научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ КМОП СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ КМОП СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 2, с. 91-101

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ —

НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

УДК 621.382+ 621.396.6

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ КМОП СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ

© 2010 г. В. Я. Стенин1, 2, И. Г. Черкасов1

1НИИсистемных исследований Российской АН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: ilanvip@yandex.ru; stenin@kaf3.mephi.ru Поступила в редакцию 24.08.2009 г.

Результаты сравнительного исследования КМОП статических ячеек памяти с проектной нормой 0.18 мкм показали, что лучшими параметрами как по сбоеустойчивости к эффектам воздействия отдельных высокоэнергетических частиц, так и по размерам и быстродействию обладают ячейки памяти DICE (Dual Interlocked Storage Cell). По результатам проектирования одно- и двухпортовых блоков КМОП ОЗУ 0.18 мкм на основе ячеек памяти DICE и с использованием конструктивных мер защиты от тиристорных эффектов — контактов к подложке и n -карманам и охранных колец обоснованы коэффициенты затрат площади кристалла на банки ячеек памяти, блоки управляющей логики, межсоединения, кольцо питания ОЗУ. Увеличение площади ОЗУ не превышает 1.7.. .2.7 раза при сохранении быстродействия и увеличении потребляемой мощности в 1.4.2.0 раза для ОЗУ с емкостью до 128 Кбит; при емкости ОЗУ 1 Мбит коэффициент увеличения площади 3.1 при обеспечении максимальной сбоеустойчивости для статического ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектной нормой 0.18 мкм.

1. ВВЕДЕНИЕ

Субмикронные КМОП СБИС, изготавливаемые по объемной КМОП-технологии, имеют повышенную чувствительность к эффектам воздействия отдельных высокоэнергетических космических частиц, включая атмосферные нейтроны. Разработка субмикронных КМОП-статических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), предназначенных для использования в авиационной и космической технике, требует применения специальных схемотехнических, топологических и конструктивных мер для повышения сбоеустойчивости ячеек памяти и управляющей логики ОЗУ [1]. Эти меры включают специальную схемотехнику ячеек памяти, использование контактов к подложке и я-карманам, охранные кольца, дополнительные ячейки памяти для контроля потери данных. Использование этих мер приводит к дополнительным затратам площади кристалла микросхем. Проектирование специализированных ОЗУ для использования в составе микропроцессорных СБИС и СБИС типа система на кристалле обычно происходит с учетом ряда взаимоисключающих требований, поскольку с одной стороны, надо обеспечить заданную (или максимальную) емкость накопителя (банка ячеек памяти), с другой стороны, минимальную площадь, занимаемую ОЗУ на кристалле, минимальную потребляемую мощность и, кроме того, обеспечить требуемый уровень сбоеустойчивости ОЗУ к действию заданных дестабилизирующих факторов. Процесс проектирования и обоснование оптимальности решения могут быть упрощены в случае, если использовать

набор базовых блоков субмикронных ОЗУ для встраиваемых приложений, а также рекомендации по модификации этих блоков с учетом обоснованных значений коэффициентов, характеризующих увеличение площади кристалла на отдельные элементы и блоки структуры и учитывающие схемо-технологические и конструктивные особенности элементной базы. К таким особенностям в случае проектирования ОЗУ, сбоеустойчивых к воздействию отдельных тяжелых ядерных частиц (например, атмосферных нейтронов), относится необходимость использования специальных схемотехнических решений (обычно с большим количеством транзисторных структур), а также конструктивно-топологических средств защиты активных элементов от эффектов воздействия дестабилизирующих факторов, приводящих к дополнительным затратам площади кристалла по сравнению с традиционными структурами.

2. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

ПОВЫШЕНИЯ СБОЕУСТОЙЧИВОСТИ ЯЧЕЕК ПАМЯТИ

Основу сбоеустойчивых ОЗУ составляют триг-герные ячейки памяти, содержащие дополнительные элементы и цепи, обеспечивающие сохранение и восстановление данных после дестабилизирующего однократного воздействия отдельных ядерных частиц. К таким ячейкам памяти относятся ячейки типа IBM [2], NASA1, NASA2 [3, 4], HIT [5] и DICE [6]. Переключение (сбой) ячеек памяти на основе триг-

Таблица 1. Сравнительные параметры статических КМОП ячеек памяти, спроектированных по проектной норме 0.18 мкм

Тип ячейки памяти 6Т DICE NASA1 IBM HIT NASA2 2P 8T 2P DICE

Размеры ячейки, мкм2 1.84 х 2.53 3.25 х 4.48 3.79 х 4.63 3.71 х 4.88 5.27 х 4.19 5.45 х 4.40 3.83 х 2.88 4.48 х 5.28

2 Площадь ячейки, мкм2 4.655 14.56 17.55 18.10 22.08 23.98 11.03 23.65

Относительная величина 1 3.127 3.77 3.89 4.74 5.15 2.37 5.08

площади

Суммарная площадь 0.34 1.23 1.0 1.0 2.1 2.0 1.0 1.23

чувствительных областей,

мкм2

Статический ток 14.5 27 34 19.7 20.75 28.3 17 32

потребления при 25°С, пА

Время установления 164 75 74 124 100 204 158 78

логического нуля при

25°С, пс

Критический заряд, фКл 41 более 140 65 68 84 39 61 более140

герных структур происходит в результате попадания заряда в чувствительные области триггерных систем, которыми являются области обратно смещенных переходов МОП-транзисторов. Возникновение заряда происходит в результате ионизации полупроводника вдоль трека прохождения ядерной частицы.

Ячейка памяти IBM [2] на 12 транзисторах содержит дополнительно к базовой 6-транзисторной структуре ячейки памяти цепь обратной связи, с использованием которой происходит восстановление данных, измененных под воздействием ядерной частицы. Ячейка памяти типа HIT (Heavy Ion Tolerant) представляет собой 12-транзисторную ячейку памяти [5], в которой также дополнительно к базовой 6-транзисторной структуре ячейки памяти введены элементы обратной связи на шести транзисторах, с использованием которых осуществляется сохранение исходных данных, искаженных в результате действия частицы. Ячейки памяти NASA1 и NASA2 [3, 4] содержат соответственно 12 и 16 МОП транзисторов и хранят информацию в двух различных узлах, что и обеспечивают сохранение данных в ячейке памяти при сбое в одном из узлов и последующее восстановление исходных данных в другом. Ячейка памяти типа DICE (Dual Interlocked Storage Cell) представляет собой 12-транзисторную ячейку [6] с хранением информации также в двух узлах, включает дополнительный триггер для восстановления исходного состояния, искажаемого в результате действия частицы. Ячейки памяти с мерами по повышению сбоеустойчивости предложены относительно давно, но систематизированные данные по сравнению их параметров в литературе отсутствуют, тем более для случая субмикронных СБИС с проектными нормами 0.18 мкм и менее. В работе [7] по результатам моделирования и экспериментального исследования тестовых структур статических КМОП ОЗУ на ячейках памяти DICE и HIT с проектной нормой 0.35 мкм и моделирования ОЗУ на ячейках памяти DICE и HIT с проектной нормой 0.18 мкм было про-

ведено сравнение этих ячеек памяти. В результате показано, что ячейки памяти DICE имеют лучшее быстродействие и меньшие площади ячеек при практически одинаковых температурных зависимостях параметров этих двух типов ячеек.

В данной работе проведено детальное сравнение параметров ячеек со схемотехническими мерами по повышению сбоеустойчивости. В САПР Cadence были спроектированы топологии ячеек памяти DICE, HIT, IBM и NASA, а также базовых 6-транзи-сторных ячеек памяти для субмикронной КМОП технологии с проектной нормой 0.18 мкм и проведено их сравнение по площади, быстродействию, току потребления в статике и величине критического заряда, приводящего к необратимому сбою (переключению) ячейки памяти. В табл. 1 приведены результаты моделирования характеристик ячеек памяти с повышенной сбоеустойчивостью и базовых ячеек памяти: однопортовой 6-транзисторной ячейки памяти (6T), двухпортовой 8-транзисторной ячейки памяти (2P 8T), и кроме того, двухпортовой DICE ячейки памяти (2P DICE).

Знание критического заряда дает возможность качественного сравнения сбоеустойчивости ячеек памяти; корректные количественные оценки сбое-устойчивости проводятся по значениям пороговой энергии возникновения эффекта и сечения насыщения эффекта [8], достоверные значения которых определяются экспериментально. В табл. 1 использованы и данные работы [9].

Значения критического заряда, приведенные в табл. 1, рассчитаны для случая собирания заряда, возникшего в процессе ионизации под воздействием высокоэнергетической частицы, только одной чувствительной областью ячейки памяти. Оценка критического заряда осуществлялась по следующей методике: на чувствительную область (сток закрытого транзистора) подавался импульс тока, имеющий форму ионизационного тока [8], т.е. время нарастания дрейфовой составляющей 3.. .10 пс, время спада

160 140

§ 120 ¡3°

I 100

св

л

с 80 «

1 60

F

ce

« 40

ГО

20 0

_L

□ Окрит, фКл

¿*яч, мм2

1 2 3 4 5 6

1 - 6T, 2 - DICE, 3 - NASA1, 4 - IDBM, 5 - HIT, 6 - NASA2

Рис. 1. Диаграмма зависимостей критического заряда бкрит и площади ячеек памяти 5яч от типа ячеек памяти для проектной нормы КМОП 0,18 мкм.

диффузионной составляющей 5.8 нс. Критическим являлся заряд, накопленный в наиболее чувствительной области ячейки памяти до момента переключения (необратимого сбоя) ячейки.

Ячейки памяти DICE по значению критического заряда превосходит остальные ячейки. Результаты моделирования ячейки памяти DICE [10] для случая одновременного прохождения частицы (вызывающей ионизацию объема вдоль ее трека) вблизи или через две чувствительные области ячейки DICE показывают, что вероятность потери информации в ячейке DICE и в этом случае остается ниже, чем при прохождения частицы через одну чувствительную область ячеек памяти IBM, NASA1, NASA2 и HIT. Величина критического заряда для ячейки DICE в случае одновременного воздействия частицы на две чувствительные области ячейки составляет более 100 фКл.

На рис. 1 приведена диаграмма, построенная по результатам проектирования топологии ячеек памяти и моделирования их параметров (см. табл. 1), позволяющ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком