1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.214151/1561-5405-2017-22-5-447-459681.382.323Схемотехника и проектированиеCircuit Engineering Modeling of Single Event Effects under Impact of Heavy-Charged Particles in SUB-100 NM CMOS ICsСхемотехническое моделирование одиночных эффектов при воздействии тяжелых заряженных частиц в КМОП СБИС с суб-100-нм проектными нормамиСмолин Анатолий Александрович СмолинАнатолий Александрович AleksandrovichSmolin AnatoliySmolin Anatoliy AleksandrovichБоруздина Анна Борисовна БоруздинаАнна Борисовна BorisovnaBoruzdina AnnaBoruzdina Anna BorisovnaУланова Анастасия Владиславовна УлановаАнастасия Владиславовна VladislavovnaUlanova AnastasiyaUlanova Anastasiya VladislavovnaЯненко Андрей Викторович ЯненкоАндрей Викторович ViktorovichYanenko AndreyYanenko Andrey ViktorovichСогоян Армен Вагоевич СогоянАрмен Вагоевич VagoevichSogoyan ArmenSogoyan Armen VagoevichНикифоров Александр Юрьевич НикифоровАлександр Юрьевич YurevichNikiforov AleksandrNikiforov Aleksandr YurevichТелец Виталий Арсеньевич ТелецВиталий Арсеньевич ArsenevichTelets VitaliyTelets Vitaliy ArsenevichЧумаков Александр Иннокентьевич ЧумаковАлександр Иннокентьевич InnokentevichChumakov AleksandrChumakov Aleksandr InnokentevichШелепин Николай АлексеевичШелепинНиколай АлексеевичShelepinNikolay A.Nikolay A. ShelepinАО «ЭНПО СПЭЛС», г. Москва, Россия; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, РоссияОАО «ЭНПО «Специализированные электронные системы» (г. Москва)Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, РоссияАО «ЭНПО СПЭЛС», г. Москва, РоссияНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»ОАО «НИИМЭ» (г. Москва)447459http://ivuz-e.ru/issues/5-_2017/skhemotekhnicheskoe_modelirovanie_odinochnykh_effektov_pri_vozdeystvii_tyazhelykh_zaryazhennykh_chas/http://ivuz-e.ru/download/5_2017_1629.pdf

The traditional approaches to the circuit simulation of the single-event effects in CMOS ICs are based on the use of the double-exponential model of ionization current pulse, which is not always applicable to devices with the sub-100 nm feature sizes. An overview of the main approaches to solving two main problems, arising in the circuit simulation of the single-event effects in sub-100 nm CMOS ICs: the dynamic interaction between the charge collection process and the fast circuit response and the impact of the charge collection by multiple sensitive nodes- has been presented. As a solution of the first problem, three main approaches have been considered, based on the use of, respectively, a piecewise linear current pulse shape based on TCAD simulation results, a dual double-exponential current source and a bias-dependent current source. The methods for circuit simulation of the ionization response of several elements from single HCP based on using the look-up tables and analytical models of the ionization response dependence on the particle hit place have been considered. The performed analysis of the up-to-date approaches to simulation of the failure effects and ionization noise pulses in CMOS microcircuits permits to conclude that the most flexible and physically precise approach is that one based on using the current source, taking into account the electric mode of the transistor and being built to the Verilog-A code of the initial model.

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.

КМОПодиночные радиационные эффектыодиночные сбоимоделирование одиночных эффектовтяжелые заряженные частицы Чумаков А.И. Действие космической радиации на электронные схемы. – М.: Радио и связь, 2004. – 320 с.Радиационная стойкость изделий ЭКБ: Научное издание / Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.И. Чумакова. – М.: НИЯУ МИФИ, 2015. – 512 с.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.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.Chumakov A.I. Evaluation of multibit upsets in integrated circuits under heavy charged particles // Russian Microelectronics. – 2014. – Vol. 43. – N. 2. – P. 91–95.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.Mavis D.G., Eaton P.H. SEU and SET modeling and mitigation in deep submicron technologues // Proc. 45th IEEE IRPS. – 2007. – P. 293–305.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.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.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.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.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.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.