Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Шеститранзисторные ячейки памяти с субмикронными проектными нормами 15 CLASS
1.1. Определение требований к статическим ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц 15
1.2. Методика оценки минимального напряжения сохранения данных в КМОП СБИС ОЗУ 29
1.3. Результаты моделирования шеститранзисторных ячеек памяти с проектной нормой 0,35 мкм 33
1.4. Результаты моделирования шеститранзисторных ячеек памяти с проектной нормой 0,18 мкм 41
1.5. Разработка тестовых структур для проведения экспериментальных исследований СБИС ОЗУ с субмикронными проектными нормами 51
Выводы 57
Глава 2. Ячейки памяти с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц 59
2.1. Результаты моделирования ячеек памяти с повышенной сбоеустойчивостью 59
2.2. Обоснование выбора ячейки памяти для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью 69
2.3. Разработка тестовых структур для проведения экспериментальных исследований ячеек памяти с повышенной сбоеустойчивостью 72
Выводы 79
Глава 3. Особенности проектирования субмикронных КМОП статических ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц 81
3.1. Метод повышения сбоеустойчивости КМОП ОЗУ к воздействию отдельных ядерных частиц 81
3.2. Блоки КЭШ ОЗУ с мерами по повышению сбоеустойчивости 99
3.3. Методика расчета КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с учетом затрат площади на меры по повышению сбоеустойчивости 108
3.4. КНИ КМОП СБИС ОЗУ емкостью 2 Мбит с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц 111
Выводы 120
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований тестовых макетных образцов тестовых структур СБИС ОЗУ 122
4.1. Состав тестовых структур на основе шеститранзисторных ячеек памяти 122
4.2. Результаты экспериментальных исследований макетных образцов тестовых структур СБИС ОЗУ на основе шеститранзисторных ячеек памяти 123
4.3. Состав тестовых структур на основе ячеек памяти с повышенной сбоеустойчивостью 133
4.4. Результаты экспериментальных исследований макетных образцов тестовых структур СБИС ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью 134
Выводы 138
Заключение 140
Список использованной литературы 142
- Результаты моделирования шеститранзисторных ячеек памяти с проектной нормой 0,35 мкм
- Обоснование выбора ячейки памяти для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью
- Методика расчета КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с учетом затрат площади на меры по повышению сбоеустойчивости
- Результаты экспериментальных исследований макетных образцов тестовых структур СБИС ОЗУ на основе шеститранзисторных ячеек памяти
Введение к работе
В настоящее время оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) получили широкое распространение как в качестве встраиваемых блоков в СБИС микропроцессоров (КЭШ ОЗУ), систем на кристалле, СБИС аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и др., так и в качестве отдельных СБИС ОЗУ. По оценкам International Technology Roadmap for Semiconductors (1TRS) площадь, занимаемая встраиваемыми блоками ОЗУ в микропроцессорах и системах на кристалле, увеличилась с 40% в 2002 году до 60% в 2008 году, и в перспективе будет занимать до 90% всей площади кристалла [1], следовательно, по критериям надежности, энергопотребления, устойчивости к воздействию экстремальных тепловых режимов эксплуатации характеристики СБИС со встраиваемым ОЗУ будут во многом определяться характеристиками блоков ОЗУ.
Перспективным направлением развития электронной компонентной базы для
аппаратуры авиационной техники, аппаратуры космического, военного и другого
специального назначения является разработка высокопроизводительных
микропроцессоров с повышенной сбоеустойчивостыо к воздействию радиационных факторов. Увеличение производительности достигается, в частности, переходом на технологии с меньшими проектными нормами. Субмикронные КМОП СБИС, изготавливаемые по объёмной КМОП технологии, имеют повышенную чувствительность к эффектам воздействия отдельных высокоэнергетических космических частиц, включая атмосферные нейтроны. Уменьшение проектной нормы ведет к увеличению чувствительности к радиационным эффектам. Радиационно-стойкие техпроцессы в настоящее время по проектным нормам отстают на 4 - 6 поколений от современных коммерчески-доступных технологических процессов. Для достижения наилучшей производительности в мире активно развивается направление радиационно-стойкого проектирования Radiation Hard by Design (RHBD), основанного на использовании коммерчески-доступных технологических процессов с применением схемотехнических, топологических и алгоритмических методов повышения сбоеустойчивости.
Максимальная интенсивность атмосферных нейтронов с энергиями выше 1 МэВ
имеет место на высотах порядка 10... 15 км с типовым значением плотности потока
порядка 1 нейтрон/(см с) [2]. Причина образования нейтронных «ливней» обусловлена
взаимодействием протонов космического происхождения с верхними слоями атмосферы.
Во время солнечных вспышек такая же интенсивность нейтронов несколько раз в год в
течение от нескольких часов до нескольких дней бывает и на уровне моря. Радиационные
эффекты в субмикронных СБИС обусловлены взаимодействием отдельного нейтрона с
веществом с выделением большого количества энергии (порядка единиц МэВ) внутри микрообъема порядка от 1 до 100 мкм чувствительного элемента СБИС. Основными эффектами воздействия потоков атмосферных нейтронов на СБИС, модули и ЭВМ на их основе являются одиночные сбои и тиристорные эффекты, устранение которых и является предметом проектирования СБИС и устройств на их основе с повышенной сбоеустойчивостью.
Блоки статических оперативных запоминающих устройств в составе СБИС микропроцессоров и систем на кристалле, являются одними из наиболее уязвимых к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. Поэтому в качестве предмета исследования выбраны оперативные запоминающие устройства статического типа. Объектом исследования являются методы повышения сбоеустойчивости оперативных запоминающих устройств к воздействию отдельных ядерных частиц.
Разработка субмикронных КМОП статических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), предназначенных для использования в авиационной и космической технике, требует применения специальных схемотехнических, алгоритмических, топологических и конструктивных мер для повышения сбоеустойчивости ячеек памяти и управляющей логики ОЗУ [2]. Эти меры включают специальную схемотехнику ячеек памяти, использование контактов к подложке и n-карманам, охранные кольца, дополнительные ячейки памяти для контроля потери данных. Использование этих мер приводит к дополнительным затратам площади кристалла микросхем. Проектирование специализированных ОЗУ для использования в составе микропроцессорных СБИС и СБИС типа система на кристалле обычно происходит с учётом ряда взаимоисключающих требований, поскольку с одной стороны, надо обеспечить заданную (или максимальную) ёмкость накопителя (банка ячеек памяти), с другой стороны, минимальную площадь, занимаемую ОЗУ на кристалле, минимальную потребляемую мощность и, кроме того, обеспечить требуемый уровень сбоеустойчивости ОЗУ к действию заданных дестабилизирующих факторов. Процесс проектирования и обоснование оптимальности решения могут быть упрощены в случае, если использовать набор базовых блоков субмикронных ОЗУ для встраиваемых приложений, а также рекомендации по модификации этих блоков с учётом обоснованных значений коэффициентов, характеризующих увеличение площади кристалла на отдельные элементы и блоки структуры и учитывающие схемотехнологические и конструктивные особенности элементной базы. К таким особенностям в случае проектирования ОЗУ, сбоеустойчивых к воздействию отдельных тяжёлых ядерных частиц (например, атмосферных нейтронов), относится необходимость использования специальных схемотехнических решений
(обычно с большим количеством транзисторных структур), а также конструктивно-топологических средств защиты активных элементов от эффектов воздействия дестабилизирующих факторов, приводящих к дополнительным затратам площади кристалла по сравнению с традиционными структурами.
В настоящее время в Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008 -2015 годы предусмотрена разработка отечественных быстродействующих микропроцессоров в частности для авионики, космической техники, аппаратуры, используемой в интересах Федерального агентства по атомной энергии и для других специализированных применений, где необходима повышенная сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. Поэтому значимой и актуальной является задача разработки методики проектирования быстродействующих ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц.
Состояние исследований по проблеме
Физические принципы взаимодействия полупроводниковых структур с радиационными факторами среды освещены в работах Вавилова B.C. [3], Ухина Н.А. [4], Ладыгина Н.А. [5]. Радиационные эффекты описаны в работах Никифорова А.Ю. [6-8], Скоробогатова П. К. [9, 10], Тельца В.А. [6, 11], Першенкова B.C. [12]. В данных работах широко освещены дозовые эффекты радиационного воздействия на интегральные микросхемы.
Методологические вопросы радиационной стойкости изложены в работах Герасимова В.Ф. [13,14]. Конструктивно-топологические особенности субмикронных МОП транзисторов исследованы в работах Красникова Т.Я. [15, 16]. Основы проектирования и схемотехнические решения элементов КМОП ИС, и, в частности, СБИС ОЗУ представлены в трудах Вернера В.Д. [17], Кармазинского А.Н. и Герасимова Ю.М. [18-20]. Развитие архитектуры отечественных высокопроизводительных микропроцессорных систем межвидового применения отражено в трудах Бобкова С.Г. [21-24].
Эффекты воздействия отдельных ядерных частиц в КМОП интегральных схемах подробно описаны в работах Чумакова А.И. [2, 25-28], Емельянова В.В. [29,30], зарубежных авторов, таких как: Schrimpf R.D. [31], Ash M.S. [32], Dressendorfer P.V. [33], Petersen E.D. [34], работах, публикуемых Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Европейским космическим агентством (ESA). Однако в данных работах не проводится сравнение эффективности существующих схемотехнических и алгоритмических методов повышения
сбоеустойчивости. Рекомендации по топологическому проектированию учитывают лишь дозовые эффекты.
Схемотехнические методы повышения сбоеустойчивости ОЗУ в первую очередь связаны с повышением сбоеустойчивости ячейки памяти. Существуют несколько подходов к повышению сбоеустойчивости: авторы Rockett L., Wiseman D., Vembrux J. в своих работах [35, 36] предлагают подход с увеличением постоянной времени в цепи обратной связи триггера ячейки памяти, что позволяет повысить величину критического заряда ячейки. Подход, основанный на использовании дополнительных транзисторов, восстанавливающих исходное состояние ячейки после сбоя использован в работе авторов Bessot D., Velazco R [37]. Метод резервирования данных в дополнительной триггерной структуре с возможностью восстановления сбитой информации описан в работах Whitaker J., Liu M.N., Canaris J. [38]. В литературе ячейки с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц известны давно, но отсутствует их сравнительный анализ по критериям сбоеустойчивости, быстродействия, занимаемой площади и энергопотребления, особенно для проектных норм 0,18 мкм и менее.
Конструктивно-топологические методы повышения сбоеустойчивости коммерчески-доступных технологических процессов направлены на уменьшение вероятности проявления тиристорного эффекта в КМОП структурах и на уменьшение влияния дозовых эффектов. В работах Nowlin R.N. [39] и Snoyes W. [40] представлены методы уменьшения влияния дозовых эффектов за счет использования транзисторов с кольцевым затвором. В работах Aoki Т. [41] представлены методы подавления тиристорного эффекта, включающие контакты к подложке и n-карману, а также охранные кольца. Однако в литературе отсутствуют рекомендации по топологическому проектированию элементов СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к эффектам одиночных сбоев.
Методы численного моделирования поверхностных и локальных радиационных эффектов в КМОП и КНИ КМОП структурах развиты в работах Петросянца К.О., Харитонова И.А. [42-44]. В работах Чумакова А.И. [45-48], Мирошкина В.В.[49], предложены методики оценки чувствительности ИС к воздействию ионов и протонов. Недостатком данных методик является необходимость проведения больших объемов вьшислений, связанных с расчетом функции, определяющей связь сечения насыщения с пороговой энергией возникновения эффекта и геометрическими характеристиками чувствительной области. Корректные прогнозные значения сечения одиночных сбоев и пороговые энергии протонов можно получить при наличии экспериментальных данных сечения насыщения ионов и наоборот. Качественный анализ устойчивости к эффектам
одиночных сбоев производится по величине критического заряда, вызывающего переключение элемента при воздействии нейтронов, протонов и ионов.
Направление радиационно-стойкого проектирования получило развитие в работах Герасимова Ю.М., Григорьева Н.Г. [50, 51], Redant S., Kloukinas К., Campbell М. [52-54], разработаны библиотеки элементов, созданных с использованием радиационно-стойкого проектирования по проектным нормам КМОП 0,25 мкм и КМОП 0,18 мкм. В работах Герасимова Ю.М. и Григорьева Н.Г. [55, 56] освещены проблемы повышения стойкости к дозовым эффектам коммерческой технологии с проектной нормой 0,25 мкм, разработана библиотека с конструктивно-топологическими мерами по повышению стойкости к воздействию поверхностных радиационных эффектов. Направление радиационно-стойкого проектирования в настоящее время является актуальным, т.к. позволяет при затратах площади в 1,5...4 раза больших, чем при использовании стандартной коммерческой технологии, получать одинаковое быстродействие при повышении стойкости к дозовым эффектам на порядок и более. Известно об использовании лишь трех библиотек за рубежом - это DARE [52], IMEC [53] и MRC [54] библиотеки по проектным нормам 0,18 мкм и 0,25 мкм. Данные библиотеки состоят из 100...300 элементов и используются для разработки заказных интегральных схем. Отечественной библиотеки с повышенной сбоеустойчивотью к воздействию ОЯЧ не существует.
Переход на технологию кремний-на-изоляторе (КНИ) позволяет уменьшить сечение одиночных сбоев за счет уменьшения эффективной длины собирания заряда с трека частицы. Результаты исследования воздействия ТЗЧ на КНИ СБИС приведены в работах Петросянца К.О., Харитонова И.А. [57, 58], Musseau О., Ferlet-Cavrois V., Gasiot G. [59-60]. Однако отсутствуют исследования эффективности применения схемотехнических методов повышения сбоеустойчивости для КНИ технологии.
В ранее проведенных исследованиях широко описаны схемотехнические методы повышения сбоеустойчивости к воздействию отдельных ядерных частиц, но отсутствует сравнение эффективности данных методов особенно для субмикронных КМОП процессов с проектными нормами 0,25 мкм и менее.
Конструктивно-топологические методы развиты для подавления дозовых эффектов и уменьшения вероятности проявления тиристорного эффекта. Необходимо развитие топологических методов повышения сбоеустойчивости субмикронных ОЗУ к воздействию отдельных ядерных частиц.
Существенные погрешности в расчетах сечения насыщения одиночных сбоев требуют проведения экспериментальных исследований для оценки эффективности схемотехнических, конструктивно топологических и алгоритмических методов
повышения сбоеустойчивости субмикронных ОЗУ, изготовленных на российских и зарубежных фабриках.
Данная работа направлена на решение научно-технической задачи разработки и развития методов проектирования статических оперативно-запоминающих устройств с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц для субмикронных проектных норм.
Цель и задачи диссертации
Целью диссертации является развитие методов проектирования субмикронных статических КМОП и КНИ ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц.
Достижение указанной цели обеспечено решением следующих задач:
Анализ тенденций развития схемотехнических и конструктивно-топологических методов повышения сбоеустойчивости субмикронных ОЗУ, применяемых в условиях воздействия отдельных ядерных частиц, и обоснование наиболее перспективных методов повышения сбоеустойчивости.
Обоснование выбора ячейки памяти для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью по критериям сбое- и помехоустойчивости, быстродействию, потребляемой мощности, занимаемой площади.
Разработка методических рекомендаций по проектированию топологии ячеек памяти и блоков ОЗУ для встраиваемых приложений с повышенной сбоеустойчивостью с проектными нормами 0,25 мкм и менее.
Разработка библиотек базовых блоков ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с проектной нормой 0,18 мкм (КМОП) и 0,25 мкм (КНИ КМОП)
Исследование и моделирование влияния экстремальных тепловых режимов эксплуатации на субмикронные СБИС ОЗУ. Развитие методики исследования минимального напряжения сохранения данных при воздействии экстремальных тепловых режимов эксплуатации.
Научная новизна диссертации
1. Метод повышения сбоеустойчивости КМОП ОЗУ к воздействия отдельных ядерных частиц, заключающийся в пространственном разнесении областей ячеек памяти,
чувствительных к воздействию отдельных ядерных частиц, а также взаимном включении чувствительных областей ячейки в пространство смежных ячеек памяти.
Методика расчета КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц с обоснованием коэффициентов затрат площади на схемотехнические и конструктивно-топологические методы повышения сбоеустойчивости КМОП ОЗУ.
Результаты сравнительного моделирования и экспериментальных исследований ячеек памяти для КМОП СБИС ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью, свидетельствующие о высокой сбоеустойчивости ячеек памяти типа DICE и HIT к воздействию отдельных ядерных частиц и экстремальных тепловых режимов эксплуатации.
Методика оценки минимального напряжения сохранения данных в КМОП СБИС ОЗУ при воздействии экстремальных тепловых режимов эксплуатации.
Практическая значимость диссертации
Результаты сравнительного анализа и экспериментальных исследований вариантов КМОП ячеек памяти с разной организацией позволили обосновать применение ячеек памяти типа DICE, позволяющих обеспечить наибольший уровень сбоеустойчивости КМОП и КНИ КМОП ОЗУ с проектными нормами 0,35 мкм ... 0,18 мкм к воздействию отдельных ядерных частиц.
Разработана библиотека базовых блоков КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с проектной нормой 0,18 мкм на основе однопортовых и двухпортовых ячеек памяти типа DICE с пространственным разнесением чувствительньк областей, контактами к подложке и п-карману и охранными кольцами в блоках управляющей логики.
Разработана библиотека базовых элементов для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостыо по КНИ КМОП технологии с проектной нормой 0,25 мкм на основе DICE ячеек памяти с разнесением чувствительных областей и управляющей логики с методами по подавлению дозовых эффектов.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод повышения сбоеустойчивости КМОП ОЗУ, заключающийся в пространственном разнесении областей ячеек памяти, чувствительных к
воздействию отдельных ядерных частиц, а также взаимном включении чувствительных областей в пространство смежных ячеек памяти, позволяющий уменьшить вероятность возникновения сбоев, вызванных собиранием заряда с трека одной частицы двумя чувствительными областями при минимальных дополнительных затратах площади.
Методика расчета КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц с учетом затрат площади на схемотехнические и конструктивно-топологические меры повышения сбоеустойчивости ОЗУ.
Методика оценки минимального напряжения сохранения данных в КМОП СБИС ОЗУ при воздействии экстремальных тепловых режимов и результаты экспериментальных исследований.
Апробация диссертации
Результаты работы доложены на всероссийских конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника» (2007 г. - 2009 г.), «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008 (МЭС-2008)», «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2009», на конференции «Научная сессия МИФИ» (2005 г.-2009 г.).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 23 работах (в период с 2005 г. по 2010 г.), в том числе три в журналах из перечня ВАК. Семь работ опубликованы без соавторов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из списка терминов, условных обозначений и сокращений, введения, четырех глав, заключения и списка литературы; содержит 150 страниц, в том числе 53 рисунка, 45 таблиц и список литературы из 102 наименований.
Результаты моделирования шеститранзисторных ячеек памяти с проектной нормой 0,35 мкм
Схемотехнические методы повышения сбоеустойчивости ОЗУ в первую очередь связаны с повышением сбоеустойчивости ячейки памяти. Существуют несколько подходов к повышению сбоеустойчивости: авторы Rockett L., Wiseman D., Vembrux J. в своих работах [35, 36] предлагают подход с увеличением постоянной времени в цепи обратной связи триггера ячейки памяти, что позволяет повысить величину критического заряда ячейки. Подход, основанный на использовании дополнительных транзисторов, восстанавливающих исходное состояние ячейки после сбоя использован в работе авторов Bessot D., Velazco R [37]. Метод резервирования данных в дополнительной триггерной структуре с возможностью восстановления сбитой информации описан в работах Whitaker J., Liu M.N., Canaris J. [38]. В литературе ячейки с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц известны давно, но отсутствует их сравнительный анализ по критериям сбоеустойчивости, быстродействия, занимаемой площади и энергопотребления, особенно для проектных норм 0,18 мкм и менее.
Конструктивно-топологические методы повышения сбоеустойчивости коммерчески-доступных технологических процессов направлены на уменьшение вероятности проявления тиристорного эффекта в КМОП структурах и на уменьшение влияния дозовых эффектов. В работах Nowlin R.N. [39] и Snoyes W. [40] представлены методы уменьшения влияния дозовых эффектов за счет использования транзисторов с кольцевым затвором. В работах Aoki Т. [41] представлены методы подавления тиристорного эффекта, включающие контакты к подложке и n-карману, а также охранные кольца. Однако в литературе отсутствуют рекомендации по топологическому проектированию элементов СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к эффектам одиночных сбоев.
Методы численного моделирования поверхностных и локальных радиационных эффектов в КМОП и КНИ КМОП структурах развиты в работах Петросянца К.О., Харитонова И.А. [42-44]. В работах Чумакова А.И. [45-48], Мирошкина В.В.[49], предложены методики оценки чувствительности ИС к воздействию ионов и протонов. Недостатком данных методик является необходимость проведения больших объемов вьшислений, связанных с расчетом функции, определяющей связь сечения насыщения с пороговой энергией возникновения эффекта и геометрическими характеристиками чувствительной области. Корректные прогнозные значения сечения одиночных сбоев и пороговые энергии протонов можно получить при наличии экспериментальных данных сечения насыщения ионов и наоборот. Качественный анализ устойчивости к эффектам одиночных сбоев производится по величине критического заряда, вызывающего переключение элемента при воздействии нейтронов, протонов и ионов.
Направление радиационно-стойкого проектирования получило развитие в работах Герасимова Ю.М., Григорьева Н.Г. [50, 51], Redant S., Kloukinas К., Campbell М. [52-54], разработаны библиотеки элементов, созданных с использованием радиационно-стойкого проектирования по проектным нормам КМОП 0,25 мкм и КМОП 0,18 мкм. В работах Герасимова Ю.М. и Григорьева Н.Г. [55, 56] освещены проблемы повышения стойкости к дозовым эффектам коммерческой технологии с проектной нормой 0,25 мкм, разработана библиотека с конструктивно-топологическими мерами по повышению стойкости к воздействию поверхностных радиационных эффектов. Направление радиационно-стойкого проектирования в настоящее время является актуальным, т.к. позволяет при затратах площади в 1,5...4 раза больших, чем при использовании стандартной коммерческой технологии, получать одинаковое быстродействие при повышении стойкости к дозовым эффектам на порядок и более. Известно об использовании лишь трех библиотек за рубежом - это DARE [52], IMEC [53] и MRC [54] библиотеки по проектным нормам 0,18 мкм и 0,25 мкм. Данные библиотеки состоят из 100...300 элементов и используются для разработки заказных интегральных схем. Отечественной библиотеки с повышенной сбоеустойчивотью к воздействию ОЯЧ не существует.
Переход на технологию кремний-на-изоляторе (КНИ) позволяет уменьшить сечение одиночных сбоев за счет уменьшения эффективной длины собирания заряда с трека частицы. Результаты исследования воздействия ТЗЧ на КНИ СБИС приведены в работах Петросянца К.О., Харитонова И.А. [57, 58], Musseau О., Ferlet-Cavrois V., Gasiot G. [59-60]. Однако отсутствуют исследования эффективности применения схемотехнических методов повышения сбоеустойчивости для КНИ технологии.
В ранее проведенных исследованиях широко описаны схемотехнические методы повышения сбоеустойчивости к воздействию отдельных ядерных частиц, но отсутствует сравнение эффективности данных методов особенно для субмикронных КМОП процессов с проектными нормами 0,25 мкм и менее.
Конструктивно-топологические методы развиты для подавления дозовых эффектов и уменьшения вероятности проявления тиристорного эффекта. Необходимо развитие топологических методов повышения сбоеустойчивости субмикронных ОЗУ к воздействию отдельных ядерных частиц. Существенные погрешности в расчетах сечения насыщения одиночных сбоев требуют проведения экспериментальных исследований для оценки эффективности схемотехнических, конструктивно топологических и алгоритмических методов повышения сбоеустойчивости субмикронных ОЗУ, изготовленных на российских и зарубежных фабриках. Данная работа направлена на решение научно-технической задачи разработки и развития методов проектирования статических оперативно-запоминающих устройств с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц для субмикронных проектных норм. Целью диссертации является развитие методов проектирования субмикронных статических КМОП и КНИ ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц. Достижение указанной цели обеспечено решением следующих задач: - Анализ тенденций развития схемотехнических и конструктивно-топологических методов повышения сбоеустойчивости субмикронных ОЗУ, применяемых в условиях воздействия отдельных ядерных частиц, и обоснование наиболее перспективных методов повышения сбоеустойчивости. - Обоснование выбора ячейки памяти для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью по критериям сбое- и помехоустойчивости, быстродействию, потребляемой мощности, занимаемой площади. - Разработка методических рекомендаций по проектированию топологии ячеек памяти и блоков ОЗУ для встраиваемых приложений с повышенной сбоеустойчивостью с проектными нормами 0,25 мкм и менее. - Разработка библиотек базовых блоков ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с проектной нормой 0,18 мкм (КМОП) и 0,25 мкм (КНИ КМОП) - Исследование и моделирование влияния экстремальных тепловых режимов эксплуатации на субмикронные СБИС ОЗУ. Развитие методики исследования минимального напряжения сохранения данных при воздействии экстремальных тепловых режимов эксплуатации.
Обоснование выбора ячейки памяти для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью
Тонкие линии и сопротивления и-кармана R\y и тела подложки Rs отображают на рис. 1.4 омическую связь слоев р-п-р-п структуры с контактами к «-карману, р+ контакта с подложкой и связь с охранными кольцами, подключёнными к шине,питания и общей шине. Области р+ контактов к подложке и п+ контактов к «-карманам, а также охранные кольца п+ и р+ типов образуют контакты к коллекторным областям "паразитных" биполярных транзистров р-п-р и п-р-п типов, соответственно. Эти области подключены к фиксированным потенциалам источника питания и общей шины, что позволяет исключить срабатывание "паразитной" тиристорной структуры.
Охранные кольца представляют собой диффузионные области, охватывающие фрагменты структуры СБИС. Охранные кольца являются стоком для возникающих ионизационных токов.
Для обеспечения защиты от тиристорного эффекта в ОЗУ используются контакты к подложке и и-карманам в ячейках памяти из расчета один контакт на 1,5 мкм2. Применение охранных колец в блоков управления ОЗУ практически исключает тиристорные эффекты в буферах вывода, блоках дешифратора адреса, мультиплексорах. По результатам моделирования [73] следует, что применение охранных колец в блоках управляющей логики уменьшает токи утечки в этих блоках на 30...70% по сравнению с исходными блоками управляющей логики. Полное исключение тиристорного эффекта возможно при применении КНИ технологии.
Алгоритмические методы повышения сбоеустойчивости СБИС ОЗУ в основном основываются на использовании тройного модульного резервирования с мажорированием TMR и применении помехоустойчивого кодирования. Тройное модульное резервирование во встраиваемых приложениях требует увеличения площади кристалла в 3,3...3,5 раза (с учетом мажоритарной схемы). Недостатком TMR является то, что сбои накапливаются в накопителях. В случае возникновения тиристорного эффекта в одной из трех ОЗУ схема тройного модульного резервирования не обеспечивает достоверность выдаваемой информации.
В качестве помехоустойчивых кодов для СБИС ОЗУ наиболее часто используются линейные коды блочного типа класса SEC-SED (Single Error Correcting-Single Error Detecting) - например, код Хэмминга, обнаруживающий и исправляющий одну ошибку в кодируемом слове, и коды класса SEC-DED (single-error-correcting-double-error-detecting) -это коды типа модифицированного Хэмминга и код Хсяо [74], обнаруживающие двукратную ошибку и исправляющие одну ошибку в кодируемом слове.
В работе [75] проведено сравнение помехоустойчивых кодов типа Хэмминга, модифицированного Хэмминга и Хсяо по критериям занимаемой площади и быстродействия. В табл. 1.2 приведены сравнительные характеристики кодеров и декодеров помехоустойчивых кодов. Применение кода Хсяо позволяет при одинаковых затратах площади по сравнению с модифицированным кодом Хэмминга на 30% увеличить быстродействие. Недостаток помехоустойчивого кодирования заключается в ухудшении быстродействия ОЗУ и дополнительных аппаратных затратах, что практически исключает возможность применения кодирования в быстродействующих КЭШ ОЗУ. Результаты экспериментальных исследований СБИС ОЗУ с кодированием по Хэммингу показали высокую эффективность данного метода повышения сбоеустойчивости. Усредненные значения сечения одиночных сбоев в тестовых образцах СБИС ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм и 0,18 мкм с использованием контроллера с кодом Хэмминга составили а0.с« (0,3...6)х 10" см2/бит, что на порядок меньше величины сечения одиночных сбоев в тестовых образцах без применения помехоустойчивого кодирования. Таким образом, можно сформулировать требования, предъявляемые при проектировании СБИС ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью: - необходим обоснованный выбор ячеек памяти с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию ОЯЧ, как наиболее чувствительных элементов ОЗУ; - необходимо использование конструктивно-топологических мер для подавления тиристорного эффекта в объемных КМОП ОЗУ (контакты к п-карману и подложке, охранные кольца); - необходимо проведение моделирования воздействия экстремальных тепловых режимов эксплуатации на этапе проектирования; - необходимо учитывать возможность эффекта «просадки» питания под воздействием радиационных факторов среды; - при отсутствии жестких требований по быстродействию, рекомендуется применять помехоустойчивое кодирование типа Хсяо. - с целью определения корректной зависимости сечения одиночных сбоев от пороговой энергии протонов (пороговых линейных потерь энергии ионов) необходимо проведение экспериментальных исследований макетных образцов СБИС ОЗУ. Значения сечений одиночных сбоев и тиристорных эффектов зависят от технологии изготовления, проектных норм и архитектуры ОЗУ. Поэтому корректная оценка эффективности мер повышения сбоеустойчивости возможна при сравнительном анализе (как расчетном, так и экспериментальном) характеристик СБИС ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с характеристиками стандартных ОЗУ, выполненных по той же технологии с одинаковыми проектными нормами.
Воздействие ионизирующего излучения на СБИС приводит к увеличению токов утечки за счет накопления заряда на граничном слое подзатворного диэлектрика [2]. Увеличение токов утечки может привести к «просадке» напряжения питания СБИС. Уменьшение напряжения питания в триггерных ячейках памяти ОЗУ приводит к вырождению переключательной характеристики и потере информации, хранимой в ячейках памяти. Минимальное напряжение питания, при котором происходит вырождение переключательной характеристики, называется минимальным напряжением сохранения данных (Data Retention Voltage - DRV). Минимальное напряжение сохранения данных для стандартной шеститранзисторной ячейки памяти, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.5, может быть оценена из соотношения:
Методика расчета КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью с учетом затрат площади на меры по повышению сбоеустойчивости
Результаты экспериментальных исследований на серийных образцах субмикронных СБИС ОЗУ [63] свидетельствуют об их относительно высокой чувствительности к локальным радиационным эффектам. Детальное исследование СБИС ОЗУ с целью проверки результатов моделирования и разработки методов прогнозирования затруднительно по причинам, обусловленным неполнотой информации о внутренней архитектуре и организации обмена сигналами в СБИС, а также недостатком сведений о конструктивно-технологических параметрах структур. В тех СБИС, где эта информация доступна, локальные радиационные эффекты обычно проявляются только в некоторых областях СБИС, анализ которых затруднен другими узлами СБИС. Поэтому существует необходимость разработки специализированных образцов тестовых структур СБИС ОЗУ с субмикронными проектными нормами, которые могли бы обеспечить объективную оценку их сбоеустойчивости под действием потока нейтронов и при воздействии экстремальных тепловых режимов.
При разработке тестовых образцов необходимо принимать во внимание следующие основные факторы: - случайный характер возникновения локальных радиационных эффектов требует применения достаточно большого количества однотипных элементов с целью получения достоверных данных (приемлемой статистики); - разнообразие возможных локальных радиационных эффектов требует использования элементов, в которых возможно проявление относительно полного набора этих эффектов с возможностью их идентификации; - возможность анализа влияния тех или иных технологических параметров на чувствительность СБИС к локальным радиационным эффектам; - использование или адаптацию уже существующих аппаратно-программных средств и методического обеспечения с целью экспериментального определения параметров чувствительности по локальным радиационным эффектам.
Анализ этих факторов с учетом полученных результатов расчетно-экспериментального моделирования позволяет рекомендовать реализацию тестовых структур СБИС с субмикронными проектными нормами в виде ИС оперативных запоминающих устройств в различных технологических базисах. Именно такая реализация позволяет учесть все приведенные выше факторы. Реализация тестовых структур СБИС ОЗУ на шеститранзисторных ячейках памяти позволит получить исходные данные для дальнейшего анализа эффективности применения мер по повышению сбоеустойчивости к воздействию нейронов и протонов, а также экстремальных тепловых режимов эксплуатации.
Можно провести оценку минимальной емкости накопителя подобных тестовых ОЗУ. Типовая чувствительность ячеек памяти к эффектам ОС составляет порядка х ЗТ0"14 см2/бит [63]. Таким образом, с целью получения достоверной статистики п (не менее 10 событий) при приемлемых флюенсах облучения порядка Ф 1010 частиц/см2 общий информационный объем N тестового ОЗУ должен быть не менее Ы п/стФ. При указанных ограничениях получаем, что накопитель должен иметь емкость не ниже 16...32 Кбит. Организация тестового ОЗУ не принципиальна, но с учетом ограничений на время полного опроса всего массива информации желательно сократить объем адресного пространства. С учетом уже имеющихся аппаратно-программных средств проведения экспериментальных исследований на источниках излучения организацию ОЗУ целесообразно реализовать в виде байта или слова.
Отдельные требования должны быть сформулированы к организации питания тестовой ИС. Она должна иметь структуру шин, аналогичную той, которая используется в реальных СБИС с соответствующими для них правилами проектирования. Кроме того, обязательным условием является отдельная независимая от других структур шина питания ядра ОЗУ с выделенной для нее отдельной контактной площадкой выводом.
Технология изготовления тестовых ИС должна соответствовать вновь разрабатываемым и проектируемым СБИС, которые предполагаются использовать в авионике, электронике атомной промышленности и космической электроники. Принимая во внимание, что в настоящее время на отечественных фабриках реализованы объемная КМОП технология с проектными нормами проектирования 0,5 мкм и 0,35 мкм с эпитаксиальным слоем именно эти проектные нормы должны быть заложены в тестовые структуры. Дополнительно надо учесть, что ряд изделий с нормами 0,18 мкм разрабатывается в России с последующим их изготовлением на зарубежных кремниевых фабриках, соответственно перспективно разработать тестовые структуры и по этим нормам.
Таким образом, кратко предложения по составу макетных образцов тестовых структур СБИС с субмикронными проектными нормами, обеспечивающих оценку их сбоеустойчивости под действием потока нейтронов и оценку влияния экстремальных тепловых режимов на работоспособность, могут быть сформулированы следующим образом: - функциональный тип тестового кристалла - статическое ОЗУ; - минимальный информационный объем банка памяти - не менее 16 Кбит; -организация ОЗУ- 1Кх16 ... 16Кх16 (возможно увеличение адресного пространства); - независимая шина питания ядра с отдельным для нее выводом; - технология - объемная КМОП и КМОП с эпитаксиальным слоем; - проектные нормы - 0,5 мкм, 0,35 мкм и 0,18 мкм.
В САПР Cadence были спроектированы тестовые структуры статических КМОП ОЗУ с субмикронными проектными нормами на основе шеститранзисторных ячеек памяти с целью проведения экспериментальных исследований на воздействие протонов и нейтронов, а также экстремальных тепловых режимов, организацией 2Кх16 (КМОП 0,5 мкм); 1Кх16 (КМОП 0,35 мкм); 4Кх16 (КМОП 0,18 мкм). Макетные образцы тестовых структур 2Кх16 (КМОП 0,5 мкм) и 1Кх16 (КМОП 0,35 мкм) изготовлены на отечественной фабрике и разварены в 108-выводный корпус 108CFP, макетные образцы тестовых структур 4Кх16 (КМОП 0,18 мкм) изготовлены на зарубежной фабрике и разварены в 108-выводный корпус 108CFP [85].
Тестовая структура ОЗУ 2Кх]б (КМОП 0,5 мкм) представляет собой статическое однопортовое асинхронное ОЗУ. Массив ячеек памяти состоит из триггерных шеститранзисторных ячеек памяти, напряжение питания 3,3 В. Площадь, занимаемая ячейкой, 7,20x13,30 мкм2. Общая площадь ОЗУ 2Кх16 составила 1428,550x4090,800 мкм2. Нарис. 1.17 приведена структурная схема тестовой структуры 2Кх16 (КМОП 0,5 мкм).
Тестовая структура ОЗУ 1К 16 (КМОП 0,35 мкм) представляет собой статическое однопортовое асинхронное ОЗУ. Массив ячеек памяти состоит из триггерных шеститранзисторных ячеек памяти, напряжение питания 3,3 В. Площадь, занимаемая ячейкой, 8,750x5,600 мкм2. Общая площадь ОЗУ 1Кх16 (КМОП 0,35 мкм) составила 903,000x1186,600 мкм". На рис. 1.18 приведена структурная схема тестовой структуры 1Кх16 (КМОП 0,35 мкм).
Тестовая структура ОЗУ 4К 16 (КМОП 0,18 мкм) представляет собой статическое однопортовое синхронное ОЗУ. Массив ячеек памяти состоит из триггерных шеститранзисторных ячеек памяти, напряжение питания 1,8 В. Площадь, занимаемая ячейкой, 2,30х3,73 мкм. Общая площадь 4Кх16 (КМОП 0,18 мкм) составила 414,300x1472,115 мкм2. На рис. 1.19 представлена структурная схема ОЗУ 4Кх16 (КМОП 0,18 мкм).
Результаты экспериментальных исследований макетных образцов тестовых структур СБИС ОЗУ на основе шеститранзисторных ячеек памяти
Предложена методика оценки минимального напряжения сохранения данных, предназначенная для выявления конструктивных недостатков ОЗУ, основанная на численном моделировании переключательных характеристик ячеек памяти с учетом статистических отклонений параметров транзисторов (задается секцией модели BSIM3V3). Методика позволяет, в частности, оценивать влияние расположения контактов к подложке и n-карману вне ячейки памяти, приводящее к росту величины минимального напряжения сохранения данных на 30...60%; влияние статистических отклонений параметров транзисторов при производстве, приводящее к росту минимального напряжения сохранения данных в 3...5 раз по сравнению с теоретическим значением.
Анализ результатов моделирования шеститранзисторных ячеек памяти, спроектированных как по нормам 0,35 мкм, так и по нормам 0,18 мкм, свидетельствует, что ячейки с уменьшенным отношением крутизн транзисторов в триггере менее быстродействующие (на 24...60% в зависимости от модели транзисторов и норм проектирования), температурный коэффициент сдвига порогового напряжения больше на 10...12 % по сравнению со стандартными ячейками памяти. Достоинством данного типа ячейки является большая величина критического заряда - на 10... 100 %, необходимого для переключения триггера ячеек памяти, что свидетельствует о повышенной сбоеустойчивости ячеек с уменьшенным отношением крутизн, результаты моделирования свидетельствуют о целесообразности применения контактов к подложке и n-карману в шеститранзисторной ячейке памяти. Применение контактов к подложке и п-карману позволяет на 15%...20% уменьшить минимальное напряжение сохранения данных, на 12%...53%, снизить температурный коэффициент изменения порога переключения ячейки на 50% при увеличении площади на 12% по сравнению с шеститранзисторной ячейкой памяти без использования контактов.
Разработаны макетные тестовые структуры субмикронных СБИС ОЗУ для экспериментального исследования сбоеустойчивости 6-транзисторных ячеек памяти к воздействию нейтронов и протонов высоких энергий для оценки эффектов воздействия отдельных ядерных частиц, а также для исследования влияния экстремальных тепловых режимов на КМОП ОЗУ.
На основе 6-транзисторных ячеек памяти разработаны: КМОП ОЗУ с организацией 2К 16 с проектной нормой 0,5 мкм; КМОП ОЗУ с организацией 1Кх16 с проектной нормой 0,35 мкм с эпитаксиальным слоем; КМОП ОЗУ с организацией 4К 16 с проектной нормой 0,18 мкм с полосами контактов к п-карману и положке в накопителе ОЗУ, расположенными через каждые 64 ячейки (расстояние между полосами 78 мкм).
Основу сбоеустойчивых ОЗУ составляют триггерные ячейки памяти, содержащие дополнительные элементы и цепи, обеспечивающие сохранение и восстановление данных после дестабилизирующего однократного воздействия отдельных ядерных частиц. К таким ячейкам памяти относятся ячейки типа IBM [86], NASA1, NASA2 [38, 87], HIT [37] и DICE [88]. Переключение (сбой) ячеек памяти на основе триггерных структур происходит в результате попадания заряда в чувствительные области триггерных систем, которыми являются области обратно смещённых переходов МОП транзисторов. Возникновение заряда происходит в результате ионизации полупроводника вдоль трека прохождения ядерной частицы.
Ячейка памяти IBM [86] на 12 транзисторах (рис. 2.1) содержит дополнительно к базовой 6-транзисторной структуре ячейки памяти цепь обратной связи, с использованием которой происходит восстановление данных, измененных под воздействием ядерной частицы. Ячейка памяти типа HIT (Heavy Ion Tolerant) (рис. 2.2)представляет собой 12-транзисторную ячейку памяти [37], в которой также дополнительно к базовой 6-транзисторной структуре ячейки памяти введены элементы обратной связи на шести транзисторах, с использованием которых осуществляется сохранение исходных данных, искаженных в результате действия частицы. Ячейки памяти NASA1 и NASA2 (рис. 2.3) [38, 87] содержат соответственно 12 и 16 МОП транзисторов и хранят информацию в двух различных узлах, что и обеспечивают сохранение данных в ячейке памяти при сбое в одном из узлов и последующее восстановление исходных данных в другом. Ячейка памяти типа DICE (Dual Interlocked Storage Cell) (рис. 2.4) представляет собой 12-транзисторную ячейку [88] с хранением информации также в двух узлах, включает дополнительный триггер для восстановления исходного состояния, искажаемого в результате действия частицы. Ячейки памяти с мерами по повышению сбоеустойчивости предложены относительно давно, но систематизированные данные по сравнению их параметров в литературе отсутствуют, тем более для случая субмикронных СБИС с проектными нормами 0,18 мкм и менее.
