李海松，楊 博，蔣軼虎，高利軍，楊 靚

(西安微電子技術研究所 西安 710065)

空間輻照環(huán)境中的等離子體、俘獲粒子、太陽粒子和宇宙射線等輻射離子入射到半導體器件材料時，會產(chǎn)生大量的電子空穴對[1-4]，造成載流子濃度梯度和器件電場分布的暫時紊亂，導致集成電路內(nèi)部發(fā)生單粒子效應(single event effect, SEE)。因此，應用于衛(wèi)星通信、空間站、空間探測器等空間飛行器的集成電路需要進行輻照加固設計。單粒子翻轉(single event upset, SEU)是一種常見的單粒子效應，可能導致集成電路內(nèi)部觸發(fā)器、鎖存器和存儲單元狀態(tài)發(fā)生改變，引起電路功能失效。

在采用先進工藝制造的超大規(guī)模集成電路應用輻照環(huán)境中，由于其工作電壓降低、器件尺寸減小、閾值電壓變小、工作頻率升高、器件密度增加等多重因素的綜合作用，單粒子翻轉效應越來越嚴重[5-7]。先進工藝節(jié)點的新結構、新工藝、新材料表現(xiàn)出的單粒子效應新現(xiàn)象、新機理得到眾多學者的研究，如電荷共享效應、脈寬壓縮效應等[8-10]，進一步揭示了先進工藝節(jié)點單粒子瞬態(tài)脈沖和單粒子翻轉形成的過程，深入分析了單粒子入射過程中載流子電荷產(chǎn)生、運輸、收集和脈沖形成的機理。目前，針對觸發(fā)器單粒子翻轉加固，在電路級采取的主要措施包括采用加固型觸發(fā)器，如雙互鎖觸發(fā)器(dual interlocked storage cell, DICE)、whitaker 型觸發(fā)器、muller-c 型觸發(fā)器等[11-13]；另一種途徑則是采用三模冗余(triple modular redundancy, TMR)加固方式，如空間三模冗余(spatial TMR)和時間三模冗余(temporal TMR)[14-16]。

本文基于65 nm 體硅CMOS 超深亞微米工藝，針對普通觸發(fā)器、2 種DICE 觸發(fā)器、普通觸發(fā)器空間三模冗余、2 種普通觸發(fā)器時間三模冗余這6 種結構，采用移位寄存器鏈方式分別進行單粒子翻轉試驗評估，并結合各種加固方式的面積、性能、晶體管數(shù)量和抗單粒子翻轉性能進行綜合分析，為后續(xù)先進工藝超大規(guī)模集成電路觸發(fā)器單粒子翻轉效應加固提供一定的指導性建議。

1 DFF 單元電路結構

1.1 普通觸發(fā)器電路結構

普通觸發(fā)器電路結構如圖1 所示，由兩級鎖存器構成，包含8 個反相器和4 個傳輸門，當時鐘信號CLK 由“0”跳變?yōu)椤?”時，觸發(fā)器輸出端信號Q 隨輸入端信號“D”發(fā)生改變。若采用該觸發(fā)器，當鎖存器中的節(jié)點發(fā)生單粒子翻轉時，觸發(fā)器輸出端Q 會輸出錯誤的狀態(tài)。

圖1 普通觸發(fā)器電路結構

1.2 DICE 觸發(fā)器電路結構

DICE 觸發(fā)器電路結構如圖2 所示，包括兩級鎖存器，內(nèi)部反相器、鐘控反相器和輸出驅動反相器采用muller-C 結構設計，為上升沿跳變型DICE觸發(fā)器。針對該觸發(fā)器結構，當鎖存器內(nèi)部僅有一個節(jié)點發(fā)生單粒子翻轉時，由于此時muller-C 結構單元輸出為高阻態(tài)，避免了DICE 觸發(fā)器輸出錯誤狀態(tài)。為評估輻照環(huán)境下電荷共享效應對單粒子翻轉的影響，基于該DICE 觸發(fā)器電路，設計兩種不同的版圖方案：1)版圖設計簡便，但相關敏感節(jié)點距離較近，間距約為2.5 μm，如N2 和N5 是一對相關敏感節(jié)點；2)版圖設計較復雜，相關敏感節(jié)點距離較遠，間距約為5.7 μm。

圖2 DICE 觸發(fā)器電路結構

1.3 普通觸發(fā)器空間三模電路結構

普通觸發(fā)器空間三模電路結構如圖3 所示，包含3 個普通觸發(fā)器、1 個三選二多路判決器和五級緩沖器，五級緩沖器的作用是模擬實際電路中觸發(fā)器單元之間的組合邏輯。當DFF1、DFF2 和DFF3這3 個觸發(fā)器中任意一個發(fā)生單粒子翻轉時，由于其他兩個觸發(fā)器仍然保持正確的輸出狀態(tài)，所以判決器MAJ 的輸出信號Q 仍然正確，實現(xiàn)觸發(fā)器的單粒子翻轉加固設計。但當判決器和5 級緩沖器產(chǎn)生單粒子瞬態(tài)脈沖時，下一級空間三模電路結構無法糾正該錯誤。

圖3 普通觸發(fā)器空間三模電路結構

1.4 普通觸發(fā)器時間三模電路結構

普通觸發(fā)器時間三模電路結構如圖4 所示，包括1 個時延單元陣列、3 個普通觸發(fā)器、1 個三選二判決器和五級緩沖器，其中時延單元陣列產(chǎn)生時間間隔為 ?t的三路時鐘信號，分別控制3 個觸發(fā)器。首先，當觸發(fā)器DFF1、DFF2 和DFF3 中的任意一個發(fā)生單粒子翻轉時，判決器MAJ 保持正確狀態(tài)輸出；其次，判決器和5 級緩沖器產(chǎn)生單粒子瞬態(tài)脈沖時，若其脈沖寬度小于 ?t，下一級判決器MAJ 仍可以正確輸出狀態(tài)。本文主要針對 ?t分別等于300 ps 和600 ps 兩種情況進行單粒子翻轉試驗與分析。

圖4 普通觸發(fā)器時間三模電路結構

2 單粒子翻轉試驗電路結構

普通觸發(fā)器、DICE 觸發(fā)器與空間TMR 加固單粒子翻轉試驗電路結構如圖5a 所示，主要包括偽隨機數(shù)產(chǎn)生、兩個移位寄存器鏈和一個異或門；時間TMR 加固單粒子翻轉試驗電路結構如圖5b所示，主要包括時延單元陣列、偽隨機數(shù)產(chǎn)生、兩個移位寄存器鏈和一個異或門。

圖5 觸發(fā)器單粒子翻轉試驗電路結構

偽隨機數(shù)產(chǎn)生電路作為激勵信號發(fā)生器，給移位寄存器輸入周期性變化的信號源“0010111”，工作頻率為10 MHz。采用兩路500 級移位寄存器鏈，用于評估不同觸發(fā)器結構的抗單粒子翻轉性能。異或門比較兩路移位寄存器鏈的輸出信號，當移位寄存器鏈未發(fā)生單粒子翻轉時，異或門輸入端a 和輸入端b 狀態(tài)相同，輸出低電平；當移位寄存器鏈發(fā)生單粒子翻轉時，異或門輸入端a 和輸入端b 狀態(tài)不同，輸出高電平。通過對異或門輸出狀態(tài)的監(jiān)控，可以獲取不同觸發(fā)器結構的單粒子翻轉次數(shù)。時延單元陣列用于產(chǎn)生三路不同相位的時鐘信號，分別控制時間TMR 觸發(fā)器的3 個時鐘信號。采用移位寄存器鏈評估觸發(fā)器單粒子翻轉效應的具體分析見文獻[17]。

3 實驗結果分析

在實驗室對上述觸發(fā)器單粒子翻轉試驗電路進行評估，包括普通觸發(fā)器(DFF)、DICE 觸發(fā)器(DICE-DFF)、相關敏感節(jié)點遠離DICE 觸發(fā)器(FDICE-DFF)、空間三模觸發(fā)器(TMR-DFF)、相差300 ps 時間三模觸發(fā)器(TTMR-DFF300)和相差600 ps 時間三模觸發(fā)器(TTMR-DFF600)6 種被測觸發(fā)器結構。共采用Ti(150 MeV)、Cu(200 MeV)、Br(218 MeV)、I(240 MeV)、Au(280 MeV)和Bi(923 MeV)這6 種離子對被測電路進行轟擊。6 種離子的等效LET 值分別是22.5 MeV·cm2/mg，32.5 MeV·cm2/mg，42 MeV·cm2/mg，63 MeV·cm2/mg，79.5 MeV·cm2/mg 和99.8 MeV·cm2/mg；6 種離子的入射深度分別是31 μm，30.2 μm，31.5 μm，27 μm，26.2 μm 和53.7 μm。被測電路共3 只，每只被測電路的各種入射離子的總注量都是107個離子。單粒子試驗裝置如圖6 所示。

圖6 觸發(fā)器單粒子翻轉試驗裝置

6 種被測觸發(fā)器結構的單粒子翻轉截面如圖7 所示，試驗結果表明隨著入射離子LET 的增加，6 種被測觸發(fā)器結構的單粒子翻轉截面均呈上升趨勢，尤其是LET 值與入射深度均比較大的Bi 離子，其單粒子翻轉截面較Au 離子提升2.2～14.0 倍。主要是由于在高LET 值與大入射深度的共同作用下，入射離子在襯底產(chǎn)生了大量的電子空穴對，單粒子效應影響半徑遠大于其他種類的離子，誘發(fā)的電荷共享效應更加明顯，導致Bi 離子的單粒子翻轉截面增速猛然增加。

圖7 6 種被測觸發(fā)器結構的單粒子翻轉截面折線圖

對于Ti、Cu、Br、I 和Au 這5 種離子，DICE結構觸發(fā)器單粒子翻轉截面降低為普通觸發(fā)器的6.2%～10.0%；對于Bi 離子，DICE 結構觸發(fā)器單粒子翻轉截面降低為普通觸發(fā)器的20%。這是由于Ti、Cu、Br、I 和Au 這5 種離子的入射深度相近，呈現(xiàn)的單粒子翻轉截面降低程度相似。而Bi 離子的入射深度相比5 種離子增加了75%以上，單粒子翻轉效應更加嚴重，導致加固措施的提升效果相比其他離子明顯下降。同時，由于超深亞微米工藝單位面積器件密度的增加，入射離子的電荷共享效應更加明顯，致使DICE 結構觸發(fā)器仍發(fā)生較多單粒子翻轉，且DICE-DFF 與FDICE-DFF的單粒子翻轉截面接近。

TMR-DFF 結構觸發(fā)器單粒子翻轉截面降低為普通觸發(fā)器的0.6%～1.2%，下降約兩個數(shù)量級。相比DICE 結構觸發(fā)器，三模冗余觸發(fā)器結構抗單粒子翻轉效果更加具有優(yōu)勢，單粒子翻轉率約下降一個數(shù)量級。這主要是由于三模冗余結構的3 個觸發(fā)器具有更遠的物理距離，電荷共享效應的影響進一步縮小。TMR-DFF 結構觸發(fā)器鏈產(chǎn)生的SEU主要是由于MAJ 單元和緩沖器單元發(fā)生的單粒子瞬態(tài)脈沖，然后下一級觸發(fā)器俘獲從而形成單粒子翻轉。

對于Ti、Cu、Br、I 和Au 這5 種離子，TTMRDFF300 結構觸發(fā)器單粒子翻轉截面降低為普通觸發(fā)器的0.2%～0.4%，相對于TMR-DFF 結構觸發(fā)器，單粒子翻轉截面進一步降低。其主要原因是，MAJ 單元和緩沖器單元發(fā)生的單粒子瞬態(tài)脈沖大部分被時間三模結構的濾波作用消除，但是對于單粒子瞬態(tài)脈沖大于300 ps 的信號，仍可能被下級觸發(fā)器俘獲而形成單粒子翻轉。對于Bi 離子，TTMRDFF300 結構觸發(fā)器單粒子翻轉截面降低為普通觸發(fā)器的1%，單粒子翻轉截面相對于TMR-DFF 結構觸發(fā)器下降不明顯，僅下降15.8%。其主要原因是由于Bi 離子的高LET 值與大入射深度特征，產(chǎn)生的大多數(shù)單粒子脈沖寬度均大于300 ps。

TTMR-DFF600 結構觸發(fā)器單粒子翻轉截面降低為普通觸發(fā)器的0.07%～0.4.0%。相對于TTMRDFF300 結構觸發(fā)器，單粒子翻轉截面進一步降低；尤其是對于Bi 離子，其SEU 概率僅為TTMRDFF300 結構觸發(fā)器的41.6%。這是由于TTMRDFF600 結構觸發(fā)器具有更好的單粒子脈沖濾波效果，但這需要犧牲時序性能為代價。TTMRDFF600 結構觸發(fā)器產(chǎn)生的單粒子翻轉主要包括3 點原因：1)由于文中三模冗余(空間三模冗余和時間三模冗余)結構觸發(fā)器，3 個觸發(fā)器物理距離較近，因此仍存在電荷共享效應引發(fā)兩個觸發(fā)器同時翻轉的情況；2)個別離子在被測電路中產(chǎn)生了大于600 ps 的瞬態(tài)脈沖，且被觸發(fā)器俘獲形成了SEU；3)觸發(fā)器鏈經(jīng)異或門比較和IO 單元輸出時，可能引入錯誤單粒子脈沖，并被測試系統(tǒng)錯誤記錄。針對3 個觸發(fā)器物理距離較近的問題，可以在實際產(chǎn)品設計中，通過增大3 個相關觸發(fā)器的物理距離，進一步降低產(chǎn)品的單粒子翻轉截面。

6 種被測觸發(fā)器結構地球同步軌道單粒子翻轉概率如表1 所示，DFF、DICE-DFF、FDICE-DFF、TMR-DFF、TTMR-DFF300 和TTMR-DFF600 這6 種被測觸發(fā)器結構GEO 軌道單粒子翻轉概率分別為7.72×10?9error/(day·bit)，7.70×10?11error/(day·bit)，5.56×10?11error/(day·bit)，3.13×10?13error/(day·bit)，3.72×10?14error/(day·bit)，7.61×10?16error/(day·bit)。對比可知，TTMR-DFF600 結構具有最低的翻轉概率，相比于普通觸發(fā)器結構，其單粒子翻轉概率降低了7 個數(shù)量級。

表1 6 種被測觸發(fā)器結構地球同步軌道單粒子翻轉概率

4 綜合性能對比

6 種被測觸發(fā)器結構ck->q 時延、面積、晶體管數(shù)量以及GEO 軌道單粒子翻轉概率對比情況如表2 所示。普通觸發(fā)器具有最快的速度、最小的面積和最少的晶體管個數(shù)，但是單粒子翻轉性能最差。TTMR-DFF600 觸發(fā)器結構延時最大、面積最大且晶體管個數(shù)最多，分別是普通觸發(fā)器的19.6 倍、3.7 倍和3.5 倍，但是擁有最好的單粒子翻轉性能，GEO 同步軌道單粒子翻轉概率相比普通觸發(fā)器降低了7 個數(shù)量級。因此，超大規(guī)模集成電路的輻射加固設計，需要針對其內(nèi)部不同模塊的性能采取合適的加固策略，針對時序余量較大的模塊可以采用TTMR-DFF600 觸發(fā)器結構進行單粒子效應加固，對于時序余量緊張的模塊應選擇TMR-DFF 結構觸發(fā)器或DICE-DFF 結構觸發(fā)器，確保目標電路在滿足其他指標要求的前提下，單粒子效應加固效果達到最優(yōu)。

表2 6 種被測觸發(fā)器結構性能對比表

觸發(fā)器單元單粒子輻射效應加固性能與速度、面積以及晶體管數(shù)量之間存在矛盾，需要針對集成電路的具體架構和應用情況進行折中選擇，制定出最合適的單粒子翻轉加固方案。

5 結 束 語

本文系統(tǒng)分析了DFF、DICE-DFF、FDICEDFF、TMR-DFF、TTMR-DFF300 和TTMR-DFF600這6 種觸發(fā)器單元的電路結構，采用移位寄存器鏈結構分別設計了相應的單粒子翻轉效應驗證電路，并基于65 nm 工藝進行流片。利用Ti、Cu、Br、I、Au 和Bi 這6 種離子分別對驗證電路進行單粒子翻轉試驗，對試驗結果進行深入分析，對比了6 種觸發(fā)器結構的翻轉截面和GEO 軌道翻轉概率，TTMR-DFF600 觸發(fā)器單粒子翻轉概率相比普通觸發(fā)器降低了7 個數(shù)量級，具有最好的單粒子翻轉加固性能。最后，從速度、面積、晶體管數(shù)量以及抗SEU 性能多角度對6 種觸發(fā)器單元進行全面分析，為后續(xù)超大規(guī)模集成電路抗SEU 設計提供了一定的理論指導。