Традиционные подходы к схемотехническому моделированию одиночных эффектов при воздействии тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) в КМОП СБИС, основанные на использовании двухэкспоненциальной модели импульса тока ионизационной реакции, оказываются не всегда применимыми при переходе к суб-100-нм проектным нормам. Представлен обзор основных подходов к решению двух главных задач, возникающих при схемотехническом моделировании одиночных эффектов в суб-100-нм СБИС: учет влияния электрического режима на процесс формирования импульса ионизационного отклика и учет собирания заряда с трека ТЗЧ несколькими чувствительными элементами. В качестве решения первой задачи предложены подходы, основанные на использовании кусочно-линейного задания импульса тока на основе TCAD-расчетов, сдвоенного двухэкспоненциального источника тока и источника тока, учитывающего электрический режим транзистора. Рассмотрены способы моделирования ионизационного отклика нескольких элементов от одной ТЗЧ на основе использования lookup-таблиц и аналитических моделей зависимости ионизационного отклика от места попадания частицы. Проведенный анализ современных подходов к моделированию эффектов сбоев и импульсов ионизационной помехи в КМОП-микросхемах позволяет заключить, что наиболее гибким и физически точным является подход, основанный на использовании источника тока, учитывающего электрический режим транзистора и встраиваемого в Verilog-A код исходной модели.
-
Ключевые слова:
КМОП, одиночные радиационные эффекты, одиночные сбои, моделирование одиночных эффектов, тяжелые заряженные частицы
-
Опубликовано в разделе:
Схемотехника и проектирование
-
Библиографическая ссылка:
Смолин А.А., Боруздина А.Б., Уланова А.В., Яненко А.В., Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И., Шелепин А.Н. Схемотехническое моделирование одиночных эффектов при воздействии тяжелых заряженных частиц в КМОП СБИС с суб-100-нм проектными нормами. Обзор // Изв. вузов. Электроника. - 2017. - Т. 22. - № 5. - С. 447-459. - DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-5-447-459
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на электронные схемы. – М.: Радио и связь, 2004. – 320 с.
2. Радиационная стойкость изделий ЭКБ: Научное издание / Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ МИФИ, 2015. – 512 с.
3. Single-event-effect prediction for ICs in a space environment / A.I. Chumakov, A.L. Vasil'ev, A.A. Kozlov et al. // Russian Microelectronics. – 2010. – Vol. 39. – N. 2. – P. 74–78.
4. SEE testing results for RF and microwave ICs / G.V. Chukov, V.V. Elesin, G.N. Nazarova et al. // 2014 IEEE Radiation Effects Data Work-shop, REDW 2014 (Paris, France, Jul. 14–18, 2014). – 2014. – P. 233–235. – Article number 7004589.
5. Chumakov A.I. Evaluation of multibit upsets in integrated circuits under heavy charged particles // Russian Microelectronics. – 2014. – Vol. 43. – N. 2. – P. 91–95.
6. Chumakov A.I. An evaluation of the sensitivity of integrated circuits to single event effects for the point charge collection area // Russian Microelectronics. – 2015. – Vol. 44. – N. 1. – P. 27–32.
7. Gorbunov M.S., Boruzdina A.B., Dolotov P.S. Semi-empirical method for estimation of single-event upset cross section for SRAM DICE sells // IEEE Transactions Nuclear Science. – 2016. – Vol. 64. – N. 4. – P. 2250–2256.
8. Boruzdina A.B., Ulanova A.I., Chumakov A.V., Yanenko A.V. A method for registration of multiple cell upsets in high capacity memory cells induced by single nuclear particles // Russian Microelectronics. – 2016. – Vol. 45. – N. 4. – P. 292–297.
9. Compendium of SEE comparative results under ion and laser irradiation / A.I. Chumakov, A.A. Pechenkin, D.V. Savchenkov et al. // Proc. 14 th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2013 (Oxford; United Kingdom, Sept. 23–27). – 2013. – Article number 6937390.
10. SEE testing results for RF and microwave ICs / G.V. Chukov, V.V. Elesin, G.N. Nazarova et al. // 2014 IEEE Radiation Effects Data Workshop, REDW 2014, (Paris, France, Jul. 14–18, 2014). – 2014. – P. 233–235. – Article number 7004589.
11. The effectiveness of specialized IC packages: Experimental and monte-carlo simulation for basic orbits and spacecraft shielding / A.O. Akhmetov, G.S. Sorokoumov, D.V. Bobrovskiy et al. // Proc. 14th European Conf. on Radiation and its Effects on Components and Systems, RADECS-2015 (Moscow, Russian Federation, Sept. 14–18, 2015). 2015. – Article number 7365674.
12. Multiple cell upset mechanisms in SRAMs / A.I. Chumakov, A.V. Sogoyan, A.B. Boruzdina et al. // Proc. 14 th European Conf. on Radia-tion and its Effects on Components and Systems, RADECS-2015 (Moscow, Russian Federation, Sept. 14–18, 2015). – 2015. – Article number 7365638.
13. Dodd P., Massengill L. Basic mechanisms and modeling of single-event upset in digital microelectronics // IEEE Transaction Nuclear Sci-ence. – 2003. – Vol. 50. – P. 583–602.
14. Critical Charge Characterization for Soft Error Rate Modeling in 90nm SRAM / R. Naseer, Y. Boulghassoul, J. Draper et al. // 2007 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. – 2007. – P. 1879–1882.
15. Effect of well and substrate potential modulation on single event pulse shape in deep submicron CMOS / S. DasGupta, A.F. Witulski, B.L. Bhuva et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2007.– Vol. 54. – N. 6. – P. 2407–2412.
16. Turowski M., Raman A., Jablonski G. Mixed-mode simulation and analysis of digital single event transients in fast CMOS ICs // Proc. 14th Int. Conf. MIXDES 2007. – 2007. – P. 433–439.
17. Temperature Dependence of MCU Sensitivity in 65 nm CMOS SRAM / A.B. Boruzdina, A.V. Sogoyan, A.A. Smolin et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2015. – Vol. 62. – N. 6. – P. 2860–2866.
18. S. DasGupta. Trends in Single Event Pulse Widths and Pulse Shapes in Deep Submicron CMOS. – M. S. thesis, Dept. Elect. Eng. and Comp. Science, Vanderbilt University, 2007.
19. A bias-dependent single-event compact model implemented into BSIM4 and a 90 nm CMOS process design kit / J.S. Kauppila, A.L. Sternberg, M.L. Alles et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2009.– Vol. 56(6). – P. 3152–3157.
20. Francis A.M., Turowski M., Holmes J.A., Mantooth H.A. Efficient modeling of single event transients directly in compact device models // 2007 IEEE International Behavioral Modeling and Simulation Workshop. – 2007. – P. 73–77.
21. Modeling of Single Event Transients With Dual Double-Exponential Current Sources: Implications for Logic Cell Characterization / D.A. Black, W.H. Robinson, I.Z. Wilcox et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2015. – Vol. 62. – N. 4. – P. 1540–1549.
22. Mavis D.G., Eaton P.H. SEU and SET modeling and mitigation in deep submicron technologues // Proc. 45th IEEE IRPS. – 2007. – P. 293–305.
23. Privat A., Clark L.T. Simple and accurate single event charge collection macro modeling for circuit simulation // 2015 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). – 2015. – P. 1858–1861.
24. Saremi M., Privat A., Barnaby H.J., Clark L.T. Physically Based Predictive Model for Single Event Transients in CMOS Gates // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2016. – Vol. 63. – N. 6. – P. 2248–2254.
25. García-Redondo F., López-Vallejo M., Royer P., Agustín J. A tool for the automatic analysis of single events effects on electronic circuits // 2014 5th European Workshop on CMOS Variability (VARI). – 2014. –P. 1–6.
26. Significance of strike model in circuit-level prediction of charge sharing upsets / A.M. Francis, D. Dimitrov, J. Kauppila et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2009. – Vol. 56. – N. 6. –P. 3109–3114.
27. Circuit-level layout-aware single-event sensitive-area analysis of 40-nm bulk CMOS flip-flops using compact modeling / J.S. Kauppila, T.D. Haeffner, D.R. Ball et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2011. – Vol. 58. – N. 6. – P. 2680–2686.
28. Согоян А.В., Чумаков А.Т. Оценка ионизационной реакции полупроводниковых элементов в диффузионном приближении при воздействии тяжелых заряженных частиц // Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. – 2016. – Вып. 1 (240). – С. 46–56.