научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА 65 НМ КМОП ЯЧЕЙКИ ПАМЯТИ DICE Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА 65 НМ КМОП ЯЧЕЙКИ ПАМЯТИ DICE»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»