徐大為，姚　進，胡永強，劉永燦，周曉彬，陳　菊

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

抗輻照標準單元庫驗證方法研究

徐大為，姚進，胡永強，劉永燦，周曉彬，陳菊

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

對抗輻照單元庫的驗證方法進行研究。以0.5 μm抗輻照單元庫為例，研究抗輻射單元庫的驗證方法。設計了一款驗證電路，對單元庫進行驗證，單元庫功能和性能滿足設計要求，抗輻射能力達到500 krad（Si）。

抗輻照標準單元；SOI；驗證電路

1　引言

運用預先設計好的庫單元進行自動邏輯綜合和版圖布局布線，可以極大地提高設計效率，加快產(chǎn)品進入市場的時間［1］，一個經(jīng)過驗證的準確、可靠的標準單元庫是自動化設計的基礎。本文以中國電科58所 0.5 μm SOI 抗輻照單元庫為例，通過對單元庫驗證方法的研究，設計了一款單元庫驗證電路，在58所0.5 μm SOI工藝線進行流片，對單元庫功能、性能、D觸發(fā)器延遲時間、I/O單元抗ESD能力、抗輻照性能等進行了驗證。

2　設計與仿真

2.1功能驗證

功能模塊用來測試內(nèi)核單元和I/O單元的準確性，需要對每個單元進行測試，通過測試值與真值表進行對比，確認單元的正確性。0.5 μm抗輻照單元庫包含所有的154個內(nèi)核單元和60個I/O單元。驗證電路由地址線控制譯碼器來逐次選擇測試的單元，由數(shù)據(jù)線提供輸入和輸出，通過比對輸入輸出是否符合單元真值表來確認單元正確性。圖1給出了所有單元的功能仿真波形，與真值表保持一致。

圖1　功能模塊仿真結(jié)果

2.2性能驗證

性能驗證用來驗證內(nèi)核單元準確性和I/O單元的輸入輸出電平、漏電、驅(qū)動能力與設計目標是否一致。同時通過對比基本單元在帶負載情況下的環(huán)振頻率的仿真值與測試值來確定單元庫的準確性。驗證電路采用了倒相器、二輸入與非門、二輸入或非門在1倍、2倍、4倍負載下的環(huán)振進行驗證。圖2給出了環(huán)振的輸出波形。I/O單元的性能驗證通過一個包含所有I/O單元的模塊完成，驗證輸入單元的輸入電平、漏電及輸出單元在固定輸出電流下的輸出電平。

圖2　環(huán)振模塊輸出波形

2.3抗輻照性能驗證

抗輻照性能驗證通過對包含所有內(nèi)核單元和I/O單元的電路進行驗證，通過對比輻照前后電路功能是否正確、性能改變是否滿足設計要求來確定單元庫抗輻照能力。通過對輻照前后參數(shù)進行仿真，單元庫輻照前后功能未發(fā)生變化，性能改變在設計規(guī)范以內(nèi)，滿足設計要求。

2.4版圖設計

驗證電路采用ZWIC 0.5 μm 5 V 1P3M SOI CMOS工藝，最終完成的版圖包含132個PAD，電路規(guī)模4萬門，圖3給出了最終完成的電路版圖。

圖3　電路完整版圖

表1　SOI05HGJV3電路參數(shù)測試情況表

3　測試驗證

3.1功能測試

設計仿真提取了測試向量，包含Buffers、AND、NAND、OR、NOR、AOI、OAI、Exclusive、3-state、Multiplexers、Latchs、D Flip-Flops功能模塊的測試向量。在電源電壓拉偏為VDD=4.5 V和VDD=5.5 V，工作溫度低溫-55 ℃、常溫25 ℃、高溫125 ℃條件下，完成測試向量集中規(guī)定的所有功能測試。完成至少10只電路的常溫、高溫、低溫測試，10只電路用測試程序測試全部合格。

3.2性能測試

單元庫性能測試通過交流和直流測試完成。直流測試包括：靜態(tài)電流、CMOS輸入高低電平、輸入高低電平漏電、上拉輸入高低電平漏電、下拉輸入高低電平漏電、CMOS輸出高低電平、TTL輸出高低電平、CMOS輸入高低電平極限值、CMOS Schmit輸入高低電平極限值翻轉(zhuǎn)電平、TTL輸入高低電平極限值、TTL Schmit輸入高低電平極限值翻轉(zhuǎn)電平等。交流測試主要是帶多倍負載的環(huán)振測試和延遲測試，測得該交流參數(shù)測試結(jié)果滿足指標要求。

驗證電路在全溫范圍內(nèi)，交直流參數(shù)測試都達到設計指標要求，具體測試結(jié)果見表1。

3.3標準單元誤差測試

采用INVX1、NAND2X1和NOR2X1三種單元，每種單元按1、2、4三種不同扇出條件測試三個環(huán)振電路。在典型工作電壓下，三溫（-55 ℃、25 ℃、125 ℃）測試值與TT模型仿真誤差率最大值≤10%；電路仿真誤差情況見表2和表3。

表2　SOI05HGJV3電路仿真誤差情況表（一）

表3　SOI05HGJV3電路仿真誤差情況表（二）

3.4抗電離輻射總劑量測試

采用全溫電測試A1、A7合格樣品，在西北核物理研究所鈷60 伽瑪射線源上進行輻射試驗，試驗在常溫下進行，劑量率50 rad（Si）·s-1，總劑量500 krad（Si）。

試驗完成了100 krad（Si）、150 krad（Si）、200 krad（Si）、334 krad（Si）、500 krad（Si）5個臺階的輻射實驗后，對完成各次實驗臺階的電路當場進行了功能與電參數(shù)測試，即完成A1、A7測試。測試結(jié)果見表4。對完成輻照試驗的電路進行高溫退火，退火后進行測試，4只電路功能、直流、交流全部通過，靜態(tài)電流恢復至輻射前狀態(tài)。4只電路可以順利通過500 krad（Si）的輻射試驗，且功能、交流、直流參數(shù)測試全部通過。

表4　最值得關注的電參數(shù)IDDQ（靜態(tài)電流）的電測試數(shù)據(jù)匯總

4　結(jié)論

本文對抗輻照單元庫的驗證方法進行了研究，設計了一個可以對單元庫進行評價的驗證電路，通過驗證電路的測試，對電路功能、性能、抗輻照能力等進行了測試，電路功能正常，性能達到了設計規(guī)范要求，抗輻照能力達到500 krad（Si）。

［1］ 黃濤. 高可靠標準單元庫的設計與驗證［D］. 國防科學技術大學研究生院碩士學位論文，2009.

［2］ 黃濤，梁斌，李宗伯，等. 標準單元庫設計關鍵技術研究［C］. 中國計算機學會，第十二屆計算機工程與工藝學術年會.

［3］ 張璇. 0.13 μm標準單元庫中寄存器的優(yōu)化方法［D］. 國防科學技術大學碩士學位論文.

The Test and Verify of Radiation-hard Standard Cell Library

XU Dawei， YAO Jin， HU Yongqiang， LIU Yongcan， ZHOU Xiaobin， CHEN Ju
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

The paper study the test and verify of radiation-hard Standard Cell Library. Take 0.5 μm radiationhard Standard Cell Library for instance， the paper designs a test circuit to test the Cell Library. The function and performance are confirmed. To study the radiation-hard ability of the cell library， total dose radiation experiment has been done， the radiation-hard ability has reached 500 krad（Si）.

radiation-hard standard cell library； silicon on insulator； test circuit

TN402

A

1681-1070（2015）03-0014-04

徐大為（1980—），男，江蘇無錫人，畢業(yè)于東南大學微電子學院，于2003年和2006年獲得了學士學位和碩士學位，主要從事工藝開發(fā)與建庫方面的研究工作。

2014-11-17