Микроэлектроника, 2021, T. 50, № 4, стр. 288-298

Сравнительный анализ моделирования КМОП мажоритарных элементов при сборе заряда с треков одиночных ионизирующих частиц

В. Я. Стенин^a, b, *, Ю. В. Катунин^a, **

^a НИИ системных исследований Российской АН
117218 Москва, Нахимовский проспект, д. 36, корп. 1, Россия

^b Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
115409 Москва, Каширское шоссе, д. 31, Россия

^* E-mail: vystenin@mephi.ru
^** E-mail: katunin@cs.niisi.ras.ru

Поступила в редакцию 23.10.2020
После доработки 23.10.2020
Принята к публикации 23.10.2020

DOI: 10.31857/S054412692103008X

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведено моделирование и сравнение двух основных вариантов КМОП тройных мажоритарных элементов (Triple Majority Gate – TMG) для резервируемых вычислительных систем, используемых в условиях воздействия одиночных ядерных частиц. Это вариант на 2-входных логических элементах 2И и 2ИЛИ и вариант на трех 2-входных элементах 2И и одном 3-входном элементе 3ИЛИ. Моделирование проведено с использованием средств 3D TCAD, включая физическое моделирование линейной передачи энергии на трек частицы. Транзисторы выполнены по объемной кремниевой КМОП 65-нм технологии с мелкой траншейной изоляцией (shallow trench isolation). Сопоставляются длительности импульсов помех на выходах элементов И-НЕ, И, ИЛИ-НЕ, ИЛИ, зависимости длительности от формы импульса, длительности задержек от момента возникновения трека до момента нарастания фронта импульса до порогового амплитудного значения при линейной передаче энергии на трек частицы в диапазоне 10–90 МэВ ⋅ см²/мг. Используются треки с направлением по нормали к поверхности кристалла. Проводится анализ механизма снижения (коррекции) длительности импульсов помех на выходах элементов И и ИЛИ при увеличении линейной передачи энергии на трек. Длительности импульсов помех на выходе элемента И, ИЛИ и соответственно на выходе TMG при сборе заряда с трека с точкой входа в соответствующий элемент за счет эффекта коррекции на выходе элемента 2И не превышают 150 пс, на выходе 2ИЛИ не превышают 50–100 и 250–350 пс на выходе 3ИЛИ. Минимальные длительности помех наблюдаются в варианте TMG, выполненном только на 2-входовых элементах И и ИЛИ.

Ключевые слова: импульсная помеха, логический элемент, мажоритарный элемент, моделирование, одиночная частица, сбор заряда, трек

1. ВВЕДЕНИЕ

Моделирование средствами 3-D TCAD с использованием физических моделей образования носителей заряда на треке частицы является, по сути, виртуальной экспериментальной базой получения данных о поведении наноразмерных элементов при воздействии одиночных частиц. Таким моделированием предсказано [1] снижение помехоустойчивости КМОП логики по объемной технологии при проектной норме менее 100 нм, а также переход NМОП транзисторов в инверсный режим смещения [2] с увеличением длительности помех до 300–500 пс при 30 МэВ ⋅ см²/мг. Установлено, что совместный сбор заряда с трека [3] транзисторами элемента может привести к уменьшению длительности импульсов помех.

В результате TCAD моделирования [4] установлено, что при треках с линейной передачей энергии частицей на них (linear energy transfer – LET) 60 МэВ · см²/мг помехи с наибольшими длительностями образуются в группе NМОП транзисторов элемента ИЛИ и группе PМОП транзисторов элемента И. В этих группах большая часть заряда с трека собирается транзисторами, выполненными с общей областью стоков. В данной работе приводятся результаты анализа параметров импульсов помех, образующихся в тех же группах транзисторов, но в широком диапазоне LET = 10–90 МэВ · см²/мг.

В работе [5] проведено сравнение ряда вариантов схем TMG на вероятные технологические погрешности изготовления по КМОП технологиям при уменьшении проектных норм. Как лучшие элементы с маскирующими свойствами технологических дефектов транзисторов отмечены тройные мажоритарные элементы с проходными КМОП ключами и обладающие декодирующими свойствами, которые, однако, не нашли заметного практического применения. Примененная методика не пригодна для сравнительной оценки вероятности помех и сбоев типа SET и SEU при воздействии одиночных ядерных частиц, поскольку не учитывает эффекты, возникающие, например, при совместной конструктивной изоляции групп КМОП транзисторов по объемной технологии, в частности, их зарядовую связь при использовании мелкой траншейной изоляции при сборе заряда транзисторами с трека частицы.

Есть работы, посвященные проектированию цепей тактирования синхронных триггерных резервируемых устройств с объединением их выходов тройным мажоритарным элементом [6]. Полезным результатом является обоснование замены глобального тактирования на асимметричное групповое троированное тактирование, приводящее к повышению помехоустойчивости и снижению энергопотребления цепями тактирования.

Попытки повышения помехо- и сбоеустойчивости ОЗУ использованием троированных ячеек памяти (Triple Interlocked Cell) по аналогии с ячейками DICE, но с чтением элементом TMG [7] нельзя считать удачными. Это давно известное предложение [8], не оправдавшее себя из-за аппаратурной избыточности. Тем более, что уже используются [9, 10] новые конструктивно-топологические решения STG DICE ячеек (Spaced Transistor Groups DICE), существенно повысившие помехо- и сбоеустойчивость (снизив SET и SEU) ячеек типа DICE.

Полезной практической рекомендацией, обоснованной в работе [11] на основе анализа параметров тройного триггерного TMG на базе пяти КМОП простейших триггерах-защелках, стала замена им для повышения сбоеустойчивости двухкаскадных синхронных троированных триггеров, которые пропускали собственные сбои (SEU) при передаче сигналов на входы TMG.

Целью работы является изучение возможной минимизации импульсов помех, образующихся при сборе заряда с трека одиночной ядерной частицы в элементах в составе мажоритарного элемента. Это сбор заряда NМОП транзисторами элемента ИЛИ, содержащего элемент И-НЕ и инвертор, а также PМОП транзисторами элемента И, содержащего элемент И-НЕ и инвертор, которые конструктивно выполняются в ограниченном объеме кремния, окруженном неглубокой траншейной изоляцией.

2. МАЖОРИТАРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С КОМБИНАЦИОННОЙ ЛОГИКОЙ

2.1. Схемы тройных мажоритарных элементов

На рис. 1 приведены схемы вариантов тройного мажоритарного элемента на логических КМОП элементах: на рис. 1а на 2И (D1, D3, D4) и 2ИЛИ (D2, D5) элементах; на рис. 1б на 2И (D1–D3) и 3ИЛИ (D4). Элементы D1 и D2 на рис. 1а и элементы D1 и D4 на рис. 1б изображены в виде электрических схем, а остальные представлены в виде функциональных условных обозначений. Первая цифра в обозначениях транзисторов на схемах на рис. 1а и рис. 1б соответствует номеру логического элемента, а вторая – номеру транзистора в элементе.

Рис. 1.

Схемы КМОП мажоритарных элементов: (а) на 2И и 2ИЛИ элементах; (б) на 2И и 3ИЛИ элементах.

Схема элемента 2И (D1) как на рис. 1а и на рис. 1б включает в себя элемент И-НЕ и инвертор. Элемент 2ИЛИ (D2) на рис. 1а содержит элемент 2ИЛИ и инвертор, а элемент 3ИЛИ (D4) на рис. 1б содержит элемент 3ИЛИ-НЕ и инвертор. Эти схемы элементов традиционны. В элементах 2И и 2ИЛИ NМОП транзисторы на рис. 1а объединены в группы Gr1N и Gr2N, а PМОП транзисторы этих элементов в группы Gr1P и Gr2P, которые ограничены штриховыми линиями на рис. 1а. NМОП транзисторы элементов 2И и 3ИЛИ на рис. 1б объединены соответственно в группы Gr1N и Gr4N, а PМОП транзисторы этих элементов в группы Gr1P и Gr4P. Эти группы на рис. 1б также ограничены штриховыми линиями.

На рис. 2 приведены эскизы топологии КМОП логических элементов 2И (рис. 2а), 2ИЛИ (рис. 2б) и 3ИЛИ (рис. 2в). Каждая из групп транзисторов, что окаймлены штриховыми линиями на рис. 1а и рис. 1б, выполнена в своей кремниевой области, изолированной от других того же типа проводимости кремния мелкой траншейной изоляцией. Эти прямоугольные области ограничены на рис. 2 сплошными линиями и отображают группы транзисторов Gr1N и Gr1P элемента 2И (рис. 2а), группы транзисторов Gr2N и Gr2P элемента 2ИЛИ (рис. 2б) и группы транзисторов Gr4N и Gr4P элемента 3ИЛИ (рис. 2в).

Рис. 2.

Эскизы топологии КМОП логических элементов: (а) 2И; (б) 2ИЛИ; (в) 3ИЛИ.

2.2. Моделирование импульсов помех средствами TCAD

Воздействие на МОП элементы СБИС одиночной ядерной частицы приводит к образованию вдоль ее трека неравновесных носителей заряда. Заряды выводятся в виде импульсов тока через обратно смещенные стоковые pn-переходы МОП транзисторов, вызывая импульсы помех, которые могут приводить к образованию ложных выходных сигналов элементов, искажающих логические уровни на выходе комбинационной логики.

На рис. 3 изображены эскизы двух вариантов 3-D физической модели приборной структуры мажоритарного элемента: на рис. 3а по схеме на рис. 1а из двух КМОП логических элементов D1, D2 (с логикой 2И и 2ИЛИ), а на рис. 3б по схеме на рис. 1б из двух КМОП логических элементов D1 (2И) и D4 (3ИЛИ). Эскизы структур моделей на рис. 3а и рис. 3б включают КМОП транзисторы групп Gr1N, Gr1P элемента 2И и групп Gr2N, Gr2P и Gr4N, Gr4P элементов 2ИЛИ и 3ИЛИ. Физические модели транзисторов выполнены на основе моделей по объемной 65-нм технологии с использованием методики, представленной в работе [12] с подбором соответствия технологическим параметрам, поставляемым фабрикой.

Рис. 3.

Приборные 3D TCAD физические модели логических элементов, использованные при гибридном TCAD-SPICE моделировании тройных мажоритарных элементов: (а) на 2И и 2ИЛИ КМОП логических элементах; (б) на 2И и 3ИЛИ КМОП логических элементах.

Средствами физического моделирования TCAD моделировались процессы генерации носителей заряда при передаче им энергии с трека в кремнии и процессы сбора заряда транзисторами в элементах И и ИЛИ, представленными электрическими схемами на рис. 1а и рис. 1б. Средствами SPICE моделировались характеристики элементов, которые обеспечивали передачу сигналов на вход элемента ИЛИ и представлены функциональными обозначениями логических элементов D2, D3, D4, D5 на рис. 1.

Кремниевые области групп Gr1N и Gr1P элемента 2И (D1 на рис. 1а и рис. 1б), а также групп Gr2N и Gr2P элемента 2ИЛИ (D2 на рис. 2) в составе физических приборных моделей имеют размеры 885 × 400 × 400 нм³, а групп Gr4N и Gr4P элемента 3ИЛИ (D4 на рис. 1б) – 1180 × 800 × 400 нм³ и окружены мелкой траншейной изоляцией с глубиной 400 нм (shallow trench isolation – STI). Ширина транзисторов элементов 2И и 2ИЛИ составляет 400 нм, а элемента 3ИЛИ составляет 800 нм. В качестве тестовых воздействий в работе были использованы воздействия зарядом с треков одиночных частиц, энергетическая составляющая воздействия которых характеризуется линейной передачей энергии на трек (linear energy transfer – LET) [13]. При моделировании использованы треки по нормали к поверхности приборных моделей, как показано на рис. 3, где даны треки T_1P с точками входа треков 4p в группы транзисторов Gr1P элементов 2И, а также треки T_2N и T_4N с точками входа треков 4n в группы транзисторов Gr2N и Gr4N элементов 2ИЛИ и 3ИЛИ.

Для наглядности состава физических приборных частей моделей из эскизов на рис. 3 убрано изображение областей разделительного мелкого слоя оксида толщиной 400 нм, охватывающего кремниевые области транзисторов групп Gr1N, Gr1P и других. Области с обозначениями n+ и p+ на рис. 3 являются фрагментами защитных колец. Маркерами “звездочка” на эскизах топологий элементов И и ИЛИ на рис. 2 отмечены точки входа треков одиночных частиц в элементы с направлением трека по нормали к поверхности приборной модели.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСОВ ПОМЕХ ПРИ СБОРЕ ТРАНЗИСТОРАМИ ЗАРЯДА С ТРЕКОВ ОДИНОЧНЫХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ

Алгоритм работы тройного мажоритарного элемента заключается в получении выходного сигнала, который соответствует совпадению как минимум двух входных сигналов из трех. В этом случае два одинаковых сигнала управляют правильным переключением только одного из трех элементов И, в данном случае D1 (рис. 1), и элементов D2 (2ИЛИ на рис. 1а) и D4 (3ИЛИ на рис. 1а), которые выбраны для TCAD моделирования. Для получения достоверных данных о влиянии импульсов помех на выход мажоритарного элемента достаточно моделирования средствами TCAD входного элемента D1 (2И) и следующего в цепочке элемента D2 (2ИЛИ) или D4 (3ИЛИ) с двумя вариантами входных сигналов: A = B = C = 0 и A = B =1, C = 0 (или A = B = C = 1).

3.1. Сбор заряда с трека частицы в элементе 2И

На рис. 2а приведен эскиз топологии элемента 2И. Точки входа трека находятся в группе PМОП транзисторов Gr1P. Маркером “звездочка” на рис. 2а отмечены точки входа трека одиночной частицы с направлением трека по нормали к поверхности приборной модели. Точка входа трека 4p соответствует треку при значениях линейной передачи энергии на трек в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг. Точки входа трека 3p и 5p соответствует трекам при LET = 60 МэВ · см²/мг. На рис. 4 приведены зависимости, иллюстрирующие формирование импульсов помех на узлах элемента 2И при сборе заряда с трека одиночной частицы при сигналах на входах мажоритарного элемента A = B = 1, C = 0.

Рис. 4.

Зависимости напряжений на узлах элемента 2И при сигналах на TMG входах А = B = 1; C = 0, точки входа трека в элемент 2И-НЕ группы Gr1P: (а) трек с LET = 60 МэВ · см²/мг, точки входа трека 3p, 4p и 5p; (б) точка входа трека 4p, LET = 10–90 МэВ · см²/мг.

Запертый PМОП транзистор инвертора после образования трека и переключения инвертора начинает собирать заряд (дырки), что увеличивает напряжение на выходе инвертора, что формирует на выходе элемента 2И перепад напряжения положительной полярности, по окончанию которого начинает формироваться фронт импульса помехи отрицательной полярности.

На рис. 4а приведены зависимости напряжения на узлах элемента 2И для треков с точками входа 3р, 4р и 5р при LET = 60 МэВ · см²/мг. Амплитуда перепада положительной полярности на выходе элемента 2И при сборе заряда с трека с точкой входа 4р составляет V_{МАКС.2И.4p} = 0.505 В (рис. 4а).

Установлено, что амплитуда данного перепада на выходе элемента 2И при сборе заряда ин-вертором не поднимается выше отмеченного на рис. 4б максимума V_МАКС.И = 0.735 В при LET = = 90 МэВ · см²/мг при сборе заряда PМОП транзистором инвертора. В результате перед образованием фронта импульса помехи отрицательной полярности практически отсутствует “плато” напряжения на выходе 2И, а сразу начинает формироваться импульс помехи. Дополнительная задержка образования импульса помехи по уровню 0.3 В происходит за счет превышения напряжения 0.3 В амплитудой импульса положительной полярности при сборе большого заряда PМОП транзистором инвертора при LET > 40 МэВ · см²/мг (рис. 4б).

Фронт импульса отрицательной полярности на выходе элемента 2И формируется током открытого NМОП транзистора инвертора, разряжающим емкость выходного узла 2И при запертом PМОП транзисторе инвертора. Амплитудные значения импульсов помех на выходе элемента 2И при всех LET в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг образуются, когда на узле И-НЕ напряжение в диапазоне 0.75–0.85 В и PМОП транзистор этого узла заперт.

После достижения помехой амплитудного значения начинается переключение инвертора. При этом на выходе 2И увеличивается напряжение, когда на узле 2И-НЕ и входе инвертора напряжение опускается ниже 0.7 В относительно напряжения на общей шине элемента (примеры для LET = 60 МэВ · см²/мг даны на рис. 4). В итоге на выходе 2И после импульса помехи восстанавливается стационарное состояние логической единицы, соответствующее сигналам на входах мажоритарного элемента.

Рис. 5.

Зависимости напряжений на узлах элемента 2ИЛИ при сигналах на TMG входах А = B = C = 0, точки входа трека в элемент 2ИЛИ-НЕ группы Gr2N: (а) трек с LET = 60 МэВ · см²/мг, точки входа трека 3n, 4n и 5n; (б) точка входа трека 4n, LET = 20–90 МэВ · см²/мг.

3.2. Образование импульсов помех в элементах ИЛИ на примере элемента 2ИЛИ

На рис. 1а приведена схема типового двухвходового КМОП элемента 2ИЛИ в составе тройного мажоритарного элемента, содержащего элемент 2ИЛИ-НЕ и инвертор.

В исходном состоянии мажоритарного элемента с сигналами на входах A = B = C = 0 NМОП транзисторы узла 2ИЛИ-НЕ заперты в элементе 2ИЛИ, а NМОП транзистор инвертора открыт. Трек частицы с точкой входа трека 4n проходит через общую область стоков NМОП транзисторов N2.1 и N2.2 группы Gr2N. Маркером “звездочка” на рис. 2б отмечены точки входа трека одиночной частицы с направлением трека по нормали к поверхности приборной модели. Моделирование сбора заряда транзисторами при линейной передаче энергии на трек в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг проведено для трека частицы с точкой входа трека 4n, которая находится в общей области стоков NМОП транзисторов N2.1 и N2.2 группы Gr2N. Была использованы приборная 3D TCAD физическая модель элемента D2 (2ИЛИ) с структурой на рис. 3а.

Сбор заряда сразу после образования трека при всех LET = 10–90 МэВ · см²/мг с данными точками входа трека переводит NМОП транзисторы узла 2ИЛИ-НЕ в инверсное смещение с напряжением на узле V_2ИЛИ-НЕ = –0.4 В. При этом запирается NМОП транзистор инвертора, что переключает инвертор и выход 2ИЛИ в состояние с V_{ВЫХ.2ИЛИ-НЕ} = 0.9 В. На рис. 5 приведены зависимости напряжений на узле 2ИЛИ-НЕ и выходе элемента 2ИЛИ при сигналах на входах мажоритарного элемента А = B = C = 0, точки входа трека 3n, 4n и 5n в группу транзисторов Gr2N для треков с LET = 60 МэВ · см²/мг (рис. 5а), а на рис. 5б приведены зависимости импульсов помех на выходе 2ИЛИ, образующихся при сборе заряда с трека при линейной передаче энергии на трек в диапазоне LET = 10–90 МэВ · см²/мг при точке входа трека 4n.

При LET = 10 МэВ · см²/мг заряд, который переводит NМОП транзисторы узла 2ИЛИ-НЕ в инверсное смещение, оказывается достаточным только для того, чтобы этим переключить инвертор и сохранить его на 110 пс в переключенном состоянии (рис. 5б), что образует на выходе 2ИЛИ импульс помехи положительной амплитудой 0.98 В и длительностью 110 пс по уровню 0.7 В. При LET = 20–90 МэВ · см²/мг заряда на треке оказывается достаточно, чтобы после переключения инвертора его запертый NМОП транзистор N2.3 начал сбор заряда (электроны) с трека частицы через обратно смещенный pn-переход сток-подложка, что понижает напряжение на выходе 2ИЛИ, образуя импульс напряжения отрицательной полярности (рис. 5) для задержки помехи.

При LET ≥ 50 МэВ · см²/мг напряжение на стоке собирающего заряд запертого NМОП транзистора инвертора и выходе 2ИЛИ снижается до уровня V_{ВЫХ.2ИЛИ} ≤ +(0.002–0.006) В. Этот уровень напряжения удерживается на емкости выходного узла 2ИЛИ при дальнейшем сборе заряда с трека, формируя импульс отрицательной полярности с плоской вершиной (рис. 5б). В это время на выходе 2ИЛИ сохраняется состояние “плато” с медленно возрастающим напряжением для треков в диапазоне LET = 50–90 МэВ · см²/мг (рис. 5б), обусловленное динамическим сохранением баланса напряжения на емкости выходного узла 2ИЛИ, поддерживаемым сбором заряда электронов с трека (через обратно смещенные pn‑переходы сток-подложка двух NМОП транзисторов с общей областью стоков) и зарядом узла 2ИЛИ током цепочки из двух открытых PМОП транзисторов P2.1 и P2.2 группы Gr2P (схема на рис. 1а). Состояние “плато” формирует задержку образования на выходе 2ИЛИ импульса помехи положительной полярности.

Формирование фронта импульса помехи положительной полярности на выходе 2ИЛИ происходит за счет заряда емкости узла выхода 2ИЛИ током открытого PМОП транзистора инвертора. Этот процесс начинается при нарушении баланса, обеспечивающего “плато” как медленно возрастающего напряжения на выходе 2ИЛИ, что происходит при превышении напряжения на выходе элемента уровня V_{ВЫХ.2ИЛИ} = +(0.06–0.08) В. Нарушение баланса снижением сбора заряда электронов NМОП транзистором инвертора усиливает сбор заряда двумя NМОП транзисторами N2.1 и N2.2 узла 2ИЛИ-НЕ. Это иллюстрирует зависимость напряжения на узле 2ИЛИ-НЕ на рис. 5а при LET = 60 МэВ · см²/мг в интервале времени t = 300–400 пс, когда напряжение на узле 2ИЛИ-НЕ снижается от –0.023 до –0.1 В. В этот интервал времени t = 300–400 пс и формируется на выходе 2ИЛИ фронт помехи положительной полярности без активного сбора заряда с трека NМОП транзисторами группы Gr2N.

Фронт импульса помехи формируется зарядом емкости выходного узла 2ИЛИ током открытого PМОП транзистора инвертора при его запертом NМОП транзисторе. Амплитудные значения импульсов помех в диапазоне LET = 10–90 МэВ · см²/мг (рис. 5б) достигаются на выходе 2ИЛИ, когда NМОП транзисторы этого узла заперты, а PМОП транзисторы открыты при напряжении на узле 2ИЛИ-НЕ и входе инвертора в диапазоне 0.05–0.15 В. Увеличение сверх 0.1–0.15 В напряжения на узле 2ИЛИ-НЕ за счет заряда емкости этого узла током цепочки из двух открытых PМОП транзисторов P2.1 и P2.2 переключает инвертор, что снижает напряжение на выходе 2ИЛИ и восстанавливает исходное стационарное значение V_{ВЫХ.2ИЛИ} = 0 В. После завершения формирования на выходе 2ИЛИ импульса помехи продолжается заряд емкости узла 2ИЛИ-НЕ током открытых PМОП транзисторов этого узла до установления на нем напряжения шины питания V_И.П = 1 В.

3.3. Особенности сбора заряда с трека в элементе 3ИЛИ

На рис. 6 приведены зависимости, иллюстрирующие формирование импульсов помех на узлах элемента 3ИЛИ при сигналах на входах мажоритарного элемента A = B = C = 0. Трек возникает при t = 100 пс.

Рис. 6.

Зависимости напряжений на узлах элемента 3ИЛИ при сигналах на TMG входах А = B = C = 0, точки входа трека в элемент 3ИЛИ-НЕ группы Gr4N: (а) трек с LET = 60 МэВ · см²/мг, точки входа трека 4n, 5n и 6n; (б) точки входа трека 4n (сплошные линии) LET = 20–80 МэВ · см²/мг, 5n (штриховая линия) LET = 60 МэВ · см²/мг.

На рис. 2в приведен эскиз топологии элемента 3ИЛИ. Точки входа трека находятся в группе NМОП транзисторов Gr4N. Маркером “звездочка” на рис. 2в отмечены точки входа трека одиночной частицы с направлением трека по нормали к поверхности приборной модели. Точка входа трека 4n соответствует треку при значениях линейной передачи энергии на трек в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг. Точки входа трека 4n, 5n и 6n соответствует трекам с LET = 60 МэВ · см²/мг.

В случае элемента ИЛИ после переключения инвертора при образовании трека как с точкой входа трека 4n, так и 5n, то при дальнейшем сборе заряда NМОП транзистором инвертора происходит снижение напряжения на его стоке (выходе 3ИЛИ) до минимума (рис. 6), характерного для конкретного значения LET. На рис. 6а приведены зависимости напряжений на узлах элемента 3ИЛИ; на рис. 6б – для элемента 3ИЛИ с треками с точкой входа 4n при значениях линейной передачи энергии на трек в диапазоне 10–80 МэВ · см²/мг.

Для элемента 3ИЛИ с точкой входа трека 4n в случае, когда минимум напряжения на выходе 3ИЛИ попадает в диапазон V_{МИН.ИЛИ4n} = +(0.02–0.04) В, то на выходном узле 3ИЛИ образуется “плато” с последующим незначительно возрастающим напряжением (рис. 6б), что формирует задержку начала формирования импульса помехи и уменьшает длительность импульса помехи. Образование “плато” происходит при LET > 40 МэВ · см²/мг (рис. 6б). На рис. 6б приведена для примера только одна зависимость для точки входа трека 5n при LET = 60 МэВ · см²/мг (штриховая линия). Эта зависимость на начальном этапе сбора заряда с трека до 300 пс заметно отличается из-за задержки диффузионного распространения заряда до NМОП транзистора N4.4 инвертора (см. рис. 2в) по сравнению с зависимостью для точки входа трека 4n при том же LET = 60 МэВ · см²/мг (сплошная линия на рис. 6б), что исключает образование “плато” и увеличивает длительность импульса помехи по уровню 0.7 В.

Фронт импульса помехи на выходе элемента 3ИЛИ для трека с точками входа 4n, 5n формируется, как и в случае элемента 2ИЛИ, увеличением напряжения на узле выхода 3ИЛИ за счет заряда емкости узла током открытого PМОП транзистора инвертора до окончания сбора и вывода заряда NМОП транзисторами узла ИЛИ-НЕ. Амплитудные значения импульсов помех на выходе 3ИЛИ при всех LET = 10–90 МэВ · см²/мг достигаются при напряжениях на узле ИЛИ-НЕ как и в элементе 2ИЛИ диапазоне 0–0.1 В (рис. 6а) при запертом по затвору NМОП транзисторе инвертора.

В табл. 1 приведены значения экстремумов напряжений на выходах элементов 2И, 2ИЛИ и 3ИЛИ относительно напряжения на общей шине 0 В после переключения инвертора элемента, вызванного сбором заряда запертым транзистором инвертора.

Таблица 1.

Значения экстремумов напряжения на выходах элементов относительно напряжения на общей шине 0 В: V_МАКС(LET) на выходе элемента 2И, V_МИН(LET) в элементах 2ИЛИ, 3ИЛИ для LET в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг

LET, МэВ · см²/мг	10	20	30	40	50	60	70	80	90
V_МАКС.2И (4p), В	0.100	0.190	0.273	0.370	0.427	0.505	0.685	0.661	0.735
V_{МИН.2ИЛИ} (4n), В	0.868	0.553	0.047	0.006	0.001	0.001	0.002	0.004	0.005
V_{МИН.3ИЛИ} (4n), В	0.920	0.735	0.320	0.075	0.040	0.030	0.020	0.020	0.020
V_{МИН.3ИЛИ} (5n), В	0.977	0.95	0.90	0.77	0.59	0.36	0.17	0.105	0.083

В табл. 1 “жирным” шрифтом отмечены напряжения на выходах элементов, когда начинается образовываться “плато” при данном LET, что говорит об образовании процесса, существенно укорачивающего длительность помехи. В элементе 2И плато не образуется, в элементе 2ИЛИ плато образуется для LET = 40–90 МэВ · см²/мг, а в элементе 3ИЛИ для LET = 60–90 МэВ · см²/мг при точке входа трека 4n и всего лишь для LET = = 80–90 МэВ · см²/мг при точке входа трека 5n.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ПОМЕХ В ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

4.1. Элемент 2И

Импульс помехи на выходе логического элемента становится ложным сигналом, когда его амплитуда превышает порог переключения следующего элемента в цепочке.

Временные параметры включают длительности импульсов помех на выходах элементов и задержек их образования относительно момента смены сигналов на входах элементов. Эти длительности на выходе элементов И, ИЛИ и узлах И-НЕ, ИЛИ-НЕ определены по уровню 0.7 В относительно пьедесталов импульсов помех. Значения задержки импульса помехи определены до момента времени достижения фронтом импульса помехи на выходе элемента порогового уровня, от которого отсчитывается длительность импульса помехи.

Зависимости на рис. 7 характеризуют параметры импульсов помех в элементе 2И с точкой входа трека 4p в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг при сигналах на входах мажоритарного элемента A = B = 1, C = 0.

Рис. 7.

Длительности импульса помехи и его задержки на выходе элемента 2И, длительность импульса помехи на узле 2И-НЕ в зависимости от линейной передачи энергии частицей на трек при точке входа трека 4p в группе транзисторов Gr1P элемента И, на входах A = B = 1, C = 0.

Длительность импульса помехи на узле 2И-НЕ t_{ИМП.2И-НЕ} элемента 2И возрастает практически линейно, начиная с 30 до 90 МэВ · см²/мг.

Длительность задержки фронта импульса помехи t_{ЗД.ИМП.2И} (рис. 7) элемента И возрастает практически синхронно с увеличением длительности импульса помехи на узле И-НЕ t_{ИМП.2И-НЕ} с разницей между значениями их длительностей 100–110 пс.

Длительность импульса помехи на выходе И повторяет с небольшим увеличением (рис. 7) длительность импульса помехи на узле 2И-НЕ в интервале LET = 10–20 МэВ · см²/мг, а начиная с 30 МэВ · см²/мг, длительность импульсов помех на выходе 2И снижается, ограничиваясь значениями 140–150 пс, что сохраняется до LET = 90 МэВ · см²/мг.

4.2. Элемент 2ИЛИ

На рис. 8 приведены зависимости временных параметров импульсов помех элемента 2ИЛИ с точкой входа трека 4n для LET в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг при сигналах на входах мажоритарного элемента A = B = C = 0.

Рис. 8.

Длительности импульса помехи и его задержки на выходе элемента 2ИЛИ, длительность импульса помехи на узле ИЛИ-НЕ в зависимости от линейной передачи энергии частицей на трек при точке входа трека 4n в группе транзисторов Gr2N элемента ИЛИ, на входах A = B = C = 0.

Длительность импульса помехи на узле 2ИЛИ-НЕ t_{ИМП.2ИЛИ-НЕ} возрастает линейно при значениях LET в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг и может быть оценена по следующему выражению: t_{ИМП.2ИЛИ-НЕ} = 95.5 пс + 5.0 × (LET/LET₁) пс, где LET₁ = 1 МэВ · см²/мг – коэффициент нормировки.

Длительность задержки фронта импульса помехи t_{ЗД.ИМП.2ИЛИ} элемента 2ИЛИ при точке входа трека 4n возрастает практически линейно при значениях LET ≥ 20 МэВ · см²/мг.

Длительность импульса помехи на выходе элемента 2ИЛИ t_{ИМП.2ИЛИ} (рис. 8) монотонно снижается от значения 125 до 80 пс в диапазоне LET от 10 до 50 МэВ · см²/мг и далее снижается до 43 пс при увеличении LET до 90 МэВ · см²/мг.

При всех LET = 10–90 МэВ · см²/мг момент окончания сбора заряда с трека наступает, когда напряжение на узлах ИЛИ-НЕ из области отрицательных значений переходит в положительные, то есть при 0 В на узле ИЛИ-НЕ. Через 10–25 пс после этого момента импульс помехи на выходе элементов ИЛИ достигает максимального амплитудного значения, при этом напряжение на узле ИЛИ-НЕ и входе инвертора имеет значение (0.1 ± 0.02) В, когда NМОП транзистор инвертора еще заперт, а напряжение на его стоке равно амплитудному значению импульса помехи.

4.3. Элемент 3ИЛИ

На рис. 9 приведены зависимости временных параметров импульсов помех на выходе элемента 3ИЛИ с точками входа трека 4n и 5n в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг линейного переноса энергии на трек при сигналах на входах мажоритарного элемента A = B = C = 0. Эти зависимости включают длительности импульсов отрицательной полярности на узле 3ИЛИ-НЕ t_{ИМП.3ИЛИ-НЕ} по уровню 0.3 В, длительности импульсов помех на выходе 3ИЛИ t_{ИМП.3ИЛИ} по уровню 0.7 В, а также зависимости задержки нарастания импульса помехи на выходе 3ИЛИ t_{ЗД.ИМП.3ИЛИ} до уровня 0.7 В.

Рис. 9.

Длительности импульсов помех на выходе элемента 3ИЛИ, узле 3ИЛИ-НЕ и длительности задержки импульса помех на выходе элемента 3ИЛИ в зависимости от линейной передачи энергии частицей на трек при точках входа трека 4n и 5n в группе транзисторов Gr4N элемента 3ИЛИ.

Длительности импульсов помех, возникающих при сборе заряда на узле 3ИЛИ-НЕ для точек входа трека 4n и 5n, являются линейными функциями переноса энергии отдельными частицами на трек. Эти зависимости на рис. 9 практически одинаковы в диапазоне 10–90 МэВ · см²/мг для входных точек трека 4n и 5n и не зависят от положения трека как 6n (рис. 6а). Эти зависимости для узла 3ИЛИ-НЕ характеризуют суммарный собранный заряд с трека в группе Gr4N из четырех NМОП транзисторов (рис. 2в) для соответствующего значения LET частицы. Длительности импульсов на узле 2ИЛИ-НЕ t_{ИМП.2ИЛИ-НЕ} элемента 2ИЛИ меньше в 1.24–1.36 раза, чем длительности импульсов на узле 3ИЛИ-НЕ t_{ИМП.3ИЛИ-НЕ} элемента 3ИЛИ при тех же LET в диапазоне 20–90 МэВ · см²/мг.

Длительность импульса помехи, образующегося на узле 3ИЛИ-НЕ элементов 3ИЛИ возрастает линейно в зависимости от LET в диапазоне 20–90 МэВ · см²/мг и может быть оценена по следующему выражению:

${{t}_{{{\text{ИМП}}{\text{.3ИЛИ - НЕ}}}}} = 97.5{\text{ пс + }}\,\,7.3 \times ({{{\text{LET}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{LET}}} {{\text{LE}}{{{\text{T}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{LE}}{{{\text{T}}}_{1}}}}){\text{ пс}},$

где LET₁ = 1 МэВ · см²/мг – коэффициент нормировки.

Длительность импульса помехи на выходе 3ИЛИ t_{ИМП.3ИЛИ} повторяет с небольшим увеличением длительность импульса на узле 3ИЛИ-НЕ t_{ИМП.3ИЛИ-НЕ} (рис. 9) в интервале LET = 10–20 МэВ · см²/мг при треке с точкой входа 4n и в интервале LET = 10–40 МэВ · см²/мг при треке с точкой входа 5n. При этом происходит просто инверсия на выход 3ИЛИ импульса с узла 3ИЛИ-НЕ с небольшой дополнительной задержкой. Снижение длительности импульса помехи выходе 3ИЛИ происходит при LET более 30 МэВ · см²/мг для трека с точкой входа 4n и при LET более 40 МэВ · см²/мг для трека с точкой входа 5n (рис. 9). Длительность импульсов помех снижается до уровня 250 пс для точки трека 4n и до 350 пс для точки входа трека 5n для элемента 3ИЛИ.

Длительность задержки нарастания импульса помехи до уровня 0.7 В на выходе 3ИЛИ t_{ЗД.ИМП.3ИЛИ} (рис. 9) является практически линейной функцией значений LET, начиная с 30 МэВ · см²/мг для входной точки трека 4n, и с 50 МэВ · см²/мг для точки 5n. Разница между длительностью импульса на узле 3ИЛИ-НЕ t_{ИМП.3ИЛИ-НЕ} и длительностью задержки импульса помехи на выходе 3ИЛИ t_{ЗД.ИМП.3ИЛИ} составляет 200–265 пс при точке входа трека 4n и 310–330 пс при точке входа трека 5n. Для точки входа трека 4n значения задержки увеличиваются на 60 пс (рис. 9) при каждом приращении LET на 10 МэВ · см²/мг из-за удлинения “плато” уровня напряжения перед импульсом помехи. Задержки в случае точки входа трека 5n при отсутствии “плато” меньше на 60–110 пс.

Общим результатом для элементов 2ИЛИ и 3ИЛИ при сборе заряда электронов при точках входа трека 4n является линейная зависимость длительности задержки нарастания импульсов t_{ЗД.ПОМ.ИЛИ} от значения LET ≥ 30 МэВ · см²/мг, а также незначительное отличие задержек образования импульсов помех по уровню 0.7 В у элемента 3ИЛИ t_{ЗД.ИМП.3ИЛИ} (рис. 9) по сравнению с задержками в элементе 2ИЛИ t_{ЗД.ИМП.2ИЛИ} (рис. 8) – всего на 35–15 пс больше у элемента 3ИЛИ для LET = 40–70 МэВ · см²/мг. Введение транзисторов дополнительного инвертора снижает задержки нарастания импульса помехи [4] на выходах элементов 2ИЛИ и 3ИЛИ на 60–35 пс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный анализ особенностей элементов полезен при проектировании КМОП микропроцессорных систем космического назначения. Моделирование характеристик сбора заряда с треков одиночных частиц средствами TCAD проведено для точек входа трека в области групп транзисторов КМОП логических элементов, содержащих по три и четыре транзистора. Эти транзисторы активно участвуют в сборе заряда с треков одиночных ионизирующих частиц и воздействия на эти группы приводят к возникновению на выходах элементов импульсов помех. В результате проведенного исследования установлено, что увеличение задержки образования импульсов помехи на выходах логических элементов ИЛИ и И при сборе заряда с трека группами из трех транзисторов, выполненных в минимальном объеме кремния, ограниченном мелкой траншейной изоляцией, приводит к уменьшению длительности импульсов помех при треках с линейной передачей энергии свыше 30–40 МэВ · см²/мг за счет эффекта блокировки сбора заряда транзисторами инверторов элементов И и ИЛИ. Длительности импульсов помех на выходе элемента И, ИЛИ и соответственно на выходе TMG при сборе заряда с трека с точкой входа в группы И-НЕ и ИЛИ-НЕ элементов за счет эффекта коррекции для элемента 2И не превышают 150 пс, на выходе 2ИЛИ не превышают 50–100 и 250–350 пс на выходе 3ИЛИ. Минимальные длительности помех наблюдаются в варианте TMG, выполненном только на 2-входовых элементах И и ИЛИ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-07-00651.

Список литературы

Dodd P.E., Shaneyfelt M.R., Felix J.A., Shwank J.R. Production and propagation of single-event transients in high-speed digital logic ICs // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2004. V. 51. № 6. P. 3278–3284.
Dodd P.E., Massengill L.W. Basic mechanisms and modeling of single-event upset in digital microelectronics // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2003. V. 50. № 3. P. 583–602.
Atkinson N.M., Witulski A.F., Holman W.T., Ahlbin J.R., Bhuva B.L., Massengill L.W. Layout technique for single-event transient mitigation via pulse quenching // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2011. V. 58. № 3. P. 885–890.
Катунин Ю.В., Стенин В.Я. Моделирование воздействия одиночных ионизирующих частиц на логические элементы КМОП тройного мажоритарного элемента // Микроэлектроника. 2020. Т. 49. № 3. С. 230–240.
Oliveira Ingrid F.V., Schvittz R.B., Butzen P.F. Fault masking ratio analysis of majority voters topologies // IEEE 19th Latin-American Test Symposium (LATS). 2018. P. 1–6.
Schrape O., Breitenreiter A., Andjelkovic M., Krstic M. D-SET Mitigation Using Common Clock Tree Insertion Techniques for Triple-Clock TMR Flip-Flop // 21st Euromicro Conference on Digital System Design (DSD). 2018. P. 201–205.
Ne Kyaw Zwa Lwin, Sivaramakrishnan H., Kwen-Siong Chong, Tong Lin, Wei Shu, Chang J.S. Single-Event-Transient Resilient Memory for DSP in Space Applications // IEEE 23rd International Conference on Digital Signal Processing (DSP). 2018. P. 1–5.
Blum D.R., Delgado-Frias J.G. Delay and Energy Analysis of SEU and SET-Tolerant Pipeline Latches and Flip-Flops // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009. V. 56. № 3. P. 1618–1628.
Стенин В.Я. Моделирование характеристик КМОП 28-нм ячеек DICE в нестационарных состояниях, вызванных воздействием одиночных ядерных частиц // Микроэлектроника. 2015. Т. 44. № 5. С. 368–379
Стенин В.Я., Катунин Ю.В., Степанов П.В. Сбоеустойчивые ОЗУ на основе STG DICE элементов памяти с разделенными на две группы транзисторами // Микроэлектроника. 2016. Т. 45. № 6. С. 456–470.
Jianwei Zhang, Yajun Li, Tao Han, Jinghu Li. Radiation Hardened Design Based on TMR_5DFF for ASIC // IEEE 5th International Conference on Computer and Communications (ICCC). 2019. P. 981–986.
Garg R., Khatri S.P. Analysis and design of resilient VLSI circuits: mitigating soft errors and process variations. New York: Springer, 2010. P. 194–205.
Soft errors in Modern Electronic Systems / Nicolaidis M., Ed. New York: Springer, 2011. P. 27–54.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал