基于65 nm 体硅CMOS 技术的DICE-DFF 和TMR-DFF SEU 辐射硬化方法分析

李海松，杨 博，蒋轶虎，高利军，杨 靓

(西安微电子技术研究所 西安 710065)

空间辐照环境中的等离子体、俘获粒子、太阳粒子和宇宙射线等辐射离子入射到半导体器件材料时，会产生大量的电子空穴对[1-4]，造成载流子浓度梯度和器件电场分布的暂时紊乱，导致集成电路内部发生单粒子效应(single event effect, SEE)。因此，应用于卫星通信、空间站、空间探测器等空间飞行器的集成电路需要进行辐照加固设计。单粒子翻转(single event upset, SEU)是一种常见的单粒子效应，可能导致集成电路内部触发器、锁存器和存储单元状态发生改变，引起电路功能失效。

在采用先进工艺制造的超大规模集成电路应用辐照环境中，由于其工作电压降低、器件尺寸减小、阈值电压变小、工作频率升高、器件密度增加等多重因素的综合作用，单粒子翻转效应越来越严重[5-7]。先进工艺节点的新结构、新工艺、新材料表现出的单粒子效应新现象、新机理得到众多学者的研究，如电荷共享效应、脉宽压缩效应等[8-10]，进一步揭示了先进工艺节点单粒子瞬态脉冲和单粒子翻转形成的过程，深入分析了单粒子入射过程中载流子电荷产生、运输、收集和脉冲形成的机理。目前，针对触发器单粒子翻转加固，在电路级采取的主要措施包括采用加固型触发器，如双互锁触发器(dual interlocked storage cell, DICE)、whitaker 型触发器、muller-c 型触发器等[11-13]；另一种途径则是采用三模冗余(triple modular redundancy, TMR)加固方式，如空间三模冗余(spatial TMR)和时间三模冗余(temporal TMR)[14-16]。

本文基于65 nm 体硅CMOS 超深亚微米工艺，针对普通触发器、2 种DICE 触发器、普通触发器空间三模冗余、2 种普通触发器时间三模冗余这6 种结构，采用移位寄存器链方式分别进行单粒子翻转试验评估，并结合各种加固方式的面积、性能、晶体管数量和抗单粒子翻转性能进行综合分析，为后续先进工艺超大规模集成电路触发器单粒子翻转效应加固提供一定的指导性建议。

1 DFF 单元电路结构

1.1 普通触发器电路结构

普通触发器电路结构如图1 所示，由两级锁存器构成，包含8 个反相器和4 个传输门，当时钟信号CLK 由“0”跳变为“1”时，触发器输出端信号Q 随输入端信号“D”发生改变。若采用该触发器，当锁存器中的节点发生单粒子翻转时，触发器输出端Q 会输出错误的状态。

图1 普通触发器电路结构

1.2 DICE 触发器电路结构

DICE 触发器电路结构如图2 所示，包括两级锁存器，内部反相器、钟控反相器和输出驱动反相器采用muller-C 结构设计，为上升沿跳变型DICE触发器。针对该触发器结构，当锁存器内部仅有一个节点发生单粒子翻转时，由于此时muller-C 结构单元输出为高阻态，避免了DICE 触发器输出错误状态。为评估辐照环境下电荷共享效应对单粒子翻转的影响，基于该DICE 触发器电路，设计两种不同的版图方案：1)版图设计简便，但相关敏感节点距离较近，间距约为2.5 µm，如N2 和N5 是一对相关敏感节点；2)版图设计较复杂，相关敏感节点距离较远，间距约为5.7 µm。

图2 DICE 触发器电路结构

1.3 普通触发器空间三模电路结构

普通触发器空间三模电路结构如图3 所示，包含3 个普通触发器、1 个三选二多路判决器和五级缓冲器，五级缓冲器的作用是模拟实际电路中触发器单元之间的组合逻辑。当DFF1、DFF2 和DFF3这3 个触发器中任意一个发生单粒子翻转时，由于其他两个触发器仍然保持正确的输出状态，所以判决器MAJ 的输出信号Q 仍然正确，实现触发器的单粒子翻转加固设计。但当判决器和5 级缓冲器产生单粒子瞬态脉冲时，下一级空间三模电路结构无法纠正该错误。

图3 普通触发器空间三模电路结构

1.4 普通触发器时间三模电路结构

普通触发器时间三模电路结构如图4 所示，包括1 个时延单元阵列、3 个普通触发器、1 个三选二判决器和五级缓冲器，其中时延单元阵列产生时间间隔为 ∆t的三路时钟信号，分别控制3 个触发器。首先，当触发器DFF1、DFF2 和DFF3 中的任意一个发生单粒子翻转时，判决器MAJ 保持正确状态输出；其次，判决器和5 级缓冲器产生单粒子瞬态脉冲时，若其脉冲宽度小于 ∆t，下一级判决器MAJ 仍可以正确输出状态。本文主要针对 ∆t分别等于300 ps 和600 ps 两种情况进行单粒子翻转试验与分析。

图4 普通触发器时间三模电路结构

2 单粒子翻转试验电路结构

普通触发器、DICE 触发器与空间TMR 加固单粒子翻转试验电路结构如图5a 所示，主要包括伪随机数产生、两个移位寄存器链和一个异或门；时间TMR 加固单粒子翻转试验电路结构如图5b所示，主要包括时延单元阵列、伪随机数产生、两个移位寄存器链和一个异或门。

图5 触发器单粒子翻转试验电路结构

伪随机数产生电路作为激励信号发生器，给移位寄存器输入周期性变化的信号源“0010111”，工作频率为10 MHz。采用两路500 级移位寄存器链，用于评估不同触发器结构的抗单粒子翻转性能。异或门比较两路移位寄存器链的输出信号，当移位寄存器链未发生单粒子翻转时，异或门输入端a 和输入端b 状态相同，输出低电平；当移位寄存器链发生单粒子翻转时，异或门输入端a 和输入端b 状态不同，输出高电平。通过对异或门输出状态的监控，可以获取不同触发器结构的单粒子翻转次数。时延单元阵列用于产生三路不同相位的时钟信号，分别控制时间TMR 触发器的3 个时钟信号。采用移位寄存器链评估触发器单粒子翻转效应的具体分析见文献[17]。

3 实验结果分析

在实验室对上述触发器单粒子翻转试验电路进行评估，包括普通触发器(DFF)、DICE 触发器(DICE-DFF)、相关敏感节点远离DICE 触发器(FDICE-DFF)、空间三模触发器(TMR-DFF)、相差300 ps 时间三模触发器(TTMR-DFF300)和相差600 ps 时间三模触发器(TTMR-DFF600)6 种被测触发器结构。共采用Ti(150 MeV)、Cu(200 MeV)、Br(218 MeV)、I(240 MeV)、Au(280 MeV)和Bi(923 MeV)这6 种离子对被测电路进行轰击。6 种离子的等效LET 值分别是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 种离子的入射深度分别是31 µm，30.2 µm，31.5 µm，27 µm，26.2 µm 和53.7 µm。被测电路共3 只，每只被测电路的各种入射离子的总注量都是107个离子。单粒子试验装置如图6 所示。

图6 触发器单粒子翻转试验装置

6 种被测触发器结构的单粒子翻转截面如图7 所示，试验结果表明随着入射离子LET 的增加，6 种被测触发器结构的单粒子翻转截面均呈上升趋势，尤其是LET 值与入射深度均比较大的Bi 离子，其单粒子翻转截面较Au 离子提升2.2～14.0 倍。主要是由于在高LET 值与大入射深度的共同作用下，入射离子在衬底产生了大量的电子空穴对，单粒子效应影响半径远大于其他种类的离子，诱发的电荷共享效应更加明显，导致Bi 离子的单粒子翻转截面增速猛然增加。

图7 6 种被测触发器结构的单粒子翻转截面折线图

对于Ti、Cu、Br、I 和Au 这5 种离子，DICE结构触发器单粒子翻转截面降低为普通触发器的6.2%～10.0%；对于Bi 离子，DICE 结构触发器单粒子翻转截面降低为普通触发器的20%。这是由于Ti、Cu、Br、I 和Au 这5 种离子的入射深度相近，呈现的单粒子翻转截面降低程度相似。而Bi 离子的入射深度相比5 种离子增加了75%以上，单粒子翻转效应更加严重，导致加固措施的提升效果相比其他离子明显下降。同时，由于超深亚微米工艺单位面积器件密度的增加，入射离子的电荷共享效应更加明显，致使DICE 结构触发器仍发生较多单粒子翻转，且DICE-DFF 与FDICE-DFF的单粒子翻转截面接近。

TMR-DFF 结构触发器单粒子翻转截面降低为普通触发器的0.6%～1.2%，下降约两个数量级。相比DICE 结构触发器，三模冗余触发器结构抗单粒子翻转效果更加具有优势，单粒子翻转率约下降一个数量级。这主要是由于三模冗余结构的3 个触发器具有更远的物理距离，电荷共享效应的影响进一步缩小。TMR-DFF 结构触发器链产生的SEU主要是由于MAJ 单元和缓冲器单元发生的单粒子瞬态脉冲，然后下一级触发器俘获从而形成单粒子翻转。

对于Ti、Cu、Br、I 和Au 这5 种离子，TTMRDFF300 结构触发器单粒子翻转截面降低为普通触发器的0.2%～0.4%，相对于TMR-DFF 结构触发器，单粒子翻转截面进一步降低。其主要原因是，MAJ 单元和缓冲器单元发生的单粒子瞬态脉冲大部分被时间三模结构的滤波作用消除，但是对于单粒子瞬态脉冲大于300 ps 的信号，仍可能被下级触发器俘获而形成单粒子翻转。对于Bi 离子，TTMRDFF300 结构触发器单粒子翻转截面降低为普通触发器的1%，单粒子翻转截面相对于TMR-DFF 结构触发器下降不明显，仅下降15.8%。其主要原因是由于Bi 离子的高LET 值与大入射深度特征，产生的大多数单粒子脉冲宽度均大于300 ps。

TTMR-DFF600 结构触发器单粒子翻转截面降低为普通触发器的0.07%～0.4.0%。相对于TTMRDFF300 结构触发器，单粒子翻转截面进一步降低；尤其是对于Bi 离子，其SEU 概率仅为TTMRDFF300 结构触发器的41.6%。这是由于TTMRDFF600 结构触发器具有更好的单粒子脉冲滤波效果，但这需要牺牲时序性能为代价。TTMRDFF600 结构触发器产生的单粒子翻转主要包括3 点原因：1)由于文中三模冗余(空间三模冗余和时间三模冗余)结构触发器，3 个触发器物理距离较近，因此仍存在电荷共享效应引发两个触发器同时翻转的情况；2)个别离子在被测电路中产生了大于600 ps 的瞬态脉冲，且被触发器俘获形成了SEU；3)触发器链经异或门比较和IO 单元输出时，可能引入错误单粒子脉冲，并被测试系统错误记录。针对3 个触发器物理距离较近的问题，可以在实际产品设计中，通过增大3 个相关触发器的物理距离，进一步降低产品的单粒子翻转截面。

6 种被测触发器结构地球同步轨道单粒子翻转概率如表1 所示，DFF、DICE-DFF、FDICE-DFF、TMR-DFF、TTMR-DFF300 和TTMR-DFF600 这6 种被测触发器结构GEO 轨道单粒子翻转概率分别为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)。对比可知，TTMR-DFF600 结构具有最低的翻转概率，相比于普通触发器结构，其单粒子翻转概率降低了7 个数量级。

表1 6 种被测触发器结构地球同步轨道单粒子翻转概率

4 综合性能对比

6 种被测触发器结构ck->q 时延、面积、晶体管数量以及GEO 轨道单粒子翻转概率对比情况如表2 所示。普通触发器具有最快的速度、最小的面积和最少的晶体管个数，但是单粒子翻转性能最差。TTMR-DFF600 触发器结构延时最大、面积最大且晶体管个数最多，分别是普通触发器的19.6 倍、3.7 倍和3.5 倍，但是拥有最好的单粒子翻转性能，GEO 同步轨道单粒子翻转概率相比普通触发器降低了7 个数量级。因此，超大规模集成电路的辐射加固设计，需要针对其内部不同模块的性能采取合适的加固策略，针对时序余量较大的模块可以采用TTMR-DFF600 触发器结构进行单粒子效应加固，对于时序余量紧张的模块应选择TMR-DFF 结构触发器或DICE-DFF 结构触发器，确保目标电路在满足其他指标要求的前提下，单粒子效应加固效果达到最优。

表2 6 种被测触发器结构性能对比表

触发器单元单粒子辐射效应加固性能与速度、面积以及晶体管数量之间存在矛盾，需要针对集成电路的具体架构和应用情况进行折中选择，制定出最合适的单粒子翻转加固方案。

5 结 束 语

本文系统分析了DFF、DICE-DFF、FDICEDFF、TMR-DFF、TTMR-DFF300 和TTMR-DFF600这6 种触发器单元的电路结构，采用移位寄存器链结构分别设计了相应的单粒子翻转效应验证电路，并基于65 nm 工艺进行流片。利用Ti、Cu、Br、I、Au 和Bi 这6 种离子分别对验证电路进行单粒子翻转试验，对试验结果进行深入分析，对比了6 种触发器结构的翻转截面和GEO 轨道翻转概率，TTMR-DFF600 触发器单粒子翻转概率相比普通触发器降低了7 个数量级，具有最好的单粒子翻转加固性能。最后，从速度、面积、晶体管数量以及抗SEU 性能多角度对6 种触发器单元进行全面分析，为后续超大规模集成电路抗SEU 设计提供了一定的理论指导。