МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 3, с. 184-190
СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
УДК 621.382+ 621.396.6
ВЛИЯНИЕ ТОПОЛОГИИ СУБМИКРОННЫХ КМОП ЯЧЕЕК ПАМЯТИ DICE НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ОЗУ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
© 2011 г. В. Я. Стенин1, 2, И. Г. Черкасов1
1НИИсистемных исследований Российской АН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail:stenin@kaf3.mephi.ru; ilanvip@yandex.ru Поступила в редакцию 03.08.2010 г.
Результаты исследования КМОП субмикронного статического ОЗУ с проектной нормой 0.18 мкм на основе КМОП ячеек памяти типа DICE с разными расстояниями между парами КМОП транзисторов, ответственными за хранение "0" (0.9 мкм) и хранении "1" (2.5 мкм), показали связь экспериментальных параметров чувствительности к одиночным сбоям при воздействии протонов с энергией 1 ГэВ и топологии ячеек памяти с разными расстояниями между чувствительными областями. Результаты моделирования в симуляторе Spectre САПР Cadence подтвердили, что значения критического заряда переключения ячеек памяти при хранении "1" в 10 раз больше, чем при хранении логического "0", и соответственно большую сбоеустойчивость. Экспериментальные данные и результаты моделирования хорошо согласуются. Так, количество сбоев состояний логической "1" в КМОП ОЗУ с проектной нормой 0.18 мкм на основе ячеек памяти DICE в 5.5...15 раз (в зависимости от напряжения питания) меньше, чем сбоев состояния логического "0". Из результатов эксперимента следует также увеличение в среднем сечения одиночных сбоев для ОЗУ на ячейках памяти DICE в 3 раза при уменьшении напряжения питания банка ячеек памяти с 1.8 В до 0.7 В.
1. ВВЕДЕНИЕ
Результаты экспериментальных исследований [1] свидетельствуют об относительно высокой чувствительности субмикронных СБИС к локальным радиационным эффектам, возникающим под действием космических частиц. Детальное исследование СБИС с целью проверки результатов моделирования и разработки методов прогнозирования сбое-устойчивости возможны на тестовых структурах СБИС ОЗУ с субмикронными проектными нормами, используя которые можно обеспечить объективную оценку эффектов, обусловливающих сбои СБИС.
Основными эффектами воздействия потоков одиночных высокоэнергетических частиц на субмикронные СБИС являются сбои и тиристорные эффекты. При воздействии частицы на кристалл СБИС вокруг ее трека возникает ионизационный след в виде "конуса" или "воронки" [2] с основанием "воронки" на поверхности кристалла, причем диаметр этого основания тем больше, чем больше энергия частицы; это является "пятном воздействия" частицы. При энергии протонов 1 ГэВ диаметр основания такой воронки для кремниевых СБИС составляет 2...3 мкм, а высота — порядка нескольких микрон. При воздействии потока протонов на СБИС такие воронки ионизационного воздействия возникают и распределяются случайным
образом в приповерхностном слое полупроводникового кристалла СБИС.
2. ВОЗМОЖНОСТИ КМОП ЯЧЕЕК ПАМЯТИ
DICE ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
Наиболее информативными при исследовании одиночных сбоев являются эксперименты на СБИС субмикронных оперативных запоминающих устройств, поэтому была проведена разработка тестовой структуры КМОП ОЗУ с проектными нормами 0.18 мкм на ячейках памяти DICE (Dual Interlocked Storage Cell) [3] с целью провести исследование влияния расположения транзисторов в ячейке на сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. Функциональная схема ячейки памяти DICE приведена на рис. 1.
Ячейка памяти DICE (см. рис. 1) основана на 8-транзисторном КМОП двухфазном ^-триггере [4], который состоит из двух двухфазных инверторов на парах транзисторов — один инвертор на транзисторах N1, P1 и N2, P2, а второй — на транзисторах N3, P3 и N4, P4. ^-триггер может находиться в двух устойчивых состояниях, причем в каждом из этих состояний два NМОП-транзистора в одном из двухфазных инверторов закрыты, два других
иип
D
D
EN
EN
EN
Т^в
D
iг
Рис. 1. Схема ячейки памяти DICE на основе двухфазных инверторов.
NМОП-транзистора в другом инверторе открыты, а закрыты два РМОП-транзистора. Состояния триггера — логическая "1" и логический "0" определяются состояниями инверторов. При хранении логического "0" или "1" состояния инверторов в D-триггере ячейки DICE меняются. В случае ячеек памяти DICE для гарантированного сбоя состояния ячейки необходимо одновременное изменение состояния двух закрытых NМОП-транзисторов под ионизирующим воздействием частицы.
Устройство ячейки памяти DICE (а фактически D-триггера на двухфазных инверторах) позволяет провести эксперимент по оценке влияния воздействия отдельных ядерных частиц на зависимость сбоеустойчивочти КМОП-элементов от расстояния между чувствительными областями этих элементов.
Сбор заряда, вызывающего переключение триггера ячейки, осуществляется с некоторой площади "чувствительности" кристалла СБИС. Справедливо предположить, что при меньшей площади области "чувствительности" (т.е. площади сбора заряда переключения, в которую входят для каждого состояния ячейки два критических транзистора инверторов) вероятность ее полного покрытия пятном "воздействия" частицы выше, соответственно и вероятность сбоя (т.е. переключения триггера) выше по сравнению со случаем большей по площади области "чувствительности". В связи с этим для ячейки памяти DICE вероятность сбоев должна быть выше для того инвертора, в котором расстояние между двумя NМОП-транзисторами меньше.
Топология тестовой структуры КМОП ячейки DICE по проектным нормам 0.18 мкм приведена на рис. 2. Топология выполнена так, что пары NМОП и РМОП транзисторов (N1, Р1 и N2, Р2) одного инвертора (для хранения "0") находятся на расстоянии 0.9 мкм друг от друга, а пары NМОП и РМОП-транзисторов (N3, Р3 и N4, Р4) другого инвертора (для хранения логической "1") — на расстоянии 2.5 мкм друг от друга (см. рис. 2). Ширина канала NМОП-транзисторов триггера ячейки памяти была выбрана 500 нм, а ширина канала РМОП транзи-
сторов 220 нм. Размеры ячейки памяти 3.79 х х 4.72 мкм2.
Таким образом, если пятно воздействия имеет диаметр около 2 мкм, то оно может покрыть только два близко расположенных NМОП-транзистора (на расстоянии 0.9 мкм) одного инвертора триггера ячейки при хранении ячейкой логического "0" или два транзистора — один NМОП и один РМОП (на расстоянии 1.3 мкм) другого инвертора при хранении ячейкой логической "1".
Если пятно воздействия не покрывает два NМОП транзистора, то сбоеустойчивость такого состояния существенно выше.
Были изготовлены тестовые структуры статических КМОП ОЗУ SRAM 16K х 16 [3] с проектными нормами 0.18 мкм по объемной технологии КМОП с эпитаксиальными пленками для канального слоя, эти тестовые ОЗУ включают банк ячеек DICE с организацией 16K х 8. Банк ячеек памяти имеет питание, независимое от управляющей логики и блоков записи и считывания. Проектирование тестового ОЗУ на основе ячеек памяти DICE осуществлялось с использованием конструктивных мер защиты от тиристорных эффектов — контактов к подложке и я-карманам, а также охранных колец; это позволило исключить тиристорные эффекты в ОЗУ, что подтверждено экспериментально при исследовании эффектов воздействия протонов с энергией 1 ГэВ [5].
Оценка значений зарядов переключения (сбоя) ячейки памяти DICE производилась путем моделирования в симуляторе Spectre САПР Cadence по следующей методике: при моделировании сбора заряда чувствительной областью ячейки (обратно смещенным стоковым ^-«-переходом закрытого МОП-транзистора) на эту область подавался импульс тока, имитирующий ионизационный ток, возникающий при собирании заряда с трека частицы за счет дрейфовых и диффузионных процессов [2]. Время нарастания дрейфовой компоненты 10 пс, значения постоянной времени спада диффузионной компоненты были выбраны 0.3 и 1.8 нс,
выделены чувствительные области транзисторов при хране-
Рис. 2. Топология КМОП-ячейки DICE 0.18 мкм. Белым
нии "единицы", черным — при хранении "нуля".
что соответствует временам спада 1.4 и 8.2 нс. Заряд рассчитывался интегрированием импульса тока по времени воздействия. Критическим считался заряд с наименьшим значением, приводящий к переключению ячейки памяти.
С целью оценки преобладающих механизмов при сбоях состояния ячеек были проведены расчеты значений критических зарядов переключения для нескольких вариантов сбора заряда чувствительными областями: 1) одного NMOn-транзисто-ра; 2) двух NMOn-транзисторов одновременно; 3) одного NMOn-транзистора и одного РМОП-транзистора одновременно. Критический заряд переключения рассчитывался как минимальная сумма зарядов, собранных чувствительными областя-
ми, при котором происходило переключение ячейки памяти.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Цель эксперимента — оценка чувствительности по эффектам одиночных сбоев трех тестовых структур ОЗУ при облучении 1 ГэВ протонами, которое производилось на ускорителе протонов (ПИЯФ, г. Гатчина). Частично результаты эксперимента по эффектам воздействия протонов с энергией 1 ГэВ на КМОП ОЗУ SRAM 16K х 16 были опубликованы ранее [5]. Одиночные сбои исследовались при записи в банк ячеек памяти следующих тестовых данных: "поле 0", "поле 1" и "шахматный" коды. В таблице приведены усредненные значения сечений
Средние значения сечений одиночных сбоев, приведенных на 1 бит, для статического КМОП ОЗУ DICE с организацией 16K х 8К при температуре 20°С
иИП, В Среднее значение сечения по тесту "поле 0", см2/бит Среднее значение сечения по тесту "поле 1", см2/бит Среднее значение сечения по тесту "шахматное поле", см2/бит Расчетное среднее значение сечения по двум тестам "поле 0" и "поле 1", см2/бит
1.8 1.1 х 10-14 0.7 х 10-15 5.4 х 10-15 5.85 х 10-15
1.2 1.2 х 10-14 1.4 х 10-15 1.0 х 10-14 0.67 х 10-14
0.7 2.8 х 10-14 4.9 х 10-15 1.6 х 10-14 1.65 х 10-14
ts л
св т
=S S м
о о
IS
S ^
К
10
100
1000
(а)
10000
- Сбор заряда N1 и N2 ; —транзисторами -
: „"-Г —...... "поле 0" "
— Эксперимент - "поле 1" --- --- X >
Сбор заряда N3 и Р2 -транзисторами "
- Сбор заряда : транзистором N3 "
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.