МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 4, с. 253-261
УДК 621.382+ 621.396.6
ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА 65 нм КМОП ЯЧЕЙКИ ПАМЯТИ DICE
© 2012 г. В. Я. Стенин1, 2, П. В. Степанов2
1 НИИ системных исследований Российской АН 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" E-mail: stenin@kaf3.mephi.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Проведено моделирование характеристик чувствительности КМОП ячеек памяти типа DICE как двухфазных D триггеров с проектной нормой 65 нм. Определены зависимости критических значений амплитуд импульсов тока, вызывающих сбои при записи и хранении данных, для разных значений емкостей связи дифференциальных входов двухфазных инверторов в составе ячеек памяти. Установлены ограничения на значения этих емкостей: 0.4—0.5 фФ для ячеек памяти на основе ^МОП-транзисторов с шириной канала 400 нм и 0.2—0.3 фФ для ^МОП-транзисторов с шириной канала 120 нм. Оценки критических интегральных зарядов, характеризующих сбоеустойчивость при воздействии отдельных ядерных частиц, дают соответственно значения 25—20 фКл, что в 8 раз больше по сравнению с 6-транзисторными КМОП ячейками памяти.
1. ВВЕДЕНИЕ
Локальные воздействия отдельных ядерных частиц на суб-100-нм КМОП СБИС приводят к одиночным сбоям статических ОЗУ [1]. Разработка сбоеустойчивых КМОП-СБИС ОЗУ требует применения специальных схемотехнических [2], конструктивных, технологических [3, 4], системных и алгоритмических [5] мер снижения чувствительности к воздействию отдельных ядерных частиц. К схемотехническим мерам относится двухфазная КМОП-логика [6], которая включает ячейки памяти DICE [7—9]. В элементах двухфазной логики при воздействии локального импульса тока на одну из дифференциальных парных частей элемента возникает разность сигналов в его симметричных узлах, которая препятствует изменению логического состояния элемента. Для получения такого защитного эффекта от локального воздействия отдельных ядерных частиц необходимо пространственное разнесение парных чувствительных узлов двухфазных элементов на до-
статочное расстояние. Экспериментальное исследование статического КМОП ОЗУ на ячейках памяти DICE с проектной нормой 0.18 мкм при воздействии протонов с энергией 1 ГэВ [9] показало, что сечение одиночных сбоев, приведенное на 1 бит, для расстояния между чувствительными областями 2.5 мкм составило 0.7 х 10-15 см2/бит, для расстояния 0.9 мкм — 1.1 х 10-14 см2/бит, отличие — 15 раз. Однако разнесение парных частей ячейки DICE сопровождается увеличением емкостной связи шин, соединяющих парные элементы, что снижает сбоеустойчивость.
2. ОСОБЕННОСТИ КМОП ЯЧЕЕК ПАМЯТИ DICE - ЕМКОСТНАЯ СВЯЗЬ ВХОДОВ ДВУХФАЗНЫХ ИНВЕРТОРОВ
На рис. 1 приведена схема ячейки памяти DICE [9] на основе двухфазного D триггера с перекрестной связью выходов-входов двухфазных инверторов, которые в свою очередь имеют пере-
Рис. 1. Схема ячейки памяти DICE на основе D триггера на двухфазных КМОП-инверторах.
250
^Ф.М 200
i'50
,|100
50
0 10 20 30 Этап записи
40 50 60 70 80 90 100 tOK ЗАП Этап хранения t, пс
Рис. 2. Импульс тока, воздействующий на ячейку памяти при сбое данных; ¿ок.зап — момент времени окончания записи и перехода к этапу хранения.
крестные связи входов образующих их парных элементов — конверторов [6]. Первый инвертор образуют конверторы К1 и К2, второй — конверторы КЗ и К4. Емкостную связь дифференциальных входов двухфазных инверторов можно отобразить емкостью СВХ.дИФ, основной составляющей которой является емкость между дифференциальными шинами, соединяющими входы двух конверторов одного инвертора. На рис. 1 связи дифференциальных входов инверторов отражены емкостями СВХДИФ1 и СВХДИФ2. Шина BL (bit line) — шина данных; WL (word line) — шина разрешение чтения/записи.
Моделировались два варианта ячейки памяти с разной шириной каналов ^МОП транзисторов: 1) WN1 = 400 нм и 2) WN2 = 120 нм. В обоих вариантах ширина канала РМОП транзисторов WP = = 120 нм, а ширина канала NМOП транзисторов выборки — WEN = 230 нм, длины каналов транзисторов 65 нм. Значения емкостей приняты одинаковыми — СВХ.ДИФ1 = СВХ.ДИФ2 = свх.диф.
Воздействие отдельной ядерной частицы при моделировании имитировалось импульсом фототока /Ф(0 двухэкспоненциальной формы [10] с постоянными времени нарастания тН и спада тСП. В работе использовано обозначение импульсов как "Импульс тН/тСП", постоянные времени тН = = 10 пс, а тСП = 30 и 300 пс. Моделирование проводилось в симуляторе Spectre CADENCE для структур по объемной КМОП технологии с проектной нормой 65 нм при напряжении питания 1.0 В и температуре +25°C. Использованы модели КМОП-транзисторов tt библиотеки TSMC 65 нм. Локальный импульс фототока /Ф(0 на двухфазный инвертор в состоянии логической "1" воз-
10000
^ 1000
100
10
0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10
^о.ИМП, нс Этап записи | Этап хранения
Рис. 3. Критические значения амплитуд фототока /ф.м.кр в зависимости от момента начала импульса фототока ¿0.ИМП на этапах записи и хранения для WN = 400 нм; воздействие "Импульс 10 пс/30 пс"; СВХДИФ = 0.5 фФ; WP = 120 нм, WEN = 230 и 400 нм.
действует на сток одного из его закрытых NМОП-транзисторов, а в состоянии "0" — на сток одного из закрытых РМОП-транзисторов. Абсолютная погрешность вычисления амплитуд импульсов тока составила 1 мкА.
3. СБОИ СОСТОЯНИЯ ЯЧЕИКИ ПАМЯТИ ПРИ ЗАПИСИ ДАННЫХ
На рис. 2 приведена временная зависимость воздействующего импульса тока. Сбой при записи данных в ячейку памяти происходит, если амплитуда импульса тока достаточна для изменения состояния ячейки и воздействие импульса тока, начинаясь при записи, продолжается в начале этапа хранения как показано на рис. 2.
Если длительность импульса достаточна и в момент окончания этапа записи действие помехи не позволяет записать в ячейку памяти состояние с шины данных, то происходит сбой записи данных. Если же действие импульса тока 1Ф(t) прекращается до окончания записи, то происходит запись данных, установленных на шинах данных. На рис. 3 и 4 приведены графики критических значений амплитуд импульсов фототока 1ФМКР, вызывающих сбои в ячейках памяти, в зависимости от момента начала импульса ^.ИМП. Приведены зависимости, характеризующие 12-транзи-сторные КМОП ячейки памяти DICE и 6-транзи-сторные КМОП ячейки. Для ячеек памяти DICE значение емкости между дифференциальными входами инверторов СВХДИФ = 0.5 фФ. Данные на рис. 3 даны для ячеек памяти на транзисторах с шириной каналов WN = 400 нм, WP = 120 нм,
^0.ИМП, нс Этап записи | Этап хранения
Рис. 4. Критические значения амплитуд фототока 1ф.МКР в зависимости от момента начала импульса фототока ¿о.ИМП на этапах записи и хранения для WN = 120 нм; воздействие "Импульс 10 пс/30 пс"; СВХДИФ = 0.5 фФ; WP = 120 нм, WEN = 230 нм.
WEN = 230 нм, дополнительно для ячеек DICE приведены зависимости и для WEN = 400 нм.
Данные на рис. 4 приведены для ячеек памяти DICE и 6-транзисторных ячеек на транзисторах с шириной каналов WN =120 нм, WP =120 нм, WEN = 230 нм. На рис. 3 и 4 и далее обозначения зависимостей как "Сбой записи "0" или "1" и "Сбой "0" или "1" при хранении" означают, что воздействие осуществляется на инвертор ячейки памяти, в который должно быть записано логическое состояние "0" или "1" — или хранится "0" или "1".
Воздействие импульса фототока /Ф(/) при его начале /0ИМП < 1.0 нс соответствует этапу записи данных, при /0ИМП > 1.0 нс — этапу хранения. В переходной области времен для значений /0ИМП в диапазоне от 0.98 до 1.0 нс (см. рис. 3 и 4) сбои ячейки памяти фактически происходят при хранении. В этом случае импульс тока /Ф(/), начинаясь на этапе записи, достигает своего амплитудного значения 1Ф М КР (после чего собственно и происходит сбой) уже при переходе ячейки памяти в режим хранения, поскольку для воздействия "Импульс 10 пс/30 пс" время достижения экстремума составляет 16.5 пс.
Маловероятны воздействия отдельных ядерных частиц, вызывающих импульсы фототока с амплитудой более 1ФМ = 1 мА. При воздействии "Импульс 10 пс/30 пс" (см. рис. 3 и 4) наиболее вероятны сбои при записи для диапазона времен от 0.9 до 0.98 нс, то есть с началом импульса за 100—20 пс до окончания этапа записи. Другие сбои следует практически исключить. Критические значения амплитуд фототока 1ФМКР для 6-транзистор-ных КМОП ячеек памяти имеют заметно меньшие значения по сравнению с КМОП ячейками памяти DICE (см. рис. 3 и 4).
На рис. 5 и 6 приведены графики критических значений амплитуд импульсов тока 1ФМКР, вызывающих сбои состояния ячейки памяти в режимах записи и хранения, в зависимости от значения емкости дифференциальной связи входов конверторов СВХДИФ для ячеек памяти на NМОП транзисторах с шириной канала WN = 400 нм (см. рис. 5) и 120 нм (см. рис. 6). В обоих случаях ширина канала РМОП транзисторов WP = 120 нм, а ширина канала NМОП транзисторов выборки —
Свх.диф, фф
Рис. 5. Критические значения амплитуд импульсов 1ф м КР, вызывающих сбои при записи и хранении данных в ячейке памяти DICE, в зависимости от значения емкости Свх.яиФ. Воздействие "Импульс 10 пс/30 пс" начинается за 50 пс до окончания этапа записи, а воздействие "Импульс 10 пс/300 пс" — за 300 пс, ширина канала NМОП транзистора 400 нм.
3000
А1000
0.4 0.5 0.6 свх.диф, фф
Рис. 6. Критические значения амплитуд импульсов /ф.М.КР, вызывающих сбои при записи и хранении данных в ячейке памяти DICE, в зависимости от значения емкости Свхдиф; воздействие "Импульс 10 пс/30 пс" начинается за 50 пс до окончания этапа записи, а воздействие "Импульс 10 пс/300 пс" — за 300 пс; ширина канала NМOП транзистора 120 нм.
WEN = 230 нм, длины каналов транзисторов 65 нм. Воздействие "Импульс 10 пс/30 пс" начинается за 50 пс до окончания этапа записи, а воздействие "Импульс 10 пс/300 пс" - за 300 пс.
А. Сбой записи данных в ячейку памяти воздействием на инвертор, устанавливаемый при записи в состояние логической "1"
Запись в ячейку памяти DICE осуществляется установкой на конверторы К1-К4 данных с шин BL и nBL через "открытые" транзисторы выборки NE1-NE4, эти установочные состояния транз
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.