65 nm inverterde tek olaylı geçici darbe genişliği dağılımının çoklu tepe fenomeni
Liu Jiaqi 1, Zhao Yuanfu 1, 2, Wang Liang 1, Zheng Hongchao 1, Shu Lei 2, Li Tongde 1
(1. Pekin Mikroelektronik Teknolojisi Enstitüsü, Pekin 100076; 2. Harbin Teknoloji Enstitüsü, Harbin 150001, Heilongjiang)
65 nm prosesi altındaki tek partikül geçici puls genişliği saptama devresine dayalı olarak, hedef birimin tek partikül geçici puls genişliği, ağır iyon ışınlaması altında test edildi. Deneysel sonuçlarda tek partiküllerin geçici darbe genişliği dağılımındaki çoklu tepe fenomeni analiz edildi. Evirici çoklu tepe fenomeni ile LET değeri, sıcaklık ve eşik voltajı arasındaki ilişki ayrıntılı olarak karşılaştırılır. Çoklu tepe fenomeninin nedeni TCAD simülasyonu ile analiz edilir, yani parazitik bipolar etkiye bağlı olarak, PMOS'un yüksek LET partikül saldırısı tarafından üretilen geçici atımın darbe genişliği, NMOS tarafından saldırıya uğrayan partikülün geçici darbe darbe genişliğinden daha büyüktür. Yüksek sıcaklık koşulları, parazitik bipolar etkiyi daha ciddi hale getirecektir, bu nedenle, darbe genişliği dağılımının multimodal fenomeni, yüksek sıcaklık koşulları altında daha belirgindir.
Tek olay geçici; çok modlu fenomen; 65 nm inverter
TN432
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.005
Çince alıntı biçimi: Liu Jiaqi, Zhao Yuanfu, Wang Liang, vd. 65 nm inverterde tek olaylı geçici darbe genişliği dağılımının çoklu tepe fenomeni.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (1): 20-23.
İngilizce alıntı biçimi: Liu Jiaqi, Zhao Yuanfu, Wang Liang, ve diğerleri 65 nm invertörlerde çoklu tepe fenomeni tek olaylı geçici darbe genişliği dağılımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (1): 20-23.
0 Önsöz
Yarı iletken işlemin boyutu nanometre düzeyine düşürüldükçe, tek olay geçişi (SET), entegre devrelerdeki yumuşak hataların ana kaynağı haline gelmiştir. Cihazın özellik boyutu azaltılır, düğüm kapasitesi azaltılır ve gecikme kısaltılır, ancak tek olaylı geçici darbe genişliği orantılı olarak azalmaz. Nanoteknoloji altında, tek olaylı geçici darbe genişliği zaten normal sinyal genişliği ile aynı büyüklük sırasındadır, bu da tek olaylı geçişlerin devrede kayıpsız bir şekilde yayılmasını kolaylaştırır; ve devre çalışma frekansındaki artış, tek olaylı geçici darbe genişliğini ve saatini yapar. Periyotların oranı arttıkça, tek olaylı geçişlerin yakalanma ve hafif hatalar üretme olasılığı daha yüksektir. Bu nedenle, nano entegre devrelerdeki tek parçacık geçişleri gittikçe daha ciddi hale gelecektir. SET'in önemli bir özelliği olarak, geçici darbe genişliği, SET'in yayılıp yayılamayacağını ve entegre devrelerde yakalanabileceğini belirler. Tek olaylı geçici darbe genişliği özelliklerinin elde edilmesi, SET yayılma yasalarının analizinde ve donatı tasarımına rehberlik etmede önemli bir rol oynar. Özellikle takviye için zaman alanlı filtrelemeyi kullanan tek partikül geçici güçlendirme yöntemi için, tek partikül geçici darbe genişliği dağılımının özelliklerine göre makul bir güçlendirme stratejisi formüle etmek, donatı tasarımında önemli bir yol gösterici role sahiptir. Bu nedenle, SET darbe genişliğinin özellikleri ve etkileyen faktörler üzerine yapılan araştırmalar son yıllarda sıcak bir nokta haline geldi.
MATTHEW J'nin 90 nm'lik toplu silikon prosesi üzerindeki darbe genişliği ölçüm sonuçları, darbe genişliği dağılımının yüksek sıcaklık koşullarında çoklu tepe fenomeni gösterdiğini gösterdi, ancak yazar bu fenomene dikkat etmedi. 65 nm proses altında özel olarak tasarlanmış darbe genişliği algılama devresi farklı koşullar altında test edilinceye kadar, deneysel analizde ilk olarak geçici darbe genişliği dağılımının çoklu tepe fenomenine dikkat edilmiştir. Düşük doğrusal enerji transferi durumunda (Doğrusal Enerji Transferi, LET), SET darbe genişliğinde çoklu tepe fenomeni yoktur; yüksek LET durumunda, geçici darbe genişliği dağılımı bir çoklu tepe dağılımı fenomeni gösterecektir. Bu nedenle, çoklu tepe fenomeninin sebebinin, yüksek LET durumunda, parazitik bipolar etkiye bağlı olarak, PMOS'a saldıran partikülün darbe genişliğinin NMOS'a saldıran partikülünkinden çok daha büyük olması olduğu tahmin edilmektedir. Entegre devrelerin en temel birimlerinden biri olan inverterler, en temsili SET geçici darbe genişliği dağılımına sahiptir. Tasarlanan darbe genişliği algılama devresinin sonuçlarına göre, bu makale inverter çoklu tepe fenomeni ile LET değeri, sıcaklık ve eşik voltajı arasındaki ilişkiyi ayrıntılı olarak karşılaştırmakta ve nedenlerini TCAD simülasyonu ile analiz etmekte ve anti-radyasyon takviye tasarımı için rehberlik sağlamaktadır.
1 Deney ayrıntıları
1.1 Deneysel örnekler
Tasarlanan tek olaylı geçici darbe genişliği inceleme devresi, bir hedef devre ve bir darbe genişliği algılama birimi içerir. Hedef devre 5 farklı hedef bağlantı içerir.Yayılma sırasında darbenin yayılmasını azaltmak için, bağlantı mantık kapıları ve daha kısa birim zincirlerinden oluşur. Her bağlantının temel biriminin alanı aynıdır ve temel birimlerin sayısı büyük çoğunluktur.Temel birim üzerinde tek bir parçacık bombardımanı olasılığı son derece yüksektir. Hedef zinciri oluşturan temel birimler, geleneksel eşik voltaj çevirici (INV), NAND geçidi (NAND), NOR geçidi (NOR), düşük eşik voltaj çevirici (INV_LVT) ve ayrı bir N kuyusundaki PMOS'tur. , P substratlı NMOS inverter (INV_sw). Darbe genişliği tespit ünitesinin işlevi, hedef devrede tek olay etkisi meydana geldiğinde darbe genişliği çıkışını tespit etmektir. Darbenin genişliği, darbe genişliği tespit ünitesindeki tetiğin doğal gecikme ölçümü ile belirlenir ve darbe genişliği testinin doğruluğu ± 28,5 ps'dir. Bu makale, inverter darbe genişliğinin dağılımına odaklanmaktadır.
1.2 Deneysel kurulum
Ağır iyon hızlandırıcı ile tek enerjili ağır iyon elde edilir ve ağır iyon dikey bir test parçası ile bombardımana tutulur.Ağır iyonlar ve lineer enerji transfer (LET) değerleri ve enerji değerleri Tablo 1'de listelenmiştir. Test devresi, oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıkta 1,08 V'lik en düşük güç kaynağı voltajında aynı anda ölçüme başlar.
2 Test sonuçları ve tartışma
Tipik bir birimin SET darbe genişliği dağılımı Gauss dağılımına uygun olmalıdır ve darbe genişliği sayısı yalnızca bir tepe noktasına sahip olmalıdır Test sonuçlarında, SET darbe genişliği dağılımının birden çok tepe noktası vardır. Şekil 1'de gösterildiği gibi, Kr iyonlarının bombardımanı altında, inverter darbe genişliği, 199.5 ~ 256.5 ps'de bir zirveye ve 313.5 ~ 370.5 ps'de ikinci bir zirveye sahiptir; bu, birinci tepe ile bir çift tepe oluşturur. Çoklu tepe fenomeninin nedenini keşfetmek için, çoklu tepe fenomeni ile LET arasındaki ilişki, sıcaklık ve eşik voltajı karşılaştırılır ve çoklu tepe fenomeninin olası nedenleri ve etkileyen faktörleri analiz edilir.
2.1 Çok modlu fenomen ile LET arasındaki ilişki
Düşük LET iyonlarının (klorür iyonu, titanyum iyonu) bombardımanı sırasında çoklu tepe fenomeni yoktur ve geçici darbe genişliği dağılımı Gauss dağılımına uygundur; yüksek LET iyonu (germanyum iyonu, kripton iyonu) bombardımana tutulduğunda, çoklu tepe fenomeni ortaya çıkmaya başlar. Ve LET arttıkça, çoklu tepe fenomeni daha belirgin hale gelir ve ikincil zirvenin yüksekliği, ana zirvenin yüksekliğine gittikçe yaklaşır. Test sonuçları Şekil 1'de gösterilmektedir.
Analiz yoluyla, geçici darbe genişliğinin düşük LET'de multimodal bir dağılım göstermediğine inanılmaktadır, ancak yüksek LET'de multimodal dağılımın olası nedeni, PMOS'un parazitik bipolar etkisine bağlı olarak, PMOS'un iyon bombardımanının daha fazla LET üretmesidir. Geniş darbe genişliği. Düşük LET durumunda, PMOS'a saldıran iyonlar tarafından iyonize edilen yük miktarı küçüktür, kuyu potansiyeli dalgalanması küçüktür, PMOS'un parazitik bipolar etkisi belirgin değildir, iyon saldıran PMOS'un neden olduğu geçici darbe genişliği ve NMOS'a saldıran iyonun neden olduğu geçici darbe genişliği Fark büyük değildir, bu nedenle darbe genişliği dağılımı Gauss dağılımına uygundur ve çoklu tepe fenomeni yoktur; ve yüksek LET durumunda, iyon PMOS'a çok sayıda elektron deliği çiftini iyonize etmek için saldırır ve N-kuyusu elektronları toplar, böylece kuyu potansiyeli azalır. , PMOS'un geçici darbe genişliği iyon bombardımanı NMOS'un geçici darbe genişliğinden çok daha büyük olduğu için, daha geniş bir darbe genişliği SET üretir, bu nedenle darbe genişliği dağılımında iki tepe vardır.
2.2 Çoklu modalite ve sıcaklık arasındaki ilişki
Germanyum iyonu (Ge) ışınlaması koşulları altında sıcaklıkla multimodal fenomenin değişimini seçin. Yüksek sıcaklık koşulları altında, SET sayısı ve maksimum darbe genişliği, normal sıcaklık koşulları altında olanlardan daha büyüktür ve yüksek sıcaklık koşulları altında, çoklu tepe fenomeni daha ciddidir ve ikincil tepe noktasının ana tepe noktasına oranı daha da artar. Şekil 2'de gösterildiği gibi, yüksek sıcaklık koşullarında eviricinin (INV_HT) ikincil tepenin ana tepeye oranı, düşük sıcaklık koşullarında sürücü (INV_NT) ikincil tepe / ana tepe oranından 1 kat daha büyüktür. Cihaz yüksek sıcaklıkta olduğunda cihazın SET üretme olasılığının daha yüksek olduğunu ve geniş SET artış hızının dar SET hızından daha yüksek olduğunu gösterir. Literatür ve diğer çalışmalar, PMOS'un parazitik bipolar etkisinin yüksek sıcaklık koşullarında daha ciddi olacağını ve iyonların PMOS'a saldırarak geniş puls SET üretmesini kolaylaştıracağını göstermiştir. Bu nedenle, yüksek sıcaklık durumunda, invertörün geçici darbe genişliği dağılımının çoklu tepe fenomeni daha belirgindir.
2.3 Çoklu tepe fenomeni ve eşik voltajı arasındaki ilişki
Farklı eşik voltajları altında, inverterin çoklu tepe fenomeninin eğilimi aynıdır ve Şekil 3'te gösterildiği gibi fark açık değildir. Farklı eşik voltaj cihazları, parçacık bombardımanı altında farklı yük toplama koşullarına sahiptir ve geri kazanım tüpünün akımı da eşik voltajından etkilenir. Gerçek ölçüm sonuçları, farklı eşik voltajlarının cihazın darbe genişliği ve çoklu tepe fenomeni üzerindeki etkisinin açık olmadığını göstermektedir. Cihazın darbe genişliği dağılımının farklı eşikler altında açık olmamasının nedeni, eşik voltajının, test devresinin mevcut çözünürlüğünde yansıtılamayan, SET cihazının darbe genişliği üzerinde küçük bir etkiye sahip olması olabilir.
3 Simülasyon analizi
Darbe genişliği dağılımındaki çoklu tepe fenomeninin nedenini belirlemek için, inverterin NMOS ve PMOS tarafından oluşturulan SET'i simüle etmek ve analiz etmek için TCAD simülasyon yazılımı kullanıldı. Sırasıyla, inverterde 3D PMOS ve NMOS modellerini oluşturun ve farklı LET ve sıcaklık koşulları altında ağır iyon saldırısı altında NMOS ve PMOS'un yük toplama ve darbe genişliğini simüle etmek için karışık mod simülasyonunu kullanın.Simülasyon sonuçları şekilde gösterilmiştir. 4. Şekil 5'te gösterildiği gibi. Şekil 4, ağır iyon saldırısı altındaki NMOS'un geçici darbesini gösterir ve Şekil 5, ağır iyon saldırısı altındaki PMOS'un geçici darbesini gösterir.
Şekil 4 (a) ve Şekil 4 (b) 'nin Şekil 5 (a) ve Şekil 5 (b) ile karşılaştırılmasından, yüksek LET durumunda, NMOS üzerinde iyon saldırısı tarafından üretilen SET'in darbe genişliğinin hala yaklaşık 200 ps olduğu, ancak iyon saldırısının PMOS tarafından üretilen SET darbe genişliği yaklaşık 400 ps'dir. Şekil 4 (c), Şekil 4 (d) ile Şekil 5 (c), Şekil 5 (d) karşılaştırmasından, düşük LET durumunda, iyon saldıran NMOS tarafından üretilen SET darbe genişliği ve PMOS'a saldıran iyon tarafından oluşturulan SET darbe genişliği Her ikisi de yaklaşık 200 ps'dir ve iyon saldırısı PMOS ve NMOS tarafından üretilen SET darbe genişliği çok farklı değildir.
Şekil 4 ve Şekil 5'in karşılaştırmasından, düşük LET durumunda, PMOS üzerindeki iyon saldırısının oluşturduğu geçici darbe genişliğinin NMOS üzerindeki iyon saldırısı tarafından üretilen geçici darbe genişliğinden çok farklı olmadığı, dolayısıyla darbe genişliği dağılımının bir tepe olarak göründüğü görülebilir. Yüksek LET durumunda, PMOS üzerindeki iyon saldırısı tarafından üretilen SET genişliği, NMOS üzerindeki partikül saldırısı tarafından oluşturulan SET genişliğinden önemli ölçüde daha büyüktür, bu nedenle darbe genişliği dağılımı iki farklı tepe olarak görünür. SET darbe genişliği dağılımının çoklu tepe fenomeninin, yüksek LET iyonlarının saldırısı altında daha geniş bir darbe genişliği SET oluşturan PMOS'tan kaynaklandığı doğrulanabilir. Yüksek sıcaklıkta iyon saldırısının oluşturduğu SET atım genişliği hafifçe artar, ancak artış belirgin değildir. Bu nedenle, geçici darbe genişliği dağılımının çoklu tepe fenomeninin yüksek sıcaklıkta daha belirgin olmasının nedeni şudur: yüksek sıcaklıkta, PMOS parazitik bipolar etki daha ciddi olacaktır, bu da iyon saldırısının neden olduğu geniş darbe genişliği SET olasılığını artırır.
4. Sonuç
65 nm toplu silikon CMOS işleminde inverter tek partikül geçici darbe genişliği dağılımının çoklu tepe fenomenini hedefleyen bu makale, deneysel verilerin dağılımı ve istatistiksel özellikleri aracılığıyla nedenlerini yenilikçi bir şekilde analiz eder ve bunu doğrulamak için anti-radyasyon olan TCAD simülasyonunu kullanır. Takviye tasarımı rehberlik sağlar. Çoklu tepe fenomeni ile LET, sıcaklık ve eşik voltajı arasındaki ilişki analiz edilir. TCAD simülasyonu ile, tek olaylı geçici darbe genişliği dağılımının bir çoklu tepe şekli sunmasının ana nedeninin, yüksek LET iyon saldırısı altında geniş bir geçici darbe oluşturan PMOS'un parazitik bipolar etkisinden kaynaklandığı doğrulanmıştır. Yüksek sıcaklık koşulları PMOS'un parazitik bipolar etkisini şiddetlendireceğinden, darbe genişliği dağılımının multimodal fenomeni yüksek sıcaklık koşullarında daha belirgindir. Bu nedenle, anti-radyasyon sertleştirme tasarımında, geniş darbe genişliği geçici darbeleri oluşturmak ve PMOS'un hedeflenen sertleştirmesini gerçekleştirmek için yüksek LET altında PMOS'un parazitik bipolar etkisine dikkat etmek gerekir.
Referanslar
Zhao Yuanfu, Wang Liang, Yue Suge ve diğerleri. SEU ve SET of 65 nm bulk CMOS flip-flop and their implications on RHBD. IEEE Process on Nuclear Science, 2015, 62 (6): 2666-2672.
AHLBIN J R, GADLAGE M J. Çoklu transistör yük toplamanın tek olaylı geçici darbe genişlikleri üzerindeki etkisi IEEE Aktarım Cihazı Mater. Reliab., 2011, 11 (3): 401-406.
GADLAGE M J, AHLBIN J R. Yüksek sıcaklıklarda çalışan 90 nm'lik toplu CMOS teknolojisinde artırılmış tek olaylı geçici darbe genişlikleri. IEEE Trans.Device Mater.Reliab., 2010, 10 (1): 157-163.
JAGANNATHAN S, GADLAGE M J. 65 nm CMOS'ta N-Hits ve P-Hits'ten SET darbe genişliklerinin bağımsız ölçümü. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2010, 57 (6): 3386-3391.
Yue Suge. 65-nm toplu CMOS devrelerinin tek olay geçici darbe genişliği ölçümü. Journal of Semiconductor, 2015, 36 (11).
AHLBIN JR, GADLAGE MJ, BALL DR, vd. 65 nm'lik bir toplu CMOS işleminde düzen topolojisinin tek olaylı geçici darbe söndürme üzerindeki etkisi. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2010, 57 (6): 3380-3385 .
Chen Shuming, Liang Bin Yığın ve SOI teknolojilerinde dijital SET darbe genişliğinin sıcaklık bağımlılığı IEEE Trans. Nucl. Sci., 2008, 55 (6): 2914-2920.
