輻照環(huán)境中通信數(shù)字集成電路軟錯誤預測建模研究.pdf

1、隨著科技的進步,電子器件的數(shù)字化和集成度日益提高,以數(shù)字集成電路為核心的電子器件在空間通信與信息系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。然而,由于空間環(huán)境中富含高通量的質(zhì)子和高能重離子,這些粒子入射硅材料會誘發(fā)單粒子效應,從而對電子器件的可靠性造成了極大的影響。隨著數(shù)字集成電路工藝特征尺寸進入了深亞微米時代,單粒子效應產(chǎn)生的軟錯誤已經(jīng)成為了影響航空航天設備中數(shù)字集成電路可靠性的重要因素。
　　根據(jù)單粒子效應發(fā)生的位置不同,軟錯誤可以分為發(fā)生在時序

2、電路中的單粒子翻轉(zhuǎn)和組合邏輯中的單粒子瞬態(tài)兩種。在行業(yè)中,軟錯誤一般采用翻轉(zhuǎn)截面和軟錯誤率來表征。目前對于軟錯誤的評估通常采用輻射實驗的方法,但該方法難以在設計階段對設計進行單粒子性能評估且實驗價格昂貴。因此,國內(nèi)外研究人員紛紛展開了針對設計階段的軟錯誤預測研究,以待在集成電路的設計初期提供一套有效的可靠性評估方法,從而避免因設計考慮不足帶來的芯片迭代流片和反復進行單粒子實驗產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟損失。
　　集成電路工藝特征尺寸不斷縮小,

3、器件節(jié)點關鍵電荷的減小和電路集成度的日益提高,使得數(shù)字集成電路的軟錯誤率不斷增大。同時這些隨著科技進步而引入的工藝特點給數(shù)字集成電路的軟錯誤評估模型帶來了新的挑戰(zhàn),其主要表現(xiàn)為:
　　(1)集成電路器件特征尺寸減小造成邏輯門電路的面積減小,從而導致粒子入射覆蓋面積與邏輯門電路的面積比增大,也就導致了電荷共享效應的出現(xiàn)。在存儲器件中,電荷共享效應的直接現(xiàn)象是單粒子多比特翻轉(zhuǎn)。實驗表明:在深亞微米工藝下,器件的翻轉(zhuǎn)截面已大于了器件本身

4、的幾何尺寸。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)對現(xiàn)有單粒子翻轉(zhuǎn)截面的預測提出了新的挑戰(zhàn)。
　　(2)特征尺寸減小和工作電壓的降低導致存儲器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)的臨界電荷也隨之減小,從而導致空間環(huán)境中通量很高的質(zhì)子可以通過直接電離引起單粒子翻轉(zhuǎn),進而造成單粒子翻轉(zhuǎn)引起的軟錯誤持續(xù)增長?，F(xiàn)有的質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面預測模型基本都只關注了質(zhì)子的二次翻轉(zhuǎn)效應,這一現(xiàn)象的出現(xiàn)對質(zhì)子引入的翻轉(zhuǎn)截面預測提出了新的要求。
　　(3)工作頻率的提高導致組合邏輯電路中單粒子瞬態(tài)效應引

5、起的軟錯誤占到了很高的比重,不能再被忽視。
　　本文針對深亞微米工藝下單粒子效應出現(xiàn)的新情況,對翻轉(zhuǎn)截面和軟錯誤率預測進行了深入研究,具體工作如下:
　　(1)深亞微米工藝下,重離子引入的時序電路核心器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面的電路級預測方法研究;
　　(2)深亞微米工藝下,質(zhì)子引入的翻轉(zhuǎn)截面預測模型研究;
　　(3)深亞微米工藝下,單粒子效應引入的組合邏輯軟錯誤率快速評估方法研究。
　　針對第一個問題,本文主要

6、解決高能重離子引入的翻轉(zhuǎn)截面預測。針對第二個問題,本文主要解決質(zhì)子直接電離引入的翻轉(zhuǎn)截面預測和二次反應翻轉(zhuǎn)截面預測,從而為目前出現(xiàn)的新現(xiàn)象提供一套預測方法。針對第三個問題,本文提出了一種快速預測單粒子瞬態(tài)效應的硬件模擬方法,從而為大規(guī)模組合邏輯電路的軟錯誤率提供一種評估方式。
　　本文第三章對于第一個問題展開了研究,提出了一種基于電路級單粒子效應模擬的翻轉(zhuǎn)截面預測方法。根據(jù)深亞微米工藝下,單粒子翻轉(zhuǎn)飽和截面受粒子輻射距離影響更大這

7、一研究結(jié)果,定義了影響距離這一概念。將粒子入射器件位置到敏感管漏極中心的距離作為重要參量引入電路級單粒子效應建模中,并提出適合深亞微米工藝下的電流注入模型。通過該電流注入模型可以將入射粒子的線性傳輸能量值轉(zhuǎn)化為影響距離,并結(jié)合存儲器件的版圖信息提出了單粒子翻轉(zhuǎn)截面預測模型。采用該預測方法對三種工藝尺寸的時序器件進行了實例分析,結(jié)果顯示該方法的翻轉(zhuǎn)截面預測值與單粒子實驗數(shù)據(jù)有較好的吻合度。
　　本文第四章對于第二個問題進行了研究,根

8、據(jù)反應機理的不同,質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面預測可以分為兩類進行分析:
　　(1)低能量質(zhì)子直接電離引入的翻轉(zhuǎn)截面預測,等效為在低LET域的翻轉(zhuǎn)截面預測;
　　(2)高能質(zhì)子二次反應產(chǎn)生的反沖重離子翻轉(zhuǎn)截面預測。
　　針對低能質(zhì)子的翻轉(zhuǎn)截面預測,本文根據(jù)器件內(nèi)部的單粒子敏感性不同而定義了敏感因子參數(shù),并在此基礎上提出了精細翻轉(zhuǎn)截面預測模型。對于高能質(zhì)子二次反應產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)截面,本文構(gòu)建了可變靈敏體,并在此基礎上提出了一種改進的兩參數(shù)核

9、反應模型用于預測質(zhì)子的二次反應引入的翻轉(zhuǎn)截面。結(jié)合所提出的兩種預測模型,對90、65nm工藝的靜態(tài)隨機存儲器進行了翻轉(zhuǎn)截面預測,結(jié)果顯示預測的翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子實驗數(shù)據(jù)吻合較好。
　　本文第五章提出了一種快速預測組合邏輯軟錯誤率的硬件模擬方法。通過對單粒子瞬態(tài)效應的研究,將脈沖傳輸中產(chǎn)生的電氣掩蔽效應和脈沖展寬效應建模為邏輯門物理延遲信息表征的解析表達式,并在此基礎上通過量化思想建立了一種適合硬件模擬的單粒子瞬態(tài)注入模型。該模型用一個