МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 4, с. 262-274
ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382+ 621.396.6
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА 65 нм КМОП ЭЛЕМЕНТЫ ДВУХФАЗНОЙ ЛОГИКИ
© 2012 г. Ю. В. Катунин2, В. Я. Стенин1, 2
1 НИИ системных исследований Российской АН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail:yu.v.katunin@gmail.com; stenin@kaf3.mephi.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Проведено моделирование влияния емкостных связей шин, соединяющих дифференциальные части двухфазных КМОП-логических элементов с проектной нормой 65 нм, на чувствительность элементов к сбоям от воздействия отдельных ядерных частиц. Определены характеристики чувствительности двухфазных инверторов, элементов И-НЕ, триггерных ячеек, элементов управления RS и D триггеров. Воздействия отдельной ядерной частицы моделировались импульсами тока с постоянными времени нарастания 10 пс, времени спада 30 и 300 пс. Установлены допустимые значения емкостей связи входов дифференциальных частей двухфазных КМОП-логических элементов — 0.3—0.7 фФ в зависимости от типа элемента и его логического состояния. Критические заряды для двухфазных логических элементов — 32—88 фКл, что в 10—15 раз лучше, чем для элементов с традиционной КМОП схемотехникой при той же проектной норме 65 нм.
1. ВВЕДЕНИЕ
Локальные воздействия ядерных частиц приводят к одиночным сбоям в КМОП СБИС [1], минимизация которых — предмет проектирования СБИС как для авионики и космических приложений [2], так и для наземной наноэлектрони-ки, поскольку сбои КМОП СБИС с проектными нормами 65 нм и менее отмечаются и на уровне земной поверхности. По мере снижения проектных норм КМОП СБИС к одиночным сбоям последовательностей КМОП-схем (single event upset — SEU) добавляются все в большей мере одиночные переключения элементов комбинационной логики (single event transient — SET) [1].
Одним из направлений повышения сбоеустой-чивости цифровых КМОП СБИС (в первую очередь статических КМОП ОЗУ) является использование схемотехники двухфазных или двухпортовых КМОП логических элементов [3—5], включая КМОП ячейки памяти DICE [6—8]. Анализ двухфазных логических элементов показывает, что их применение наиболее эффективно для повышения сбоеустойчивости КМОП-триггер-ных элементов [5, 8]. Для КМОП схем с наномет-ровыми проектными нормами важным является учет влияния "паразитных" связей шин межсоединений. Для снижения чувствительности к воздействиям отдельных ядерных частиц симметричные элементы двухфазных КМОП-структур необходимо пространственно разносить так, чтобы локальному воздействию ядерной частицы подвергалась бы только одна из дифференциаль-
ных частей двухфазного элемента. Такое пространственное разнесение частей сопровождается удлинением межсоединений и увеличением емкостных связей дифференциальных входов элементов, что снижает сбоеустойчивость. В связи с этим необходимо исследовать влияние подобных емкостных связей на характеристики сбоеустойчивости двухфазных КМОП-элементов для выработки рекомендаций по проектированию топологии и трассировки связей элементов на кристалле.
2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ДВУХФАЗНЫЕ КМОП ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Моделирование характеристик чувствительности двухфазных элементов проводилось в си-муляторе Spectre CADENCE для структур, изготавливаемых по коммерческой объемной КМОП технологии с проектной нормой 65 нм по моделям tt_hvt библиотеки TSMC 65 нм. Определялись характеристики элементов при номинальном напряжении питания 1.0 В и температуре +25°C. Результаты моделирования приведены для элементов, у которых длина канала 60 нм, ширина канала ^МОП-транзисторов 150 нм, а РМОП-транзисторов — 180 нм.
Импульс фототока при воздействии отдельной ядерной частицы на полупроводниковый кристалл СБИС возникает в результате сбора нерав-
Таблица 1. Параметры импульсов фототока, использованных при моделировании элементов
Вид импульса Тн, пс ТСП пс ^КСт, пс v(0), мкА/пс Q^ фКл
Импульс 7 пс/15 пс 7 15 10.0 0.268 х /ф.М 0.029 х /ф.М 0.513
Импульс 10 пс/30 пс 10 30 16.5 0.173 х /ф.М 0.052 х /ф.М 0.577
Импульс 10 пс/300 пс 10 300 35.2 0.112 х /ф.М 0.337 х /ф.М 0.889
Примечание: значение амплитуды тока 1ф м при определении т/(0) и Qи должно быть в мкА.
новесных носителей заряда электрическим полем обратно смещенных p—n переходов транзисторов. При моделировании использована распространенная [1] модель сбора и инжекции фототока !Ф(Л тН, тСП) в открытый транзистор инвертора, описываемая двухэкспоненциальной функцией:
1ф(1) = ц/ф.м[ехр(-?/тсп) - exp(—t/тн)],
где /ФМ — амплитуда импульса тока; тН — постоянная времени нарастания импульса; тСП — постоянная времени спада. Параметры импульса фототока описываются выражениями [9]: ц = (1 — — тНДСП)—1^—1(тНДСП) — масштабный коэффициент тока; ЦтНДСП) = (тН/тСП)а — коэффициент формы импульса, a = тН/(тСП — тН); 0И = = /ФМтСП/ЦтНДСП) — интегральное значение заряда; ?ЭКС/ = тСП1п[1Д(тНДСП)] — время достижения импульсом тока экстремума; v(0) = = 0и/(тнТсп) = !ф.м/[тн^(тн/тсп)] — начальная скорость нарастания импульса тока.
Модель дает удовлетворительные результаты в сравнении с расчетами 3D TCAD для случая малых линейных потерь энергии частицей LET < <0.25—0.5 МэВ см2/мг [10]. Зависимости /Ф(0, полученные при моделировании в 3D TCAD, могут быть использованы для калибровки двухэкс-поненциальной модели импульса тока — выборе тН, тСП и /ФМ. Абсолютная погрешность определения амплитуды импульса тока при моделировании составила 1 мкА. В табл. 1 приведены значения параметров импульсов фототока, использованные при моделировании; соотношения для оценки интегрального заряда Q^, начальной скорости нарастания тока импульса v(0), а также значения времени экстремумов ^КС/ импульсов в зависимости от их формы.
Двухфазные КМОП инверторы и логические элементы И-НЕ имеют дифференциальную структуру и их можно разделить на два вида: элементы с прямыми связями и с перекрестными связями входов образующих их симметричных элементов — конверторов; лучшей сбоеустойчи-востью характеризуются логические элементы с перекрестными связями [5]. На рис. 1 приведена схема двухфазного КМОП-инвертора c перекрестными связями, а на рис. 2 — схема двухфазного КМОП элемента И-НЕ с перекрестными
связями. На рис. 1 и 2 емкостные связи шин, соединяющих две дифференциальные симметричные части инвертора и элемента И-НЕ, отражены емкостью дифференциальной связи СВХДИФ.
Сбоеустойчивость двухфазных инверторов и элементов И-НЕ моделировалась в составе устройств, содержащих два инвертора или два элемента И-НЕ, к выходам второго элемента подключен КМОП-конвертор. Схема такого соединения элементов приведена на рис. 3, где использовано условное графическое обозначение элементов И-НЕ, соответствующее схеме элемента на рис. 2. Импульс тока /ф(0 воздействует на один из дифференциальных выходов первого элемента Э1, где формируется импульс напряжения помехи #ВЫХ1.2 = ^пом(0. Этот импульс помехи ^Пом(0 с амплитудой иПОММ действует на вход второго элемента Э2, выходные сигналы которого иВЫХ21 и иВЫХ22 управляют конвертором, по выходному сигналу которого иВЫХК(?) можно судить о переключении второго логического элемента Э2.
Процесс локального воздействия импульса тока на КМОП-логический элемент является процессом изменения состояния двух последовательно включенных логических элементов. Состояние первого элемента изменяется собственно от
U
И.П
Вход 1
Вход 2
С,
ВХ.ДИФ
P1
Выход 1
«hN1
U
1
И.П
P2
Выход 2
»1 N2
Рис. 1. Схема двухфазного КМОП-инвертора.
и
И.П
Л,
A2
B,
B2
С,
ВХ.ДИФ.В
IpTntT
Hh
N1
I *J P2
'""l Выход 1
N2
С
ВХ.ДИФ.А 1
И.П
1
P3
-1 N3
p4
Выход 2
N4
Рис. 2. Схема двухфазного КМОП логического элемента И-НЕ.
сбора неравновесного заряда, генерируемого под воздействием ядерной частицы. Синхронно с изменением выходного напряжения этого элемента изменяется и состояние второго элемента, причем первый элемент выступает как конвертор импульса тока в импульс напряжения помехи. Соответственно следует говорить о парном исходном состоянии двух элементов и парном изменении их состояния. Например, исходное состояние такого блока "0—1" изменяется на состояние "1—1", на "1—0" или на "1—Z", где Z — неопределенное состояние. Чтобы не усложнять изложение материала, в дальнейшем "маркируется" только исходное состояние первого элемента, но надо помнить о том, что регистрируется сбой по изменению состояния второго элемента.
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДВУХФАЗНЫХ КМОП КОМБИНАЦИОННЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
А. Влияние емкостной связи дифференциальных входов-выходов КМОП двухфазных инверторов на их сбоеустойчивость
На рис. 4 приведены графики критических амплитуд импульсов тока /ФМКР в зависимости от значения емкости Свх.диф, шунтирующей дифференциальные входы двухфазного инвертора. Превышение амплитудой импульса тока критического значения 1ФМ >
1ф.М.КР приводит к изменению логического состояния элемента (SET). Зависимости на рис. 4 получены для случаев воздействий импульса /Ф(0 на выход инвертора в логическом состоянии "1" (см. рис. 4а) и "0" (см. рис. 4б). Для оценки интегрального критического заряда бИКР следует использовать выражение (см. табл. 1): 0И.КР = 1ф.м.крТспА(тнЛсп). Моделирование проведено для двух граничных вариантов сочетания значений емкостей на выходе инвертора
СВЫ1Х.ДИФ = СВХ.ДИФ и СВЫ1Х.ДИФ =
На графиках рис. 4 приведены линии постоянных значений амплитуд импульсов напряжения помехи ^ПОММ, соответствующих зависимостям для разного сочетания емкостей и разной формы импульсов тока. Незначительная возрастающая зависимость амплитуды импульса тока 1ф.м.кр(свх.диф, ^пом.м = const) от значения емкости СВХДИФ (см. рис. 4) свидетельствует о том, что основное влияние на связь амплитуды импульса фототока и амплитуды импульса напряжения помехи 1ФМКР( ^ПОММ) оказывает выходная нагрузочная вольтамперная характеристика инвертора. Дополнительное влияние емкостей синфазной нагрузки ^ и дифференциальной Свх.диф, дающих небольшое увеличение на
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.