МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 3, с. 170-183
СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
УДК 621.382+ 621.396.6
ДВУХФАЗНЫЕ КМОП ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
© 2011 г. С. И. Ольчев1, В. Я. Стенин1, 2
1НИИсистемных исследований Российской АН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: stenin@kaf3.mephi.ru; alfizik@yandex.ru Поступила в редакцию 03.08.2010 г.
Проведено исследование двухфазных субмикронных КМОП-логических элементов с проектной нормой 0.18 мкм, основанных на использовании двух симметричных каналов (фаз) передачи и преобразования сигнала. Основой двухфазной КМОП логики являются 2-транзисторные и 4-транзи-сторные КМОП-конверторы, на основе которых образуются двухфазные инверторы, элементы И-НЕ, D- и RS-триггеры. Лучшими по совокупности параметров, включая сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (по величине критического заряда переключения), размеры и быстродействие, являются двухфазные КМОП инверторы на 2-транзисторных конверторах с перекрестными связями их входов и элементы на их основе: элементы И-НЕ, D- и RS-триг-геры также с перекрестными связями образующих их элементов. Определены значения критических зарядов переключения (сбоя) элементов двухфазной КМОП логики при воздействии отдельных ядерных частиц, вызывающих токи ионизации с постоянными времени спада (диффузионная составляющая) от 0.3 нс до 2.0 нс.
1. ВВЕДЕНИЕ
Субмикронные КМОП СБИС, изготавливаемые по объемной КМОП- и КНИ КМОП-технологиям, широко используются в современной авиационной и космической электронике. КМОП СБИС с про-ектно-технологическими нормами менее 0.25 мкм имеют повышенную чувствительность к эффектам воздействия отдельных высокоэнергетических ядерных частиц, включая атмосферные нейтроны. Разработка таких СБИС требует применения специальных схемотехнических, топологических и конструктивных мер для повышения сбоеустойчивости [1]. Эти меры при проектировании специализированных статических или отдельных встраиваемых блоков КМОП ОЗУ [2] включают специальную схемотехнику ячеек памяти, использование контактов к подложке и n-карманам, охранные кольца, дополнительные ячейки памяти для контроля потери данных. Проектирование микропроцессорных СБИС, цифровых СБИС типа система на кристалле, а также управляющей логики субмикронных статических КМОП ОЗУ обычно происходит на основе традиционных КМОП логических элементов. Как сбо-еустойчивые предложены КМОП инверторы и элементы И-НЕ на основе 2-транзисторных [4] и 4-транзисторных [5] конверторов, а также двухпортовых структур с экранирующми транзисторами между выходами элементов [6]. Имеется опыт разработки и применения КМОП-ячеек памяти типа NASA [7] и DICE [8], которые фактически яв-
ляются вариантами Э-триггера на основе двухфазных КМОП-инверторов [9]. Опыт разработки этих структур подтверждает их потенциально повышенную сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц, однако отсутствует сравнительный анализ элементной базы двухпортовой КМОП логики и обоснование эффективных решений.
Двухфазная логика представляет интерес как основа для разработки конструкций элементов субмикронных и суб-100нм цифровых СБИС с повышенной сбоеустойчивостью, поскольку дает возможность разработки топологических решений с разнесением на кристалле СБИС парных областей двухфазных элементов, чувствительных к воздействию ядерных частиц. Это существенно снижает вероятность сбоев и повысит защищенность и помехоустойчивость КМОП-логических узлов СБИС.
Задача повышения сбоеустойчивости заключается в минимизации последствий эффектов воздействия отдельных ядерных частиц. В случае схем комбинационной логики следует добиваться сохранения текущего состояния элемента или, как минимум, блокировки распространения индуцированного воздействием изменения состояния элемента, т.е. ограничения эффекта воздействия только одним элементом.
Вход 1
и
иип
ип
Вход 1
Р1
Выход
J -< N1
Вход 2
Вход 2
(а)
Р,
Р2
Выход
N2
1
1
2
N1
(б)
(в)
Рис. 1. Двухпортовые КМОП-конверторы НЕ: 2-транзисторный (а); 4-транзисторный (б); условное графическое обозначение двухпортовых конверторов НЕ (в).
2. ДВУХПОРТОВЫЕ КОНВЕРТОРЫ - ОСНОВА ДВУХФАЗНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ С ПОВЫШЕНОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ
Можно выделить два метода повышения сбое-устойчивости элементов комбинационной логики схемотехническими средствами:
1) введение элементов и связей, блокирующее дальнейшее распространение ложного состояния элемента (сбоя);
2) экранирование (с использованием транзисторов) чувствительных областей элемента для снижения эффектов воздействия частиц.
Как основа элементов с изменением характера работы элемента при сбое является двухфазная организация инверторов, основанная на использовании двух симметричных параллельных каналов (фаз). Информационной составляющей является синфазная составляющая двух сигналов, а дифференциальная - должна блокировать элемент и не изменять состояние следующих элементов.
Как основа структур КМОП двухфазных элементов комбинационной логики в данной работе приняты 2- и 4-транзисторные элементы с двумя входами—двухпортовые конверторы НЕ, схемы которых приведены на рис. 1.
На рис. 1 приведены: схема двухпортового 2-тран-зисторного конвертора 2Т КМОП (см. рис. 1а) и схема двухпортового 4-транзисторного конвертора — 4Т КМОП (см. рис. 1б). Схемы 4-транзисторных конверторов образованы взаимно экранирующими структурами на основе двух встроенных друг в друга 2-транзисторных КМОП-инверторов. На рис. 1в приведено условное графическое обозначение двухпортового конвертора НЕ, преобразующего двухфазный входной сигнал в однофазный выходной.
На рис. 2 приведены эскизы топологии 2-транзи-сторного конвертора 2Т КМОП и 4-транзисторного
конвертора 4Т КМОП. В конструкции конверторов 4Т КМОП между двумя NМОП-транзисторами и аналогично между двумя РМОП-транзисторами нет выводов транзисторов для внешних связей с другими элементами и соответственно нет необходимости изготовления контактов к этим областям транзисторов (см. рис. 2б), поэтому площадь 4-транзисторных конверторов 4Т КМОП оказывается не в 2 раза, а в 1.2 раза больше, чем площадь 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП.
На рис. 3 приведены зависимости изменения выходного напряжения Лвых 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП от суммы напряжений на его входах ивх1 + ивх2. Зависимость на рис. 3а соответствует переключательной характеристике 2-транзи-сторного конвертора 2Т КМОП на двух этапах:
1) при ивх1 = 0 В зависимость Лвых от изменения ивх2 в пределах от 0 В до 1.8 В и 2) при ивх2 = 1.8 В дальнейшее изменение Лвых в зависимости от изменения ивх1 от 0 В до ивх1 = 1.8 В. Характеристике на рис. 3а свойственен значительный диапазон входных напряжений, при которых оба транзистора конвертора оказываются открытыми и протекает сквозной ток, эта область на рис. 3а в диапазоне от 0.5 В до 3.0 В.
Зависимость на рис. 3б описывает другую характеристику 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП на двух этапах: 1) при Лвх2 = 0 В зависимость Лвых от изменения Лвх1 в пределах от 0 В до Лвх1 = 1.8 В и
2) при ивх1 = 1.8 В дальнейшее изменение Лвых в зависимости от изменения ивх2 от 0 В до ивх2 = 1.8 В. Зависимости на рис. 3б свойственен незначительный диапазон входных напряжений, при которых оба транзистора конвертора оказываются закрытыми, эта область характеристики на рис. 3б в диапазоне приблизительно от 1.7 В до 1.85 В. Зависимости, представленные на рис. 3 рассчитаны в симуляторе
2.2 мкм
2.6 мкм
n--Карман
Вход 1 [
Вход 2 I
HI
Шина питания
Транзистор Р1
Выход
6
Транзистор N1
Общая шина
n-Карман
Вход 1
Вход 2
Шина питания
Транзистор Р1 и Р2
Выход
Транзистор N1 и N2
Общая шина
6
(а) (б)
Рис. 2. Эскиз топологии 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП (а) и 4-транзисторного конвертора 4Т КМОП (б).
(а)
В
0.6 1.2
UBx! = 0 В
1.8
I
2.4 3.0 3.6
UBx2 = 1.8 В
ивх1 + ивх2, В
В
,х
0.6 1.2
Цх1 = 0 В
1.8 I
2.4 3.0 3.6
ивх2 = 18 В
ивх1 + ивх2, В
Рис. 3. Переключательные характеристики 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП при различной последовательности изменения напряжений на его входах и разных их начальных значениях: (а) при изменении ивх2 от 0 В до 1.8 В, а затем ивх1 от 0 В до 1.8 В; (б) при изменении ивх1 от 0 В до ивх1 = 1.8 В, а затем ивх2 от 0 В до 1.8 В.
0
0
Spectre САПР Cadence для структур КМОП конверторов, спроектированных для объемной КМОП технологии с проектной нормой 0.18 мкм.
Переключательные характеристики 4-транзи-сторных конверторов 4Т КМОП имеют характер зависимости, представленной на рис. 3б.
3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ
В данной работе моделирование характеристик и определение параметров инверторов, элементов И-НЕ и триггеров производилось в симуляторе Spectre САПР Cadence для структур, изготавливаемых по объемной КМОП технологии с проектной нормой 0.18 мкм. Определялся статический ток потребления, время переключения, значение крити-
ческого заряда, вызывающего переключение элемента при номинальном напряжении питания 1.8 В и температуре +25°C.
1) Оценка расчетными методами уровня сбое-устойчивости элементов СБИС к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц проводится обычно по значениям критического заряда переключения элемента [2, 10]. Знание критического заряда дает возможность качественного сравнения сбое-устойчивости элементов; корректные же количественные оценки сбоеустойчивости элементов и СБИС в целом проводятся по значениям пороговой энергии возникновения эффекта и сечения насыщения эффекта [10], достоверные значения которых определяются экспериментально на моделирующих установках — источниках излучения.
Критический заряд переключения вычислялся как заряд, перенесенный импульсом тока, подаваемого в чувствительную область элемента, и приводящий к переключению элемента в другое состояние. Такими чувствительными областями элементов являются обратно смещенные стоковые области р-п-переходов закрытых МОП-транзисторов. Значения критического заряда, приведе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.