- СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.382+ 621.396.6
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СУБМИКРОННЫХ ДВУХФАЗНЫХ КМОП ИНВЕРТОРОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
© 2012 г. С. И. Ольчев1, В. Я. Стенин1, 2
1НИИсистемных исследований РАН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: stenin@kaf3.mephi.ru Поступила в редакцию 14.03.2011 г.
Проведено моделирование характеристик чувствительности двухфазных (двухпортовых) субмикронных КМОП инверторов к локальному воздействию отдельных ядерных частиц на примере схем с проектной нормой 0.18 мкм. Установлены зависимости параметров локального импульса тока (его амплитуды и интегрального собранного заряда) с амплитудой напряжения помехи, образующейся на выходе КМОП-инвертора. Амплитуда импульса тока, приводящего к сбою или блокировке состояния двухфазного инвертора, связана со значением выходного тока инвертора в момент формирования амплитудного значения помехи коэффициентом 1.1...2.2 в зависимости от параметров транзисторов. Пониженная чувствительность двухфазных инверторов к локальным воздействиям объясняется их свойством блокировать передачу импульса помехи существенно большей амплитуды по сравнению с КМОП инверторами традиционной структуры. Значения критического заряда, приводящего к сбою логического состояния схем на основе двухфазного КМОП-инвертора, в 10.15 раз превышают критические значения для схем с традиционной КМОП-структурой. Если КМОП инверторы осуществляют блокировку помехи без сбоя, допустимая величина заряда возрастает еще в несколько раз.
1. ВВЕДЕНИЕ
Снижение проектно-технологических норм субмикронных и наноразмерных КМОП СБИС сопровождается возникновением специфических проблем при разработке СБИС, предназначенных для использования в авионике и космической технике. К таким проблемам относятся повышение чувствительности КМОП СБИС к воздействиям отдельных ядерных частиц, включая тяжелые заряженные частицы [1, 2]. Такие воздействия являются локальными, имеющими относительно малую площадь — до нескольких микрометров в диаметре, и эти эффекты становятся существенными при малых проектных нормах КМОП СБИС, когда площадь воздействия покрывает несколько активных элементов, расположенных рядом. В связи с этим требуются новые методы проектирования КМОП СБИС, устойчивых к воздействию отдельных ядерных частиц.
Сбой состояния инвертора как логического элемента происходит, когда внешнее воздействие в виде локального импульса ионизационного тока приводит к появлению помехи, превышающей порог переключения элемента. Повысить сбое-устойчивость можно, используя двухфазные (двухпортовые) структуры [3—7], которые основаны на использовании двух каналов (фаз) для синфазной передачи и преобразования логических сигналов. Элементы двух каналов взаимо-
действуют между собой таким образом, что, если синфазность изменения сигналов в симметричных узлах элементов нарушается, то такое состояние является ложным и передача такого состояния блокируется. Пространственное разнесение парных симметричных узлов на достаточное расстояние практически исключает одновременное воздействие частицы на оба узла, что повышает сбоеустойчивость двухфазного (двухпортового) элемента.
2. ОСОБЕННОСТИ ДВУХФАЗНЫХ КМОП ИНВЕРТОРОВ
А. Структура двухфазных КМОП инверторов
Существует два типа двухфазных (двухпортовых) инверторов на 2-транзисторных КМОП-конверторах в зависимости от вида связей входов двух конверторов: с перекрестными связями и с прямыми связями входов [3, 6, 7]. На рис. 1 приведена схема элемента, состоящего из двух двухфазных инверторов с перекрестными связями входов конверторов как существенно более сбоеустойчи-вая [6—8]. Первый инвертор состоит из конверторов К1 и К2, второй — из конверторов КЗ и К4. Пунктирными линиями на рис. 1 показаны связи, добавление которых образует ^-триггер, являющийся основой статических ячеек памяти типа DICE [5, 7, 8]. Конверторами являются двухтран-
Первый инвертор Второй инвертор
Рис. 1. Схема элемента, состоящего из двух двухфазных КМОП инверторов.
Вход 1 —С
т
Вход 2
К1
L
1,2
L
ШШI
ь
2,3
Выход 1
Ш
й®
ь
3,4
Выход 2
нт
Рис. 2. Эскиз линейного расположения конверторов двух двухфазных инверторов на кристалле и связей между ними.
зисторные КМОП-элементы, имеющие два входа, которыми являются затворы транзисторов. При объединении двух входов конвертора образуется традиционный однофазный КМОП-инвер-тор. Для определения характеристик чувствительности двухфазные элементы надо анализировать при двухкаскадном их соединении: при анализе собственно инверторов — это двухкаскад-ные устройства без обратной связи, а в случае триггеров двухкаскадное соединение охвачено положительной обратной связью (см. рис. 1).
В схему на рис. 1 включены два источника фототока /Ф1(0 и /Ф0(0, которые отображают локальные импульсы воздействующих тока, возникающие от отдельных ядерных частиц. Источник тока с индексом "1" отображает импульс тока, действующий на конвертор инвертора, находящегося в исходном состоянии логической "1", когда ^МОП транзистор закрыт, а РМОП транзистор открыт. Источник тока с индексом "0" отображает импульс тока, действующий на конвертор инвертора, находящегося в состоянии логического "0", когда ^МОП транзистор открыт, а РМОП-транзистор закрыт.
Б. Конструктивно-топологические особенности
Для повышения сбоеустойчивости цифровых элементов СБИС на основе двухфазной логики необходимо пространственное разнесение конверторов, поскольку при одновременном воздействии отдельной ядерной частицы на оба конвертора двухфазный инвертор переключается как обычный однофазный. Следующий за этим инвертор воспринимает в этом случае синфазную помеху от предыдущего как сигнал и происходит передача сбоя по цепочке двухфазных элементов. При разработке ячеек памяти на основе двухфазных ^-триггеров используют [8] линейное чередование конверторов двух двухфазных инверторов для увеличения расстояния между ними. На рис. 2 приведен эскиз такого линейного расположения конверторов на кристалле и связей между ними согласно схеме на рис. 1. Сплошными линиями показано соединение конверторов в двух-каскадную структуру на конверторах К1 и К2 (первый инвертор) и КЗ и К4 (второй инвертор). Пунктиром (разрывными линиями) даны связи, добавление которых образует ^-триггер. На рис. 2 использовано условное графическое изображение [6] КМОП конверторов с двумя входами и инверсией сигнала на выходе. Увеличение рас-
стояний Х12, Х23 и Ь34 между конверторами К1, К2, конверторами К2, КЗ и К3, К4 может быть достигнуто (см. рис. 2) включением между конверторами, принадлежащими одному элементу, конверторов других элементов (на рис. 2 связи между ними не показаны для упрощения рисунка). Экспериментальное исследование влияния расстояния между двумя конверторами на параметры чувствительности двухфазных ^-триггеров к одиночным сбоям было проведено на ячейках памяти статического КМОП ОЗУ с проектной нормой 0.18 мкм при воздействии протонов с энергией 1 ГэВ [9]. Для расстояний Х12 и Х34, равных 2.5 мкм, зафиксировано количество сбоев в 5.5...15 раз меньше (в зависимости от напряжения питания), чем сбоев при расстояниях Х12 и Х34 равных 0.9 мкм [9]. При чередующемся расположении конверторов двух ^-триггеров, как показано на рис. 2, при той же проектной норме 0.18 мкм расстояния Х12 и Х3 4 увеличиваются с 2.5 мкм до 7.3 мкм, а расстояния Х23 = Ь13 = Х24 с 1.3 мкм до 3.2 мкм [10]. При этом вероятность сбоев снижается более чем на порядок.
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНОЙ ЯДЕРНОЙ ЧАСТИЦЫ ЛОКАЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ ТОКА
Моделирование характеристик чувствительности двухфазных КМОП инверторов производилось в симуляторе Spectre САПР Cadence для структур, изготавливаемых по объемной КМОП технологии с проектной нормой 0.18 мкм. Определялись характеристики элементов при номинальном напряжении питания 1.8 В и температуре +25°C. Результаты моделирования, если дополнительно не оговаривается, приведены для элементов, у которых ширина канала ^МОП-транзисторов 0.6 мкм, а ширина канала РМОП-транзисторов 0.9 мкм.
Импульс тока при воздействии отдельной ядерной частицы на полупроводниковый кристалл СБИС возникает в результате сбора неравновесных носителей заряда электрическим полем обратно смещенныхp-n переходов транзисторов. Нарастающая часть импульса тока длительностью 10.300 пс соответствует быстрой дрейфовой составляющей, а спадающая часть — в начале дрейфовой, а затем диффузионной составляющим с временем спада от долей — единиц наносекунд до долей микросекунд [2]. Форма импульса тока для разных воздействий может быть представлена как разность двух экспонент следующим выражением:
1фУ) = ц/ф.м [exp(—t/тСП) - exp(—t/тН)], (1)
где /ФМ — амплитуда импульса тока;
ц = [тН/(тСП — тН)](тСП/тН)а
— масштабный коэффициент тока, а = тСП/(тСП —
— тН). Постоянная времени спада тСП отображает область спада импульса, постоянная времени нарастания тН — область формирования нарастания импульса.
Параметры импульса тока, принятые в данной работе, если не оговаривается дополнительно, — длительность фронта до 10 пс (тН/тСП = 10-3), спад импульса происходит с постоянной времени тСП, значения которой 0.3, 0.8 или 2.0 нс. Использование такой формы импульса позволяет выявить основные эффекты и получить базовые зависимости, связывающие параметры возникающих помех с амплитудой импульса воздействующего тока Тф.М и интегральной величиной собранного заряда 0И. Воздействия же импульсов с теми же значениями /ФМ и 0И, но с постоянными нарастания тН в пределах 10-3 < тН/тСП < 2/3, при том же характере зависимостей амплитуд импульсов напряжения помех /Ф М и QИ влияют в основном на смещение этих зависимостей по шкале /ФМ и QИ, а также влияют на увеличения задержек формирования этих амплитудных значений помех в соответствии с конкретными значениями постоянных времени тН. Абсолютная погрешность определения амплитуды импульса тока при моделировании составила 1 мкА, а заряда 2 фКл.
Импульс тока /ф(0 при воздействии отдельной ядерной частицы на КМОП конвертор двухфазного инвертора (см. рис. 1) приводит к увеличению выходного тока конвертор
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.