Современные микросхемы, в силу масштабирования технологических размеров, уменьшения напряжения питания и внутренних емкостей, становятся все более чувствительными к воздействию ТЗЧ. Традиционные специализированные ячейки, устойчивые к воздействию ТЗЧ, теряют свое преимущество вследствие воздействия тяжелых частиц на несколько чувствительных областей. В данной работе представлен разработанный набор радиационно-стойких D триггеров с сигналами сброса, установки и без них на основе DICE элемента в технологическом базисе КНИ 200 нм.

УДК 621.382+621.396.6
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.418.423

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под ред. Л.И. Трахтенберга, М.Я. Мельникова
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #9/2018
Фатеев Иван Александрович, Шалашова Елена Сергеевна
Разработка набора триггеров в базисе КМОП КНИ с повышенной устойчивостью к воздействию ТЗЧ
Просмотры: 3718
Современные микросхемы, в силу масштабирования технологических размеров, уменьшения напряжения питания и внутренних емкостей, становятся все более чувствительными к воздействию ТЗЧ. Традиционные специализированные ячейки, устойчивые к воздействию ТЗЧ, теряют свое преимущество вследствие воздействия тяжелых частиц на несколько чувствительных областей. В данной работе представлен разработанный набор радиационно-стойких D триггеров с сигналами сброса, установки и без них на основе DICE элемента в технологическом базисе КНИ 200 нм.

УДК 621.382+621.396.6
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.418.423
Бортовая аппаратура в течение срока эксплуатации подвергается воздействию различных факторов космического пространства, которые вызывают сбои и повреждения комплектующих бортовой аппаратуры. Поэтому для обеспечения длительного срока службы аппаратуры важную роль играет стойкость оборудования к воздействию ионизирующего излучения (ИИ). Основными источниками ИИ космического пространства являются солнечные космические лучи (СКЛ), галактические космические лучи (ГКЛ), естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ) (табл. 1) [1, 2].
Радиационное излучение космического пространства может вызвать нежелательные эффекты в полупроводниковых устройствах, которые можно условно разделить на локальные или одиночные и дозовые. С уменьшением проектных норм дозовые эффекты проявляются в меньшей степени. По мере увеличения степени интеграции на первый план выходят случайные одиночные события (Single Event Effect, SEE) [3, 4].
Одиночные эффекты возникают при попадании в полупроводник тяжелой заряженной частицы, могут происходить случайно и характеризуются вероятностью возникновения. Тяжелая заряженная частица (ТЗЧ) оставляет за собой ионизационный трек, диаметр которого увеличивается с увеличением энергии частицы. Чувствительной областью в ИС является обратно-смещенный p-n-переход [2]. Электронно-дырочные пары, высвобождаемые пролетающим ионом, вызывают импульс тока и напряжения, в результате могут возникнуть сбои или отказы.

Одиночные радиационные эффекты (ОРЭ) можно разделить на обратимые и необратимые. Вторая группа эффектов является более опасной, так как приводит к разрушающим последствиям. К ним относятся: одиночное защелкивание или тиристорный эффект (Single Event Latchup, SEL), пробой подзатворного диэлектрика (Single Event Gate Rupture,SEGR) и другие. Выделяют такие виды обратимых сбоев: инвертирование данных в элементе памяти без потери работоспособности (Single Event Upset, SEU), изменение логического состояния узла в комбинационной логике, которое дальше распространяется по схеме (Single Event Transient, SET), функциональное прерывание работы схемы (Single Event Functional Interrupt, SEFI). [1, 3, 4]. Значительная доля функциональных сбоев обусловлена одиночными эффектами в управляющих регистрах и в памяти, в то же время заметная доля функциональных отказов обусловлена тиристорными эффектами в КМОП интегральных схемах. Таким образом, SEU и SET являются наиболее критичными локальными эффектами для современных интегральных схем (ИС) с высокой степенью интеграции.
В конструктивных методах повышения стойкости СБИС обычно применяются специализированные ячейки памяти и триггера с повышенной устойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц (DICE, NASA, TMR и их модификации) [5]. В данной работе предпочтение отдано триггерам на базе ячейки DICE (Dual Interlocked Cell) [2]. DICE структура (рис. 1) представляет собой ячейку памяти, в которой используется дублирование данных. Таким образом, если частица поражает чувствительный узел 0 или 1, то особая схема соединения транзисторов предотвращает распространение сбоя во вторую копию данных 2 или 3, а пораженный узел по обратным связям восстанавливает свое первоначальное состояние спустя некоторое время.
С развитием технологий наблюдается тенденция уменьшения проектных норм, соответственно, расстояния между элементами сокращаются. Эффективный диаметр трека ТЗЧ — порядка микрона, например, при энергии протона в 1ГэВ диаметр трека более чем 0,9 мкм [6]. За счет сближения чувствительных областей растет вероятность воздействия ТЗЧ, падающей под пологим углом сразу на несколько узлов, что снижает эффективность применения DICE архитектуры. Принимая во внимание выше сказанное, повышению стойкости к одиночным сбоям от тяжелых заряженных частиц способствует увеличение расстояния между чувствительными стоками транзисторов, поскольку данные будут храниться одновременно в обоих узлах, разнесенных друг от друга, это поможет предотвратить изменение состояния ячейки [7, 8].
В целях защиты от случайных одиночных эффектов (SEE) в работе использовалась DICE ячейка, на основе которой разработан набор D-триггеров с асинхронными сигналами установки, сброса и без них по технологии КНИ 200 нм. Чтобы предотвратить распространение переходного процесса, на выходе триггера стоит C-элемент, который меняет выходное значение при одинаковых сигналах на входах. При дифференциальных сигналах переходит в Z и на нагрузочной емкости хранится предыдущее состояние [8]. На рис. 2 изображена схема триггера с сигналом сброса RN и выходом Q.
Проанализировав схему, изображенную на рис. 1, выделены наборы чувствительных узлов: при Q = 1, стоки транзисторов N0, N2, P1, P3, RN являются чувствительными областями, взаимное расположение между которыми необходимо учитывать на этапе проектирования топологии, при Q = 0, чувствительными областями будут стоки транзисторов N1, N3, P0, P2.
На рис. 3 представлена топология D-триггера с сигналом асинхронного сброса RN, отмечены расстояния между чувствительными парами p-n-переходов, находящихся при обратном смещении в одном из логических состояний. Для эффективного использования площади и обеспечения максимальных расстояний между чувствительными наборами, транзисторы из двух защелок были перемешаны между собой, при этом искусственно площадь не увеличивалась.
На рис. 4 представлена схема D-триггера с сигналом предустановки SN. В чувствительные области добавляются стоки транзисторов с сигналом SN. Топология схемы показана на рис. 5.
В табл. 2 и 3 приведены расстояния между стоками транзисторов, находящихся при обратном смещении, которые могут привести к сбою при одновременном воздействии на них ТЗЧ. Таким образом, увеличение расстояния между чувствительными областями транзисторов уменьшает сектор воздействия ТЗЧ в изотропном пространстве, снижая вероятность инверсии данных в DICE защелке. Использование С-элемента на выходе блокирует распространение SET по нагруженной схеме.
В рамках данной работы также проектировались топология триггера без сигналов сброса и предустановки и триггер, в топологии которого не применялось перемешивание двух разных защелок и, соответственно, не увеличивались расстояния между чувствительными областями. Сравнение площадей триггеров, представленных в табл. 4, показывает, что площадь триггера без дополнительных сигналов меньше площади триггера с сигналом сброса или предустановки на 8 %, но расстояния между критичными узлами также уменьшились. Разнесение чувствительных стоков транзисторов приводит к увеличению площади на 5 % относительно такого же триггера без использования данного метода.
ВЫВОДЫ
В работе представлен разработанный набор D-триггеров с асинхронными сигналами установки, сброса и без них на основе DICE архитектуры с уникальной схемотехнической реализацией. Топология была разработана по технологии КНИ 200 нм. Произведен анализ чувствительных узлов триггера. Выделены наборы транзисторов, взаимное размещение которых влияет на устойчивость триггера к воздействию тяжелых заряженных частиц и требует внимания.
Представлена топология вышеперечисленных вариантов триггера, для создания которой использовался САПР компании Cadence. Произведена экстракция паразитных параметров с помощью продукта компании Mentor Graphics Calibre. На основе этих данных посчитаны времена фронта, среза и задержки (табл. 5).
При создании топологии учитывалось взаимное расположение чувствительных узлов. Для эффективного использования площади и обеспечения максимальных расстояний между стоками, транзисторы из двух защелок были перемешаны между собой, при этом искусственно площадь не увеличивалась. Минимальное расстояние между чувствительными узлами получилось 7,331 мкм, в то время как при обычном расположении расстояние составляло 1,55 мкм. Представленная модификация D-триггера увеличивает площадь на 5 %, но может повысить устойчивость к одиночным сбоям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 2004. — 320 с.
2. Таперо К. И., Улимов В. Н., Членов А. М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. — М.: Бином, 2012. — 306 с.
3. Calin T., Nicolaidis M., and Velazco R. Upset Hardened Memory Design for Submicron CMOS Technology // Nuclear Science, IEEE Transactions on — 1996, Vol. 43, Issue 6, Part 1, pp. 2874–2878.
4. Зебрев Г. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции. — М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — C. 148.
5. Долотов П. С. Устойчивые к воздействию тяжелых заряженных частиц КМОП блоки статического ОЗУ на основе технологий объемного кремния и «кремний на изоляторе»: дис. канд. техн. наук: 05.13.05/Долотов Павел Сергеевич. Москва, 2015. 183 с.
6. Ольчев С. И., Стенин В. Я. Анализ сбоеустойчивости триггерных элементов с двухфазной структурой // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — С. 29–38.
7. Стенин В. Я., Черкасов И. Г. Влияние топологии субмикронных КМОП ячеек памяти DICE на чувствительность ОЗУ к воздействию отдельных ядерных частиц // Микроэлектроника. 2011. Т. 40. № 3. — С. 184–190.
8. Стенин В. Я., Степанов П. В. Проектирование базовых элементов памяти на основе ячеек DICE для сбоеустойчивых КМОП 28 нм ОЗУ // МЭС-2014.
9. Mitra S., Zhang M., Waqas S., Seifert N., Gill B., and Kim K. Combinational Logic Soft Error Correction // in Proc. IEEE International Test Conf. on — 2006, pp. 824–832.
10. Lilja K., Bounasser M., Wen S., Wong R., Holst J., Gaspard N., Jagannathan S., Loveless D., Bhuva B. Single-event Performance and Layout Optimization of Flip-flops in a 28-nm Bulk Technology // IEEE Transactions on Nuclear Science — 2013, Vol. 60. № 4, pp. 2782–2788
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art