Обеспечение радиационной стойкости СБИС космического применения на уровне более 6Ус в базовых технологических процессах, реализованных в НИИСИ РАН НИИСИ РАН 1 Морозов Сергей Алексеевич

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

3 Основные характеристики библиотек и базовых технологических процессов Наименование библиотеки для проектирования Технологический процесс КМОП КНИ Напряжение питания, В Кол-во элементов ядра Кол-во элементов ввода-вывода Кол-во СФ-блоков Плотность, транзисторов на 1 мм 2 БЭП-С 0,5 мкм, 3 металла 3, (от 2 мА до 32 мА) нет 4, КНИ-05ЭС 0,5 мкм, 3 металла 5, (8 мА) нет 2, КНИ-035С 0,35 мкм, 4 металла 3, (от 4 мА до 8 мА) нет КНИ-025С 0,25 мкм, 5 металлов 2, (от 2 мА до 8 мА) КНИ-025ЭС 0,25 мкм, 5 металлов 3, (от 2 мА до 8 мА) 61,8 10 5

Выбор специальных технологических и конструктивных решений элементов нижнего уровня обеспечивает выполнение экстремальных требований по дозовой стойкости НИИСИ РАН 4

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 5 ПРОБЛЕМЫ И ИХ РЕШЕНИЯ

НИИСИ РАН 6 «НM»-транзистор «ОН»-транзистор КНИ-025ЭС «О»-транзистор «А»-транзистор «Н»-транзистор БЭП-С, КНИ-05ЭС, КНИ-035С, КНИ-025С « O»-транзистор Конструктивно-технологический базис (транзисторы)

7 НИИСИ РАН Конструктивно-технологический базис (элементы ядра) INVAND2 Скан-триггер КНИ-035С: высота элементов 13 мкм КНИ-05ЭС: высота элементов 18 мкм БЭП-С: высота элементов 16 мкм

8 НИИСИ РАН Конструктивно-технологический базис (элементы ядра) INVAND2 Скан-триггер КНИ-025ЭС: высота элементов 7,2 мкм КНИ-025С: высота элементов 8,8 мкм

9 НИИСИ РАН (0,1×0,32 мм 2 ) (0,1×0,38 мм 2 ) БЭП-СКНИ-025С, КНИ-025ЭС КНИ-035С (0,17×0,31 мм 2 ) КНИ-05ЭС (0,08×0,37 мм 2 ) Конструктивно-технологический базис (элементы ввода-вывода)

10 НИИСИ РАН Наименование библиотеки для проектирования Рабочая температура, °С Средняя задержка инвертора, пс Ток утечки на один транзистор, нА Стойкость к электростатическому разряду, В БЭП-С от минус 60ºС до +125ºС 80 (после воздействия специального фактора с характеристикой 7. И 7 на уровне 0,4×5У С ) 9,0 (после воздействия специального фактора с характеристикой 7. И 7 на уровне 0,4×5У С ) 1000 КНИ-025С от минус 60ºС до +125ºС 34 (после воздействия специального фактора с характеристикой 7. И 7 на уровне 5У С ) 5,0 (после воздействия специального фактора с характеристикой 7. И 7 на уровне 5У С ) 1000 КНИ-025ЭС от минус 60ºС до +125ºС 44 (после воздействия специального фактора с характеристикой 7. И 7 на уровне 6У С ) 0,5 (после воздействия специального фактора с характеристикой 7. И 7 на уровне 6У С ) 1000 Характеристики элементов (по результатам испытаний)

СФ-блоки КНИ-025С : КНИ-025ЭС: 1. СОЗУ 8К× х портовое СОЗУ 8К× разрядный сумматор 2. масочное ПЗУ 8К× ×16 умножитель 3. 32/16 делитель разрядный полный х разрядный сдвигатель приоритетный шифратор 5. SPI интерфейс 5. I2С интерфейс 6. UART интерфейс х разрядное устройство извлечения квадратного корня НИИСИ РАН 11

СОЗУ 8К×8 (2,6 мм 2 ) 12 НИИСИ РАН КНИ-025С: СФ-блоки SHIFTER32 (0,08 мм 2 )ADDER32 (0,05 мм 2 )

13 НИИСИ РАН SPI-интерфейс (0,04 мм 2 ) 16x16 умножитель (0,3 мм 2 ) UART-интерфейс (0,2 мм 2 ) КНИ-025С: СФ-блоки

двухпортовое СОЗУ 8К×8 (5,4 мм 2 ) 14 НИИСИ РАН КНИ-025ЭС: СФ-блоки ПЗУ 8К×8 (2,6 мм 2 )

15 НИИСИ РАН PEN (0,01 мм 2 )I2С-интерфейс (0,12 мм 2 ) divider (0,07 мм 2 ) sqrt (0,09 мм 2 ) КНИ-025ЭС: СФ-блоки

16 НИИСИ РАН Подтвержденные испытаниями уровни стойкости. Время потери работоспособности элементов библиотек после воздействия фактора с характеристикой 7. И 6 не превышает 0,2 мс. 7. И 1 7. И 6 7. И 7 7. И 8 7. И И 13 БЭП-С5У С 0,4×5У С 2У С -- КНИ-025С5У С 1,8×5У С 0,3×3У С 2×2Р КНИ-025ЭС6У С 1,6×6У С 2У С 6×2Р2×2Р Факторы с характеристиками 7. И 7. С 1 7. С 4 7. К 1 7. К 4 7. К 11, МэВ×см 2 /мг БЭП-С----- КНИ-025С5У С 1,8×5У С 2,9×2К0,5×2К80 КНИ-025ЭС100×5У С 20×5У С 2К 80 Факторы с характеристиками 7. С и 7.К

СОЗУ (при воздействии факторов 7. К 11 (7. К 12 )): - пороговые ЛПЭ: L TH.ОС 5 МэВ×см 2 /мг; - сечение насыщения: SI.ОС 2×10 -3 см 2 /(блок); - сечение насыщения в пересчете на 1 бит: SI.ОС 3×10 -8 см 2 /бит. при воздействии факторов 7. К 9 (7. К 10 ) - пороговая энергия: E TH.ОС 20 МэВ; - сечение насыщения: SP.ОС 8× см 2 /бит. 16×16 умножитель (при воздействии факторов 7. К 11 (7. К 12 )): - пороговые ЛПЭ: L TH.ОС 69 МэВ×см 2 /мг; при воздействии факторов 7. К 9 (7. К 10 ) - сбои отсутствуют НИИСИ РАН 17 Параметры сбое устойчивости КНИ-025С

Параметры сбое устойчивости КНИ-025ЭС Двухпортовое СОЗУ (при воздействии факторов 7. К 11 (7. К 12 )): - пороговые ЛПЭ: L TH.ОС 12 МэВ×см 2 /мг; - сечение насыщения: SI.ОС 2×10 -3 см 2 /(блок); - сечение насыщения в пересчете на 1 бит: SI.ОС 3×10 -8 см 2 /бит. при воздействии факторов 7. К 9 (7. К 10 ) - пороговая энергия: E TH.ОС 40 МэВ; - сечение насыщения: SP.ОС 1× см 2 /бит. Масочное ПЗУ (при воздействии факторов 7. К 11 (7. К 12 )): - пороговые ЛПЭ: L TH.ОС 69 МэВ×см 2 /мг; при воздействии факторов 7. К 9 (7. К 10 ) -сбои отсутствуют I2C интерфейс (при воздействии факторов 7. К 11 (7. К 12 )): - пороговые ЛПЭ: L TH.ОС 16 МэВ×см 2 /мг; - сечение насыщения в пересчете на 1 бит: SI.ОС 4×10 -8 см 2 /бит. НИИСИ РАН 18

НИИСИ РАН 19 Практические результаты (1) Библиотека БЭП-С, базовый технологический процесс КМОП КНИ 0,5 мкм Микросхема Уровень стойкости 7И 6 7И7 5890ВЕ1Т (однокристальная вычислительная система на основе RISC процессора) 5Ус 4 х 4Ус 5890ВГ1Т (интерфейсный контроллер 5Ус 4 х 4Ус 5890ВМ1Е (сбое устойчивый микропроцессор)5Ус 4 х 4Ус 1851ВЕ51У (унифицированный микроконтроллер)5Ус 1874ВЕ05Т (16 разрядный микроконтроллер)5Ус 1620РУ10У (СОЗУ 512Кбит)5Ус 4 х 4Ус 1620РЕ4У (масочное ПЗУ 2 Мбит 64К×32)5Ус 4 х 4Ус БИС Спец.ОЗУ 64К6Ус БИС радиотракта БАСН в составе УПЧ с АРУ, АЦП, СЧ, ДЧ 6Ус

НИИСИ РАН 20 Библиотека КНИ-035С, базовый технологический процесс КМОП КНИ 0,35 мкм Микросхема Уровень стойкости 7И 6 7И ВМ2Т (сбое устойчивый микропроцессор) 5Ус 4 х 4Ус 1898ВГ1Т (интерфейсный контроллер) 5Ус 4 х 4Ус 1339ВП1Т (контроллер навигационных каналов) 6Ус 1649РУ1Т (микросхема СОЗУ емкостью 1Мбит) 5Ус 4 х 4Ус 9009РУ1Т (МКМ СОЗУ емкостью 8 Мбит) 5Ус 4 х 4Ус 1620РЕ5У-999 (масочное ПЗУ 4 Мбит) 5Ус 4 х 4Ус 1658РУ1Т (спец стойкое СОЗУ 128 Кбит) 6Ус Практические результаты (2)

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 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» Эффективное решение проблем производства СБИС космического применения с экстремальным уровнем стойкости

НИИСИ РАН Применение верифицированных конструктивно- технологических 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 Заключение

НИИСИ РАН 24 Спасибо за внимание. Контактная информация: тел. +7(495) доб. 205 факс +7(495)