納米CMOS集成電路單粒子多瞬態(tài)效應及其抑制.pdf

1、伴隨著我國航天工業(yè)和航天活動的不斷成長，抗輻照集成電路相關研究經歷了從無到有，從弱到強的發(fā)展歷程，空間輻射效應以及集成電路抗輻照設計已成為學術界和工業(yè)界的研究熱點和難點。近年來，航天應用不斷向高精尖邁進，其對數(shù)據、圖像處理的需求急劇增長，這使得航天應用中采用先進納米工藝成為必然。然而，納米尺度下，器件集成密度急劇上升，電路工作頻率上升，電路工作電壓下降，使得單粒子瞬態(tài)（SET）的產生與傳播變得更加復雜，單粒子多瞬態(tài)（SEMT）成為SET

2、的常態(tài)，軟錯誤（SER）發(fā)生的概率明顯上升。
　　本文著眼于單粒子多瞬態(tài)（SEMT）研究，基于“SEMT產生與傳播機理SEMT實驗表征SEMT抑制”這條主線，對納米集成電路中單粒子多瞬態(tài)進行了多角度揭示，主要表現(xiàn)如下四個方面：
　　（1）研究了同一路徑上單粒子多瞬態(tài)脈沖的相互作用，發(fā)現(xiàn)納米工藝下同一路徑上多個晶體管可能產生2個以上的隱式單粒子瞬態(tài)脈沖，這些脈沖存在相互疊加的現(xiàn)象，進而誘發(fā)單粒子瞬態(tài)脈沖壓縮（PQ）效應和單粒子

3、瞬態(tài)脈沖窄后寬（PBAN）效應。不同工藝節(jié)點的 Geant4模擬表明，工藝尺寸的縮減使得 PQ和PBAN效應的發(fā)生概率持續(xù)增加；而在22納米工藝節(jié)點下，同一路徑上離輸入最近的晶體管上產生的SET有>60％的概率發(fā)生脈沖PQ效應，且這些被壓縮的SET又有>30%的概率再次被展寬。
　?。?）研究了時序邏輯中非存儲節(jié)點上單粒子多瞬態(tài)脈沖產生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了納米工藝下觸發(fā)器數(shù)據輸入和時鐘輸入上產生的單粒子雙瞬態(tài)誘發(fā)單粒子翻轉機制。所設計的6

4、5nm雙阱工藝測試芯片相關重離子實驗結果不僅證實了該機制的存在，還首次表明了65nm工藝節(jié)點下該新型機制對單粒子翻轉的貢獻可能超過10%。同時，不同工藝尺寸的模擬表明，工藝尺寸的縮減使得SEMT誘發(fā)翻轉所需的能量閾值降低。
　?。?）研究了組合邏輯中通用單粒子多瞬態(tài)的測試方法，發(fā)現(xiàn)基于標準單元中任意單元構成縱向鏈陣列可以較好地實現(xiàn)組合邏輯中SEMT的產生，而將傳統(tǒng)SET脈沖測量電路進行組合設計為SEMT脈沖測量電路即可對產生的SE

5、MT進行在線捕獲。本文基于反相器構成了的鏈陣列為UniVIC測試結構，并在65nm雙阱和三阱工藝下生產出測試芯片。相關重離子實驗結果表明：a)、在LET≤40 MeVcm2/mg的輻射條件下，65納米工藝下單粒子轟擊最多影響3個晶體管，也就是最多產生單粒子三瞬態(tài)(SETT)；b)、雙阱結構下電荷共享誘發(fā)SEMT的概率不超過30%，而誘發(fā)SEMT時平均電荷共享強度達到80%~90%；c)、三阱結構下電荷共享誘發(fā)SEMT的概率顯著提高到了約

6、55%，但是誘發(fā)SEMT時平均電荷共享強度卻減小到75%~80%。
　?。?）研究了納米工藝下SEMT的抑制技術，提出了鏡像法和無縫保護帶技術，并提出了單元級加固思想。該思想指出在標準單元中運用 SET/SEMT加固技術可以有效降低電路的 SER，且基于標準單元電路特征可對不同單元采用不同方式的SET/SEMT加固。本文提出的鏡像法主要適用于具有兩級級聯(lián)結構的標準單元(如與非門)，它通過增強前級和后級的電荷共享來強化前后兩級產生的

7、單粒子雙瞬態(tài)(SEDT)相互抵消，進而抑制了單元末端SET的脈沖寬度。模擬結果表明：當前級PMOS處于關斷狀態(tài)時，鏡像法能將末端SET消減超過25%；當前級PMOS處于開態(tài)時，鏡像法能將末端SET消減約10%。而無縫保護帶技術則主要適用于簡單標準單元。模擬結果表明，65nm工藝節(jié)點下，對于入射能量小于40 MeVcm2/mg的入射粒子，無縫保護帶技術能徹底消除SEMT的產生，并且產生的SET脈沖寬度可減少約50%。
　　本文之前關

8、于電荷共享的研究數(shù)以百計，然而除時序邏輯MCU的研究較為清晰之外，組合邏輯中SEMT產生和傳播以及最終對SER的影響涉及較少。一方面，本文改進了SEMT測量方法，首次提出了通用的SEMT測量方法，能適用于任意標準單元間SEMT產生分布的測量，也能適用于更先進工藝下SEMT產生分布的測量。另一方面，本文在前人的基礎上對SEMT的產生與傳播進行了有限地揭示，并提出了有效可行的SEMT抑制技術，這對指導納米尺度下SER評估與預測提供了原始數(shù)據