научная статья по теме АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СУБМИКРОННЫХ КМОП СБИС ОЗУ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМАХ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СУБМИКРОННЫХ КМОП СБИС ОЗУ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМАХ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 38, № 1, с. 53-63

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ

УДК 621.382

АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СУБМИКРОННЫХ КМОП СБИС ОЗУ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМАХ

© 2009 г. А. А. Краснюк1, В. Я. Стенин1' 2, И. Г. Черкасов1, А. В. Яковлев1

1НИИ системных исследований РАН, 2Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

stenin@kaf3.mephi.ru. bodlero@mail.ru. Поступила в редакцию17.07.2008 г.

Моделирование и экспериментальное исследование теплового изменения характеристик КМОП ячеек памяти субмикронных КМОП ОЗУ в широком диапазоне температур от минус 50°С до +150°С показали, что СБИС с субмикронными проектными нормами на основе объемного КМОП с эпитаксиальными слоями 0.35 мкм и индустриального объемного КМОП 0.18 мкм технологических процессов в целом обеспечивают высокие предельно допустимые тепловые режимы эксплуатации. Результаты моделирования подтверждены на тестовых субмикронных КМОП ОЗУ с проектными нормами 0.35 мкм и 0.18 мкм на основе 6-транзисгорных ячеек памяти и 12-транзисторных ячеек памяти со структурами типа HIT (Heavy Ion Tolerant) и DICE (Dual Interlocked Storage Cell). Полученные в результате исследований результаты позволяют проводить обоснованный выбор ячеек памяти для практической разработки СБИС статических ОЗУ, предназначенных для использования в экстремальных условиях.

PACS 85.40.-e

1. ВВЕДЕНИЕ

Наиболее информативными для исследования тепловых характеристик субмикронных цифровых КМОП СБИС следует считать СБИС статических оперативных запоминающих устройств (СОЗУ), поэтому обоснована разработка структур с субмикронными проектными нормами в виде тестовых СОЗУ.

Важной областью применения субмикронных КМОП СБИС является аппаратура с повышенной сбоеустойчивостью к действию отдельных ядерных частиц [1], работающая в экстремальных тепловых условиях.

Моделирование и экспериментальные исследования использованы в работе как дополняющие исследования, позволяющие обосновать выбор ячеек памяти для практической разработки сбоеустойчи-вых ОЗУ, предназначенных для использования в экстремальных тепловых условиях.

Исследование временных параметров субмикронных ячеек памяти и их температурных зависимостей проводились путем моделирования с использованием средств САПР Cadence, моделировались токи потребления в статическом режиме, оценивались значения напряжения сохранения данных по переключательным характеристикам ячеек. Экспериментальные исследования тестовых структур субмикронных ОЗУ состояли в определении характеристик ОЗУ при различных напряжениях сохра-

нения данных в широком диапазоне температур от минус 50 до +150°С и токов потребления в статическом режиме.

2. ВАРИАНТЫ ЯЧЕЕК ПАМЯТИ ДЛЯ ТЕСТОВЫХ ОЗУ

Для объемной КМОП технологии требования к тестовым структурам с субмикронными проектными нормами как объектам исследования были сформулированы следующим образом - функциональный тип тестового кристалла - статические КМОП ОЗУ; информационный объем - не менее 16 кбит; проектные нормы - 0.35 и 0.18 мкм. Банки ячеек памяти на основе 6-транзисторных ячеек и 12-транзисторных ячеек памяти со структурой HIT [2] и DICE [3].

В основу тестовых статических ОЗУ на основе 6-транзисторных ячеек памяти положены структуры, топологии которых спроектированы так, чтобы обеспечить наибольшую емкость в цепи обратной связи для повышения помехо- и сбоеустойчиво-сти ячеек. С этой целью увеличена постоянная времени в цепи обратной связи за счет увеличения ширины р-канальных транзисторов и, соответственно, уменьшено отношение крутизн n- и р-канальных транзисторов.

Анализ результатов моделирования 6-транзисторных ячеек памяти, спроектированных как по нормам 0.35 мкм, так и по нормам 0.18 мкм, свиде-

Таблица 1. Параметры транзисторов 6-транзисторных ячеек ОЗУ по проектным нормам 0.35 мкм

Тип ячейки памяти Параметр Транзисторы связи «-канальные транзисторы р-канальные транзисторы

Стандартная L, нм 400 350 350

W, нм 700 1100 800

С уменьшенным L, нм 400 350 350

отношением крутизн W, нм 700 1000 1200

Таблица 2. Параметры транзисторов 6-транзисторных ячеек ОЗУ по проектным нормам 0.18 мкм

Тип ячейки памяти Параметр Транзисторы связи «-канальные транзисторы р-канальные транзисторы

Стандартная L, нм 220 180 180

W, нм 220 360 230

С уменьшенным от- L, нм 220 180 180

ношением крутизн W, нм 220 240 400

тельствует о том, что ячейки с уменьшенным отношением крутизн транзисторов в триггере менее быстродействующие (на 24.. .60% в зависимости от модели транзисторов и норм проектирования) по сравнению со стандартными ячейками памяти. Изменение температуры сильнее сказывается на быстродействии ячеек с выравниванием крутизны. Достоинством данного типа ячеек является меньшее изменение уровня логического нуля с изменением температуры - на 10.80%, что повышает помехоустойчивость ячейки, а также большая величина критического заряда - на 10.100%, необходимого для переключения триггера ячеек памяти, что свидетельствует о повышенной сбое-устойчивости ячеек с уменьшенным отношением крутизн.

Параметры транзисторов ячеек памяти, спроектированных по нормам 0.35 мкм, приведены в табл. 1. Крутизна я-канальных транзисторов больше крутизны р-канальных транзисторов для стандартной ячейки ОЗУ в 6.8 раз (в зависимости от отношения подвижностей электронов и дырок для данной технологии). Для ячейки памяти с уменьшенным отношением крутизн их соотношение составило 2.4.

Параметры транзисторов ячеек памяти, спроектированных по нормам 0.18 мкм, приведены в табл. 2. Крутизна я-канальных транзисторов больше крутизны р-канальных транзисторов для стандартной ячейки ОЗУ в 7.9 раз (в зависимости от отношения подвижностей электронов и дырок для данной технологии). Для ячейки с уменьшенным различием крутизн их отношение составило 3.5.

Ячейки памяти с уменьшенным отношением крутизн транзисторов положены в основу банков ячеек памяти тестовых статических ОЗУ: SRAM

1Kx16 (КМОП 0.35 мкм); SRAM 4Kx16 (КМОП 0.18 мкм).

Тестовая структура SRAM 1Kx16 (КМОП 0.35 мкм) представляет собой статическое однопор-товое асинхронное ОЗУ. Массив ячеек памяти состоит из триггерных 6-транзисторных ячеек памяти, напряжение питания 3.3 В. Площадь, занимаемая ячейкой, 8.75 x 5.60 мкм2. Общая площадь SRAM 1Kx16 составила 903.0 x 1186.6 мкм2.

Тестовая структура SRAM 4Kx16 (КМОП 0.18 мкм) представляет собой статическое однопор-товое синхронное ОЗУ. Массив ячеек памяти состоит из триггерных 6-транзисторных ячеек памяти, напряжение питания 1.8 В. Площадь, занимаемая ячейкой, 2.30 x 3.73 мкм2. Общая площадь SRAM 4Kx16 составила 414.30 x 1472.11 мкм2.

На рис. 1 представлена для примера структурная схема SRAM 4Kx16 (0.18 мкм). Назначение сигналов памяти SRAM 4Kx16: шина адреса -ADR(11 : 0); двунаправленная шина данных -DQ<15 : 0); сигнал тактирования - CLK; сигнал разрешения работы памяти - CEN; сигнал разрешения записи - WEN; сигнал разрешения вывода данных - OEN.

Было проведено моделирование временных параметров субмикронных ОЗУ. В качестве примера приведем параметры тестовой структуры SRAM 1Kx16 0.35 мкм. Моделировался цикл записи/чтения в ячейки памяти по адресу 0010h. Использовалось четыре банка 6-транзисторных ячеек с организацией 256 x 8. Общий объем моделируемой памяти -1 K. Измерялось время установления достоверных данных от момента подачи сигнала OEB - íOEDV; время установления данных с момента подачи положительного фронта сигнала WEB - íWDV; время

Банк ячеек памяти

4К х 8

л А

\i \t

А л

1 Г U

а

FT

Л Л

о о

V V

а Q

Банк ячеек памяти

4К х 8

л <п

V <

II

X <

л

CD <N V

<

WKZlZNZ hJWWW ОО^О

л о

V <

п 1У \t \t

А л

\t \!

а

* Л \ Л

5 5

1 1

00 00

V V

Q а

Рис. 1. Структурная схема КМОП ОЗУ 4Kx16: 1 - дешифраторы строк; 2 -4 - буферы ввода-вывода; 5 - мультиплексоры и усилители считывания

■ дешифратор столбцов; 3 - управляющая логика;

1

5

5

4

4

установления достоверных данных после подачи сигнала PDB - iPDBDV; время появления данных при сигнале OEB низкого уровня при подаче сигнала адреса iADV. В табл. 3 приведены результаты моделирования параметров разработанного модуля SRAM 1Kx16 (КМОП 0.35 мкм) и сравнение их с параметрами асинхронного СОЗУ MITEL Semiconductors MNOA 200 Series, выполненного также по проектным нормам 0.35 мкм.

Для повышения сбоеустойчивости ОЗУ используют ячейки с различными схемотехническими решениями, позволяющими уменьшить или практически полностью устранить влияние воздействий от-

дельных ядерных частиц. В основу тестовых структур ОЗУ положены ячейки типа HIT (Heavy Ion Tolerant) и DICE (Dual Interlocked Storage Cell), которые представляют собой 12-транзисторные ячейки памяти с дополнительно введенными цепями на шести транзисторах (в ячейке HIT [2]) и дополнительным триггером (в ячейке DICE [3]) для восстановления исходного состояния, искаженного в результате сбоя.

В САПР Cadence были спроектированы топологии ячеек DICE и HIT для субмикронных технологий КМОП с проектными нормами 0.35 мкм и 0.18 мкм. Тестовая структура КМОП ОЗУ SRAM

Таблица 3. Сравнение характеристик разработанного ОЗУ по нормам 0.35 мкм и СОЗУ MNOA

Параметр SRAM 1Кх16 MNOA 2Кх16

tPDBDV, нс 2.9 3.1

%DV, нс 2.6 2.8

¿ADV, нс 2.9 3.2

tOEDV, нс 0.6 0.3

Таблица 4. Оценки быстродействия КМОП ячеек памяти с нормами 0.35 мкм при температуре +25°С

Тип ячейки памяти 6T 6T_S DICE HIT

Время установления логического нуля, пс 110 143 88 95

Относительное быстродействие 1 1.3 0.80 0.91

13.8Kx16 (КМОП 0.35 мкм) является структурой с повышенной сбоеустойчивостью [4]. Структура представляет собой статическое однопортовое асинхронное ОЗУ. Общая площадь, занимаемая ОЗУ: 6900.60 x 2883.75 мкм2. Доступное адресное пространство 0000h-35CFh. Объем памяти обусловлен ограничением, накладываемым размером площадки для кристалла в корпусе. Линии питания и общей шины ядра кристалла и периферийных блоков разделены для увеличения помехоустойчивости.

Тестовая структура КМОП ОЗУ SRAM 16Kx16 (КМОП 0.18 мкм) представляет собой статическое однопортовое асинхронное ОЗУ [4]. Площадь, занимаемая яч

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