Радиационно-­стойкие микросхемы от компании «Миландр»

Введение

В настоящее время космическая радиация является одним из важнейших эксплуатационных факторов, влияющих на работоспособность радиоэлектронной аппаратуры космического применения, а также комплектующих ее полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Это во многом определяет актуальность тематики радиационных эффектов в материалах электронной техники, радиационно-индуцированной деградации полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и определения показателей надежности и радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры в условиях воздействия ионизирующего излучения космического пространства.

Ионизирующее излучение (ИИ) приводит к различным нежелательным эффектам в интегральных схемах (ИС), наиболее существенными из которых считаются:

• параметрические отказы вследствие деградации электрических характеристик элементов ИС по мере накопления дозы ИИ (Total Ionizing Doze, TID);
• одиночные обратимые эффекты, основными из которых считаются изменения логических состояний элементов ИС и ячеек памяти микросхем запоминающих устройств (Single Event Upset, SEU), эффекты переходного процесса (Single Event Transients, SET), эффекты функционального прерывания (Single Event Functional Interrupts, SEFI);
• одиночные отказы, основной причиной которых считается эффект тиристорной защелки (Single Event Latch-up, SEL).

Причинами деградации электрических характеристик интегральных схем при воздействии накопленной дозы становится образование радиационно-индуцированного заряда в диэлектрических структурах (поверхностные радиационные эффекты) и радиационных дефектов внутри кристаллической структуры (объемные структурные повреждения), что приводит к возрастанию токов утечки, сдвигу порогового напряжения и снижению удельной крутизны МОП-транзисторов.

Одиночные обратимые эффекты возникают от воздействия отдельных высокоэнергетических ядерных частиц, ионов с линейными потерями энергии более 0,5 МэВ·см²/мг и протонов с энергией более 10 МэВ.

Радиационно-индуцированные утечки в КМОП, выполненных по технологии КНИ («кремний на изоляторе»), возникают в паразитных структурах вблизи слоя изоляции STI (Shallow Trench Isolation).

Характер изменения пороговых напряжений от дозы сильно зависит от типа транзисторов и мощности дозы ИИ. Накопление положительного заряда в подзатворном окисле приводит к отрицательному сдвигу пороговых напряжений n‑ и p‑канальных транзисторов.

Удельная крутизна МОП-транзисторов зависит от подвижности носителей в каналах. Воздействие ИИ приводит к уменьшению эффективной подвижности носителей как n‑канальных, так и p‑канальных транзисторов. Экспериментально установлено, что подвижность зависит от плотности поверхностных состояний, зависимость плотности поверхностных состояний от дозы определяется интенсивностью излучений.

Методы устранения или уменьшения влияния радиационных эффектов, в конечном счете приводящих к повышению радиационной стойкости ИС, достаточно хорошо известны и разнообразны. Различаются технологические, функциональные, схемотехнические и топологические методы.

Технологические методы подразумевают использование специальных технологических маршрутов, например КНИ; введение в технологический маршрут дополнительных слоев, в частности глубокого N‑кармана (DNW) или эпитаксиальных слоев. Кроме того, для увеличения стойкости к накопленной дозе целесообразно применять технологии с меньшими проектными нормами, так как при уменьшении минимального размера элементов сокращается толщина подзатворного диэлектрика и соответственно увеличивается стойкость транзисторов к TID. Использование технологии КМОП КНИ является эффективным средством борьбы с эффектами SEL. Это позволяет электрически изолировать между собой n‑ и p‑канальные транзисторы, тем самым устранить возможность образования паразитной тиристорной структуры.

Топологические методы — это применение различных форм затворов транзисторов (кольцевые, Н‑типа, А‑типа и другие), предотвращающих утечки по границе раздела тонкого подзатворного окисла и слоя диэлектрической изоляции, использование охранных колец для устранения утечек между элементами интегральной схемы и топологическое размещение блоков на верхнем уровне кристалла.

Топологическое размещение блоков особенно сильно влияет на количество множественных сбоев в микросхемах памяти. Выделение ячеек памяти, принадлежащих одному биту (разряду) слова, в отдельные блоки позволяет не только уменьшить вероятность множественных сбоев, но и в результате проводить коррекцию информации меньшими аппаратными средствами. Охранные кольца, кроме устранения межэлементных утечек, выполняют функцию контакта к подложке, шунтируют ее сопротивление и тем самым препятствуют включению тиристорной структуры.

Для противодействия одиночным сбоям предусмотрены схемотехнические и функциональные методы, среди которых наибольшее распространение получило резервирование на уровне функциональных блоков, например метод тройного резервирования (Triple Modular Redundancy, TMR); использование сбоеустойчивых логических элементов и ячеек памяти, в том числе DICE-триггеров; применение проверок битов четности и различных корректирующих кодов, в частности кода Хэмминга, и т. п.

Технология и библиотеки

В качестве базовых технологий были выбраны КМОП технология с минимальными проектными нормами 0,35 мкм и  технология КМОП КНИ с минимальными проектными нормами 0,18 мкм. На базе технологии КМОП КНИ были разработаны две библиотеки цифровых ячеек стандартной логики и триггеров DCELLS_RH и DCELLS_RT. Библиотека DCELLS_RH основана на кольцевых n‑канальных транзисторах и позволяет обеспечить работоспособность схемы для дозы более 500 крад. Библиотека DCELLS_RT основана на линейных n‑канальных транзисторах и поддерживает работоспособность схемы для дозы свыше 100 крад, но при этом имеет более компактные размеры ячеек. Вид топологии ячеек двухвходового И для обеих библиотек приведен на рис. 1.

Рис. 1. Топология элемента AND в библиотеках DCELLS_RH и DCELLS_RT

Как видно на рис. 1, применение кольцевых транзисторов приводит к увеличению размера ячейки, что в конечном итоге сказывается на размере всего кристалла. Сравнение результатов реализации процессорного ядра ARM Cortex-M4F в различных библиотеках приведено в таблице 1.

Кроме цифровых библиотек, разработан большой набор аналоговых IP-блоков и различных блоков памяти. Все разработанные аналоговые блоки выполнены c использованием кольцевых n‑транзисторов, что позволяет обеспечить их корректную работу на значительных уровнях накопленной дозы. Общее описание элементов библиотеки IP-блоков представлено в таблице 2.

Применение данных библиотек и наработок позволило создать микросхемы микроконтроллеров 1886ВЕ8У и 1986ВЕ8Т, микросхемы памяти 1645РТ2У, 5576РТ1У, 1645РУ5У, 1645РТ3У, обладающие повышенной стойкостью к воздействию радиации. В настоящее время ведется разработка ряда других специализированных стойких микросхем.

Микроконтроллер 1886ВЕ8У

Микроконтроллер 1886ВЕ8У является стойкой версией ранее разработанного 8‑разрядного микроконтроллера 1886ВЕ5У. Вместо EEPROM-памяти программ используется масочное ПЗУ, программируемое при производстве кристаллов. Основные характеристики микросхемы представлены в таблице 3.

Отладка программного обеспечения для микроконтроллеров 1886ВЕ8У производится на аналоге 1886ВЕ5У и затем переносится в заказную микросхему.

Микроконтроллер 1986ВЕ8Т

Микросхема 1986ВЕ8Т является стойким 32‑разрядным микроконтроллером на базе процессорного ядра ARM Cortex-M4F. Микросхема имеет большой набор аналоговой и цифровой периферии. Основные характеристики микроконтроллера представлены в таблице 4.

Для всех микроконтроллеров разработаны демонстрационно-отладочные наборы и примеры ПО. Отладка программного обеспечения для микроконтроллеров 1986ВЕ8Т может производиться в среде Keil. Программирование внутренней однократно программируемой памяти осуществляется стандартными средствами отладки приложений и не требует каких-либо специализированных программаторов.

Микросхема однократно программируемого ПЗУ 1645РТ2У

Микросхемы 1645РТ2У представляют собой однократно программируемые ПЗУ с параллельным интерфейсом с информационной емкостью 256 кбит и организацией 32 кбит8. Микросхемы изготовлены по стандартной КМОП-технологии с минимальными проектными нормами 0,35 мкм. Стойкость к накопленной дозе и полное отсутствие тиристорного эффекта обеспечивается с помощью кольцевых транзисторов и охранных колец. В качестве ячейки памяти используется элемент «антифьюз» (antifuse), основанный на пробое подзатворного диэлектрика. Топология ячейки памяти представлена на рис. 2. Применение такой ячейки позволяет исключить потерю записанной информации при достаточно высоких уровнях воздействия радиации. Для защиты от множественных сбоев разряды информационного слова распределены по разным блокам матрицы.

Рис. 2. Топология ячейки памяти микросхем 1645РТ2У и 5576РТ1У

Микросхема однократно программируемого ПЗУ 5576РТ1У

По аналогичной технологии и с использованием тех же подходов разработана и серийно выпускается микросхема 5576РТ1У, представляющая собой однократно программируемое ПЗУ для конфигурирования ПЛИС с информационной емкостью 1 Мбит. В процессе испытаний установлено, что радиационные сбои происходят в периферийных блоках микросхем; сбоев и потери информации в матрицах элементов памяти в микросхемах 1645РТ2У и 5576РТ1У не наблюдалось.

Микросхема статического ОЗУ 1645РУ5У

Микросхема 1645РУ5У представляет собой асинхронное статическое оперативное запоминающее устройство с информационной емкостью 4 Мбит и организацией 512 Кслов по 8 бит, изготовлена по технологии КМОП КНИ с минимальными проектными нормами 0,18 мкм. Использование данной технологии помогло полностью исключить возникновение тиристорного эффекта, а совместно с топологическими решениями — кольцевыми конструкциями транзисторов и введением охранных колец для устранения межэлементных утечек — позволило получить высокий уровень стойкости к воздействию ионизирующего излучения.

В качестве ячейки памяти для микросхемы 1645РУ5У использовалась шеститранзисторная ячейка с р‑канальными транзисторами выборки и кольцевыми n‑канальными транзисторами, позволяющая максимально сократить утечки и обеспечить повышение уровня сохранности информации при воздействии ИИ. Топология ячейки памяти микросхемы 1645РУ5У представлена на рис. 3.

Рис. 3. Топология ячейки памяти микросхемы 1645РУ5У

Микросхема однократно программируемого ПЗУ 1645РТ3У

Микросхема 1645РТ3У — однократно программируемого ПЗУ с произвольной выборкой, информационной емкостью 2 Мбит с перестраиваемой организацией 128 Кслов по 16 бит или 256 Кслов по 8 бит, — изготовлена по той же КМОП КНИ-технологии с минимальными проектными нормами 0,18 мкм, что и микросхема 1645РУ5У, с использованием аналогичных топологических решений. В рамках стандартных технологических процессов была разработана ячейка памяти с элементом программирования с использованием структуры антифьюз (antifuse), основанного на пробое подзатворного диэлектрика. Топология ячейки памяти микросхемы 1645РТ3У представлена на рис. 4.

Рис. 4. Топология ячейки памяти микросхемы 1645РТ3У

Как и в микросхемах 1645РТ2У и 5576РТ1У, для защиты от множественных сбоев разряды информационного слова в микросхемах 1645РТ3У и 1645РУ5У распределены по разным блокам матрицы.

Характеристики радиационной стойкости микросхем памяти представлены в таблице 5.

Электрические и эксплуатационные параметры радиационно-стойких микросхем памяти, разработанных в ЗАО «ПКК Миландр», приведены в таблице 6.

Таким образом, в настоящее время компания ЗАО «ПКК Миландр» может предложить потребителям вышеуказанный перечень радиационно-стойких микросхем. Имеющийся задел в виде разработанных моделей стойких транзисторов, характеризованных библиотек, ПО, обеспечивающего проверку топологии с учетом требований и правил разработки микросхем с повышенной стойкостью к воздействию радиации, и полученный опыт позволяют компании расширять номенклатуру радиационно-стойких микросхем, а также разрабатывать микросхемы с более высокими уровнями стойкости к воздействию различных радиационных факторов. За более подробной информацией по представленным в настоящей статье микросхемам, можно обращаться в отдел технической поддержки или отдел маркетинга ЗАО «ПКК Миландр» (www.milandr.ru).