130nm下的dice结构电荷共享效应研究

1、130纳米条件下基于电荷分享的硬闩锁设计中的单粒子翻转介绍随着技术特征尺寸的减小，产生逻辑电路的高额费用正在稳步降低。许多由于需要增加储存空间使错误率降低的方法使得设计费用增加。基于设计的方法提出运用四存储节点而不是两个节点保留数据。这样的设计被认为是在低能量离子击打下单粒子翻转免疫，因为为所有的实践都没有因为一个目标离子打击存储节点而引起翻转。然而,这样的设计由于并联节点收集电荷，很容易被离子打击影响。对深亚微米技术，由于并联节点被离子打击， 电荷收集会导致临近节点也产生变化。研究人员首先是在SRAM设计中发现电荷共享现象。在本文中,电路和3 D技术，计算机辅助设计(TCAD)，混合处理模拟方法被用来描述器件的电荷共享及由此导致的加固存储设备的结果翻转。仿真结果及实验数据显示,当加固存储单元暴露于低能离子下由于电荷共享也会导致翻转。背景近地辐射环境中主导地位的是阿尔法粒子和中子。阿尔法粒子主要是由那些46MeV由外涂材料释放而产生的。近期的实验已经证实了装置对于阿尔法粒子的敏感度越来越高。随着外涂材料纯度的增加阿尔法粒子的排放率正在大幅降低。然而，阿尔法粒子的产生仍就是一个问题。中子

2、本身并不产生电离矽。然而共振相互作用的中子与矽产生活力的颗粒。这些颗粒(通常是铝、镁或质子或二次阿尔法的)有足够的能量来产生足以导致逻辑翻转的电子空穴对。一些先进的技术中高能粒子可能穿越多个敏感区域，导致多个节点收集电荷。为了说明粒子的生成由于中子交互与矽,5m 5m硅块0.1m敏感体积的0.1m 0.5m间隔0.5m除了在x -和y-directions遭遇到一个正常的事件14 MeV中子使用一个能量沉积的代号为MRED的仿真。这些敏感的体积代表的是实际的设备。硅在与14Mev的中子交互反应主方程如下： n +28 Si = 25Mg + alpha +3 gamma这些敏感体积或者设备有超过10fc的电荷存储量如图2.典型的范围内进行铝,镁和锂粒子由于产生这种反应的范围从1 - 10MeV,如图3所示9。图3同时也显示了每个线性距离电荷产生这些离子硅。从10到100fCs。在这么高的点位电路节点邻节点由于他们距离十分近，从而产生了电荷共享效应。这篇文章探讨了临近节点受到单粒子影响导致的电荷共享。基于三维TCAD模拟,两种不同的门闩设计被用来证明电荷共享会导致闩锁电路中的逻辑翻转。电

3、荷共享电荷共享会产生高电荷堆积密度，降低节点电压并减小装置间巅峰空间大小，进而导致节点在单离子冲击下发生多重电荷聚集6-8。因此，电荷共享对深亚微米技术至关重要。在以后对电荷共享的讨论中，受到冲击的节点称为主动节点，主动节点周围共享电荷的节点称为被动节点。试验中使用的3D TCAD是校正过的IBM 130 nm双陷选择CMOS，并在关闭状态进行模拟。8试验中，用具有不同线性能传递（LET）的离子冲击主动节点，并检测主动节点及被动节点由此产生的电荷聚集。通常使用线性能传递（LET）而不是微电子伏（MeV）来衡量入射离子的强度。线性能量传递是带电粒子淀积在材料每单位质量厚度的能量。利用离子束的线性能量传递、材料中形成一个电子-空穴对（EHP）所需的平均能量以及材料的密度，就可以求得单位长度电荷的堆积量。14图4. 两个PMOS装置的节点分离。在IBM 130nm 8RF技术中，被动PMOS装置电荷聚集增强，同时与主动PMOS距离减小。图4表明两个POMS装置在N阱中的电荷共享，图5表明在P阱中两个NMOS装置之间的电荷共享。由于入射离子束的线性能量传递（LET）较低，在不同阱中NMOS与P

4、MOS之间的电荷共享很小。这些模拟的结果表明，主动装置与被动装置之间的距离减小时，被动装置上聚集的电荷量就会增加。主动装置也可以聚集电荷。图4与图5中的数值代表了被动节点上聚集的电荷量。这些曲线表明在电荷共享在先进技术中仍普遍存在，需要对其进行深入研究。图5. 两个NMOS装置的节点分离。在IBM 130nm 8RF技术中，被动NMOS装置电荷聚集增强，同时与被动NMOS距离减小。8电荷共享引发的问题由于电荷共享的时间极短，只能通过间接的实验手段来证明电荷共享的存在。试验中利用一个锁存器来证明电荷共享的存在。当只有一个节点聚集了电荷时，锁存器不翻转，但当多个节点同时聚集有电荷时，锁存器翻转。图6是表明了这种被称为双互锁单元。4传统的锁存器具有2个背靠背连接有逆电器（与非门或者或非门）的储存节点。双互锁单元具有4个背靠背连接有逆电器（与非门或者或非门）的储存节点。由于具有4个储存节点，并且具有互锁的结构，写入双互锁单元要求至少2个或2个以上的节点电压发生改变。特别地，当4个储存节点同时写入时，写入时间会缩短。这种设计的有点在于，只有一个储存节点的节点电压改变时，该电压传递到其他3个储存节

5、点所需的时间非常长。因而，在实际试验中，可认为双互锁单元在仅有1个储存节点的电压发生变化是不会发生翻转。图719是该研究中使用的基于与非门的双互锁单元触发器核心部分。图6. 双互锁单元锁存器电路。互锁结构使其在单节点上的点位扰动不会翻转。图 7. 双互锁单元的核心部分，画圈的晶体管是下一章节中讨论的NMOS敏感对。为了证明单一节点上的离子冲击不会引起图7中的双互锁单元发生翻转，我们使用Cadence Spectre电路模拟器在130nm 双互锁单元上进行了一系列单节点冲击试验。模拟中，我们使用了上升时间为7 ps，下降时间200 ps的双指数电流脉冲，并调通过调整电流峰值，使节点上积累的电荷量保持在1 fC到1pC之间14。模拟结果证明了双互锁单元锁存器在单节点冲击下不会发生翻转。对于电荷共享的模拟，我们根据IBM 130nm技术的设计标准，设计了计时双互锁单元锁存器。对该设计进行了一系列模拟实验后，我们发现了几个敏感对。在自发的电荷聚集过程中，引起双互锁单元锁存器翻转的两个晶体管构成了一个敏感对。为了确定这些敏感对，我们对4种可能的输入状态都进行了模拟：资料和时钟同时处于高电位资料处

6、于高电位，时钟处于低电位资料处于低电位，时钟处于高电位资料和时钟同时处于低电位利用双指数电流脉冲在敏感对漏极激发电荷，并在每个节点积累电荷以记录翻转。双互锁单元锁存器由66个晶体管组成，因而对每一个输入状态，有4356个敏感对。由于电荷共享与电路结构关系密切，而电路结构涉及到距离近的每一个节点，因而，我们模拟了然和可能的敏感对组合。通过模拟，共发现了124对敏感对；其中48个是PMOS-NMOS对，56个是PMOS-PMOS对，20个是NMOS-NMOS对。这些敏感对源于电路的功能，与双互锁单元锁存器的结构没有关系。我们使用由此设计的双互锁单元锁存器来确定那些距离很近的敏感对。我们选择3种特殊情况来说明每一种电荷共享的情况（PMOS-NMOS、PMOS-PMOS、NMOS-NMOS）。这些敏感对包括图7圈和图8（当资料处于低电位，时钟处于高电位时敏感）中的MN18和MN28（NMOS对）；图9（资料和时钟同时处于高电位时敏感）中MP22和MP28（PMOS对）；图10（资料和时钟同时处于高电位时敏感）中的MP25和MN30（PMOS-NMOS对）。图8. NMOS-NMOS敏感节点对M

7、N28-MN18在双互锁单元锁存器布局图。图9. PMOS-PMOS敏感节点对MP28-MP22在双互锁单元锁存器布局图。图10. PMOS-NMOS敏感节点对MP25-MN30在双互锁单元锁存器布局图。如图11所示，利用SE模拟在以上3个敏感对中产生SHMOO图。图中标出的区域是范转区，表明引起锁存器翻转所需的电荷量。应当注意的是，这里面所标出的电荷量是近似值，因为实际中使用的电脉冲宽度是固定的，而电荷量是变化的。图11. MN28-MN18 NMOS-NMOS敏感对的翻转/不翻转SHMOO图。图中标出了翻转所需的电荷共享量。图12. MP28-MP22 PMOS-PMOS敏感对的翻转/不翻转SHMOO图。图中标出了翻转所需的电荷共享量。图13. MP25-MN30 PMOS-NMOS敏感对的翻转/不翻转SHMOO图。图中标出了翻转所需的电荷共享量。下一步是通过利用3D校正的模型来确定由于电荷共享引起的主动节点和被动节点上电荷积累的数量。模型的结构是利用Synopsys TCAD开发的，并且利用多渠道获取的资源来对其校对以使其具有类似IBM 130 nm双陷选择（8RF CMOS）的

8、特点1718。3D TCAD模型中包含了主动和被动装置，他们的实际尺寸在图14,15和16中列出。前面研究的在3D TCAD中使用的敏感对符合双互锁单元锁存器布局中的尺寸。装置在关闭状态下进行模拟。用具有不同线能量传递值的离子束冲击主动装置，同时记录主动装置和被动装置上的电荷积累。主动和被动节点上的电流脉冲被整合到3D TCAD模拟中以估计每个节点积累的电荷总量。我们不仅对垂直入射情况作了模拟，同时也对入射角为45和60的情况做了模拟。之所以选择这两个角度，是因为在该入射角下，离子将击中主动装置，并通过被动装置，最终引起最难评估的情况。图 14. 模拟NMOS-NMOS节点对的3D TCAD布局。图 15. 模拟PMOS-PMOS节点对的3D TCAD布局。图 16. 模拟PMOS-NMOS节点对的3D TCAD布局。下表是3D TCAD模拟的结果。结果表明，当装置在同一阱里时，电荷共享发生地较快（例如从PMOS到PMOS或者从NMOS到NMOS）。穿过阱壁的电荷共享很少发生（例如PMOS和NMOS之间）。正如预期一样，当离子束垂直入射时，主动节点的电荷积累量大。这是由于漂移、扩散以及

9、源极，漏极，栅极形成的计生双极晶体管打开引起的8。对于非垂直入射情况，电荷共享减小了每个节点上聚集的电荷的数量，这是离开装置的离子束的角效应引起的。表1. NMOS对的实验结果表2. PMOS对的实验结果表3. PMOS（主动）-NMOS（被动）对的实验结果表4. PMOS（被动）-NMOS（主动）对的实验结果下一组模拟是3D混合模式的模拟。敏感对放在3D TCAD中其他的双互锁单元锁存器放在IBM 8RF 130nm 模型中。这主要是考虑到加载效应，并模拟最差的情况。当非垂直入射时，入射离子束瞄准被动装置。表5是该模拟的结果。结果表明，即使是低的线性能量传递离子也能在敏感节点对处引起足够使锁存器翻转的电荷积累。这种电荷积累效应不会影响双互锁单元锁存器，但会对其他组合逻辑单元有影响。表5. 3D TCAD混合模拟的实验结果一个测试的数组芯片利用传统的d型触发器(DFF)细胞和骰子细胞时尚设计和制造的移位寄存器的IBM 8射频130海里CMOS技术的一部分,DARPA RHBD程序(19)。提出了多个转变寄存器并联来隔离时钟安打从个体节点的两支安打DFF移位寄存器和骰子移位寄存器(钟线支安打将导致令所有转移登记,个人支安打将导致破坏在一个移位寄存器)。这样,这些图案生成细胞就会很容易DFF单一和多节点收费。骰子细胞,另一方面,不应该受到收费单节点,但容易受到多个节点收费由于费用共享。这个设计被暴露在低让离子劳伦斯柏克莱国家实验室。为氩离子、铜、氙而言,和氪,让从3.45到31.3毫克/厘米/ MeV。用于暴露角度0、45、60从正常。图17(19)显示DFF很容易让离子低,心烦意乱的阈值在其粒子和中子产生粒子让范围。由于自然骰硬颗粒细胞和低让,不破坏被期望除了由于charge-sharing敏感配对。之间图18(19)表明,骰子细胞破坏为让为13.77或更低MeV /毫克/平方厘米。通过这些

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