Герасимов Ю.М., кандидат технических наук, зав. лабораторией Григорьев Н.Г., кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»)
ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ ДЛЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ КМОП ОЗУ
Исследованы различные варианты схемотехнической реализации и конструктивно-топологического исполнения КМОП элементов памяти для радиационно-стойких наноразмерных СБИС ОЗУ. Разработана система параметров для сравнения и выбора элементов памяти. Определены перспективные для данных применений элементы памяти.
Ключевые слова: КМОП СБИС, статическое ОЗУ, радиационная стойкость, КМОП элементы памяти, РСП.
MEMORY CELLS FOR RADIATION-HARDENED CMOS RAM
Overview of various CMOS memory cells schematic designs and their topology layouts for realization within radiation-hardened nanometer SRAM VLSI restrictions. A key parameters system for optimizing radiation-hardened memory design has been proposed. Derived practical solutions for main problems in radiation-hardened CMOS SRAM design.
Keywords: VLSI CMOS, SRAM, radiation hardness, CMOS memory cells, RHBD.
КМОП СБИС ОЗУ являются одним из основных элементов цифровых устройств, используемых, в частности, в аэрокосмической (АЭК) аппаратуре. Одним из основных требований, предъявляемых к такой аппаратуре, является радиационная стойкость (РС). По мере уменьшения проектных норм и с ростом степени интеграции доля СБИС ОЗУ в аппаратуре неуклонно растет. Параметры СБИС ОЗУ, в частности параметры радиационной стойкости, в значительной мере зависят от параметров используемых в них элементов памяти (ЭП), и которые в свою очередь зависят от используемых в них схемотехнических и конструктивно-топологических решений.
В данной статье проведен анализ параметров однопортовых ЭП, используемых в настоящее время в наноразмерных КМОП СБИС ОЗУ:
• 6-транзисторных ЭП с управляющими транзисторами как n-, так и p-типа (6Тп, 6Тp) [1-3] (рис. 1,а);
• квазистатических 8-транзисторных ЭП p-типа (8Tp) (рис. 1,б) [4];
• сбоеустойчивых 12-транзисторных Dice ЭП n-типа (12Tn) (рис.2) [5].
а) б)
Рис. 1. КМОП элементы памяти 6Тп (а) и 8Тp (б)
Рис. 2. Сбоеустойчивый Бжв ЭП 12Тп
Во всех коммерческих КМОП СБИС ОЗУ используется исключительно ЭП 6Тп (рис.1,а). Однако, в последнее время в СБИС для аэрокосмических применений, в ряде случаев, используются ЭП как типа 8Тр (рис.1,б), так и ЭП типа 12Тп (рис. 2). В рассматриваемых элементах памяти 6Т и 12Т условия записи и неразрушающего считывания накладывают ограничения на соотношения размеров транзисторов [1-3]. В результате чего эти ЭП работоспособны только при определенном соотношении размеров транзисторов. Так, например, ЭП типа 6Тп и 12Тп с одинаковыми и минимальными размерами транзисторов работоспособны во всех режимах, но имеет пониженную помехоустойчивость в режиме чтения. ЭП типа 6Тр с одинаковыми размерами транзисторов неработоспособен в режиме записи (см. ниже ЭП1 и ЭП7 в табл. 1,2).
Существует своего рода «Золотой стандарт» для ЭП 6Тп. Это ЭП минимальной площади, относительные размеры в котором обеспечивают помехоустойчивость в режимах хранения и записи не хуже 0,4иИП, а в режиме чтения более 0,5Цип. Для современных КМОП технологий при одинаковых длинах канала транзисторов такой элемент реализуется при ^СЧ= =W3/W5 ~ 1,2...1,5 и ^ЗП= '1^5 ~ 0,5...1,0 (М - ширина канала 1-го транзистора) [1].
В квазистатических ЭП типа 8Т отсутствует ограничение на соотношение размеров транзисторов в режиме записи [4]. В этих ЭП, а также в ЭП 6Тп с управлением по одной из шин питания (ШП, ЭП8 в табл. 1,2) в режиме записи представляется возможным независимо оптимизировать помехоустойчивость во всех режимах работы.
Статическая помехоустойчивость ЭП в режимах хранения, записи и чтения определяемой по статическим переключательным характеристикам [1-3]. Эти характеристики представляют собой зависимость напряжений (токов) в узлах триггера ЭП - Итр от напряжения на адресной шине АШ - иАШ при напряжениях на разрядных шинах РШ, соответствующих записи новой информации в ЭП или ее чтении (рис.3).
О 1 Цип 2 Um
Рис. 3. Статические характеристики ЭП 6Tn и 12Tn: 1 - режим хранения; 2 - режим чтения; 3 - режим записи
Выбор схемотехнических и конструктивно-топологических решений ЭП для создания РС КМОП СБИС ОЗУ при заданной технологии и правилах проектирования осуществляется по следующим параметрам [1-3].
1. Площадь ЭП на кристалле - 8Эп0.
2. Ток хранения данных - 1ХР.
3. Максимальный статический ток считывания ЭП - 1СЧ0.
4. Токи записи данных - 1ЗП.
5. Статическая помехоустойчивость ЭП в режимах хранения, чтения и записи - UnxP, Unc4, Uron.
6. Полные узловые емкости в плечах триггера ЭП - СЭП.
7. Полные емкости (собственные и паразитные) адресной (словарной) и разрядных шин одного ЭП - Сашо, Сршо.
8. Собственное время чтения данных из ЭП - tc™ = 0,ШипСрШо/1сЧо.
9. Собственное время записи (минимальная длительность импульса записи на АШ) -t3n0 (определяется по результатам моделирования по специальной методике).
10. Собственные времена задержки сигналов на управляющих шинах (адресной и разрядной) одного ЭП - ТАШ0, тршо.
11. Собственные сопротивления управляющих шин, шины земли и питания одного ЭП - Яаш, КРШ, Ro, Кип.
12. Параметр тиристорной защиты - Lat (определяется экспертной оценкой и по результатам испытаний: максимальный - 1, минимальный - 0).
13. Параметр дозовой стойкости - Dt (определяется экспертной оценкой и по результатам испытаний: максимальный - 1, минимальный - 0).
14. Комплексный параметр сбоеустойчивости ЭП - Ups ~ иИПСЭП1ХРх (в условных единицах, х - проектная норма).
15. Параметр качества проектирования ЭП - КпР (интегральный параметр, определяется по результатам анализа основных параметров ЭП с учетом их приоритета, а также экспертной оценкой: максимальный - 1, минимальный - 0).
В табл. 1 и 2 приведены наиболее важные для сравнения параметры десяти КМОП од-нопортовых ЭП с различными схемотехническими и конструктивно-топологическими решениями для технологии уровня 0,18 мкм. Размеры транзисторов в ЭП оптимизированы по помехоустойчивости (ОР - оптимальные размеры), кроме ЭП1/7/8, где все транзисторы одинаковые и минимальные (МР). ЭП4/6/10 спроектированы с использованием кольцевых транзисторов (КТ). В ЭП8 управление записью осуществляется по шине питания (ТТТП)
Таблица 1
Статические параметры КМОП ЭП
№ ЭП Отличительные особенности ЭП мкм мкА Icчo, мкА Iзпo, мкА ЦПХР/ иип ЦПСЧ/ Иип Цпзп/ Иип
СХЭ Топология
1 6ТП - МР S 4,66 19 125 46 0,41 0,26 0,48
2 6ТП - ОР* S 4,66 20 126 45 0,39 0,67 0,44
3 6ТП - ОР RT 6,54 21 160 48 0,39 0,56 0,50
4 6ТП - КТ RH 10,9 54 370 114 0,37 >3! 0,46
5 12ТП - ОР RT 15,3 30 386 140 0,40 0,52 0,44
6 12ТП - КТ RH 27,1 68 920 301 0,38 1,05 0,47
7 6Тp - МР RT 6,58 29 49 110 0,41 0,83 - 0,11
8 6Тp - ШП RT 6,58 29 49 10,0 0,41 0,83 0,43
9 8Тp - ОР RT 9,56 27 60 29 0.49 1,39 0,40
10 8Тp - КТ RH 14,3 64 84 45 0,41 >1,5 0,38
• «Золотой стандарт»
Разработаны РС конструктивно-топологические решения всех этих ЭП, проведен их анализ. При проектировании топологии РС элементов памяти использовалась методология радиационно-стойкого проектирования - РСП [6-7] (Radiation Hardning by Design - RHBD). Решалась задача комплексного обеспечения РС элементов памяти к различным факторам с приоритетом отсутствия эффекта «защелкивания».
Общие принципы, заложенные при разработке топологии РС ЭП:
• обеспечение «жесткой» привязки подложки и карманов в каждом ЭП к шинам земли и питания;
• использование охранных p+ - областей между n-карманом и подложкой и n+ - областями n-канальных транзисторов;
• использование кольцевых транзисторов n-типа (КТ).
Таблица 2
Динамические параметры и параметры РС КМОП ЭП
№ Э П Отличительные особенности ЭП СЭШ fF СРШ0, fF/эп САШ0 fF/эп tСЧ0, ps /эп tЗП0, Ps Lat Dt Ups
СХЭ Топология
1 6ТП - МР S 3,4 0,94 1,48 1,35 50 0 0 0,65
2 6ТП - ОР* S 3,4 0,94 1,48 1,33 55 0 0 0,68
3 6ТП - ОР RT 4,0 1,13 1,95 1,28 47 1 0,3 0,84
4 6ТП - КТ RH 9,8 1,58 2,83 0,77 58 1 1 5,3
5 12ТП - ОР RT 5,4 1,64 4,47 0,76 52 1 0,3 1,6**
6 12ТП - КТ RH 10,9 1,95 7,87 0,38 52 1 1 7 4**
7 6Тp - МР RT 3,8 0,78 1,80 2,88 - 1 0,3 1,1
8 6Тp - ШП RT 3,8 0,93 1,83 3,44 43 1 0,3 1,1
9 8Тp - ОР RT 5,8 1,11 3,33 3,33 118 1 0,3 1,6
10 8Тp - КТ RH 9,3 1,26 6,2 2,70 158 1 1 6,0
* «Золотой стандарт»; ** по сбою в одном узле
В зависимости от степени использования данных правил разработанные конструктивно-топологические решения ЭП можно разделить на три типа:
• S (Soft) - стандартный нестойкий вариант топологии (до 50крад);
• RT (Tolerant) - стойкий без использования КТ (100... 300крад);
• RH (Hard) - предельно стойкий с КТ (0,5. 1,0 Мрад).
На рис. 4 в качестве примера приведены базовые слои топологии RH ЭП с кольцевыми транзисторами n-типа. По результатам исследования определены компромиссные технические решения ЭП для создания радиационно-стойких КМОП нано-СБИС ОЗУ.
Рис.4. Топология RH ЭП: 6Тп-КТ (слева), 12Тп-КТ (справа)
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.
1. Имеющиеся в настоящее время технические решения позволяют методами РСП существенно повысить РС КМОП СБИС ОЗУ и довести ее до уровня современных требований АЭК систем.
2. Наиболее перспективным остается классический 6-транзисторный ЭП п-типа (6Тп), увеличение площади которого в 1,2.2,0 раза (в вариантах ЯТ или ЯИ) позволяет существенно повысить РС ко всем радиационным факторам.
3. Сбоеустойчивые ЭП типа 12Тп требуют значительного увеличения площади: в 3.5 раз и могут успешно использоваться только в управляющей памяти СБИС с проектными нормами до 0,25 мкм, где множественные сбои при воздействии тяжелых частиц не столь существенны.
4. Квазистатические ЭП типа 8Тр являются компромиссным вариантом между предыдущими двумя. Обладая худшим быстродействием и несколько большей площадью на кристалле они могут быть альтернативными ЭП 6Тп и 12Тп по параметрам стойкости, в частности, при проектных нормах менее 0,18мкм, когда в ОЗУ начинают преобладать множественные сбои при воздействии тяжелых частиц.
ЛИ
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.