Микроэлектроника, 2020, T. 49, № 5, стр. 353-365

Моделирование переходных процессов в мажоритарном элементе при переключении и сборе заряда с трека одиночной частицы

В. Я. Стенин ab*, Ю. В. Катунин b**

a Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
Москва, Каширское шоссе, 31, Россия

b НИИ системных исследований Российской академии наук
117218 Москва, Нахимовский проспект, 36, корп. 1, Россия

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

Поступила в редакцию 21.01.2020
После доработки 27.01.2020
Принята к публикации 13.02.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приводятся результаты моделирования тройного мажоритарного элемента при сборе его транзисторами заряда с трека частицы и одновременном переключении по входам. Моделирование проведено с использованием 3D TCAD физических моделей КМОП транзисторов по проектной норме 65-нм объемной технологии при треках с линейным переносом частицей на них энергии 60 МэВ ∙ см2/мг. Установлено, что длительность нестационарного состояния элементов И и ИЛИ в составе мажоритарного элемента при сборе заряда и одновременном переключении по входам практически не зависит от момента образования трека для каждой конкретной точки входа трека в группу транзисторов. При начале сбора заряда до сигналов переключения происходит либо опережающее во времени переключение элементов до появления сигналов переключения на входах, в случаях, когда заряд начинают собирать запертые транзисторы, либо переключение с дополнительной задержкой, когда заряд начинают собирать исходно открытые транзисторы. В итоге время переключения мажоритарного элемента варьируется от 9 до 600 пс в зависимости от точки входа трека и сигналов на входах. При треках, возникающих после переключения элемента по входам, происходит образование импульса помехи на выходе элемента с длительностью того нестационарного состояния, которое характерно для данной точки входа трека.

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

1. ВВЕДЕНИЕ

Результатам исследования эффектов воздействия одиночных ионизирующих частиц посвящено большое количество публикаций. В обзоре [1] дан анализ начавшегося практического применения приборных физических моделей (physics-based device models) как двумерных (2D), так и трехмерных (3D), например, программ моделирования Davinci и Taurus компании Synopsys. В фундаментальной работе 2004 г. [2] на основе 3D моделирования Davinci цепочек КМОП инверторов с разными проектными нормами по объемной технологии было предсказано существенное ухудшении помехоустойчивости КМОП логики до уровня линейной передачи энергии на трек частицей 2 МэВ ∙ см2/мг при снижении проектной нормы до 100 нм КМОП.

Интересным результатом 3D моделирования, представленным в работе [2], был эффект перехода NМОП транзисторов КМОП инвертора с проектной нормой 0.18 мкм по объемной технологии в инверсный режим смещения при треках с линейной передаче энергии LET > 3 МэВ ∙ см2/мг с достижением инверсного смещения на стоке менее –0.7 В при LET = 7–10 МэВ ∙ см2/мг и увеличением импульса помехи до 300–500 пс при LET = 30 МэВ ∙ см2/мг.

При проектных нормах 65 нм КМОП и менее существенен диффузионный перенос носителей заряда, индуцированных на треке частицы, на транзисторы смежных элементов [3]. Эту зарядовую связь логических элементов предложено использовать для уменьшения длительности импульсов помех при совместном сборе заряда транзисторами смежных элементов (effect of quenching), что впервые показано для комбинационной КМОП логики в работе [4].

Обзор [5], опубликованный в 2013 г., подвел итоги физическим, схемным, технологическим и конструктивным исследованиям, которые в настоящее время являются основой разработки и проектирования высокопроизводительных цифровых систем, предназначенных для работы под воздействием потоков частиц малой интенсивности, то есть одиночных ядерных частиц, в частности, и эффектам, связанным с возникновением импульсов помех, приводящих к образованию ложных сигналов. В КМОП нано-размерной комбинационной логике на тактовых частотах более 1 ГГц для снижения возросшей частоты таких “мягких” сбоев (soft error rate – SER) требуются новые решения при конструктивно-топологическом проектировании.

Эффект коррекции импульсов помех за счет зарядовой связи смежных логических элементов использован при разработке топологии КМОП элементов декодеров [6], которые нашли применение в блоках суммирования выходных сигналов регистров ячеек ассоциативной памяти 65-нм КМОП буфера ассоциативной трансляции [7] микропроцессора с повышенной помехоустойчивостью, а также при разработке мажоритарных элементов по проектной норме 65-нм КМОП объемной технологии [8, 9].

Цель данного исследования – моделирование средствами TCAD нестационарного состояния КМОП логических элементов и получения количественных оценок импульсов помех пикосекундного диапазона в базовых комбинационных элементах по объемной КМОП-технологии с мелкой траншейной изоляцией (shallow trench isolation – STI) транзисторов для практического применения при проектировании высокопроизводительных КМОП микропроцессорных систем, предназначенных для космического применения.

2. МАЖОРИТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С КОМБИНАЦИОННОЙ ЛОГИКОЙ И И ИЛИ

2.1. Схема тройного мажоритарного элемента

На рис. 1 приведена функциональная схема тройного мажоритарного элемента (Triple Majority Gate – TMG) на основе трех КМОП двухвходовых комбинационных логических элементов И (D1–D3) и трех-входного элемента ИЛИ D4. На рис. 1 элементы с логикой И D1 и логикой ИЛИ D4 представлены своими электрическими схемами, а элементы И D2 и D3 представлены в виде функциональных блоков. Схемы элементов И D1 и ИЛИ D4 содержат группы транзисторов соответственно элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ, а также транзисторы инверторов, в состав которых в элементе ИЛИ-НЕ включены дополнительные транзисторы для улучшения коррекции помех при сборе заряда с треков одиночных ионизирующих частиц.

Рис. 1.

Схема мажоритарного логического элемента TMG на И (D1–D3) и ИЛИ (D4) элементах.

Первая цифра в обозначениях транзисторов в элементах, например, N1.2 соответствует номеру логического элемента И (D1) и ИЛИ (D4) на рис. 1, а вторая – номеру транзистора в элементах И и ИЛИ. Каждый элемент И (рис. 1) состоит из логического элемента И-НЕ и инвертора. Группа транзисторов И-НЕ на примере И D1 выполнена на транзисторах N1.1, N1.2, P1.1, P1.2, а инвертор на транзисторах N1.3, P1.3. Выход элемента И-НЕ является внутренним узлом элемента И. Элемент ИЛИ D4 (рис. 1) состоит из логического элемента ИЛИ-НЕ и инвертора. Элемент ИЛИ-НЕ выполнен на транзисторах N4.1 – N4.3, P4.1 – P4.3, а инвертор на транзисторах N4.4, N4.5, P4.4, P4.5. Выход элемента ИЛИ-НЕ является внутренним узлом элемента ИЛИ, а выход элемента ИЛИ является выходом элемента TMG.

2.2. Моделирование сбора заряда транзисторами с трека частицы

Моделирование сбора транзисторами заряда с треков одиночных частиц проведено с использованием 3D TCAD физической модели КМОП элементов И и ИЛИ по проектной норме 65-нм КМОП объемной технологии, изображение структуры которой приведено на рис. 2. Как тестовое воздействие принят сбор заряда с трека, направленного по нормали к поверхности приборной части модели элемента (примеры треков T1N, T1P, T4N и T4P приведены на рис. 2).

Рис. 2.

Приборная 3D TCAD физическая модель элементов D1 (И) и D4 (ИЛИ), использованная при гибридном TCAD-SPICE моделировании мажоритарного элемента TMG на логических элементах И и ИЛИ, направления треков по нормали к поверхности приборной модели, треки обозначены как T1N, T1P, T4N и T4P в соответствии с их прохождением через группы транзисторов Gr1N, Gr1P, Gr4N и Gr4P.

Каждый из элементов И и ИЛИ на рис. 2 состоит из двух групп транзисторов, одна группа из NМОП транзисторов Gr1N или Gr4N, а вторая из PМОП транзисторов Gr1P и Gr4P. Инвертор в элементе ИЛИ состоит из двух параллельно-соединенных инверторов (рис. 1), транзисторы которых конструктивно расположены симметрично с разных сторон транзисторов элемента ИЛИ-НЕ; в группе Gr4N это транзисторы N1.4 и N1.5 и в группе Gr4P транзисторы P1.4 и P1.5 (рис. 2). Это сделано для повышения эффективности коррекции длительности импульсов помех сбором заряда транзисторами инверторов с треков одиночных частиц с разными точками входа трека в группах транзисторов ИЛИ-НЕ [9].

Ширина каналов всех транзисторов элемента И равна 400 нм, а всех транзисторов элемента ИЛИ равна 800 нм. Конструкция элементов И и ИЛИ состоит из групп транзисторов, окруженных мелкой траншейной изоляцией глубиной 400 нм (shallow trench isolation – STI). Эта траншейная изоляция удалена из изображения структуры на рис. 2 для лучшей наглядности компоновки транзисторов в группы. Области с обозначениями n+ и p+ на рис. 2 являются фрагментами охранных полос, изолирующих области NМОП от PМОП транзисторов и служащих для вывода неравновесных носителей заряда на шину питания и общую шину устройства.

В данной работе использовано гибридное TCAD-SPICE моделирование КМОП мажоритарного элемента, при котором средствами TCAD моделировались физические процессы генерации носителей заряда при передаче им энергии с трека и процессы сбора заряда транзисторами в элементах И (D1) и ИЛИ (D4). Средствами SPICE моделировались передаточные характеристики двух элементов И (D2 и D3) (рис. 1), которые обеспечивали передачу сигналов на входы элемента ИЛИ (D4).

При моделировании переходных процессов, когда совмещены переключение элемента TMG по входам и сбор заряда с трека частицы, использованы четыре точки входа треков по одной в группах Gr1N, Gr4N, Gr1P, Gr4P транзисторов элементов И и ИЛИ. Сбор заряда с этих треков приводит к импульсам помех с наибольшими амплитудами и длительностями, что установлено в работе [9]. Треки T1N, T1P, T4N и T4P с этими точками входа, которые показаны на рис. 2, используются в данной работе. Параметры расположения точек входа этих треков приведены в табл. 1.

Таблица 1.  

Параметры расположения точек входа треков, использованных при моделировании

Обозначение трека Элемент Группа транзисторов Точка входа трека
Т1N И Gr1N Сток транзистора N1.1
Т1P И Gr1P Исток транзистора P1.1
Т4N ИЛИ Gr4N Общие истоки N4.2 и N4.3
Т4P ИЛИ Gr4P Исток P4.3 и сток P4.2

Приборное моделирование КМОП транзисторов по объемной 65-нм технологии (с длиной канала 65 нм) проведено на основе 3D TCAD моделей транзисторов, представленных в работе [10]. Полные размеры 3D приборной структуры составляют 6.4 × 10.9 мкм при толщине подложки 3.0 мкм. Энергетическая составляющая генерации заряда на треке характеризуется линейной передачей энергии частицей на трек – (linear energy transfer – LET). При моделировании использовались треки с LET = 60МэВ ∙ см2/мг. Результаты исследования получены при моделировании с использованием симулятора Sentaurus Device при температуре 25°С и напряжении питания 1.0 В.

3. ПАРАМЕТРЫ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ИХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ ПО ВХОДАМ И ОДНОВРЕМЕННОМ СБОРЕ ЗАРЯДА С ТРЕКА ОДИНОЧНОЙ ЧАСТИЦЫ

В любом логическом состоянии элемента И (ИЛИ) есть NМОП или PМОП транзисторы в группах И-НЕ (ИЛИ-НЕ), которые заперты при входных сигналах “0” либо “1”. Сбор заряда запертыми транзисторами с трека одиночной частицы, проходящего через группу И-НЕ (ИЛИ-НЕ), приводит к изменению напряжений на узлах элемента И (ИЛИ) такому же, что и при переключении логических сигналов на входах элемента TMG. Исходно запертые транзисторы при сборе заряда переходят в состояние, близкое к открытому, что переключает инвертор и меняет логическое состояние на выходе элемента И (ИЛИ). Такое изменение состояния транзисторов является опережающим переключением элемента TMG и в этом состоянии транзисторы остаются, если сигналы на входах элемента переключатся до окончания сбора заряда с трека.

Если трек проходит через исходно открытые транзисторы в группе И-НЕ (ИЛИ-НЕ), то при сборе заряда они переходят чаще всего в инверсное состояние или близкое к нему, что сохраняет транзисторы того же типа канала в инверторе в исходно запертом состоянии. Запертые транзисторы инвертора начинают собирать заряд с трека, что затягивает процесс переключения элемента, приводя в итоге к дополнительной задержке переключения элемента TMG.

Если возникновение трека и начало сбора заряда происходят после переключения сигналов на входах элемента, то изменение напряжения на его выходе при сборе заряда с трека является импульсом помехи или ложным сигналом для последующего элемента в цепочке.

3.1. Длительности нестационарных состояний элементов при сборе заряда с трека

Алгоритм работы тройного мажоритарного элемента (Triple Majority Gate – TMG) заключается в сравнении трех входных сигналов и образовании такого выходного сигнала, который соответствует совпадению как минимум двух входных сигналов из трех. При моделировании в данной работе используются два варианта переключения элемента TMG. Первый вариант переключения входов TMG из “0” в “1” при изменении сигналов на входах из A = B = C = 0 в A = B =1, C = 0. Второй вариант переключения входов TMG из “1” в “0” при изменении сигналов на входах из A = B = 1, C = 0 в A = B = C = 0. Когда два из трех входных сигналов TMG совпадают, то эти два сигнала управляют правильным переключением только одного из трех элементов И. Поэтому для получения достоверных данных о влиянии сбора заряда с трека частицы при одновременном переключении по входам элемента TMG достаточно моделирования средствами TCAD одного из элементов И, а именно D1, с заданными переключениями входных сигналов.

При моделировании использованы треки частиц с точками входа в наиболее чувствительные к сбору заряда области в группах NМОП и PМОП транзисторов, которые установлены ранее в работе [9] для мажоритарного элемента по 65-нм КМОП объемной технологии. Моделирование проведено с использованием этих четырех треков для пяти моментов времени возникновения каждого трека относительно начала смены сигналов на входах TMG элемента. Два трека (при 100 и 160 пс) образуются до момента начала переключения TMG по входам при tПЕР = 200 пс, трек при 220 пс образуются сразу с изменением сигналов на входах элемента TMG при tПЕР = 200 пс и два трека (при 260 и 300 пс) после завершения переключения элемента.

Параметром количественного сопоставления переходных процессов при сборе заряда с каждого из треков при разных моментах времени их возникновения принята длительность нестационарного состояния как элемента И, так и элемента TMG по выходу ИЛИ. Длительность нестационарного состояния tНЕСТ определялась от момента возникновения трека и начала сбора заряда до завершения переключения на выходах И (ИЛИ). Завершение переключения оценивалось по достижению уровня выходного сигнала, отличающегося на величину отклонения ΔVВЫХ = 0.3 В от “идеальных” значений логических уровней “0” и “1”, к которым устанавливался переходный процесс переключения.

В табл. 2 приведены результаты моделирование длительностей нестационарного состояния tНЕСТ элемента И при треках через элемент И и элемента TMG при треках через элемент ИЛИ с линейным переносом энергии на трек 60 МэВ ∙ см2/мг и с направлением трека по нормали к поверхности приборной части модели (рис. 2).

Таблица 2.  

Длительность нестационарного состояния tНЕСТ элементов И и TMG (ИЛИ) в зависимости от момента начала сбора заряда с трека tТР при треках с линейным переносом энергии на них 60 МэВ ∙ см2/мг

Характер переключения Опережающее переключение Переключение с дополнительной задержкой
Переключение входов “0” в “1” “1” в “0” “1” в “0” “0” в “1”
Трек в элемент И ИЛИ И ИЛИ И ИЛИ И ИЛИ
Группа Gr1N Gr4N Gr1P Gr4N Gr1N Gr4N Gr1P Gr4P
Трек T1N T4N T1P T4P T1N T4N T1P T4P
tНЕСТ, пс
при tТР = 100 пс
238 203 11 9 120 598 324 186
tНЕСТ, пс
при tТР = 160 пс
238 200 11 9 90 603 327 156
tНЕСТ, пс
при tТР = 220 пс
238 200 20 26 89 600 325 146
tНЕСТ, пс
при tТР = 260 пс
238* 200* 0* 0* 89* 597* 327* 145*
tНЕСТ, пс
при tТР = 300 пс
238* 200* 0* 0* 89* 600* 332* 145*
Рисунки для
tТР = 160 пс
Рис. 4а Рис. 5а Рис. 4б Рис. 5б Рис. 7а Рис. 8а Рис. 7б Рис. 8б

Примечание. * Данные для tТР = 260 и 300 пс соответствуют длительности импульсов помехи после завершения переключения элемента TMG по входам.

Графики зависимостей длительностей нестационарного состояния элемента И и элемента TMG в зависимости от момента возникновения трека и начала сбора заряда приведены на рис. 3 для треков с наиболее чувствительными точками входа треков в группах И-НЕ (ИЛИ-НЕ) элементов И (ИЛИ) при переключении входов TMG из “0” в “1”, а также из “1” в “0”.

Рис. 3.

Длительности нестационарных состояний логических КМОП элементов И и ИЛИ в составе мажоритарного элемента TMG в зависимости от момента начала сбора заряда с трека при режиме опережающего переключения и режиме с дополнительной задержкой при сборе заряда с трека при переключения элемента TMG из “0” в “1” и из “1” в “0” для четырех точек входа трека; сплошными линиями даны зависимости с дополнительной задержкой при сборе заряда с трека, штриховыми линиями даны зависимости с опережающим переключением относительно смены входных сигналов; треки с направлением по нормали к поверхности приборной части модели и LET = 60 МэВ ∙ см2/мг.

Зависимости напряжений на таких узлах элемента TMG как выход И, выход ИЛИ, на узлах И-НЕ и ИЛИ-НЕ сохраняются неизменными во времени, но они смещаются при изменении момента образования трека tТР. Это смещение происходит относительно момента начала переключения сигналов tПЕР = 200 пс на входах A и B элемента TMG. При этом длительности переходных процессов (нестационарных состояний) на выходах И и ИЛИ (TMG) практически не изменяются.

Из анализа результатов моделирования, приведенных в табл. 2 и на рис. 3, следует, что длительность нестационарного состояния элементов при сборе заряда и одновременном переключении по входам TMG зависит от смены конкретной точки входа трека в группу транзисторов при треках с линейным переносом энергии на них 60 МэВ ∙ см2/мг, зависит от входных сигналов, и практически не зависят от момента образования трека при заданном треке и заданных входных сигналах. Это продемонстрировано данными в табл. 2 и графиками на рис. 3 для треков в группы транзисторов И-НЕ и ИЛИ-НЕ элементов И и ИЛИ при переключении элемента TMG по входам из “0” в “1”, а также из “1” в “0”.

3.2. Особенности нестационарных состояний элементов

Можно выделить два основных режима сбора заряда с трека при переключении логического элемента по входам: 1) сбор заряда с трека, образованного до завершения переключения элемента сменой сигналов на входах; 2) сбор заряда с трека после завершения переключения элементов.

Зависимости изменения напряжений на узлах элементов И и ИЛИ для треков с моментами образования при tТР = 100, 160, 220, 260 и 300 пс повторяются при TCAD моделировании и имеют одинаковые длительности переходных процессов для конкретных сочетаний трека и изменения входных сигналов элемента TMG (см. табл. 2 и рис. 3). Для иллюстрации особенностей нестационарных состояний элементов И и ИЛИ далее в работе использованы зависимости напряжений во времени на узлах элементов с образованием трека в момент времени tТР = 160 пс, что за 40 пс до переключения мажоритарного элемента по входам при tПЕР = 200 пс.

Зависимости, характеризующие длительности нестационарных состояний на выходах элементов И и TMG (ИЛИ), делятся на две основные группы. Первая группа – это переходные процессы с опережающим переключением элементов до смены сигналов на входах, вторая группа – это переходные процессы с дополнительной задержкой переключения элементов при сборе заряда с трека.

4. ОПЕРЕЖАЮЩЕЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ СБОРЕ ЗАРЯДА С ТРЕКА, ВОЗНИКШЕГО ДО СИГНАЛОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА ПО ВХОДАМ

4.1. Переходные процессы переключения элементов И и ИЛИ

На рис. 4 и 5 приведены зависимости изменения напряжений на узлах элемента И и ИЛИ при сборе заряда с треков в режимах, вызывающих опережающее переключение элементов И и ИЛИ (TMG) при образовании трека в момент времени tТР = 160 пс и начале переключения по входам элемента при tПЕР = 200 пс. Изменения напряжений на узлах элементов при сборе заряда с трека NМОП транзисторами группы И-НЕ характеризуют зависимости на рис. 4а, а NМОП транзисторами группы ИЛИ-НЕ на рис. 5а. Опережающее переключение элемента TMG при сборе заряда с трека PМОП транзисторами группы И-НЕ характеризуют зависимости на рис. 4б и на рис. 5б при сборе заряда PМОП транзисторами группы ИЛИ-НЕ.

Рис. 4.

Зависимости напряжений на узлах элемента И мажоритарного элемента при опережающем его переключении сбором заряда с трека с LET = 60 МэВ ∙ см2/мг, образование трека при tТР = 160 пс, переключение по входам при tПЕР = = 200 пс: (а) точка входа трека T1N в группу Gr1N, переключение из А = B = C = 0 в А = B = 1, C = 0; (б) точка входа трека T1P в группу Gr1P, переключение из А = B = 1, C = 0 в А = B = C = 0.

Рис. 5.

Зависимости напряжений на узлах элемента ИЛИ мажоритарного элемента при опережающем его переключении сбором заряда с трека с LET = 60 МэВ ∙ см2/мг, образование трека при tТР = 160 пс, переключение по входам при tПЕР = 200 пс: (а) точка входа трека T4N в группу Gr4N, переключение из А = B = C = 0 в А = B = 1, C = 0; (б) точка входа трека T4P в группу Gr4P, переключение из А = B = 1, C = 0 в А = B = C = 0.

В случае треков через запертые NМОП транзисторы групп И-НЕ и ИЛИ-НЕ эти NМОП транзисторы переходят в инверсное смещение, что запирает NМОП транзисторы инверторов, приводя к опережающим переключениям (рис. 4а) сначала элемента И, а затем элемента ИЛИ либо (рис. 5а) элемента ИЛИ, а после входов TMG и элемента И. Запертые NМОП транзисторы инверторов начинают собирать заряд с трека, формируя импульсы отрицательной полярности на выходе элемента И с амплитудой 0.7 В (рис. 4а) и на выходе элемента ИЛИ с амплитудой 0.5 В (рис. 5а) после опережающего переключения. Эти импульсы можно считать продолжением нестационарного состояния длительностью 238 пс на рис. 4а и 200 пс рис. 5а.

Для треков через исходно запертые PМОП транзисторы групп И-НЕ или ИЛИ-НЕ, переходные процессы при опережающем переключении элементов И и ИЛИ (TMG) приведены на рис. 4б и рис. 5б. При треке через группу И-НЕ (рис. 4б) запертые входными сигналами PМОП транзисторы переходят в омический режим смещения с напряжением на стоках 1 В. Это запирает PМОП транзисторы инвертора элемента И и быстро приводит к опережающему переключению элемента И, что переключает элемент ИЛИ (и TMG) до смены сигналов на входах TMG.

В случае элемента ИЛИ на рис. 5б сбор заряда с трека в группу ИЛИ-НЕ осуществляет только один запертый PМОП транзистор P4.3 (рис. 1). Собранного заряда хватает, чтобы зарядить узел ИЛИ-НЕ до напряжения 0.8 В и через инвертор провести опережающее переключении элемента ИЛИ (TMG). Затем узел ИЛИ-НЕ начинает разряжаться через единственный открытый NМОП транзистор N4.3 группы ИЛИ-НЕ. Через 25 пс после опережающего переключения изменяются входные сигналы A = B элемента TMG, которые переключают выход элемента И (рис. 5б).

В случаях сбора заряда PМОП транзисторами после опережающего переключения на выходе элемента TMG образуется небольшой импульс помехи положительной полярности с амплитудой менее 0.2 В (рис. 4б и 5б), что позволяет считать это как отсутствие импульсов помех для влияния на последующие элементы при треках с tТР = 260 и 300 пс. Этому соответствуют tНЕСТ = 0 в табл. 2.

4.2. Длительности интервала времени опережения переключения элементов

Опережающие переключения элементов И и ИЛИ в четырех случаях примеров сбора заряда NМОП транзисторами и PМОП транзисторами групп И-НЕ и ИЛИ-НЕ для случая образования трека при tТР = 160 пс начинаются за 40 пс до момента t = 200 пс начала переключения входных сигналов. В случае прохождения трека через запертые NМОП или PМОП транзисторы группы И-НЕ элемента И (см. рис. 4) сразу переключается по выходу элемент И, который переключает элемент ИЛИ. При этом длительность переключения элемента TMG оказывается в пределах 30–35 пс и завершается до начала переключения сигналов на входах TMG.

В случае прохождения трека через запертые NМОП или PМОП транзисторы группы ИЛИ-НЕ (рис. 5) элемент ИЛИ сразу переключается по выходу, а уже затем после переключения сигналов на входах TMG переключается и элемент И. При этом длительность переключения элемента TMG оказывается в пределах 10 пс после возникновения трека и начала сбора с него заряда. Задержка переключения элемента И относительно изменения сигналов A = B на входах TMG в данных случаях не превышает 25 пс (рис. 5а, б) и 10 пс (рис. 5б).

Длительность опережения переключения – это разность моментов возникновения сигналов переключения элемента по входам tПЕР и момента возникновения трека tТР, приводящего к опережающему переключению элемента, tОП. ПЕР = = tПЕРtТР. Интервал времени опережения переключения уменьшается до нуля при сближении моментов образования трека и возникновения сигналов переключения элемента по входам. Зависимость приведена на рис. 6.

Рис. 6.

Интервал времени от момента начала опережающего переключения элементов И и ИЛИ в составе мажоритарного элемента TMG при сборе заряда с трека относительно момента смены переключающих сигналов на входах элемента в зависимости от момента начала сбора заряда с трека при переключении элемента TMG из “0” в “1” и из “1” в “0” для четырех точек входа трека.

5. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЗАДЕРЖКОЙ ПРИ СБОРЕ ЗАРЯДА С ТРЕКА, ВОЗНИКШЕГО ДО СИГНАЛОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА

Если транзисторы в группе И-НЕ (ИЛИ-НЕ) исходно открыты и трек проходит именно через них, то при сборе заряда они переходят чаще всего в инверсное состояние или близкое к нему, что сохраняет транзисторы того же типа в инверторе в исходном запертом состоянии. Запертые транзисторы инвертора начинают собирать заряд с трека, что приводит к дополнительной задержке переключения элемента TMG.

5.1. Переходные процессы переключения элементов И и ИЛИ

На рис. 7 приведены зависимости изменения напряжений на узлах элемента И при сборе заряда с трека в режимах, вызывающих дополнительные задержки при переключении элемента TMG, а на рис. 8 то же на узлах элемента ИЛИ. Зависимости получены при образовании трека в момент tТР = 160 пс за 40 пс до сигналов переключения элемента по входам при tПЕР = 200 пс. Моделировались треки с линейным переносом энергии на них 60 МэВ ∙ см2/мг и с направлением по нормали к поверхности приборной части модели.

Рис. 7.

Зависимости напряжений на узлах элемента И мажоритарного элемента с дополнительной задержкой переключения при сборе заряда с трека с LET = 60 МэВ ∙ см2/мг, образование трека при tТР = 160 пс, переключение по входам при tПЕР = 200 пс: (а) точка входа трека T1N в группу Gr1N, переключение из А = B = 1, C = 0 в А = B = C = 0; (б) точка входа трека T1P в группу Gr1P, переключение из А = B = C = 0 в А = B = 1, C = 0.

Рис. 8.

Зависимости напряжений на узлах элемента ИЛИ мажоритарного элемента с дополнительной задержкой переключения при сборе заряда с трека с LET = 60 МэВ ∙ см2/мг, образование трека при tТР = 160 пс, переключение по входам при tПЕР = 200 пс: (а) точка входа трека T4N в группу Gr4N, переключение из А = B = 1, C = 0 в А = B = C = 0; (б) точка входа трека T1P в группу Gr4P, переключение из А = B = C = 0 в А = B = 1, C = 0.

Изменения напряжений на узлах элемента И на рис. 7а и на узлах элемента ИЛИ на рис. 8а характеризуют переходные процессы при сборе заряда NМОП транзисторами групп И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Дополнительные задержки переключение элемента TMG при сборе заряда PМОП транзисторами групп И-НЕ и ИЛИ-НЕ характеризуют зависимости на рис. 7б для элемента И и на рис. 8б для элемента ИЛИ.

При переключении элементов И (ИЛИ) из состояния “1” в “0” в обоих случаях (рис. 7а и рис. 8а) NМОП транзисторы элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ в исходном состоянии открыты и при сборе заряда переходят в инверсное смещение, а NМОП транзисторы инверторов остаются в исходном запертом состоянии. Запертые NМОП транзисторы инвертора, собирая заряд электронов, диффундировавших до них, вызывают снижение напряжения на выходе как элемента И (рис. 7а), так и элемента ИЛИ (рис. 8а). И только после выхода NМОП транзисторов из инверсного смещения выход элементов И и ИЛИ возвращается в состояние логического нуля “0”.

В случае трека через PМОП транзисторы группы И-НЕ элемента И (рис. 7б) и группы ИЛИ-НЕ элемента ИЛИ (рис. 8б), то до переключения входов элемента TMG из “0” в “1” PМОП транзисторы вначале остаются в открытом состоянии (рис. 7б) или переходят в инверсное смещение (рис. 8б).

При переключении входов элемента TMG в “1” устанавливается запирающее напряжение 1 В на затворах PМОП транзисторов P1.1, P1.2 группы И-НЕ элемента И (схема на рис. 1) и сохраняется напряжение 1 В на узле И-НЕ, т.е. стоках транзисторов P1.1, P1.2 и затворе транзистора P1.3 инвертора (рис. 7б). PМОП транзисторы P1.1–P1.3 оказываются при малых напряжениях на стоковых pn переходах и практически не собирают заряд, который, к тому же незначительно диффундирует к транзистору P1.3 инвертора. В итоге узел И-НЕ медленно разряжается током последовательно соединенных транзисторов N1.1, N1.2, а это изменение напряжения инвертируется на выход элемента И (рис. 7б), пока на выходах элементов И и TMG не устанавливается напряжение 1 В.

В элементе ИЛИ после переключения входов элемента TMG в “1” (рис. 8б) запирается только один транзистор P4.1 из трех PМОП транзисторов группы ИЛИ-НЕ, и открывается только один транзистор N4.1 из трех NМОП транзисторов из группы И-НЕ (схема на рис. 1). Через открытый транзистор N4.1 начинает разряжаться узел ИЛИ-НЕ, понижая напряжение узла, что в итоге обеспечивает рост напряжения на выходе инвертора (выходе элемента ИЛИ и TMG) до 1 В.

5.2. Длительности задержек переключения элементов

Характер и особенности переходных процессов на узлах и длительность нестационарного состояния элемента TMG, приведенные для треков с tТР = 160 пс, полностью сохраняются для треков с моментами образования 100 и 220 пс, что получено моделированием средствами TCAD в данной работе (см. табл. 2). Более того, длительности импульсов помех для треков, образованных при tТР = 260 и 300 пс после завершения переключения элемента, совпадают с длительностями нестационарных процессов для тех же точек входа треков с той только разницей, что начинается импульс помехи с другого логического уровня после состоявшегося переключения элемента.

В табл. 3 приведены результаты моделирования длительностей задержек переключения tЗД. ПЕР элементов И и TMG относительно момента начала переключения элемента TMG по входам при треках с линейным переносом энергии 60 МэВ ∙ см2/мг и с направлением по нормали к поверхности модели. Окончание процесса переключения элемента считалось достигнутым при отклонении выходного сигнала ΔVВЫХ.0.3 = 0.3 В от идеального уровня “0” или “1” на выходе.

Таблица 3.  

Задержки переключения элементов И и TMG tЗД. ПЕР относительно момента начала переключения элемента TMG по входам tПЕР при треках с линейным переносом энергии 60 МэВ · см2/мг и с направлением по нормали к поверхности приборной части модели

Момент образования трека Длительность задержки переключения элемента И при треке через элемент И Длительность задержки переключения элемента TMG при треке через элемент ИЛИ
tТР, пс tЗД.ПЕР.И, пс при треке T1N tЗД.ПЕР.И, пс при треке T1P tЗД.ПЕР.TMG, пс при T4N tЗД.ПЕР.TMG, пс при треке T4P
100 20 224 498 86
160 50 287 563 116
220 109 345 620 166
260 89* 327* 597* 145*
300 89* 332* 600* 145*
Переключение TMG из “1” в “0” из “0” в “1” из “1” в “0” из “0” в “1”
Рисунки для tТР = 160 пс рис. 7а рис. 7б рис. 8а рис. 8б

Примечание. * Данные для tТР = 260 и 300 пс соответствуют длительностям импульсов помехи после завершения переключения элемента TMG при изменении сигналов на входах.

На рис. 9 приведены графики длительностей задержки переключения элементов И и TMG (ИЛИ) tЗД. ПЕР относительно момента начала переключения по входам TMG при сборе заряда с трека в зависимости от момента возникновения трека и начала сбора заряда для вариантов переключения элемента TMG из “0” в “1” и из “1” в “0”.

Рис. 9.

Длительности задержки переключения логических КМОП элементов И и ИЛИ в составе мажоритарного элемента TMG относительно момента начала переключения по входам TMG при переключении с дополнительной задержкой при сборе заряда с трека в зависимости от момента начала сбора заряда с трека при переключении элемента TMG из “0” в “1” и из “1” в “0” для четырех точек входа трека, треки с направлением по нормали к поверхности приборной части модели и LET = 60 МэВ ∙ см2/мг.

Задержка переключения элемента относительно момента смены сигналов на входах TMG при tПЕР = 200 пс оказывается меньше длительности нестационарного состояния элемента на интервал времени между возникновением трека tТР и до начала изменения сигналов на входах элемента tПЕР, т.е. на величину ΔtЗД. ПЕР = tПЕРtТР. Например (табл. 3), для случая tТР = 160 пс на рис. 7а длительность задержки переключения tЗД.ПЕР будет 50 пс, для случая на рис. 8а будет 563 пс, соответственно 287 пс для рис. 7б и 116 пс для рис. 8б.

При приближении момента появления трека tТР к моменту изменения сигналов на входах элемента tПЕР длительность задержки переключения увеличивается (рис. 9), приближаясь к длительности нестационарном состоянии tЗД. ПЕР = tНЕСТ при совпадении моментов возникновения трека tТР и момента смены сигналов переключения tТР = = tПЕР. Это объясняется тем, что длительность нахождения элемента в нестационарном состоянии, отсчитываемая от момента образования трека практически неизменна для конкретного трека и исходного состояния элемента. Максимальная задержка переключения наблюдается при изменении сигналов на входах непосредственно перед моментом возникновения трека, и определяется как сумма интервала времени смены сигналов на входах TMG и длительности нестационарного состояния элемента для данной точки входа трека и исходного состояния элемента.

6. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВЫВОДЫ

1. Длительность нестационарного состояния элементов И и ИЛИ при сборе заряда с трека и одновременном переключении по входам элемента TMG практически не зависит от момента образования трека для данной конкретной точки входа трека в группу транзисторов. Это обосновано переходными процессами сбора заряда с точками входа трека в группы И-НЕ (ИЛИ-НЕ) элементов И (ИЛИ). Максимальны времена нестационарных состояний, когда трек проходит через открытые транзисторы с объединенными истоками и объединенными стоками в группе транзисторов Gr1P элемента И или в группе Gr4N элемента ИЛИ.

2. Исходно запертые транзисторы в группах И-НЕ (ИЛИ-НЕ) элементов И и ИЛИ переключаются сбором заряда с трека, приводя к опережающему переключению элемента TMG до изменения сигналов на его входах. Исходно открытые транзисторы в группах И-НЕ (ИЛИ-НЕ) элементов И и ИЛИ переключаются только изменением сигналов на входах TMG, при этом сбор заряда с трека затягивает переключение элемента TMG.

3. При опережающем переключении элемента TMG до изменения сигналов на его входах длительность нарастания фронта импульса выходного сигнала элемента TMG составляет 9–11 пс, что меньше длительностей задержек переключения элемента TMG в режиме работы без воздействия одиночных частиц, которые заключены в пределах 35–58 пс.

4. Сбор заряда с треков, образованных после завершения переключения на выходе TMG, вызывает образование импульсов помех на выходе элемента TMG без его переключения. Длительность такого импульса помехи определяется длительностью нестационарного состояния, характерного для конкретной точки входа трека.

5. Длительности переключений элемента TMG tВЫХ. TMG для двух групп переключения: опережающего и с дополнительной задержкой приведены в табл. 4. Каждая из этих двух групп содержит результаты, разделенные на две подгруппы с переключением входов элемента из “0” в “1” и из “1” в “0”. Каждая из подгрупп содержит два столбца для данных, полученных при прохождении трека через элементы И и ИЛИ элемента TMG.

Таблица 4.  

Момент времени окончания переключения элемента TMG tВЫХ. TMG относительно момента начала переключения элемента TMG по входам tПЕР при треках с линейным переносом энергии на них 60 МэВ · см2/мг и с направлением по нормали к поверхности приборной модели

Характер переключения Опережающее переключение элемента TMG Переключение элемента TMG с дополнительной задержкой
Переключение входов “0” в “1” “1” в “0” “1” в “0” “0” в “1”
Трек в элемент И ИЛИ И ИЛИ И ИЛИ И ИЛИ
Группа Gr1N Gr4N Gr1P Gr4P Gr1N Gr4N Gr1P Gr4P
Обозначение трека T1N T4N T1P T4P T1N T4N T1P T4P
tВЫХ.TMG, пс
при tТР = 100 пс
–80 (188) –91/(153) –62 –91 60 498 215 86
tВЫХ.TMG, пс
при tТР = 160 пс
–30
(188)
–32/(150) –10 –31 85 563 240 116
tВЫХ.TMG, пс
при tТР = 220 пс
37
(188)
26/(150) 49 25 145 620 325 166
Рисунки для
tТР = 160 пс
Рис. 4а Рис. 5а Рис. 4б Рис. 5б Рис. 7а Рис. 8а Рис. 7б Рис. 8б

Примечание. В скобках указана длительность “просадки” переключенного уровня, вызванной сбором заряда после опережающего переключения элемента.

Значения момента окончания переключения элемента TMG имеют разный смысл для двух групп данных. Поскольку момент завершения переключения элемента отсчитывается от момента изменения сигналов на входах элемента TMG tПЕР = = 200 пс, то отрицательное значение момента окончания переключения означает то, на какое количество пикосекунд происходит опережающие переключение относительно момента начала изменения сигналов на входах TMG. Положительные значения соответствуют моменту завершения переключения после момента tПЕР = 200 пс и являются фактически значениями задержки переключения, увеличенной сбором заряда. В части данных в группе опережающих переключений даны значения времени нарастания фронта импульса до уровня 0.7 В от начального логического состояния на выходе TMG, после которого в скобках указана длительность “просадки” переключенного уровня, вызванной дальнейшим сбором заряда.

6. Длительности задержек переключения элементов относительно момента появления сигналов переключения на входах элемента возрастают при приближении момента возникновения трека к моменту начала смены сигналов на входах TMG элемента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты моделирования средствами 3D TCAD, полученные при линейной передаче энергии на трек 60 МэВ ∙ см2/мг, подтвердили хорошую помехоустойчивость мажоритарного элемента на основе комбинационной логики И и ИЛИ с проектной нормой 65-нм КМОП объемный технологии. Особенности характеристик элемента при сборе заряда с трека ионизирующей частицы совместно с переключением сигналов на входах следует учитывать при проектировании КМОП микропроцессорных систем, предназначенных для космического применения. К этим особенностям относится практически неизменные длительности нестационарного состояния независимо от момента возникновения трека, если он возникает до переключения по входам. Другой особенностью является либо опережающее переключение мажоритарного элемента, либо дополнительное увеличение задержки переключения, инициируемые сбором заряда с трека в зависимости от значений сигналов на входах. Время переключения может варьироваться от 9 до 600 пс в зависимости от точки входа трека и сигналов на входах.

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

Список литературы

  1. 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.

  2. 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.

  3. Ahlbin J.R., Massengill L.W., Bhuva B.L., Narasimham B., Gadlage M.J., Eaton P.H. Single-event transient pulse quenching in advanced CMOS logic circuits // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009. V. 56. № 6. P. 3050–3056.

  4. 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.

  5. Ferlet-Cavrois V., Messengill L.W., Couker P. Single-Event Transients in Digital CMOS – A Review // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2013. V. 60. № 3. P. 1767–1790.

  6. Katunin Yu.V., Stenin V.Ya. TCAD Simulation of the 65-nm CMOS logical elements of the decoders with single-event transients compensation // Proceedings of 2018 Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, 2018. P. 1–6.

  7. Stenin V.Ya., Antonyuk A.V., Katunin Yu.V., Stepanov P.V. Translation lookaside buffer on the 65-nm STG DICE hardened elements // Telfor J. 2018. V. 10. № 1. P. 50–55.

  8. Katunin Yu.V., Stenin V.Ya., Prozorova A.G. Simulation of errors impulses from single ionizing particles in CMOS triple majority gates / in Proc. 2019 IEEE 31st International Conference on Microelectronics (MIEL), Niš, Serbia, 2019. P. 201–204.

  9. 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.

  10. Garg R., Khatri S.P. Analysis and design of resilient VLSI circuits: mitigating soft errors and process variations. N.Y.: Springer, 2010. P. 194–205.

Дополнительные материалы отсутствуют.