VI Всероссийская научно - техническая конференция Проблемы разработки перспективных микро - и наноэлектронных систем 1 ОАО НПЦ « ЭЛВИС », НИЯУ « МИФИ » - презентация

1 VI Всероссийская научно - техническая конференция Проблемы разработки перспективных микро - и наноэлектронных систем 1 ОАО НПЦ « ЭЛВИС », НИЯУ « МИФИ » Герасимов Ю. М., Григорьев Н. Г., Гусев В. В., Кобыляцкий А. В., Петричкович Я. Я …

2 1. Опыт и позитивные результаты ОАО НПЦ " ЭЛВИС " и НИЯУ МИФИ в области разработки радиационно - стойких КМОП библиотек элементов, C Ф - блоков и СБИС типа СнК по стандартным техпроцессам объемного кремния уровня 0,25...0,13 мкм в режиме Fabless, в частности, СФ - блоков и СБИС ОЗУ. 2. Российские нанометровые технологии объемного кремния уровня нм позволяют создавать дешевые и технологичные КМОП СБИС СнК 1 и 2 групп стойкости для аэрокосмических применений. 2

3 3 «Soft» - стандартные техпроцесс и библиотеки элементов ; «Tolerant» - Стандартный техпроцесс и «легкие» РСП библиотеки (RT); «Hard» - Специальный техпроцесс (в т.ч. КНС, КНИ) и « тяжелые » РСП библиотеки (RH).

4 4 Совокупность архитектурных (на уровне кристалла и СФ-блока), схемотехнических и конструктивно- топологических методов проектирования радиационно- стойких СБИС на основе дополненных стандартных правил с использованием современных средств САПР и интеллектуальных возможностей разработчика без вмешательства в технологический процесс (режиме Fabless). Основная задача РСП – достижение предельных возможностей технологии по радиационной стойкости при проектировании СБИС, в т.ч. СБИС СнК.

5 5 -СБИС ОЗУ это сложные функционально-законченные приборы, выпускаемые массовыми тиражами. -При заданном уровне технологии они имеют максимальную степень интеграции. -Являются теми изделиями, на которых отрабатываются предельные возможности технологического процесса изготовления, в частности, и по радиационной стойкости. -Являются индикатором технического и технологического прогресса современной микро- (а уже и нано-) электроники. -СФ-блоки ОЗУ является также одним из обязательных блоков современных СБИС СнК. -Объем памяти в современных нанометровых СБИС СнК превышает 50% ее активной части (ядра).

6 6 1. Матрица памяти 164ЯМ1 - матрица 6 транзисторных ЭП емкостью 16 бит г. (НИИМЭ). 2. Матрица памяти 1ЯМ881 (188ЯМ1) - матрица 5 - транзисторных ЭП емкостью 15 бит г. (НИИТТ). 3. Разработка матриц памяти 64 бит – 1973 г. (НИИМЭ). Первые эксперименты и теоретическое осмысливание проблем РС. Разработка технологических методов повышения РС.

7 7 Развитие технологических и схемотехнических методов повышения их РС. Первые радиационно-стойкие БИС памяти: 1 кбит - 64 кбит: серии 537, 1617 (НИИТТ). Первый КНС комплект 10 БИС (НИИМП, НИИ «Сапфир»), в т.ч. БИС ОЗУ 1Кбит. РС библиотека «Атлант», 2 мкм (НИИМП, НИИМЭ, МИФИ) г. РТМ по проектированию.

8 РС библиотека 0,6…0,52 мкм ОАО « Ангстрем », ЗАО ЦП « Ангстрем - СБИС » ( МИФИ ) – 2002 г. Создание НПЦ « ЭЛВИС » Fabless дизайн - центра – 1990 г. Возобновление в 2004 г. работ по созданию РС КМОП библиотек элементов, СФ - блоков и СБИС СнК методами РСП в ГУП НПЦ « ЭЛВИС » ( стандартный КМОП процесс FAB-S 0.25 мкм ). 8

9 Первый отечественный двухъядерный однокристальный сигнальный микроконтроллер МУЛЬТИКОР-11 (МС 11) Технология : 0.56 мкм (АТ056ТМ, ОАОАНГСТРЕМ), 3 металла; Размер крист. 10 х 10 мм 2; Степень интеграции : около тран-ров; Тактовая частота : 50 МГц; Пиковая производительность: 450 MOPs; Ядро RISC + ядро DSP.

10 При стационарном ионизирующем облучении : - Накопление положительного объемного заряда в диэлектрике как под затвором приборных транзисторов, так и паразитных ; - Образование быстрых поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик - полупроводник. При импульсном облучении : - « защелкивание » паразитных p-n-p-n структур. Проблема сбоев при воздействии ТЧ не столь актуальна. 10

11 11 1. Отсутствие накопления заряда в подзатворном окисле приборных транзисторов и связанных с этим изменений параметров СБИС; 2. Существенное влияние роста суммарного тока утечки паразитных транзисторов на общее потребление СБИС; 3. Усиление влияния ТЧ на работоспособность СБИС: - сбои в элементах памяти и триггерах (SEU); - провалы напряжения в элементов логической цепи (SET); 4. Проблема «защелкивания» паразитных p-n-p-n структур остается.

12 12 ПАРАМЕТРЫ МАСШТАБИРОВАНИЯ ( < 0,5 мкм ) Правило (

13 13 - проектная норма, = / 0 < 1 – коэфициент масштабирования, 0 = 0,5 мкм. Соотношение рабочего тока и тока утечки транзистора при облучении I ут /I 0 0,01. При I 0 0,5 мА, I ут 5 мкА. При числе транзисторов в СБИС 2 млн.: I ут 5А.

14 14 Нанометровые СБИС (Нано-СБИС) - Субмикронные КМОП СБИС с толщиной подзатворного окисла 6…7 нм и менее.

15 Параметры стойкости КМОП СБИС ( ОЗУ ) * IL – Immune Latchup, ** NL – No Latchup Type VLSI Techno- logy, μm TID, Krad(Si) Upset, rad(Si)/s Latchup, rad(Si)/s SEU, МeV * см 2 /мм (u/b-d) SEL, МeV * см 2 /мм Aeroflex SRAM 4М (12T) 0, > (9* )>100 Aeroflex SRAM 16М, Hamming 0,18100––(6* )>100 Atmel SRAM 4М (6Т) 0,25 (РСТ) 300–––>80 Atmel SRAM 1М (6Т) 0,35200–––IL* Honeywell SRAM 1М (6Т) 0,7 (SOI) 1000 >10 9 >10 11 (300>10 10 >10 12 (3001,4*10 8 >10 11 –– ELVEESСБИС_180,18>300>10 9 >10 11 –– ELVEESОЗУ-16М0,13>300>10 9 >10 11 –– Перспек- тива SRAM…0.09>300>5*10 9 >10 11 (IL) >10 (100 (IL)

16 Внутриприборные утечки (intra-device) n- канальных транзисторов с линейной конфигурацией, обусловленные накоплением заряда в толстым окисле вблизи торцевых краев этих транзисторов - « клюва ». Межприборные (inter-device) утечки между n+ - областями стоков / истоков соседних транзисторов, неразделенных p+- охраной, и находящихся под разными потенциалами. Межприборные утечки между n- карманом ( находится под напряжением питания ) и n+ - областями истоков / стоков транзисторов c более низким потенциалом.

17 Внутриприборные утечки обусловлены накоплением заряда в толстым окисле вблизи торцевых краев этих транзисторов - «клюва».

18 а) классический вариант ; б) маломощный вариант Использование кольцевых транзисторов n-типа

19

20

21 Применение « жесткой » p+ охраны ; Использование ( частичное ) кольцевых n- канальных МДП транзисторов ; Увеличение чувствительного заряда ( емкости ) в узлах элементов памяти ; Уменьшение размеров областей собирания заряда ; Увеличения динамической помехоустойчивости ( снижение быстродействия ); Применение нестандартных схемотехнических решений, в частности, квазистатических элементов памяти и их конструкций.

22 Библиотеки элементов для проектирования СБИС условно можно разбить на следующие группы: - универсальные цифровые микроэлементы; - стандартные цифровые макроэлементы; - компилируемые и параметризуемые макроэлементы (в частности ОЗУ); - аналоговые и аналого-цифровые элементы; -универсальные и специализированные периферийные площадочные элементы; -сложно-функциональные (СФ) блоки. Стиль РСП зависит от типа блока и СБИС.

23 Топология ИМС МС12Топология ИМС МС - 24 Серийные ИМС мини –конфигурации базовых серий МС12 и МС24 (ЭЛВИС & АНГСТРЕМ-М), 3Q 2004 г. Корпус - PQFP/CQFP240, около 1 вт Корпус- PQFP/CQFP272, около 1,7 вт

24 * Функциональные отказы – низкое качество проектирования Необходимы собственные (оригинальные) библиотеки; 2. Учет передового опыта и интеллектуального потенциала; 3. Компромисс и конкурентоспособность по техническим характеристикам и основным параметрам; 4. Комплексное обеспечение высоких требований по РС с приоритетами: - катастрофические и функциональные отказы: SEL, TID; - параметрические отказы: TID*; - мягкие сбои при воздействии ТЧ: SEU, SET. 5. Инвариантность к технологии (fab-independence) и быстрая адаптируемость на нормы 0,25…0,09 мкм различных (Российских) фабрик; 6. Проектирование в среде современных зарубежных САПР.

25 Библиотека элементов : Более, чем 320 стандартных цифровых элементов ; 30 специальных элементов ; 15 площадочных элементов. СФ - блоки : Параметризуемые ( и компилируемые ) микроблоки 1 и 2- х портовых ОЗУ (2 К 32); Синтезаторы частот на основе ФАПЧ (PLL600); Приемо - передатчики LVDS для высокоскоростного интерфейса SpW в стандарте ECSS-E-ST-50-12A(C).

26 Исследование тестовых структур и элементов необходимо для создания высококачественных RT СБИС, аттестации библиотек и СФ - блоков. Разработан ряд тестовых кристаллов, содержащих : 1. Специальные тестовые структуры и транзисторы. 2. Различные тестовые элементы ( матрицы ) памяти. 3. Тестовые логические элементы. 4. Тест для исследования динамических параметров. 5. Тестовые площадочные элементы. 6. Аттестуемые СФ - блоки. 26

27 Состав ТК 1: 1. Сигма - дельта АЦП и ЦАП ; 3. АЦП 10…12 разрядов ; 3. Синтезаторы частоты (PLL); 4. Приемо - передатчики LVDS; 5. Блок контроллера SpaceWire; 6. Блок РС тестовых элементов : - кольцевой генератор (1025 кассс.) с кольцевыми n- канальными МДПТ ; - линейные и кольцевые p- и n- канальные МДПТ ; - три матрицы ЭП 8 Т по 10 К ячеек с кольцевыми n- МДПТ и различны - ми вариантами охранных областей p+ типа. Корпус – TQFP-208.

28 1. Блок из восьми кольцевых генераторов ( кассс.) на РС библиотеке. 2. Четыре блока элементов памяти ( два 1- порт. по 96 К и два 2- порт. по 64 К ). 3. Управляющий АЦП 12 разрядов. 4. ЦАП 12 разрядов. 5. Сигнальный АЦП 12 разрядов. 6. Линейный регулятор напряжения 7. Аналоговый сигма - дельта модулятор АЦП. 8. Блок Space Wire. 9. Компаратор с ВЧ делителем. 10. Блок транзисторов n- типа специальных конструкций : 4 блока по 100 тр - в. Корпус – TQFP-208.

29 Пять блоков элементов памяти : три 1- порт. по 128…50 Кбит и два 2- порт. по 64 Кбит. Корпус – TQFP-208.

30

31 Четыре блока элементов памяти (MEM_TEST): три 1- порт. по 128 Кбит и один 2- порт Кбит. Корпус – TQFP-208.

32

33 33 вывода Название вывода Назначение вывода 1VDDw0Вывод n-кармана без p+ охраны 2VDDw1Вывод n-кармана с p+ охраной 3VSScom Вывод земли объединенных подложки, n+-области и p+ охраны Назначение выводов структуры nW_n+

34 34 вывода Название вывода Назначение вывода 1VDDn0 Выводы четных n+-областей без p+ охраны 2VDDp1 Выводы четных n+-областей с p+ охраной 3VSScom Вывод земли объединенных подложки, нечетных n+-областей и p+ охраны Назначение выводов структуры n+_n+

35

36 36

37 37 ЭП Отличительные особенности ЭПS ЭП0, мкм 2 I ХР, мкА I СЧ0, мкА I ЗП0, мкА U ПХР / Uип U ПСЧ / Uип U ПЗП / Uип СХЭ Топология 16Тn – МРS4, ,410,260,48 26Тn – ОР*S4, ,390,670,44 36Тn – ОРRT6, ,390,560,50 46Тn – КТRH10, ,37>3!0,46 512Тn – ОРRT15, ,400,520,44 612Тn – КТRH27, ,381,050,47 76Тp – МРRT6, ,410,83- 0,11 86Тp – ШПRT6, ,00,410,830,43 98Тp – ОРRT9, ,390,40 108Тp – КТRH14, ,41>1,50,38 Статические параметры КМОП ЭП * «Золотой стандарт»

38 38 ЭП Отличительные особенности ЭПС ЭП, fF С РШ0, fF/эп С АШ0 fF/эп t СЧ0, ps /эп t ЗП0, ps LatDtDt Ups СХЭ Топологи я 16Тn – МРS3,40,941,481, ,65 26Тn – ОР*S3,40,941,481, ,68 36Тn – ОРRT4,01,131,951,284710,30,84 46Тn – КТRH9,81,582,830, ,3 512Тn – ОРRT5,41,644,470,765210,31,6** 612Тn – КТRH10,91,957,870, ,4** 76Тp – МРRT3,80,781,802,88-10,31,1 86Тp – ШПRT3,80,931,833,444310,31,1 98Тp – ОРRT5,81,113, ,31,6 108Тp – КТRH9,31,266,22, ,0 Динамические параметры и параметры РС КМОП ЭП * «Золотой стандарт»; ** по сбою в одном узле

39 39 Параметр тиристорной защиты - Lat (определяется программной оценкой и/или по результатам испытаний: максимальный – 1, минимальный – 0). Параметр дозовой стойкости – D t (определяется программной оценкой и/или по результатам испытаний: максимальный – 1, минимальный – 0). Комплексный параметр сбоеустойчивости ЭП - Ups ~ U ИП C ЭП I ХР (в условных единицах, - проектная норма). Параметр качества проектирования – К ПР (интегральный параметр, определяется по результатам анализа основных параметров ЭП с учетом их приоритета, а также экспертной оценкой: максимальный – 1, минимальный – 0).

40 40

41

42

43

44

45 Тип ЭП Площадь ЭП Статический ток после 128 крад, нA/бит 1. Artisan 1-port 6Т cellS0S Artisan 2-port 8Т cell2,38*S Собств. 1-port 6Тcell1.64*S00,043 4.Собств. 2-port 8Т cell2,19*S00, Собств 1-port 8T cell3,06*S0< 0,00002

46 46

47 47

48 48 Технология – 0.25 мкм; Размер кристалла – 15×14,5 мм 2; 30 млн. транзисторов; СФ-блоки: PLL, LVDS, SRAM1/2; Емкость 1-порт. SRAM – 2,3%; Емкость 2- порт. SRAM–54,7%; Тактовая частота > 100МГц; Защита внутренней и внешней памяти кодами Хэмминга; Корпус – PGA-416.

49 49 Технология – 0.25 мкм; Размер кристалла – 15×14,5 мм 2 30 млн. транзисторов; СФ-блоки: PLL, LVDS, SRAM1/2; Емкость 1-порт. SRAM – 21.2%; Емкость 2-порт. SRAM– 12,7%; Тактовая частота 100МГц; Защита внутренней и внешней памяти кодами Хэмминга; Корпус – PGA-416.

50 - Нормы - 0,25 мкм; - РС проектирование (RHBD); - Пл. кристалла 10,12 × 8,76 = 88,7 мм 2; - Число транзисторов ~ 30 млн. - Питание 3,3В и 2,5В; - Время выборки – 25 нс; - Блоков - 8 по 512Kбит; в блоке - 8 секций по 64 Кбит; - Импульсная выборка секции накопителя; - Число площадок – 70; - Корпус – LCC44 (44 вывода).

51

52 52 Порядка 400 логических и специальных элементов: инверторы, буферы, элементы задержки, И/ИЛИ/Искл.ИЛИ(-НЕ), мажоритарные ячейки, сумматоры, полусумматоры, составные ячейки, защелки и триггеры, ячейки стробирования тактового сигнала, привязки к логическим уровням, антенные диоды, заполнители…; обеспечивает возможность тестопригодного проектирования (DFT); возможность уменьшения динамического энергопотребления (Clock Gating); плотность заполнения: 55,5 K вентилей/мм 2; высота стандартных ячеек – 7,04 мкм; напряжение питания – 1.8 ± 0,18 В; охарактеризована для температур -60°С, +25°С, +125°С.

53 53 Периферийные элементы: входные ячейки с триггером Шмитта, в том числе с привязкой к уровням лог. 0 и лог.1; выходные и двунаправленные ячейки с внешними драйверами до 18 и 24 мА; осцилляторные и аналоговые контактные площадки. Цифро-аналоговые микроблоки и память: различные варианты макроблоков памяти (компилятор): однопортовой статической памяти SRAM; двухпортовой статической памяти SRAM; двухпортовых регистровых файлов; приемопередатчики LVDS (SpaceWire), PMA (Serial Rapid IO), CML и VML (SpaceFibre); блок ФАПЧ (PLL).

54

55

56 RT шести кристальный универсальный микропроцессорный модуль LDE-Vega со встроенным ОЗУ 2 Мбайт и большим набором портов ввода - вывода - 0,25 мкм ( корпус металлокерамический CPGA ) 56 RT ОЗУ 4 Мбит 512Кх 8b - 0,25 мкм (корпус керамический LCC44)

57 57 Параметр Значение Суммарная накопленная доза, TID не менее 300 Крад при низкой интенсивности ИИ Стойкость к воздействиям ТЗЧ по эфекту отказов SEL (тиристорных эфектов) Пороговое значение ЛПЭ при Токр.=100°С >99,7 Мэ Всм 2 /мг [Si] при угле падения 0° >140 Мэ Всм 2 /мг [Si] при угле падения 45° Стойкость к воздействиям ТЗЧ по эфекту одиночных сбоев SEU Пороговое значение ЛПЭ3,9 Мэ Всм 2 /мг [Si] Сечение насыщения при ЛПЭ = 6 Мэ Всм 2 /мг [Si] ÷ 69 Мэ Всм 2 /мг [Si] для углов падения 0°, 30°, 45° 1,2Е-08 см 2 /бит ÷ 5,4Е-08 см 2 /бит Стойкость к воздействию протонов: Пороговая энергия эфекта SEU12 МэВ Сечение насыщения эфекта SEU3,5Е-14 см 2 /бит Стойкость к воздействию нейтронов с энергией 14,7 МэВ Эффект SELОтсутствует Сечение насыщения эфекта SEU< 1,1E-14 см 2 /бит Характеристики радиационной стойкости 7. И 1, 7. И 7 2*4Ус 7. И 6, 2*4Ус ВПР не более 0,4 мс 7. И 8 УБР 0,0014*4Ус 7. С 1, 7. С 4 4Ус

58 - Нормы - 0,13 мкм (Silterra); - Площадь кристалла -196 мм 2; - Число транзисторов ~ 160 млн; - Питание 3,3В и 1,2В; - Время выборки – 20 нс; - Импульсная выборка накопителя; - Контроль дефектности основного и резервного накопителей; - Наличие выходов-флагов ошибок; - Число площадок – 88; - Корпус – LCC68 (68 выводов).

59 59 1. Современные КМОП технологии объемного кремния уровня 0,25…0,13 мкм позволяют создавать сравнительно дешевые RT СБИС СнК, удовлетворяющие высоким требования для аэрокосмических и др. применений. 2. Решена проблема обеспечения высокой дозовой стойкости (до 1Мрад) и отсутствия эфекта «Защелкивания» в СБИС СнК в рамках стандартного техпроцесса на объемном кремнии уровня 0,25…0,13 мкм. 3. Создана среда проектирования RT СБИС СнК для отечественной технологии HCMOS8D (0,18 мкм) ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон». 4. Главные проблемы и направления дальнейших работ: – обеспечение приемлемого уровня сбоеустойчивости КМОП СБИС СнК методами РСП; – разработка программных средств прогнозирования, проектирования и верификации РТ СБИС СнК. 5. На основе собственных РСП библиотек элементов и СФ-блоков для КМОП технологий уровня 0,25…0,18 мкм ОАО НПЦ «ЭЛВИС» созданы ряд RT СБИС СнК.