МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 2, с. 88-93
ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ЯЧЕЕК В МИКРОСХЕМАХ ПАМЯТИ НА КРАТНОСТЬ СБОЕВ ОТ ТЗЧ* © 2014 г. А. Б. Боруздина1,2, Н. Г. Григорьев1, А. В. Уланова1,2
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" 2ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" E-mail: abbor@spels.ru; mgng@mail.ru; avulan@spels.ru Поступила в редакцию 22.05.2013 г.
Проведен анализ факторов, влияющих на сбоеустойчивость микросхем памяти. Рассмотрены различные топологические конфигурации 6-транзисторных ячеек памяти. Определены две конфигурации ячеек, наиболее чувствительные к эффекту многократных сбоев.
DOI: 10.7868/S0544126914020033
1. ВВЕДЕНИЕ
По мере уменьшения проектных норм при изготовлении микросхем памяти, сечение насыщения сбоев при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) снижается за счет уменьшения площади, занимаемой чувствительными областями (ЧО) в ячейке памяти [1, 2]. Однако уменьшение проектных норм после 90 нм не дает эффекта снижения сечения насыщения. Это связано с резким ростом кратности возникающих сбоев (для 65 нм КМОП-технологии сбои, кратностью более двух, составляют до 90% от всех сбоев при воздействии ионами с линейными потерями энергии (ЛПЭ) >34 МэВ см2/мг [1]). Рост кратности сбоев обусловлен как уменьшением величины критического заряда, требуемого для переключения ячейки памяти, так и уменьшением расстояний между чувствительными областями соседних ячеек памяти.
Эффективным методом борьбы с логическими многократными сбоями (МС) может служить пространственное разнесение ячеек, относящихся к одному логическому слову [3, 4]. При применении разнесения ячеек, физический МС устраняется посредством методов коррекции [5], так как представляет собой несколько одиночных сбоев (ОС) в разных логических словах. Однако при проведении испытаний ИС на предмет пригодности для эксплуатации в условиях радиационной среды, наличие физических МС может привести к существенному росту значения сечения насыщения сбоев либо к ситуации, когда насыщение по эффектам сбоев будет отсутствовать.
* Работа выполнена в ОАО "ЭНПО СПЭЛС" и Институте экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ) НИЯУ МИФИ на основании Госконтракта с Минобрнауки России № 13.G36.31.007 от 22.10.2010.
При наличии физических МС число сбившихся ячеек возрастает согласно выражению:
N = Мос + Ъ(к - 1)Лмсда,
где N — число сбоев, к — кратность сбоев.
Цель работы — разработка рекомендаций для предотвращения возникновения эффектов физических МС, вызванных ошибками на этапе проектирования микросхем памяти. Особое внимание уделено вопросам механизма возникновения МС и основам выполнения эффективного разнесения ЧО в накопителе для уменьшения МС.
2. ВЫБОР МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДА ОТ ТЗЧ
Оценка расстояния, на которое необходимо разнести ячейки, требует учета распределения заряда от ТЗЧ. Оценка энерговыделения часто проводится с использованием подхода, основанного на постоянстве ЛПЭ внутри чувствительного объема [6]. Однако для современных ИС такой подход не позволяет проводить точное моделирование одиночных эффектов, так как при его применении не учитывается распределение заряда в направлении, перпендикулярном треку иона. Учет радиальной составляющей трека становится важным, особенно для прогнозирования эффектов МС в КНИ ИС. Об этом свидетельствуют результаты моделирования прохождения частицы через вещество, проведенные средствами разных программных продуктов [7—9]. Для объемной технологии основную роль в возникновении МС в физически соседних ячейках играет процесс амбипо-лярной диффузии, протекающей на расстоянии единиц микрон от трека иона, что значительно больше радиуса самого трека. Поэтому учет ра-
(а)
Рис. 1. Схемы двух способов представления энерговыделения от ТЗЧ в программе МЦЗСА^ЕР [7]: (а) "пошаговый" подход, учитывающий распределение заряда только вдоль оси I (глубина); (б) "радиальный" подход, учитывающий распределение заряда вдоль осей I и г (радиус).
диальной составляющей трека ТЗЧ особенно важен только в случае КНИ технологии.
В работе [7] оценка потерь энергии частиц в КНИ ИС с помощью моделирования в программе Ми8СА-8БР проводилась согласно двум подходам: "пошаговому", учитывающему только распределение заряда вдоль трека (рис. 1а), и "радиальному", учитывающему еще и распределение заряда перпендикулярно направлению движения частицы (рис. 1б).
Результаты моделирования [7] с помощью "радиального" подхода совпали с экспериментальными данными (эксперимент проводился для технологий КНИ 65 и 45 нм при облучении ТЗЧ с энергией 15 МэВ/нуклон), и, в том числе, в области сечения насыщения по эффектам сбоев. Последнее связано с тем, что "радиальный" подход позволяет достаточно точно прогнозировать МС. Результаты, полученные с помощью "пошагового" подхода, расходились с экспериментом как в области насыщения, так и в области порога эффекта. Порог возникновения эффекта занижен из-за избыточной оценки заряда, собранного в ЧО, что соответственно приводит к прогнозированию наличия эффекта даже при низких значениях ЛПЭ. Значение сечения насыщения было занижено для обеих технологий, что связано с тем, что при применении "пошагового" подхода, эффект сбоя прогнозируется только в случае непосредственного попадания частицы в ЧО элемента. При этом было установлено, что по мере уменьшения проектных норм КНИ ИС необходимость учета радиальной составляющей трека ТЗЧ возрастает.
Как видно из рис. 2, при энергии 4 МэВ/нук-лон радиус трека частицы будет недостаточным для возникновения сбоя в чувствительных областях соседних элементов, и доля МС будет значи-
тельно меньше, чем при воздействии частицами с энергиями 10 МэВ/нуклон. Моделирование, приведенное в [8], также свидетельствует о том, что для ионов криптона (с энергией 3.4 МэВ/нуклон) радиус трека ТЗЧ уменьшается от 0.3 до 0.1 мкм при пробеге 20 мкм. В то же время, для частиц с энергией порядка 1 ГэВ радиус трека составляет 1— 2 мкм на всем пути прохождения через слой кремния, сравнимый с толщиной ИС.
Необходимо отметить, что при достаточно больших проектных нормах (когда расстояние между ЧО соседних ячейками составляет несколько микрон) различие в радиусе трека частиц не вносит существенного вклада в получаемое значение сечения насыщения эффекта. Однако для КНИ ИС, спроектированных по субмикронным
1022 1021 1020 1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013
Криптон
- 4 МэВ/н 10 МэВ/н 25 МэВ/н 40 МэВ/н
1
10 100 1000 Радиус трека иона, нм
10000
Рис. 2. Структура трека иона криптона четырех различных энергий: 4 МэВ/нуклон (квадраты), 10 МэВ/нуклон (круги), 25 МэВ/нуклон (треугольники), и 40 МэВ/нук-лон (перевернутые треугольники).
(а)
Области и-кармана
Ячейка 1 £ = 1.4 х 2.14 = 2.996 мкм2
Ячейка 2 £ = 1.4 х 2.14 = 2.996 мкм2
Ячейка 3 £ = 1.68 х 2.13 = 3.578 мкм2
Ячейка 4 £ = 2.855 х 1.02 = 2.912 мкм2
Рис. 3. Четыре варианта топологии 6Т ячеек памяти, выполненных по нормам 0.13 мкм в коммерческом исполнении. Кругами обозначены области, наиболее чувствительные (стоки и-транзисторов) к эффектам сбоев, квадратами (стоки ^-транзисторов) — наименее чувствительные.
технологиям, сечение насыщения по эффектам сбоев, полученное при облучении частицами с энергиями 4 МэВ/нуклон, может быть занижено из-за того, что не будут учтены возможные МС.
Из сказанного можно заключить, что проведение на этапе проектирования микросхем моделирования воздействия ТЗЧ в диапазоне энергий, соответствующих энергии частиц космического пространства [6], в дополнение к испытаниям на моделирующих и имитирующих установках [17, 18], позволит точнее спрогнозировать поведение изделия при эксплуатации.
3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Эффективным способом предотвращения логических МС, как было отмечено выше, является разнесение ячеек, относящихся к одному логическому слову [3, 4]. В результате применения данного подхода, с точки зрения корректирующих кодов, МС в физически соседних ячейках является несколькими одиночными сбоями в разных словах памяти. По мере уменьшения размеров ячеек и расстояния между ними, число соседних ячеек, которые могут сбиться от воздействия од-
ной частицы, возрастает. Соответственно должен возрастать и шаг разнесения ячеек.
В литературе встречаются различные рекомендации относительно шага разнесения ячеек: в [10] рекомендуется применять шаг разнесения минимум из четырех—восьми битов, в то время как в [11] — минимум шесть ячеек для технологии 150 нм, в [12] — шесть или более в технологиях на 90 и 130 нм. Использование излишнего шага разнесения может приводить к увеличению площади кристалла и уменьшению быстродействия изделия. Чтобы избежать этого, необходимо учитывать взаимное расположение ЧО соседних ячеек.
На примере нескольких вариантов топологического проектирования ячеек памяти и их взаимного расположения обозначим основные шаги, которые могут приводить к повышению чувствительности к эффекту МС в физически соседних ячейках памяти, выполненных как по КМОП, так и по КНИ технологии. На рис. 3 представлены 4 варианта топологии ячеек, выполненных по технологии 0.13 мкм. Ячейки 2 и 4 наиболее распространены при проектировании микросхем памяти благодаря малой занимаемой площади. Однако с точки зрения МС эти два варианта ячеек являются наиболее неудачными из 4-х представленных.
Если рассматривать эти ячейки с точки зрения стойкости к ТЗЧ, то на первый взгляд наиболее удачными представляются 3 и 4 типы, площадь чувствительных областей п+ типа которых в 1.5 раза меньше по сравнению с ячейками 1 и 2 типов, что соответственно приведет к снижению сечения насыщения по эффектам сбоев. Однако при рассмотрении данных топологических вариантов с точки зрения чувствительности к эффекту МС наиболее удачным вариантом представляются массивы ячеек 1 и 3. Ячейка 4 имеет очень маленькую высоту (1.02 мкм) и соответственно накопитель, построенный на ячейках этого типа, может иметь повышенную частоту накопления ошибок из-за возникновения МС, ориентированных по вертикали. В ячейке 2 чувствительные к эффекту
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.