Обеспечение радиационной стойкости СБИС космического

№1
Обеспечение радиационной стойкости
СБИС космического применения на уровне
более 6Ус в базовых технологических
процессах, реализованных в НИИСИ РАН
Морозов Сергей Алексеевич
НИИСИ РАН
№2
В НИИСИ РАН разработаны КМОП базовые технологические
процессы с проектными нормами 0,5 мкм, 0,35 мкм и 0,25 мкм
на основе структур «кремний на изоляторе».
Для этих процессов последовательно разработаны в период с
2005 г. по настоящее время библиотеки, предназначенные для
автоматизированного проектирования радиационно-стойких
цифровых СБИС, в том числе космического применения, в среде
САПР CADENCE и SYNOPSYS.
Соответствие требованиям стойкости к воздействию
специальных факторов достигнуто комплексом технологических
и топологических решений базовых элементов СБИС
(транзисторов и др.), обеспечивающие минимальную
деградацию параметров (сдвиг пороговых напряжений, ток в
режиме насыщения и утечки) во время и после воздействия
специальных факторов.
НИИСИ РАН
Основные характеристики библиотек и базовых
технологических процессов
Наименование Технологический
Напряжение
Кол-во
Кол-во
элементов
элементов
ядра
ввода-вывода
библиотеки для
процесс КМОП
проектирования
КНИ
БЭП-С
0,5 мкм,
3 металла
3,3
227
КНИ-05ЭС
0,5 мкм,
3 металла
5,0
170
КНИ-035С
0,35 мкм,
4 металла
КНИ-025С
0,25 мкм ,
5 металлов
КНИ-025ЭС
0,25 мкм,
5 металлов
питания, В
Кол-во
СФ-блоков
№3
Плотность,
транзисторов
на 1 мм2
21
(от 2 мА до 32
мА)
24
(8 мА)
нет
4,5104
нет
2,5104
нет
6104
6
2105
6
1,8105
24
3,3
234
(от 4 мА до 8
мА)
53
2,5
372
(от 2 мА до 8
мА)
62
3,3
268
(от 2 мА до 8
мА)
НИИСИ РАН
№4
Выбор
специальных
технологических
и
конструктивных решений элементов нижнего
уровня обеспечивает выполнение экстремальных
требований по дозовой стойкости
Зависимость порогового напряжения n-канальных
транзисторов от накопленной дозы
1,05
Пороговое напряжение, В
∆Vth≈100-150 mV
0,95
0,85
0,75
0,65
∆Vth≈30-40mV
0,55
∆Vth≈15-20mV
0,45
0
100
200
300
400
500
Накопленная доза, кРад
0.5 КНИ (110 А)
0.35 КНИ (60 А)
0.35 КНИ (40 А)
НИИСИ РАН
№5
ПРОБЛЕМЫ И ИХ РЕШЕНИЯ
Подавление утечек боковых транзисторов - специальные топологические
решения и технология формирования активных островков
Подавление утечек нижнего (донного) транзистора – специальная технология
формирования карманов
Модели транзисторов сложных форм – ТCAD трехмерное моделирование
Разработка специальных схемных решений элементов библиотек – специальные
приемы подавления импульсных помех при влиянии ТЗЧ
НИИСИ РАН
№6
Конструктивно-технологический базис (транзисторы)
БЭП-С, КНИ-05ЭС, КНИ-035С, КНИ-025С
«А»-транзистор
«Н»-транзистор
«O»-транзистор
КНИ-025ЭС
«НM»-транзистор
«ОН»-транзистор
«О»-транзистор
НИИСИ РАН
Конструктивно-технологический базис (элементы ядра)
№7
БЭП-С: высота элементов 16 мкм
КНИ-05ЭС: высота элементов 18 мкм
КНИ-035С: высота элементов 13 мкм
INV
AND2
Скан-триггер
НИИСИ РАН
Конструктивно-технологический базис (элементы ядра)
№8
КНИ-025С: высота элементов 8,8 мкм
КНИ-025ЭС: высота элементов 7,2 мкм
INV
AND2
Скан-триггер
НИИСИ РАН
Конструктивно-технологический базис (элементы ввода-вывода)
БЭП-С
КНИ-05ЭС
(0,1×0,38 мм2) (0,17×0,31 мм2)
КНИ-035С
(0,08×0,37
мм2)
№9
КНИ-025С,
КНИ-025ЭС
(0,1×0,32 мм2)
НИИСИ РАН
Характеристики элементов (по результатам испытаний) № 10
Наименование
библиотеки для
проектирования
Рабочая
температура,
°С
Ток утечки на
Стойкость к
Средняя задержка
один транзистор, электростатическому
инвертора, пс
нА
разряду, В
80
БЭП-С
от минус 60ºС
до +125ºС
(после воздействия
(после воздействия
специального
специального фактора с
фактора с
характеристикой 7.И7 на
характеристикой 7.И7
уровне 0,4×5УС)
на уровне 0,4×5УС)
34
КНИ-025С
от минус 60ºС
до +125ºС
КНИ-025ЭС
≥1000
5,0
(после воздействия
(после воздействия
специального
специального фактора с
фактора с
характеристикой 7.И7 на
характеристикой 7.И7
уровне 5УС)
на уровне 5УС)
44
от минус 60ºС
до +125ºС
9,0
≥1000
0,5
(после воздействия
(после воздействия
специального
специального фактора с
фактора с
характеристикой 7.И7 на
характеристикой 7.И7
уровне 6УС)
на уровне 6УС)
≥1000
НИИСИ РАН
СФ-блоки
КНИ-025С :
1. СОЗУ 8К×8
2. 32-разрядный сумматор
3. 16×16 умножитель
4. 32-разрядный полный
сдвигатель
5. SPI интерфейс
6. UART интерфейс
№ 11
КНИ-025ЭС:
1. 2-х портовое СОЗУ 8К×8
2. масочное ПЗУ 8К×8
3. 32/16 делитель
4. 32-х разрядный
приоритетный шифратор
5. I2С интерфейс
6. 32-х разрядное
устройство извлечения
квадратного
корня
НИИСИ РАН
№ 12
КНИ-025С: СФ-блоки
ADDER32 (0,05 мм2)
SHIFTER32 (0,08 мм2)
СОЗУ 8К×8 (2,6 мм2)
НИИСИ РАН
КНИ-025С: СФ-блоки
SPI-интерфейс (0,04 мм2)
№ 13
16x16 умножитель (0,3 мм2)
UART-интерфейс (0,2 мм2)
НИИСИ РАН
№ 14
КНИ-025ЭС: СФ-блоки
ПЗУ 8К×8 (2,6 мм2)
двухпортовое СОЗУ 8К×8 (5,4 мм2)
НИИСИ РАН
КНИ-025ЭС: СФ-блоки
PEN (0,01 мм2)
divider (0,07
мм2)
№ 15
I2С-интерфейс (0,12 мм2)
sqrt (0,09мм2)
НИИСИ РАН
Подтвержденные испытаниями уровни стойкости
№ 16
.
Факторы с характеристиками 7.И
7.И1 7.И6
БЭП-С
КНИ-025С
КНИ-025ЭС
5УС
5УС
6УС
7.И7
7.И8
7.И12
7.И13
5УС 0,4×5УС
2УС
5УС 1,8×5УС 0,3×3УС 2×2Р
6УС 1,6×6УС
2УС
6×2Р
2×2Р
2×2Р
Факторы с характеристиками 7.С и 7.К
7.С1
7.С4
7.К1
БЭП-С
КНИ-025С
5УС
1,8×5УС 2,9×2К
КНИ-025ЭС 100×5УС 20×5УС
2К
7.К4
0,5×2К
2К
7.К11,
МэВ×см2/мг
≥80
≥80
Время потери работоспособности элементов библиотек после воздействия
фактора с характеристикой 7.И6 не превышает 0,2 мс.
НИИСИ РАН
Параметры сбоеустойчивости КНИ-025С
№ 17
СОЗУ (при воздействии факторов 7.К11(7.К12)):
- пороговые ЛПЭ: LTH.ОС ≈ 5 МэВ×см2/мг;
- сечение насыщения: SI.ОС ≈ 2×10-3см2/(блок);
- сечение насыщения в пересчете на 1 бит: SI.ОС ≈ 3×10-8см2/бит.
при воздействии факторов 7.К9 (7.К10)
- пороговая энергия: ETH.ОС ≈ 20 МэВ;
- сечение насыщения: SP.ОС ≤ 8×10-16 см2/бит.
16×16 умножитель (при воздействии факторов 7.К11(7.К12)):
- пороговые ЛПЭ: LTH.ОС ≥ 69 МэВ×см2/мг;
при воздействии факторов 7.К9 (7.К10)
- сбои отсутствуют
НИИСИ РАН
Параметры сбоеустойчивости КНИ-025ЭС
№ 18
Двухпортовое СОЗУ (при воздействии факторов 7.К11(7.К12)):
- пороговые ЛПЭ: LTH.ОС ≈ 12 МэВ×см2/мг;
- сечение насыщения: SI.ОС ≈ 2×10-3см2/(блок);
- сечение насыщения в пересчете на 1 бит: SI.ОС ≈ 3×10-8см2/бит.
при воздействии факторов 7.К9 (7.К10)
- пороговая энергия: ETH.ОС ≈ 40 МэВ;
- сечение насыщения: SP.ОС ≤ 1×10-15 см2/бит.
Масочное ПЗУ (при воздействии факторов 7.К11(7.К12)):
- пороговые ЛПЭ: LTH.ОС ≥ 69 МэВ×см2/мг;
при воздействии факторов 7.К9 (7.К10)
- сбои отсутствуют
I2C интерфейc (при воздействии факторов 7.К11(7.К12)):
- пороговые ЛПЭ: LTH.ОС ≈ 16 МэВ×см2/мг;
- сечение насыщения в пересчете на 1 бит: SI.ОС ≈ 4×10-8см2/бит.
НИИСИ РАН
№ 19
Практические результаты (1)
Библиотека БЭП-С, базовый технологический процесс КМОП
КНИ 0,5 мкм
Уровень стойкости
Микросхема
7И7
7И6
5890ВЕ1Т (однокристальная вычислительная система на
основе RISC процессора)
5Ус
4х4Ус
5890ВГ1Т (интерфейсный контроллер
5Ус
4х4Ус
5890ВМ1Е (сбоеустойчивый микропроцессор)
5Ус
4х4Ус
1851ВЕ51У (унифицированный микроконтроллер)
5Ус
5Ус
1874ВЕ05Т (16 разрядный микроконтроллер)
5Ус
5Ус
1620РУ10У (СОЗУ 512Кбит)
5Ус
4х4Ус
1620РЕ4У (масочное ПЗУ 2 Мбит 64К×32)
5Ус
4х4Ус
БИС Спец.ОЗУ 64К
6Ус
6Ус
БИС радиотракта БАСН в составе УПЧ с АРУ, АЦП, СЧ,
ДЧ
6Ус
6Ус
НИИСИ РАН
№ 20
Практические результаты (2)
Библиотека КНИ-035С, базовый технологический процесс
КМОП КНИ 0,35 мкм
Микросхема
Уровень стойкости
7И6
7И7
1900ВМ2Т (сбоеустойчивый микропроцессор)
5Ус
4х4Ус
1898ВГ1Т (интерфейсный контроллер)
5Ус
4х4Ус
1339ВП1Т (контроллер навигационных каналов)
6Ус
6Ус
1649РУ1Т (микросхема СОЗУ емкостью 1Мбит)
5Ус
4х4Ус
9009РУ1Т (МКМ СОЗУ емкостью 8 Мбит)
5Ус
4х4Ус
1620РЕ5У-999 (масочное ПЗУ 4 Мбит)
5Ус
4х4Ус
1658РУ1Т (спецстойкое СОЗУ 128 Кбит)
6Ус
6Ус
НИИСИ РАН
№ 21
Библиотека КНИ-025С, базовый технологический процесс
КМОП КНИ 0,25 мкм)
ОКР "Схема-6"
микросхема 1907КХ018 (Коммутатор RapidIO)
ОКР "Обработка-1" микросхема 1907ВМ014 (микропроцессор)
ОКР "Обработка-2" микросхема 1907ВМ028 (микропроцессор)
ОКР "Обработка-10" микросхема 1907ВМ044 (микропроцессор)
ОКР "Схема-10"
микросхема 1907ВМ038 (микропроцессор)
Библиотека КНИ-025ЭС, базовый технологический процесс
КМОП КНИ 0,25 мкм)
ОКР «Засечка-3" микросхема 1664РУ1Т (СОЗУ 512К×8 бит)
микросхема 9004РУ1Т (СОЗУ 512К×16 бит)
микросхема 9004РУ2Т (СОЗУ 512К×32 бит)
НИИСИ РАН
Эффективное решение проблем производства СБИС
космического применения с экстремальным уровнем
стойкости
№ 22
1. Глубокое понимание радиационных эффектов в материалах и
структурах, формируемых в каждом технологическом
процессе.
2. Специальное проектирование СБИС, ориентированное на
высокие уровни радиационных воздействий (Design for
RadHard – использование соответствующих правил
проектирования, know-how в части схемных и
конструктивно-технологических решений,
верифицированных библиотек стандартных элементов)
3. Изготовление в высокостабильных технологических
процессах, которым присвоена Литера не ниже «О1»
НИИСИ РАН
Заключение
№ 23
1. Применение верифицированных конструктивнотехнологических решений в библиотеках позволяет
обеспечивать стабильный уровень характеристик стойкости к
воздействию специальных факторов, независимо от
функционального назначения разрабатываемых СБИС.
2. Накопленный НИИСИ РАН научный и практический
опыт позволяет уверенно говорить о возможности обеспечить
разработку и изготовление СБИС космического применения
на уровне более 6Ус в базовых технологических процессах,
реализованных в НИИСИ РАН.
3. Необходима концентрация усилий по формированию
единой технической политики в области обеспечения
космической аппаратуры современной элементной базой
НИИСИ РАН
№ 24
Спасибо за внимание.
Контактная информация: тел. +7(495)7370606 доб. 205
факс +7(495)7370607
НИИСИ РАН