一种通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法，包括以下步骤：第一步，构建产生SEMT的目标电路，用于产生单粒子瞬态SET或单粒子多瞬态SEMT；第二步，构建SEMT捕获电路；第三步，将目标电路和SEMT捕获电路连接成测试电路；第四步，构造测试芯片并生产出测试芯片；第五步，进行辐射实验，在辐射环境中在线测量SEMT脉冲分布。本发明中SEMT捕获电路相对于现有SET捕获电路来说，不仅将其中的触发器链进行了加固，能准确地获得反相器单元SEMT脉冲分布信息，且能准确地获得标准单元库中其他单元SEMT脉冲分布信息，避免了单粒子翻转/单粒子多位翻转造成的测量误差，而且首次采用了N个捕获电路同时进行捕获的方式，提升了测量效率。
【专利说明】
一种通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及纳米集成电路中单粒子多瞬态的测量方法，尤指纳米集成电路中各晶体管、各电路单元上所产生的单粒子多瞬态脉冲分布的测量方法。
【背景技术】
[0002]在宇宙空间中，存在大量高能粒子(质子、电子、重离子和中子等)和高能射线。集成电路受到这些高能粒子和射线的轰击后，会产生单粒子瞬态(Single Event Transient，简称SET)。单粒子瞬态的存在极大地影响了集成电路的正常工作，例如，当单粒子瞬态脉冲传播至存储电路时，如果满足相应的时序约束则会转化为单粒子翻转(Single EventUpset，简称SEU)。随着工艺尺寸的持续缩减，集成电路中各晶体管状态改变的临界电荷持续降低，晶体管密度持续增加，多个晶体管同时受到粒子轰击的概率大大提升，多个晶体管同时受到轰击而发生多节点电荷收集(Mult1-node Charge ColIect1n，简称MCC)，进而引发单粒子多瞬态(Single Event Multiple Transient，简称SEMT)。单粒子多瞬态的出现会使得集成电路中逻辑屏蔽失效，甚至会使传统冗余加固技术失效，对集成电路正常工作构成更为严重的威胁。因此发明先进的单粒子多瞬态测量技术，对掌握先进工艺下单粒子多瞬态对集成电路的危害、开发单粒子瞬态加固技术、以及实现高精度软错误分析与评估显得尤为重要。
[0003]反相器、与非门、或非门等标准单元是组成集成电路的基本单元，因此了解标准单元之间单粒子多瞬态产生情况，有利于更加高效的对版图进行加固，从而有效地提高集成电路的抗单粒子瞬态能力。0.A.Amusan等人在IEEE Transact1n on Nuclear Science(IEEE原子會泛科学学报)上发表的 “Laser verificat1n of charge sharing in a 90nmbulk CMOS process”(90纳米体娃工艺下电荷共享的激光验证)(2009年12月第6期第56卷，第3065-3070页)提出了一种大尺寸晶体管多节点电荷收集的激光测量技术，并以NMOS晶体管为例说明了该测量电路的工作机理。这种技术将两个大尺寸的NMOS管按一定的间距并排放置，用激光轰击其中的一个(文中称为主器件)，同时测量两个器件上的电荷收集量，从而可以获得未被直接轰击晶体管(文中称为从器件)的电荷收集量与激光能量之间的关系、和从器件电荷收集量与两晶体管之间距离的关系。这种技术使人们对MCC和SEMT有了更为理性的认识;然而，该技术的缺陷也是明显的，因为测量中所获得的MCC的电荷收集量数据很难转化为SEMT中各瞬态脉冲的脉冲形状(如宽度、幅度等)信息。后来，W.G.Bennett等人在IEEE Transact1n on Nuclear Science(IEEE原子會泛科学学报)上发表的 “Experimentalcharacterizat1n of radia-t1n-1nduced charge sharing”(福身才诱发的电荷共享的实验表征)(2013年12月第6期第60卷，第4159-4166页)基于二极管提出了另外一种单粒子多瞬态测量方法。该方法将四个二极管放在一个正方形的四个角上，四个二极管的位置对称，不仅进行激光实验，而且还进行了重离子实验，并获得了单粒子诱发的多瞬态电流脉冲。虽然该实验较前一种方法而言，不仅能适用于重离子宽束实验，而且还能直接观测到产生的单粒子多瞬态电流脉冲;但是该方法中多电流瞬态脉冲的测量往往依赖于高精度示波器，因而所测得的电流瞬态脉冲往往会严重失真；因此该方法仍然无法准确地衡量集成电路中单粒子多瞬态特性。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:工艺尺寸缩减到65nm及其以下工艺中，集成电路中电荷共享诱发的单粒子多瞬态成为一种普遍现象，而目前的单粒子多瞬态测量方法不能准确地反映集成电路中单粒子多瞬态特性，因而本发明提出一种对集成电路中单粒子多瞬态进行测量的通用型方法，其测量电路包含目标电路和SEMT捕获电路。
[0005]本发明的技术方案是:
[0006]第一步，构建产生SEMT的目标电路，用于产生单粒子瞬态SET或单粒子多瞬态SEMT，包括以下步骤:
[0007]1.1根据测量目标，从标准单元库中选择Ml个同类标准单元，如反相器、与非门等，Ml 2 1，M1为整数。譬如，要测量反相器间的SEMT时，选择Ml个标准单元库中的反相器单元，要测量与非门间的SEMT时，选择Ml个标准段元库中的与非门单元。
[0008]1.2将Ml个所选择的标准单元串成Ml级的单元链，并在版图设计中将该单元链中各单元纵向摆放成纵向长条形状。
[0009]1.3在版图上，将该单元链复制N-1份，并将N个单元链在版图中等间距纵向并列放置，N22，N为整数。
[0010]1.4将N个单元链的输入各自连接到标准单元库中的逻辑恒O单元(Tie-Low)或逻辑恒I (T i e-Hi gh)单元的输出端。
[0011]第二步，构建SEMT捕获电路
[0012]本发明中的SEMT捕获电路基于B.Narasimham的所提出SET捕获结构(于2006年发表在IEEE Transact1n on Device&Material Reliability〈IEEE器件与材料可靠性学报〉第6卷4期上，题目是 “On-chip characterizat1n of single event transient pulsewidths”〈单粒子瞬态脉冲宽度的在线表征〉)改进而成。B.Narasimham提出的技术是在捕获电路中运用数十个或百十个的触发器构成的触发器链将在反相器链上传播的SET转化成数值而自动锁存。若目标电路中无SET产生，该捕获电路中触发器链中的数值为OI……0101……01(或10……1010……10);若目标电路中有SET产生，则该捕获电路中触发器链中的数值将变为01……1010……01(或10……0101……10)。这时该捕获电路中触发器链中连续发生数值翻转的触发器个数乘以反相器延时即为待测SET的脉冲宽度。本发明中的SEMT捕获电路构造过程如下:
[0013]2.1构造N条M2级的反相器链和N条M3级的D触发器链，M2的选择依据所设计测量SEMT的量程来确定，M3为正整数，M2是M3的整数倍。
[0014]2.2对N条触发器链中各触发器运用工程上成熟的加固技术(如三模冗余加固等)进行单粒子翻转加固，以避免粒子轰击触发器链引发的单粒子翻转或单粒子多位翻转干扰测量结果。
[0015]2.3将N条反相器链中靠近中点(M2/2)的任意反相器输出端设定为自触发器节点，并构造N个对应的如B.Naramsimham文中所述自触发器电路(543倒数第2段、倒数第I段和544页第I段)。
[0016]2.4将N个自触发电路的复位信号直接连接在一起，以便在捕获SEMT完成后能同时将N个捕获电路进行复位而准备进行下一次SEMT捕获。
[0017]第三步，将目标电路和SEMT捕获电路连接成测试电路，流程如下:
[0018]通过将N条Ml级的单元链的输出端连接N个捕获电路中对应的M2级反相器链的输入端上，将目标电路和SEMT捕获电路连接成测量电路。
[0019]第四步，构造测试芯片并生产出测试芯片:
[0020]按照芯片设计与生产相关流程，生产出若干测试芯片，测试芯片数量依据实际需要而定。
[0021]第五步，进行辐射实验，在辐射环境中在线测量SEMT脉冲分布，流程如下:
[0022]5.1将含目标电路和SEMT捕获电路的测试芯片置于辐射环境中，辐射环境可以为真实的辐射环境或者实验室辐射环境；
[0023]5.2判断辐射注射量是否达到设定值，若实验过程中辐射注入量达到所设定的值(如重离子辐射环境下辐射注入量达到le71nS/Cm2等)时，停止在线测量，并对所采集的SET或SEMT信息进行保存，辐射实验结束;否则，进入步骤5.3;
[0024]5.3当粒子轰击到目标电路时，如果恰好穿过某个或某几个晶体管的敏感区，这个或这些晶体管可能产生SET或SEMT ；
[0025]5.4产生的SET或SEMT沿着单元链向前传播，传到单元链末端时开始在SEMT捕获电路中对应的反相器链中传播；
[0026]5.5当SET或SEMT传到自触发器节点时，触发自触发器电路将反相器上传播的SET或SEMT锁存到对应的捕获电路中触发器链中，SEMT捕获电路中触发器链保持其数据不变，并向外部测试平台(如FPGA平台等可通过编程与测试芯片进行通信的平台)发出捕获完成信号而等待外部测试平台复位；
[0027]5.6外部的测试平台根据捕获完成信号将各SEMT脉冲读走，并通过串口发送给计算机进行图形显示，然后向测试芯片中的SEMT捕获电路发送复位信号；
[0028]5.7SEMT捕获电路从外部测试平台收到复位信号后，重新恢复到可捕获SEMT的状态，转步骤5.3。
[0029]采用本发明可以达到以下技术效果:
[0030]本发明中SEMT捕获电路相对于Narasimham提出的SET捕获电路来说，不仅将其中的触发器链进行了加固，能准确地获得反相器单元SEMT脉冲分布信息，且能准确地获得标准单元库中其他单元SEMT脉冲分布信息，避免了单粒子翻转/单粒子多位翻转造成的测量误差，而且首次采用了 N个捕获电路同时进行捕获的方式，提升了测量效率。
【附图说明】
[0031]图1是本发明通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法的总体流程图；
[0032]图2是以标准单元是反相器单元为实施例，本发明第一步构建的目标电路原理图；
[0033]图3是本发明第一步和第二步构建的测量电路逻辑结构图；
[0034]图4是以M3与M2相等为实施例，本发明第二步构建的SEMT捕获电路示意图。
【具体实施方式】
[0035]图1是本发明通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法的总体流程图，包括以下流程:
[0036]第一步，构建产生SEMT的目标电路，用于产生单粒子瞬态SET或单粒子多瞬态SEMT，包括以下步骤:
[0037]1.5根据测量目标，从标准单元库中选择Ml个同类标准单元，如反相器、与非门等，Ml 2 1，M1为整数。譬如，要测量反相器间的SEMT时，选择Ml个标准单元库中的反相器单元，要测量与非门间的SEMT时，选择Ml个标准段元库中的与非门单元。
[0038I 1.6将Ml个所选择的标准单元串成Ml级的单元链，并在版图设计中将该单元链中各单元纵向摆放成纵向长条形状。
[0039]1.7在版图上，将该单元链复制N-1份，并将N个单元链在版图中等间距纵向并列放置，N22，N为整数。
[0040]1.8将N个单元链的输入各自连接到标准单元库中的逻辑恒O单元(Tie-Low)或逻辑恒I (T i e-Hi gh)单元的输出端。
[0041 ] 第二步，构建SEMT捕获电路，流程如下:
[0042]2.1构造N条M2级的反相器链和N条M3级的D触发器链，M2的选择依据所设计测量SEMT的量程来确定，M3为正整数，M2是M3的整数倍。
[0043]2.2对N条触发器链中各触发器运用工程上成熟的加固技术(如三模冗余加固等)进行单粒子翻转加固，以避免粒子轰击触发器链引发的单粒子翻转或单粒子多位翻转干扰测量结果。
[0044]2.3将N条反相器链中靠近中点(M2/2)的任意反相器输出端设定为自触发器节点，并构造N个对应的如B.Naramsimham文中所述自触发器电路(543倒数第2段、倒数第I段和544页第I段)。
[0045]2.4将N个自触发电路的复位信号直接连接在一起，以便在捕获SEMT完成后能同时将N个捕获电路进行复位而准备进行下一次SEMT捕获。
[0046]第三步，本发明中测量SEMT分布的测量电路由两部分组成，第一部分是用于产生SEMT的目标电路，第二部分是捕获SET或SEMT的SEMT捕获电路，将目标电路和SEMT捕获电路连接成如图3所示的测量电路，流程如下:
[0047]通过将N条Ml级的单元链的输出端连接N个捕获电路中对应的M2级反相器链的输入端上，将目标电路和SEMT捕获电路连接成测量电路。
[0048]第四步，构造测试芯片并生产出测试芯片:
[0049]按照芯片设计与生产相关流程，生产出若干测试芯片。
[0050]第五步，进行辐射实验，在辐射环境中在线测量SEMT脉冲分布，流程如下:
[0051]5.1将含目标电路和SEMT捕获电路的测试芯片置于辐射环境中，辐射环境可以为真实的辐射环境或者实验室辐射环境；
[0052]5.2判断辐射注射量是否达到设定值，若实验过程中辐射注入量达到所设定的值(如重离子辐射环境下辐射注入量达到le71nS/Cm2等)时，停止在线测量，并对所采集的SET或SEMT信息进行保存，辐射实验结束;否则，进入步骤5.3;
[0053]5.3当粒子轰击到目标电路时，如果恰好穿过某个或某几个晶体管的敏感区，这个或这些晶体管可能产生SET或SEMT ；
[0054]5.4产生的SET或SEMT沿着单元链向前传播，传到单元链末端时开始在SEMT捕获电路中对应的反相器链中传播；
[0055]5.5当SET或SEMT传到自触发器节点时，触发自触发器电路将反相器上传播的SET或SEMT锁存到对应的捕获电路中触发器链中，SEMT捕获电路中触发器链保持其数据不变，并向外部测试平台(如FPGA平台等可通过编程与测试芯片进行通信的平台)发出捕获完成信号而等待外部测试平台复位；
[0056]5.6外部的测试平台根据捕获完成信号将各SEMT脉冲读走并通过串口发送给计算机进行图形显示，然后向测试芯片中的SEMT捕获电路发送复位信号；
[0057]5.7SEMT捕获电路从外部测试平台收到复位信号后，重新恢复到可捕获SEMT的状态，转步骤5.3。
[0058]图2是以标准单元是反相器单元为实施例，本发明的第一步构建的目标电路原理图。本实施例中，Ml个所选择的反相器单元串成Ml级的单元链，并在版图设计中将该单元链中各单元纵向摆放成纵向长条形状。然后，在版图上，将该单元链复制N-1份，并将N个单元链在版图中等间距纵向并列放置，2，N为整数。然后将N个单元链的输入各自连接到标准单元库中的逻辑恒O单元的输出端，构成本发明的目标电路。
[0059]图4是以M3与M2相等为实施例，本发明第二步构建的SEMT捕获电路示意图。它由M2级的反相器链和M3(M2整除M3)级的触发器链构成，触发器为D触发器(Data Flip-Flop,DFF)触发器。本实施例中，M3与M2相等，捕获电路中反相器链的每级反相器输出节点连接到捕获电路触发器器链中对应触发器的数据输入上。其中的虚线表示自触发器电路的自触发信号，用于控制各触发器将反相器链中各反相器输出端信号锁存为数值。
【主权项】
1.一种通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步，构建产生SEMT的目标电路，用于产生单粒子瞬态SET或单粒子多瞬态SEMT，包括以下步骤: 1.1根据测量目标，从标准单元库中选择Ml个同类标准单元，如反相器、与非门等，Ml >I，Ml为整数； 1.2将Ml个所选择的标准单元串成Ml级的单元链，并在版图设计中将该单元链中各单元纵向摆放成纵向长条形状； 1.3在版图上，将该单元链复φ?」Ν-1份，并将N个单元链在版图中等间距纵向并列放置，N2 2，Ν为整数； 1.4将N个单元链的输入各自连接到标准单元库中的逻辑恒O单元或逻辑恒I单元的输出立而; 第二步，构建SEMT捕获电路，包括以下步骤: 2.1构造N条M2级的反相器链和N条M3级的D触发器链，M2的选择依据所设计测量SEMT的量程来确定，M3为正整数，M2是M3的整数倍； 2.2对N条触发器链中各触发器运用工程上成熟的加固技术进行单粒子翻转加固； 2.3将N条反相器链中靠近中点的任意反相器输出端设定为自触发器节点，并构造N个自触发器电路； 2.4将N个自触发电路的复位信号直接连接在一起； 第三步，将目标电路和SEMT捕获电路连接成测试电路，流程如下: 通过将N条Ml级的单元链的输出端连接N个捕获电路中对应的M2级反相器链的输入端上，将目标电路和SEMT捕获电路连接成测量电路； 第四步，构造测试芯片并生产出测试芯片； 第五步，进行辐射实验，在辐射环境中在线测量SEMT脉冲分布，流程如下: 5.1将含目标电路和SEMT捕获电路的测试芯片置于辐射环境中，辐射环境可以为真实的辐射环境或者实验室辐射环境； 5.2判断辐射注射量是否达到设定值，若实验过程中辐射注入量达到所设定的值时，停止在线测量，并对所采集的SET或SEMT信息进行保存，辐射实验结束;否则，进入步骤5.3; 5.3当粒子轰击到目标电路时，如果恰好穿过某个或某几个晶体管的敏感区，这个或这些晶体管可能产生SET或SEMT ； 5.4目标电路产生的SET或SEMT沿着单元链向前传播，传到单元链末端时开始在SEMT捕获电路中对应的反相器链中传播； 5.5当SET或SEMT传到自触发器节点时，触发自触发器电路将反相器上传播的SET或SEMT锁存到对应的捕获电路中触发器链中，SEMT捕获电路中触发器链保持其数据不变，并向可通过编程与测试芯片进行通信的外部测试平台发出捕获完成信号，等待外部测试平台复位； 5.6外部的测试平台根据捕获完成信号将各SEMT脉冲读走，并发送给计算机，然后向测试芯片中的SEMT捕获电路发送复位信号； 5.7SEMT捕获电路从外部测试平台收到复位信号后，重新恢复到可捕获SEMT的状态，转步骤5.3。2.如权利要求1所述的通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法，其特征在于，所述步骤2.2中单粒子翻转加固技术采用三模冗余加固技术。3.如权利要求1所述的通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法，其特征在于，所述步骤2.3中的自触发器电路采用B.Naramsimham发明的自触发器电路。4.如权利要求1所述的通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法，其特征在于，所述步骤2.3中将第M2/2反相器输出端设定为自触发器节点。5.如权利要求1所述的通用型单粒子多瞬态脉冲分布测量方法，其特征在于，所述步骤5.5中外部测试平台采用FPGA平台。
【文档编号】G01R31/28GK105866659SQ201610194323
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】陈书明, 黄鹏程, 郝培培
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学