиационной стойкости полузаказных схем на БМК (по результатам испытаний ТОС или рабочих зашивок), а также разработка требований к составу, принципу формирования и порядку испытаний ТОС с целью обеспечения рационального сочетания достоверности и информативности полученного прогноза уровня стойкости рабочих зашивок при снижении затрат на испытания.
Рациональный состав и характеристики ТОС определяются используемым элементно-технологическим базисом и уровнем функциональной сложности создаваемых на его основе изделий.
Типовая оценочная схема должна удовлетворять следующим требованиям (с учетом положений ОСТ 11 0999-99):
количество вентилей на кристалле ТОС должно быть не менее половины максимального числа вентилей на кристаллах полузаказных БИС на основе БМК;
в состав ТОС должны входить все стандартные библиотечные элементы, использованные при проектировании полузаказных БИС на основе БМК. Возможно объединение библиотечных элементов близкого назначения (функциональных классов) в функциональные блоки;
архитектура ТОС должна обеспечивать возможность диагностирования отказов всех функциональных классов библиотечных элементов, а в идеале – каждого их типа;
конструктивно-технические решения ТОС должны соответствовать базовым значениям проектных норм для полузаказных БИС на основе БМК;
состав и структура ТОС должны быть максимально унифицированы для решения всех задач оценки радиационной стойкости в ходе квалификационных испытаний БМК, а также для контроля партий пластин и мониторинга техпроцесса их изготовления;
электрические режимы при испытаниях ТОС должны быть установлены, исходя из соображений наихудших сочетаний проектных норм и нагрузок на применяемые элементы;
для изготовления ТОС следует использовать стандартные (аттестованные) материалы, технологические системы и корпуса (при необходимости).
ТОС для оценки радиационной стойкости БМК должна обеспечивать возможность определения (контроля) по результатам испытаний следующих параметров [6–10]:
степень деградации характеристик в условиях воздействия накопленной дозы ионизирующего излучения (ИИ) с особым вниманием радиационно-индуцированным утечкам по питанию;
пороги возникновения катастрофических отказов (КО) и тиристорного эффекта (ТЭ) при воздействиях импульсного ИИ и отдельных ядерных частиц (ОЯЧ);
характер откликов параметров, значения уровня бессбойной работы и времени потери работоспособности в условиях импульсного воздействия ИИ;
чувствительность к одиночным эффектам (в том числе сбоям) при воздействии ОЯЧ – тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), высокоэнергетических протонов (ВЭП), а также одиночных нейтронов;
степень деградации параметров в условиях радиационно-индуцированных структурных повреждений от воздействия нейтронов и протонов (для биполярных элементов БМК).
Основной проблемой при разработке ТОС является обеспечиваемая глубина диагностики видов и механизмов отказов библиотечных элементов в условиях разнообразия их номенклатуры и ограниченности числа выводов корпуса ТОС. При построении рациональной ТОС рекомендуется объединять библиотечные элементы близкого функционального назначения в функциональные блоки с дешифрацией доступа и буферированием выходной информации (см. рисунок).
Трудности усугубляются наличием в составе библиотек современных БМК аналого-цифровых (цифро-аналоговых) и аналоговых элементов, к которым желательно по возможности обеспечить доступ, минуя цифровые буферные элементы или минимизируя влияние последних.
В целях получения достоверной оценки, состав ТОС для характеризации радиационной стойкости микросхем на основе БМК (по доминирующим радиационным эффектам) должен содержать следующие функциональные узлы:
базовые цифровые элементы (комбинационные и последовательностные) логики, дешифраторов, мультиплексоров, АЛУ, триггеров, регистров, счетчиков;
ячейки ввода-вывода;
матрицы памяти;
аналоговые, аналого-цифровые (цифро-аналоговые) элементы;
библиотечные макроэлементы и IP-блоки.
В ходе разработки ТОС необходимо убедиться в функциональной значимости каждого библиотечного элемента и узла, то есть в том, что радиационный отказ любого библиотечного элемента при испытаниях проявится (будет выявлен) вследствие отказа соответствующего функционального блока или ТОС в целом.
Считаем целесообразным, кроме набора типовых функциональных блоков на основе библиотечных элементов близкого назначения, включить в состав ТОС один или несколько функциональных узлов с максимально-возможными уровнями функциональной сложности и быстродействия, которые обеспечиваются данным БМК и характеризуют его предельные возможности.
С целью корректной оценки уровня радиационной стойкости изделий необходимо выбирать информативные параметры-критерии годности (ПКГ), которые отражают основные функциональные особенности изделия и изменяются вследствие радиационного воздействия. При этом следует учитывать, что если состав ПКГ цифровых узлов БМК довольно ограничен (функциональный контроль, уровни логических нуля и единицы, ток потребления, входной ток), то для аналоговых узлов БМК состав ПКГ весьма разнообразен (см. таблицу) [11–14].
В ходе производства БИС на БМК нормативные документы (ОСТ 11 0998) требуют проводить контроль производственных партий пластин-полуфабрикатов "базы". Радиационные испытания ТОС на этапе контроля производственных партий пластин должны решать следующие задачи:
обеспечение и контроль сохранности показателей стойкости БМК при внесении контролируемых изменений в производственный процесс, в том числе подтверждение отсутствия влияния разброса электрофизических и электрических параметров кристаллов по пластине в пределах партии, а также – от партии к партии – на стабильность показателей радиационной стойкости;
обеспечение оперативной и достоверной оценки радиационной стойкости готовых изделий (рабочих зашивок) в процессе изготовления микросхем на основе непрерывного и периодического контроля показателей стойкости ТОС [4].
ТОС, предназначенные для контроля технологического процесса изготовления пластин в части радиационной стойкости, должны обеспечивать возможность оценки устойчивости всех использованных вариантов конструктивно-технологических решений к заданному минимальному уровню радиационных воздействий, при этом топология ТОС должна включать в себя все стандартные библиотечные элементы, использованные при проектировании микросхем, выпускаемых в данном технологическом процессе. В целом, на наш взгляд, следует обеспечить максимальную унификацию ТОС для характеризации БМК и для контроля партий пластин.
Следует отметить, что задача оценки (гарантирования) радиационной стойкости полузаказных БИС на БМК по существу допускает контроль в ходе радиационных испытаний лишь той части библиотечных элементов и блоков в составе ТОС, которые используются в рабочей зашивке, поэтому фактически определенный уровень стойкости может быть существенно выше указанного в ТУ на БМК, например, если рабочая зашивка не включает аналоговые элементы. Однако на практике такое сокращение состава контролируемых функциональных блоков крайне нежелательно, так как ограниченность "урезанного" набора данных по результатам радиационных испытаний ТОС не позволит обеспечить информативный контроль технологического процесса и стабильности уровня радиационной стойкости по результатам статистического анализа и регулирования. Поэтому следует проводить полноценные радиационные испытания ТОС в ходе контроля партий пластин, а для оценки фактического уровня стойкости рабочих зашивок использовать лишь те данные испытаний, которые относятся к библиотечным элементам, задействованным в рабочей зашивке. Если испытания ТОС показали отсутствие запаса по уровню стойкости конкретной рабочей зашивки относительно типового уровня стойкости БМК, указанного в ТУ, то для обеспечения гарантий потребителям считаем целесообразным проводить контрольные радиационные испытания рабочих зашивок.
В завершение отметим, что с целью гарантирования уровня радиационной стойкости рабочих зашивок БМК, изготавливаемых на общей "базе" в течение длительного времени, целесообразно включать радиационные испытания ТОС в состав периодических испытаний, что предусмотрено предположениями по развитию ОТУ на микросхемы интегральные.
ВЫВОДЫ
В результате анализа сложившейся инженерной практики установлены основные особенности обеспечения требований радиационной стойкости для полузаказных БИС на основе БМК путем разработки и испытаний типовой оценочной схемы – имитатора БИС. Проанализированы связанные с принятым подходом недостатки, ограничивающие достоверность и информативность результатов испытаний ТОС и возможность их безусловного распространения на рабочие зашивки:
отсутствие в составе ТОС всех базовых библиотечных элементов БМК;
отсутствие в составе ТОС возможностей раздельно определить уровни радиационной стойкости цифровых, аналого-цифровых (цифро-аналоговых) и аналоговых базовых библиотечных элементов БМК с учетом их систем ПКГ;
отсутствие достоверной статистической информации о соотношении уровней радиационной стойкости различных рабочих зашивок БМК, а также рабочих зашивок и ТОС;
неэффективность контроля при эпизодическом изготовлении больших партий (групп партий) пластин с последующей длительной (не ограниченной по времени) реализацией на их основе широкой номенклатуры рабочих зашивок – заказных БИС.
Предложены принцип формирования и состав ТОС для оценки контроля радиационной стойкости БМК и полузаказных БИС на их основе, позволяющие преодолеть отмеченные недостатки. В состав ТОС предлагается включать все базовые библиотечные элементы. С целью обеспечения необходимой глубины диагностики видов и механизмов отказов широкой номенклатуры библиотечных элементов в условиях ограниченности числа выводов корпуса при построении рациональной ТОС рекомендуется объединять библиотечные элементы близкого функционального назначения в функциональные блоки с дешифрацией доступа и буферированием выходной информации.
Предлагается максимально унифицировать ТОС для задач характеризации БМК и контроля партий пластин, анализа особенностей контроля стабильности техпроцесса и оценки радиационной стойкости рабочих зашивок по результатам испытаний ТОС.
Если испытания ТОС показали отсутствие запаса по уровню стойкости конкретной рабочей зашивки относительно типового уровня стойкости БМК, указанного в ТУ, то для обеспечения гарантий потребителям рекомендовано проводить контрольные радиационные испытания рабочих зашивок.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Федоров Р.А. Семейство серий базовых матричных // Известия высших учебных заведений. МИЭТ. 2015. Т. 20. № 5. C. 497–504.
Московская Ю.М. Общий методический подход к оценке радиационной стойкости базовых матричных кристаллов и полузаказных БИС на их основе // Наноиндустрия. 2017. № 1(71).
С. 50–59.
Денисов А.Н., Коняхин В.В. Семейство серий БМК НПК "Технологический центр" // Сб. докладов Международной конференции "Микроэлектроника-2015. Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение" / г. Алушта, Крым, 28 сентября – 3 октября 2015 г. – М.: ТЕХНОСФЕРА,
2016. С. 192–195.
Московская Ю.М., Сорокоумов Г.С., Бобровский Д.В., Никифоров А.Ю., Уланова А.В., Денисов А.Н., Сницар В.Г., Жуков А.А. Рациональный состав типовой оценочной схемы для контроля радиационной стойкости партий пластин базовых матричных кристаллов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016 : Сб.тр. / Под общ. ред. акад. А.Л.Стемпковского. – М.: ИППМ, 2016. Ч. IV. С. 153–157.
Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практ. пос. / Под общ. ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Belykov V.V., Pershenkov V.S., Zebrev G.I., Sogoyan A.V., Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K. Methods for the prediction of total-dose effects on modern integrated semiconductor devices in space: a review // Russian Microelectronics. 2003. Vol. 32. No. 1. P. 25–38.
Belykov V.V., Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Pershenkov V.S., Skorobogatov P.K., Sogoyan A.V. Prediction of local and global ionization effects on ICs: The synergy between numerical and physical simulation // Russian Microelectronics. 2003. Vol. 32. No. 2. P. 105–118.
Калашников О.А., Уланова А.В. Радиационные эффекты в цифровых микросхемах. Доминирующие радиационные эффекты в элементах ИС. Радиационная стойкость изделий ЭКБ : Научн. изд. / Под ред. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ "МИФИ", 2015. С. 315–360.
Loskutov I.O., Karakozov A.B., Nekrasov P.V., Nikiforov A.Y. Automated radiation test setup for functional and parametrical control of 8-bit microcontrollers. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON 2015), Omsk, Russian Federation, May 21–23, 2015. Article number 7147128.
Boruzdina A.B., Ulanova A.V., Grigor’ev N.G., Nikiforov A.Y. Radiation-induced degradation in the dynamic parameters of memory chips // Russian Microelectronics. 2012. Vol. 41. No. 4. P. 259–265.
Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Давыдов Г.Г. Радиационные эффекты космического пространства в аналоговых ИС. Радиационная стойкость изделий ЭКБ : Научн. изд. / Под ред. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ "МИФИ", 2015. С. 370.
Shvetsov-Shilovskiy I.I., Nekrasov P.V., Ulanova A.V., Nikiforov A.Y. Advanced system for CMOS SOI test structures measurements. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON 2016), Moscow, Russian Federation, May 12–14, 2016. Article number 7491817.
Kalashnikov O.A., Nekrasov P.V., Nikiforov A.Y., Telets V.A., Chukov G.V., Elesin V.V. System-on-chip: Specifics of radiation behavior and estimation of radiation hardness // Russian Microelectronics. 2016. Vol. 45. No. 1. P. 33–40.
Boychenko D.V., Kalashnikov O.A., Karakozov A.B., Nikiforov A.Y. Rational methodological approach to evaluation of dose resistance of CMOS microcircuits with respect to low intensity effects // Russian Microelectronics. 2015. Vol. 44. No. 1. P. 1–7.
Отзывы читателей
