научная статья по теме ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ КМОП СБИС В СБОЕУСТОЙЧИВОЙ АППАРАТУРЕ, РАБОТАЮЩЕЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРНЫХ НЕЙТРОНОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ КМОП СБИС В СБОЕУСТОЙЧИВОЙ АППАРАТУРЕ, РАБОТАЮЩЕЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРНЫХ НЕЙТРОНОВ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 38, № 1, с. 48-52

== МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННЫХ

ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ

УДК 621.382

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ КМОП СБИС В СБОЕУСТОЙЧИВОЙ АППАРАТУРЕ, РАБОТАЮЩЕЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АТМОСФЕРНЫХ НЕЙТРОНОВ

© 2009 г. В. Б. Бетелин1, С. В. Баранов2, С. Г. Бобков1, А. А. Краснюк1, П. Н. Осипенко1, В. Я. Стенин1, И. Г. Черкасов1, А. И. Чумаков2, А. В. Яненко2

1НИИ системных исследований РАН, 2ЭНПО Специализированные электронные системы stenin@kaf3.mephi.ru bodlero@mail.ru Поступила в редакцию 17.07.2008 г.

Основными эффектами воздействия атмосферных нейтронов на СБИС являются одиночные сбои и ти-ристорные эффекты, устранение которых и является предметом проектирования как сбоеустойчивых СБИС, так и аппаратуры на их основе. Для сравнительного анализа сбоеустойчивости КМОП структур с разными проектными нормами были проведены исследования отечественных и зарубежных КМоП СБИС с топологическими нормами проектирования от 0.5 мкм до 0.13 мкм, а также изготовленных дополнительно тестовых структур субмикронных статических ОЗУ с проектными нормами 0.5 мкм, 0.35 мкм и 0.18 мкм. Среди конструктивно-технологических методов наибольшую эффективность дает КНИ КМОП-технология. В макетных образцах тестовых структур с проектными нормами 0.5 мкм и 0.35 мкм при воздействии 250 МэВ и 1 ГэВ протонов отсутствуют тиристорные эффекты. Рекомендовано проводить разработку базовых узлов субмикронных СБИС с повышенной устойчивостью к воздействию атмосферных нейтронов на основе методик, учитывающих полученные в данной работе типовые значения сечений одиночных сбоев и сечений тиристорных эффектов для КМОП СБИС, выполненных по различным проектным нормам.

РДСБ 85.40.-e

1. ВВЕДЕНИЕ

Максимальная интенсивность атмосферных нейтронов с энергиями выше 1 МэВ имеет место на высотах порядка 10... 15 км с типовым значением плотности потока порядка 1 нейтрон/(см2 с) [1]. Причина образования нейтронных "ливней" обу-

словлена взаимодействием протонов космического происхождения с верхними слоями атмосферы. Во время солнечных вспышек такая же интенсивность нейтронов несколько раз в год в течение от нескольких часов до нескольких дней бывает и на уровне моря. Радиационные эффекты в субмикронных СБИС обусловлены взаимодействием отдельного нейтрона с веществом с выделением большого количества энергии (порядка единиц МэВ) внутри микрообъема порядка от 1 до 100 мкм3 чувствительного элемента СБИС. Основными эффектами воздействия потоков атмосферных нейтронов на СБИС, модули и ЭВМ на их основе являются одиночные сбои и тиристорные эффекты, устранение которых и является предметом проектирования СБИС и устройств на их основе с повышенной сбоеустойчивостью.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальные исследования проводились на источниках нейтронов и ускорителях протонов. Определение сечений одиночных сбоев и тиристорных эффектов осуществлялось при воздействии нейтронов и протонов разных энергий с целью последующей оценки параметров чувствительности. Эксперименты проводились на ускорителях протонов с энергиями 180.1000 МэВ с целью оценки сечений насыщения и на источниках нейтронов с энергиями 2.5.14 МэВ с целью оценки пороговых энергий. Исследовались отечественные и зарубежные КМОП СБИС с топологическими нормами проектирования от 0.5 мкм до 0.13 мкм, в частности, отечественные КМОП СБИС серии 1890 и зарубежные СБИС ОЗУ А87С4096-15Л, К6К4008УЮ-Л10, К7М321825М-ОС75, К6Х1008С2Б-0Р55; зарубежные БиКМОП СБИС 0.23 мкм и 0.13 мкм (соответственно флэш ЗУ Аш29ЬУ 160БВ и К9Р5608ШС).

Для сравнительного исследования сбоеустойчивости КМОП структур с разными проектными нормами были разработаны и изготовлены дополнительно тестовые структуры субмикронных статиче-

—14 2

Сечение сбоев, 10 см2/бит 100

10

1

0.1

0.01

0.001

Рис. 1. Экспериментальные значения сечений одиночных сбоев в зависимости от энергии частиц для тестовых КМОП структур субмикронных ОЗУ.

г X ------А .'¿г' а

" / ' я/ ----**

/ ' .. ---►-----

яг''

:' / КМОП 0.5 мкм

- 1 _■— КНИ КМОП 0.5 мкм

1 А КМОП 0.35 мкм

1 : 1 „ КМОП 0.18 мкм | 1

10 100 1000 Энергия частиц (нейтроны, протоны), МэВ

ских ОЗУ с проектными нормами 0.5, 0.35 и 0.18 мкм на основе 6-транзисторных ячеек памяти [2] и тестовые структуры субмикронных статических ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с проектными нормами 0.35 и 0.18 мкм на основе 12-транзистор-ных ячеек памяти типа DICE и HIT [3].

Результаты экспериментальных исследований СБИС и тестовых структур показывают, что значения сечений одиночных сбоев, приведенные на 1 бит, при воздействии 14 МэВ нейтронов находятся для СБИС микропроцессоров и ОЗУ, изготовленных по КМОП технологиям, в пределах одного порядка изменения значений от 1 х 10-14 см2/бит до 5 х 10-14 см2/бит и относительно слабо зависят от проектных норм и технологии изготовления СБИС.

При воздействии протонов с энергиями 250 МэВ и 1 ГэВ сечения насыщения одиночных сбоев для КМОП СБИС имеют значения (4.. .14) х х 10-14 см2/бит (для КМОП 0.5 мкм), (3.5) х х 10-14 см2/бит (для КМОП 0.35 мкм) и (1.1.20) х х 1014 см2/бит (для КМОП 0.18 мкм и 0.13 мкм). В последнем случае резкое увеличение сечения сбоев для КМОП СБИС ОЗУ с проектными нормами 0.18 мкм и 0.13 мкм обусловлено существенным влиянием сопутствующих тиристорных эффектов. Как показали эксперименты, сечение одиночных сбоев на 1 бит немного уменьшается при уменьшении норм проектирования из-за снижения величины активного объема (смотри экспериментальные данные, приведенные в таблице для КМОП СБИС). На

рис. 1 приведены экспериментальные зависимости сечений одиночных сбоев как функции энергии частиц (нейтронов и протонов) для тестовых КМОП структур субмикронных ОЗУ.

Наименьшей чувствительностью, как следует из данных на рис. 1, обладают тестовые структуры КМОП СБИС, изготовленные по КНИ КМОП-тех-нологии с проектными нормами 0.5 мкм, в которых при воздействии протонов одиночных сбоев на порядок меньше, чем в тестовых структурах ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектными нормами 0.5 мкм и 0.18 мкм и по КМОП технологии 0.35 мкм с эпитаксиалным слоем.

3. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОДИНОЧНЫХ СБОЕВ

Среди конструктивно-технологических методов наибольшую эффективность дает использование КНИ КМОП-технологии с подключением слоя канала к фиксированному потенциалу через низкоом-ную нагрузку, а также использование объемной КМОП технологии с эпитаксиальными слоями.

Применение КНИ КМОП-технологии по сравнению с объемной КМОП при тех же нормах проектирования позволяет увеличить сбоеустойчивость на порядок и более, что отмечалось и ранее [4]. Использование в ячейках памяти КНИ КМОП ИС-це-пей задержки позволило еще в 2.2.5 раза уменьшить сечение сбоев.

Экспериментальные значения сечения насыщения одиночных сбоев при воздействии нейтроной (протонов) с энергиями 14 МэВ и 1 ГэВ для ряда исследованных СБИС

№ п/п Наименование образца Тип СБИС или модуля Сечение одиночных сбоев, см2/бит

1 СБИС серии 1890 КМОП 0.5 мкм (4.14) х 10-14

2 СБИС серии 1890 КМОП 0.35 мкм (3.5) х 10-14

3 AS7C4096-15JI ОЗУ статического типа КМОП 0.18 мкм, 512Кх8 (1.1.2.4) х 10-14

4 K6R4008V1D-JI10 ОЗУ статического типа КМОП 0.18 мкм, 512Кх8 (1.5.2.2) х 10-14

5 K6X1008C2D-GF55 ОЗУ статического типа КМОП 0.13 мкм, 128Кх8 (1.2.20) х 10-14

6 K7M321825M-QC75 ОЗУ статического типа КМОП 0.15 мкм, 2Мх8 (1.2.2.2) х 10-14

7 Am29LV160DB ЗУ типа флэш КМОП 0.23 мкм, 2Мх8 менее 1.0 х 10-18

8 K9F5608U0C ЗУ типа флэш КМОП 0.13 мкм, 32Мх8 менее 1.7 х 10-19

Применение 12-транзисторных сбоеустойчивых ячеек памяти типа DICE или HIT практически исключает одиночные сбои кроме редких событий, обусловленных прохождением трека частицы через смежные элементы ячейки памяти. При экспериментальной проверке тестовых структур на основе сбоеустойчивых модифицированных 12-транзи-сторных ячеек памяти типа DICE и HIT, изготовленных по объемной КМОП технологии с эпитаксиаль-ным слоем по проектным нормам 0.35 мкм, сбоев не установлено. Применение подобных сбоеустойчивых схемотехнических приемов при увеличении площади ячейки в 2.2.5 раза позволяет значительно снизить чувствительность СБИС к одиночным сбоям по сравнению со СБИС на обычных 6-транзи-сторных ячейках памяти.

Эффективны по устранению влияния одиночных сбоев (экспериментально полученные значения сечения одиночных сбоев менее 1 х 10-16 см2/бит) системные аппаратно-алгоритмические методы, основанные на помехоустойчивом кодировании типа кода Хэмминга. Но эти методы имеют ограниченную область применения при проектировании собственно сбоеустойчивых СБИС, поскольку требуют дополнительных аппаратных затрат и не могут быть использованы в структурах типа кэш-памяти или управляющих регистровых структурах в СБИС.

Результаты исследований разработанных тестовых структур ОЗУ показали, что усредненные значения сечения одиночных сбоев в образцах ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектными нормами 0.5 мкм составляют (4.10) х 10-14 см2/бит.

Усредненные значения сечения одиночных сбоев в тестовых образцах ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектными нормами 0.35 мкм и 0.18 мкм составили (1.5) х 10-14 см2/бит.

Усредненные сечения одиночных сбоев в образцах ОЗУ по КНИ КМОП технологии с проектными нормами 0.5 мкм составили (1.2) х 10-15 см2/бит.

Усредненные значения сечения одиночных сбоев в тестовых образцах ОЗУ на основе 12-транзисторных ячеек памяти типа DICE и HIT по объемной КМОП технологии с эпитаксиальным слоем с проектными нормами 0.35 мкм составили ао с ^ 3 х 10-15 см2/бит.

Усредненные значения сечения одиночных сбоев в тестовых образцах СБИС ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектными нормами 0.35 мкм и 0.18 мкм с использованием контроллера с кодом Хэмминга составили аос < (0.3.6) х 10-16 см2/бит.

4. УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТИРИСТОРНЫХ ЭФФЕКТОВ

Возникновение тиристорных эффектов в субмикронных объемных КМОП зависит от порогового значения линейных потерь энергии (ЛПЭ) [1] и напрямую связано со значениями проектных норм, как показано на рис. 2. Уровень порога 14 МэВ-мг/см2 соответствует максимальному значению ЛПЭ

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