Software & Systems

При составлении тестов интегральных схем (ИС) одной из первоочередных задач является определение классов неисправностей, выявляемых тестом. Наиболее распространена модель одиночной константной неисправности, выявляющей такие дефекты, как замыкание с шиной питания и замыкание с землей. Большинство систем технического диагностирования ориентированы на выявление именно одиночных константных неисправностей. Другими логическими неисправностями могут быть короткие замыкания, перепутывание, изменения функций отдельных элементов. Последнее характерно для радиационного воздействия. Расширение класса неисправностей делает задачу построения тестов весьма сложной, а во многих случаях трудноразрешимой. Однако для тестирования ИС на радиационную стойкость необходимо предложить методы ее решения.

Для МОП-(металл-оксид-полупроводник) интегральных схем использование вентильного представления не позволяет описывать реальные физические эффекты как радиационного воздействия, так и всех возможных эффектов обрывов и замыканий транзисторов. Поэтому для составления алгоритма генерации тестов, учитывающего специальное воздействие, следует перейти на схемотехнический уровень. Этот уровень абстракции использует представление устройства на транзисторном уровне и учитывает конкретные особенности топологии МОП-схем.

Наиболее значимым и часто применяемым алгоритмом генерации тестов является D-алгоритм Рота. Этот метод в той или иной модификации применяется практически в каждой системе автоматизации тестовых шаблонов (ATPG Tool). Поэтому именно D-алгоритм был взят за основу при составлении алгоритма тестирования.

Для проверки на неисправности радиационного воздействия импульсного излучения предлагается модифицировать принципы активации неисправности и процедуру построения активизационного пути D-алгоритма.

Все логические элементы комбинационной логики (инверторы, ИЛИ–НЕ, И–НЕ) в процессе моделирования были заменены на элементы, учитывающие импульсное радиационное воздействие. Такие элементы содержат генераторы ионизационного тока, а также образующиеся паразитные структуры.

Такая замена логических элементов в несколько раз увеличивает число активных элементов за счет учета действия паразитных биполярных транзисторов. При этом, если известен диапазон мощности дозы радиационного воздействия Р, становится возможным упростить модели логических элементов и учитывать действие только одного генератора тока ионизации. Так, в случае, если мощность дозы не превышает 108–109 рад/с, ионизационная реакция практически полностью определяется током стокового p-n-перехода Iис. Если же мощность дозы увеличивается до 1010–1011 рад/с, эффекты усиления ионизационного тока становятся существенными и необходимо учитывать действие тока как стокового, так и истокового p-n перехода Iии.

Величина мощности дозы, при которой можно учитывать только Iис, зависит от особенностей технологического процесса при производстве ИС: так, в случае использования технологий кремний на сапфире (КНС) приведенные значения мощности дозы изменятся.

Для составления тестов важно точное определение реакции логического элемента на входное воздействие Uвых=F(Uвх, Iис(Р), Iии(Р)). Таким образом, необходимо знать величины Iис(Р), Iии(Р), так как Uвых определяется суммарным током стоков транзисторов Iс0:

Iс0 = Iср + Iир – Iсn – Iиn,                                    (1)

где Iср и Iсn – стоковые токи p-n-канальных транзисторов соответственно, а Iир  и Iиn – токи ионизации.

Uвых=IcoR,                                                               (2)

где R – сопротивление канала открытого МОП-транзистора. В случае радиационного воздействия величина сопротивления незначительно меняется (в пределах 7 %), что следует учитывать.

Необходимо также отметить, что, по экспериментальным данным [1, 2], значение ионизационного тока стока элемента не зависит от напряжения на затворе транзистора и от режима работы транзистора (заперт или открыт). В результате этого на практике модель транзистора следует заменять на совокупность МОП-транзистора без учета импульсного радиационного воздействия и одного паразитного биполярного транзистора.

Таким образом, при отсутствии радиационного воздействия Uвых (соответственно, значение логической единицы или логического нуля на выходе элемента) определяется током Iс0=Iср–Iсn. Значения тока логического нуля и тока логической единицы приведены в библиотечном описании соответствующего логического элемента.

В случае радиационного воздействия значения логического элемента определяются в соответствии с формулами (1) и (2), то есть значение логической единицы или нуля будет зависеть от ионизационного тока стока. При этом с повышением мощности дозы открываются сначала одна, а затем и вторая паразитные структуры, что приводит к изменению как значения, так и направления тока Iсо и логического состояния элемента соответственно.

Для расчета величин ионизационного тока можно воспользоваться следующей формулой:

, (3)

где lp(t), ln(t) – операторное выражение коэффициента собирания, отражающего дисперсию времени пролета неравновесных носителей и рекомбинационные потери, он определяется как отношение числа носителей, достигших p-n-перехода, к общему числу носителей, генерируемых в данной области; q – заряд электрона; g0 – интенсивность ионизации (для Si – 4,3×1013 пар×см-3/рад); P(t) – мощность дозы излучения; Si, wi – площадь поперечного сечения и толщина рассматриваемой области (p, n, p-n) [2].

Приведенную формулу следует использовать при упрощенной модели p-n-перехода с относительно толстыми областями полупроводника и при условии постоянства электрофизических параметров.

Для учета ионизационных эффектов в современных СБИС с малыми нормами производства и высокой интеграцией элементов необходимо рассматривать схему с учетом неравновесного характера выделения энергии и оценивать влияние периферийных областей на ток p-n-перехода. Для этого можно воспользоваться формулой:

  ,                                                              (4)

где t – время действия импульса излучения; τp – время жизни неосновных носителей заряда в р-области; τn – время жизни неосновных носителей заряда в n-области; Dp, Dn – коэффициенты диффузии неосновных носителей в р-n-областях соответственно;  – площадь периферийной области p-n-перехода, Ln, Lp – диффузионные длины неосновных носителей заряда в прилегающих к p–n-переходу областях; Spn – площадь области p-n-перехода [2].

D-алгоритм с учетом специального воздействия выглядит следующим образом. Параметры импульсного радиационного воздействия, а также электрические и физические параметры используемых МОП-транзисторов вводятся оператором перед началом работы в программе автоматической генерации тестовых последовательностей.

Алгоритмическая основа теста на выявление неисправности вследствие импульсного радиационного воздействия включает четыре этапа.

Первый этап – расчет параметров радиационного воздействия: вводятся параметры радиации и МОП-транзисторы для расчета токов ионизации элементов схемы.

Второй этап – активация неисправности: выбирается тестируемый элемент схемы. В соответствии с формулами (3), (4) рассчитывается ток ионизации для этого элемента, после чего определяется влияние данного ионизационного тока на логическое состояние элемента. Для этого используются данные величины токов высокого и низкого логических уровней из технического описания рассматриваемого библиотечного элемента. Если действие токов ионизации существенно, подбираются входные значения элемента, приводящие к противоположному логическому состоянию.

Третий этап – активация пути: на этом этапе необходимо подать такие значения на входы элементов приемников, чтобы действие тока ионизации, выбранного на втором этапе логического элемента, наблюдалось на внешнем выходе или в контрольной точке.

В D-алгоритме для того, чтобы неисправность проявилась на выходе элемента И, на остальные входы необходимо подать единицу, на выходе элемента ИЛИ – ноль.

В отличие от классического D-алгоритма при продвижении неисправности радиационного воздействия необходимо на каждом шаге для выбранного логического элемента рассчитывать в соответствии с формулами (3), (4) значения токов ионизации. А для продвижения неисправности подбирать входные значения так, чтобы сигнал ошибки поступал на выход очередного элемента. При этом следует использовать формулу (1), по которой логическое состояние определяется суммарным током стока (в том числе и ионизационным).

Четвертый этап – доопределение: подбор внешних входных сигналов, обеспечивающих входные значения элементов активационного пути второго и третьего этапов. При этом так же, как на третьем этапе, следует учитывать действие тока ионизации.

Приведенный алгоритм позволяет выявить неисправное функционирование схемы вследствие специального воздействия импульсной радиации. Отличие от D-алгоритма в первую очередь состоит в определении входных значений элементов в результате учета действия ионизационного тока. Для снижения вычислительных затрат можно использовать различные модификации метода, отличающиеся оптимизацией стратегии возврата.

Литература

1. Никифоров А.Ю. Радиационные эффекты в МОП ИC. М.: Радио и связь, 1994. 164 с.

2. Ачкасов В.Н. Проектирование микроэлектронных компонентов космического назначения: монография. Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2005. 301 с.