seu circuit simulation 2005

Кафедра микроэлектроники МИФИ, Зебрев, Шунков, Гагарин, ноябрь-декабрь 2005 ([email protected])

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЯГКИХ СБОЕВ В ЯЧЕЙКЕ СТАТИЧЕСКОЙ КМОП ПАМЯТИ, ВЫЗВАННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ОДИНОЧНЫХ

ЧАСТИЦ

1. Механизм воздействия одиночной высокоэнергетической частицы на МОП транзистор и КМОП триггер

1. Введение и постановка задачи

При попадании одиночной заряженной частицы в обратно смещенный p-n переход происходит

генерация электронно-дырочных пар вдоль трека заряженной частицы, то есть происходит

инжекция заряда в p-n переход. Импульс тока имеет форму, показанную на рис. 1. и состоит из

двух основных частей: всплеска с характерным временем нарастания порядка 0,1 нс и более

продолжительного спада. Быстрый всплеск связан со сбором заряда за счет дрейфа носителей и

эффекта «воронки», спад определяется диффузией носителей заряда из подложки.

Рис. 1. Попадание заряженной частицы в обратно смещенный p-n переход

Если индуцированный заряженной частицей ток достаточно велик, то он может вызвать в ячейке

памяти переключение и потерю информации.

Минимальный заряд, приводящий к переключению (далее: критический заряд), является

характеристикой конкретной схемы и существенно зависит от многих ее параметров.

Соответственно, варьированием параметров триггера можно добиться увеличения критического

заряда.

Экспериментальное определение критического заряда как функции параметров чрезвычайно

сложно и дорого. Наиболее удобный путь – моделирование схемы и выявление качественных

зависимостей критического заряда от отдельных параметров с целью их оптимизации для

максимизации критического заряда.


2. Постановка задачи

Основными задачами моделирования переключения в ячейке памяти являются:

1) разработка относительно простой модели процесса, позволяющей выделить из множества схемотехнических параметров те, которые наиболее серьезно влияют на критический заряд

2) получение качественных зависимостей критического заряда от этих параметров

3) разработка методов совместной оптимизации этих параметров с целью увеличения стойкости схемы к SEU без существенного ухудшения функциональных характеристик.

3. Модель ионизационного тока

Форма ионизационного тока определяется процессами сбора носителей.

Рис. 2. Характерный импульс тока индуцированного попаданием одиночной частицы

Индуцированный заряженной частицей всплеск тока моделируется по следующей формуле:

( )]/exp[]/exp[10 RtFt

RFQGI ττ

ττ−

−⋅=

Здесь 0Q – индуцированный частицей заряд, τR – константа нарастания импульса (характерное значение – порядка 0,1 нс), τF – константа спада импульса (характерное значение – порядка 0,5 нс).

4. Механизм переключения

В ячейке памяти, показанной на рис.3, уязвимыми к попаданию одиночной частицы являются стоковые p-n переходы закрытых транзисторов.

VDD p-Т3 ISEU↓ p-Т4 n-Т1 n-Т2

Рис.


Пусть исходно в ячейке транзисторы T1 и T4 закрыты (их стоковые переходы являются уязвимыми), а транзисторы T2 и T3 – открыты.

Ток ISEU, вызванный попаданием иона, будем моделировать идеальным источником тока, подключенным параллельно пораженному транзистору.

Всплеск тока, индуцированный попаданием частицы, вызывает в ячейке памяти два конкурирующих процесса: рассасывание избыточного заряда и срабатывание положительной обратной связи.

Рассмотрим случай попадания заряда в закрытый p-МОПТ.

5. Рассасывание избыточного заряда.

Эквивалентная схема, описывающая процесс рассасывания избыточного заряда, представлена на рисунке 4.

VDD Включен ISEU↓ ←ОС Выключен I↓

0

C1 R2

1/gm

M1

M3 1/gm

Правый инвертор представлен, как два резистора с сопротивлениями, обратными крутизне

соответствующих транзисторов. С1 – эквивалентная емкость соответствующего узла схемы.

Ток, индуцированный заряженной частицей, рассасывается через RC-контур, соответственно,

константа времени рассасывания заряда τREC равна:

( )TnbDDnb

b

m

bnbRECb VV

CgCRC

−==⋅=β

τ

( )2,

2

TnbDDnb

DDb

satnb

DDbRECb VV

VCIVC

−==β

τ

6. Механизм положительной обратной связи

VDD

Закрывается ток→ Открывается

0

C2R1 1/gm

M2

M4

R3 1/gm

Заряд, вызванный попаданием частицы в уязвимый p-n переход транзистора (рассматриваем

попадание в транзистор T4), проходит по линии обратной связи на затворы транзисторов левого

Кафедра микроэлектроники МИФИ, Зебрев, Шунков, Гагарин, ноябрь-декабрь 2005 ([email protected]) инвертора. В результате напряжение на затворах растет, что может привести к отпиранию закрытого транзистора T1 и переключению в схеме.

Эквивалентная схема, описывающая процесс срабатывания положительной обратной связи, представлена на рисунке 5.

Заряд, индуцированный частицей, попадает на затвор закрытого n-МОПТ, что повышает напряжение на нем и вызывает открывание. Заряд с затворов правого инвертора уходит в землю через RC-контур, образованный открывающимся транзистором и емкостью Сa. Константа времени срабатывания обратной связи τFB равна:

( ) ( )[ ]tVgC

tRCGSm

aaFB =⋅= 1τ

7. Конкуренция между рассасыванием заряда и срабатыванием ОС.

Процессы рассасывания избыточного заряда и срабатывания обратной связи являются

конкурирующими. Рассасывание предотвращает переключение, срабатывание ОС – способствует

ему. Соотношение скоростей (или временных констант) этих процессов и будет определять

вероятность переключения в схеме. Соответственно, одной из важных задач проектирования

является уменьшение скорости срабатывания ОС (естественно, здесь необходимо найти

компромисс между защищенностью ИМС и ее быстродействием).

Если индуцированный заряд мал, то есть, не способен вызвать отпирание закрытого

транзистора, то обратная связь не срабатывает, и переключения не происходит. Если же

индуцированный заряд больше критического, то начинаются оба процесса, и наличие/отсутствие

переключения зависит от соотношения временных констант.

Заметим также, что в симметричной ячейке соотношение констант времени зависит, в основном, от разброса параметров элементов. Если разброс параметров велик (например, вырос при радиационной деградации), то он может весьма существенно влиять на помехозащищенность схемы.

2. Моделирование влияния схемотехнических параметров ячейки на критический заряд

Общие замечания

Критический заряд является характеристикой конкретной схемы и существенно зависит от многих ее параметров. Соответственно, варьированием параметров триггера можно добиться увеличения критического заряда. Экспериментальное определение критического заряда как функции параметров чрезвычайно сложно и дорого. Наиболее оптимальный путь – моделирование схемы и выявление зависимости критического заряда от отдельных параметров.

В этом разделе представлены результаты расчетов влияния различных схемотехнических

параметров на величину критического заряда статической КМОП ячейки памяти.

Критический заряд определяется соотношением скоростей включения механизмов обратной

связи и рассасывания зарядов, инжектированных в узел при воздействии одиночной

ионизирующей частицы. Скорость рассасывания определяется максимальными токами

транзисторов, и поэтому, с увеличением этих токов помехоустойчивость ячейки возрастает.

Другим важнейшим фактором, определяющим чувствительность ячейки по отношению к

Кафедра микроэлектроники МИФИ, Зебрев, Шунков, Гагарин, ноябрь-декабрь 2005 ([email protected]) одиночным сбоям, являются емкости узлов. Чем выше емкость, тем более инерционной и

помехоустойчивой является ячейка.

Факторы, влияющие на величину тока: • пороговые напряжения; • удельная крутизна (U0*EPSI /TOX); • отношение ширины к длине (W/L).

Емкости узла зависят от емкостей подзатворного изолятора (~ W*L/TOX) и емкостей стоковых p-n переходов (~ W).

Расчет нагрузочных емкостей

Нагрузочная емкость инвертора равна сумме нагрузочных емкостей p- и n-канальных транзисторов, входящих в инвертор. Эти емкости в свою очередь складываются из емкостей подзатворного окисла, переходов сток-затвор и исток-затвор и емкостей боковых и донных переходов.

Рис. 6. Емкости в МОП транзисторе

Для примера рассмотрим расчет нагрузочной емкости инвертора со следующими параметрами

транзисторов модели BSIM 3.1: Ширины каналов (в метрах): Wn = 1.5e-6, Wp = 1.5e-6 Длины каналов (м): Ln = 0.35e-6, Lp = 0.35e-6 Удельные емкости сток-затвор (Ф/м): CGDOn = 160e-12, CGDOp = 160e-12 Удельные емкости исток-затвор (Ф/м): CGSOn = 160e-12, CGSOp = 160e-12 Удельные емкости боковых переходов (Ф/м): CJSWn = 239e-12, CJSWp = 220e-12 Удельные емкости донных частей (Ф/м2): CJn = 861e-6, CJp = 938e-6 Толщина подзатворного окисла (м): Tox = 7.6e-9 Длины стока и истока (м): Ld = 4e-6, Ls = 4e-6.

Здесь CGSO и CGDO – удельные емкости боковых частей p-n переходов (Ф/м), CJSW –

удельная емкость донной части p-n перехода (Ф/м2), Tox – толщина подзатворного диэлектрика, W и L – ширина и длина канала, Ld и Ls – длины стока и истока – SPICE-параметры транзистора.


Нагрузочная емкость n-кан. транзистора:

CLn = Cgoxn + Coverlapn + CDBn

где Cgoxn - емкость подзатворного окисла, Coverlapn - полная емкость переходов сток-затвор и исток-затвор, CDBn - полная емкость боковых и донных переходов для n-канального транзистора.

Cgoxn = Wn * Ln * (3.9 * 8.85e-12) / Tox = 2.38426e-15 Ф

Coverlapn = CGDOn * Wn + CGSOn * Wn = 4.8e-16 Ф

CDBn = CJSWn * 2(Wn + Ld) + CJn * Wn * Ld = 7.795e-15 Ф

Отсюда

CLn = 1.06593e-14 Ф

Аналогично для p-канального транзистора:

CLp = Cgoxp + Coverlapp + CDBp

Cgoxp = Wp * Lp * (3.9 * 8.85e-12) / Tox = 2.38426e-15 Ф

Coverlapp = CGDOp * Wp + CGSOp * Wp = 4.8e-16 Ф

CDBp = CJSWp * 2(Wp + Ld) + CJp * Wp * Ld = 8.048e-15 Ф

CLp = 1.09123e-14 Ф

Полная нагрузочная емкость инвертора:

CL = CLn + CLp = 2.15715e-14 Ф = 21.6 фФ

Типичная величина емкости узла (для технологий 0,35-0,5 мкм) составляет десятки фемтофарад, причем при уменьшении технологических норм все большую роль начинают играть паразитные емкости.

Влияние ширины канала

Рис.1. Зависимость критического заряда от ширины каналов при попадании в закрытый n-канальный

транзистор (при равных фиксированных длинах) Как и следовало ожидать, при увеличении ширины транзисторов увеличиваются рабочие токи,

что и приводит к повышению CQ (см. рис.1). Увеличение ширины р-канала вносит больший вклад в повышение CQ , потому что процессы рассасывания при попадании в n-МОПТ происходят через р-канальный транзистор.


Влияние температуры на критический заряд

Известно, что подвижность носителей, а, следовательно, и крутизна уменьшается с ростом температуры, что приводит к уменьшению помехоустойчивости.

Зависимость критического заряда от температуры Lp=Ln=0,35u, W p=W n=3u

100

150

200

250

300

350

-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90 105 120

.TEMP, oC

Qc, фКл

n-hit p-hit

Зависимость критического заряда от температуры Lp=Ln=0,35u, W p=8,395u, W n=3u

0,001 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1000

-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90 105 120

.TEMP, oC

Qc, фКл

n-hit p-hit

Рис.2. Рассчитанные зависимости критического заряда от температуры

Влияние емкости на критический заряд

Если увеличивать ширину и длину канала, не меняя их отношение (W/L), то это приведет к увеличению емкости узлов без изменения токов. Соответственно, критический заряд также должен расти с увеличением площади затвора.

Зависимость критического заряда от размеров канала ( частицы в закрытый

MOS)

80

130

180

230

280

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

L,W, мкм

Qc, фКл


Рис.3. Зависимость критического заряда от размеров каналов при попадании в закрытый n-МОПТ (постоянное соотношение W/L= 5)

Зависимость критического заряда от площадей каналов

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5

Sкан, мкм2

Qc,

фКл

Влияние скейлинга на стойкость на критический заряд

В настоящее время проектирование микроэлектронных элементов памяти по КМОП-

технологии основывается на использовании правил масштабирования (lambda-scaling). При этом

элементарной единицей размерности является технологический коэффициент lambda, который

определяется как

lambda = 2.5 * delta,

где величина delta определяет размеры неровностей рельефа , которые в состоянии обеспечить

используемая технология.

Из описания правил масштабирования [1, MOSIS] видно, что ширину поликремниевых шин

рекомендуется выбирать пропорциональной величине 2*lambda. Допустим, что длина канала

транзистора в КМОП-ячейке равна ширине поликремниевого затвора, тогда соотношение ширины

к длине канала:

W/L = 6,

толщина подзатворного окисла:

Tox = 0.05 * lambda,

масштабирование напряжения питания ячейки, связанное с необходимостью обеспечения

постоянного электрического поля в канале:

Vdd = E * L

При этих ограничениях построим график зависимости критического заряда для ячейки с

заданными параметрами транзисторов от коэффициента масштабирования lambda:


Рис. Зависимость критического заряда от технологической нормы

Характерные величины критического заряд Qс > 0.05-1 пK. Эмпирически установлено, что

критический заряд зависит от ширины технологической нормы L приблизительно как

Qc(пК)=0.023L2 (мкм) [E.L.Petersen et al.,"Calculation of Cosmic-Ray Induced Soft Upset and Scaling

in VLSI Devices" IEEE TNS-29,2055(1982)], однако такая зависимость прослеживается только до

L~1мкм. При L<1мкм критический заряд перестает уменьшаться так быстро и зависимость

практически насыщается на уровне приблизительно 200-300 фКл.[A.H.Johnson IEEE].

[1] MOSIS Scalable CMOS (SCMOS) Design Rules [2] A. H. Johnston “Radiation Effects in Advanced Microelectronics Technologies”, IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-45 (1998).


Влияние напряжения питания

Помехоустойчивость бистабильной ячейки памяти увеличивается с ростом напряжения питания.

0

200

400

600

800

1000

1200

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Vdd, B

Qc,

фКл

Qc n-HIT

Qc p-HIT

Рис.5. Рассчитанные зависимости критического заряда от напряжения питания ячейки TS50 (0.5 мкм)

Результаты расчетов можно выразить эмпирической формулой: ( ) ( )naDDDDC VVconstVQ −≅ ,

где безразмерный показатель n лежит, как правило, между 1 и 2. Параметр aV , при котором

критический заряд обращается в ноль, приблизительно соответствует значению порогового

напряжения транзисторов.

Моделирование показало, что уменьшение пороговых напряжений транзисторов также дает

небольшой рост (5-10%) критического заряда.


Влияние толщины подзатворного диэлектрика

С увеличением крутизны растет максимальный ток, и, соответственно, растет критический

заряд. В частности, крутизна определяется толщиной подзатворного окисла.

Зависимость критического заряда от толщины подзатворного окисла

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

TOX, нм

Qc,

фКл

Рис.6. Рассчитанная зависимость критического заряда от толщины подзатворного окисла

Подчеркнем, что критический заряд зависит не от толщины подзатворного окисла самого по

себе, а от удельной крутизны.

Влияние поверхностной подвижности носителей заряда

При увеличении поверхностной подвижности носителей заряда растет удельная крутизна

транзисторов и, соответственно, растет критический заряд.

Зависимость критического заряда от подвижности носителей при U0n/U0p=const=2,5 (попадание частицы

в закрытый nMOS)

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

300 350 400 450 500 550 600 650 700

U0n, см2/В*с

Qc,

фКл

Рис.7. Рассчитанная зависимость критического заряда от поверхностной подвижности носителей заряда


Влияние соотношения крутизн транзисторов

Если удельная крутизна транзисторов разного типа проводимости различается, это приводит к

тому, что скорости рассасывания избыточного заряда при попадании в n-МОПТ и p-МОПТ могут

сильно различаться, соответственно, сильно будет различаться и критический заряд при

попадании в n-МОПТ и p-МОПТ.

Wn, мкм Wp, мкм Qc (p-HIT), фКл Qc (n-HIT), фКл 2,75 1,25 630 202 1,25 2,75 340 328 2,00 2,00 491 272 1,00 3,00 286 343 1,50 2,50 392 311

Таблица 1. Критический заряд при разных крутизнах транзисторов (L = 0.5 мкм). Вероятность переключения зависит от критического заряда и величины уязвимого объема. При

сильном увеличении разницы ширин транзисторов мы получим не только рост критического

заряда для попадания в транзисторы одного типа, но и увеличение вероятности попадания в эти

транзисторы, т. е. увеличение вероятности процесса, характеризуемого малым ским зарядом.

Оценки показывают, что оптимального соотношения критических зарядов и уязвимых объемов

при попадании в транзисторы разных типов удается достичь, если мы выровняем крутизны

транзисторов разных типов.

Влияние полной поглощенной дозы излучения

В недавно опубликованной работе [Schwank-05] приведены экспериментальные данные о

влиянии температуры на зависимости эффективного сечения отказов от полной поглощенной дозы

излучения.

Увеличение сечения отказов связано с тем, что при наборе полной поглощенной дозы

излучения падает поверхностная подвижность носителей заряда.

D⋅+=

αµµ

10

Параметр α имеет величину порядка 0.01 крад-1.

Увеличение сечения отказов при повышенной температуре связано с тем, что, как показано

выше, с повышением температуры падает поверхностная подвижность носителей заряда, а значит,

и крутизна транзисторов. Падение крутизны транзисторов приводит к соответствующему

уменьшению критического заряда и увеличению эффективного сечения отказов.


Рис.8. Зависимость эффективного сечения отказов от температуры, полученная в работе [Schwank-05]

Для сравнения приведем результаты нашего моделирования в ORCAD.

Зависимость критического заряда от дозы облучения

209

226

241

254

266

277

162

176

189

201

212

222

150

170

190

210

230

250

270

290

0 5 10 15 20

D, крад

Qc,

фКл

T=27 oC

T=80 oC

Дозовые зависимости критического заряда при разных температурах Хотя сечение сбоя и критический заряд не имеют прямой количественной корреляции, они

должны иметь качественную корреляцию. Разница критического заряда при разных температурах

объясняется уменьшением крутизны при повышении температуры.


Влияние подпороговых токов

Зависимость критического заряда от неидеальности подпорогового размаха

208209210211212213214215216217218

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

Nfactor

Qc,

фКл

Рис. Критический заряд при попадании в закрытый n-канальный МОПТ как функция логарифмического подпорогового наклона n-канальных МОПТ, характеризуемых SPICE параметром NFACTOR Зависимость от NFACTOR n-МОПТ при попадании в p-канальный МОПТ практически отсутствует.

Влияние формы ионизационного тока

Зависимость критического заряда от времени спада моделирующего импульса

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

TAUF, нс

Qc,

фКл

Рис. Зависимость критического заряда от продолжительности времен спада тока при попадание в n-канальный p-канальный транзистор

Конкуренция между радиационными и функциональными характеристиками

Опираясь на результаты расчетов, можно сформулировать следующие методы повышения

стойкости ячейки к одиночным частицам:

• увеличение напряжения питания; • повышение нагрузочных емкостей;

• увеличение рабочих токов; • повышение удельной крутизны транзисторов.


Как правило, увеличение помехоустойчивости и стойкости не может быть проведено без

ухудшения функциональных характеристик ячейки памяти.

Например, увеличение токов приводит к повышению помехоустойчивости за счет увеличения

потребления. Увеличение стойкости к одиночным сбоям за счет сопротивления обратной в цепи

связи достигается за счет уменьшения быстродействия. То же самое можно сказать об увеличении

нагрузочной емкости узлов. Таким образом, актуальной задачей является оптимизация

надежностных и функциональных характеристик ячейки памяти.


n-ch

p-ch

1.10u

0.8u

0.68u 0.97u 0.70u 0.98u

0.94u 0.94u 0.92u 0.94u

drain drain

drain drain

source source

source source

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ ДЛЯ ДВУХ ТЕХНОЛОГИЙ

Размеры областей стоков и истоков (в мкм, по слою active)

Емкостные параметры для двух технологий рассчитывались для следующих топологий

(размеры получены из рисунка топологии).

Технология 0.50 (TS50)

Технология 0.35 (Zarlink XC035):

1.19u

1.19u 1.19u1.99u

2.59u

1.48u 1.46u1.22u

1.44u2 1.44u22.40u2

3.17u23.85u2 3.80u2

drain

drain sourcesource

sourcesource

p-ch

n-ch


Используя эти данные, а также имеющиеся SPICE параметры , были рассчитаны зависимости

критического заряда для двух технологий.

Зависимость критического заряда от температуры

150

170

190

210

230

250

-70 -35 0 35 70 105 140.TEMP, oC

Qc,

фКл

TS50Zarlink 0.35

Рис. Критические заряда для технологий TS50 (0.5 мкм) и XC035 (0.35 мкм) как функции температуры функционирования

Технология XC035 (0.35 мкм) имеет несколько больший критический заряд за счет более

тонкого подзатворного окисла (~7.5 нм) по сравнению с TS50 (0.5 мкм), где (~10.8 нм). В целом

можно считать, что рассчитанный критический заряд у двух технологий (~200 фКл) практически

одинаков и соответсвует типичным значениям для субмикронных приборов.

Следует отметить, что критический заряд не является вполне релевантной величиной по

отношению к сбоям от протонов и от нейтронов.


4. МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО ЗАРЯДА

Технологические методы

Многие технологии сами по себе значительно более стойки к воздействию одиночных частиц,

чем стандартные. Например, все разновидности КНИ/КНС технологий полностью устойчивы к

воздействию тиристорного эффекта (эффект «защелки», Single Event Latch up, SEL), который

представляет главную опасность для схем, выполненных по объемной технологии.

КНИ технологии намного более устойчивы к переключениям, вызванным воздействием

одиночных частиц (Single Event Upset, SEU), за счет того, что в КНИ значительно (с сотен до

единиц микрометров) снижена эффективная длина трека, из которого происходит сбор заряда при

попадании одиночной частицы.

Существуют варианты технологий на объемном кремнии, значительно более стойкие и к

«защелкам», и переключениям, например STI технология. Основным методом увеличения

стойкости в таких технологиях являются различные варианты изоляции элементов ИС друг от

друга и от подложки.

Рис.9а. Технология с повышенной стойкостью к эффекту «защелки» (STI технология)

Рис.9б. КНИ технология: эффективная длина трека снижается в 50-100 раз.

В работе [Schwank-05] показано, что влияние полной поглощенной дозы на стойкость к SEU

сильно уменьшается при уменьшении проектных норм.

При этом для микросхем памяти, выполненных по 0,45 мкм технологии первоначальное

сечение отказов составило 10-7 см2, увеличение сечения на порядок наступило при полной дозе в

20 килорад.

Для микросхем, выполненных по 0,25 мкм технологии, первоначальное сечение отказов

составило 10-8 см2, а увеличение на порядок наступило при полной дозе в 60-120 килорад.

Для микросхем, выполненных по 0,18 мкм технологии, полная поглощенная доза вообще не

оказала заметного воздействия на стойкость к SEU.


Схемотехнические методы

Простейшим методом повышения стойкости КМОП триггера к переключениям является

включение в цепь обратной связи резистивных или емкостных задержек. Это позволяет увеличить

время срабатывания обратной связи по сравнению с рассасыванием избыточного заряда,

индуцированного одиночной частицей.

Для развязки инверторов при взаимодействии с одиночной частицей можно применять диоды (в

т. ч. диоды Шоттки) или транзисторы, работающие в режиме обеднения и играющие роль

нелинейных резисторов [Pridmore-88].

Увеличение стойкости за счет архитектуры ячейки

Основным преимуществом триггера с параллельным дублированием (см. рис.) является то, что

распределение индуцированного заряда на затворах не двух, а четырех транзисторов приводит к

уменьшению изменения напряжения и уменьшению эффективного индуцированного заряда вдвое.

Минусами являются увеличение количества уязвимых p-n переходов и увеличение потребляемой

мощности. Такое решение целесообразно, если уменьшается поток частиц, ЛПЭ которых

соответствует удвоенному критическому заряду.

Триггер с двойным дублированием (см. рис.10б) имеет еще большую устойчивость за счет

более эффективного распределения обратных связей, чем в предыдущем примере[Calin-96].

Недавние исследования [Alexander-01] вообще не выявили в таком триггере переключений,

вызванных попаданием одиночных частиц (ТЗЧ – Au-193, ЛПЭ - 113).

M7

M2

Vdd

M6M5

0

M3 M4

MbreakN

M8

M1

M16

Vdd

M14

0

M13 M15

M11M17M12

M9

Рис.10а. Триггер с параллельным дублированием Рис.10б. Триггер с двойным дублированием

Методы избыточного резервирования

Во многих случаях уменьшения количества ошибок можно при помощи избыточных схем

памяти и логических схем, производящих дублирование или триплирование хранимой и

обрабатываемой информации [Baze-02]. Резервирование ячеек эффективно соответствует

уменьшению площади сечения чувствительной области.


Простейшая помехоустойчивая ячейка памяти состоит из трех триггеров, в которые

записывается одинаковая информация, и схемы выбора «два из трех» на выходе. В такой ячейке

сбой на выходе возможен только при одновременном отказе двух или всех трех триггеров. Так как

вероятность такого события достаточно мала, то применение такой схемы приводит к увеличению

критического заряда примерно на порядок. Кроме того, схема сохраняет работоспособность при

катастрофическом отказе одного из триггеров (естественно, при отказе одного из триггеров ячейка

сохраняет работоспособность, но перестает быть помехозащищенной).

Подобным образом можно резервировать и наиболее важные комбинационные схемы.

Заключение

Рассмотрены различные методы повышения стойкости КМОП триггеров к воздействию

одиночных ионизирующих частиц, основанные как на повышении критического заряда, так и на

программно-аппаратном исправлении ошибок. Все методы имеют свои недостатки, и задача

проектирования состоит в выборе компромисса между защищенностью схемы, ее мощностью,

занимаемой площадью и многими другими факторами.

Список литературы

[Alexander-01] Alexander, et al. GOMAC’01 Digest of Papers [Baze-02] Baze, et al, SEU Hardening Techniques for Retargetable, Scalable, Sub-Micron Digital Circuits and Libraries, 2002 [Calin-96] Calin, et al, IEEE NSREC ’96[NSREC-83] IEEE NSREC’83 Short Course [Pridmore-88] J. Pridmore, Designing hardened CMOS/SOS circuits, IEEE Proceedings, Vol.76, Num.11, 1988 [Schwank-05] Schwank, et al, Effects of Total Doze Irradiation on SEU Hardness, RADECS’05


5. СБОИ ОТ ПРОТОНОВ И НЕЙТРОНОВ Воздействие протонов и нейтронов на элементы КМОП технологий имеет много общего.

• Протоны сами по себе не могут вызвать сбои из-за малой ионизационной способности

(например, протоны с энергией 60 МэВ имеют в кремнии ЛПЭ ≅0.008МэВ см2/мг)

• Нейтроны сами по себе также не могут вызвать ионизацию.

• Причиной одиночных событий от протонов и нейтронов является ионизация вторичными

частицами ядерных взаимордействий.

• Сечения ядерных реакций с атомами материала для протонов и нейтронов заметно

отличаются только при малых энергиях , и даже в этом диапазоне они сопоставимы

• Сечения ядерных взаимодействий для нейтронов и протонов приблизительно при 2-5 МэВ

начинают резко возрастать, быстро достигают своего максимального значения Σ ~ 1-2 барн

(барн = 10-24 см2), и затем начинают меднно спадать.

Следует отметить, что критический заряд не является вполне релевантной величиной по

отношению к сбоям от протонов и от нейтронов высоких энергий. В этом случае энерговыделение

ячейки заведомо превосходит критическое значение, и практически все ядерные реакции, если они

имеют место в чувствительной области, приводит к сбою. Это означает, что интенсивность сбоев

на бит равна просто интенсивности ядерных реакций в чувствительном объеме Ω.

Φ≡ΦΣΩ= SEUatSEU NN σ

При этом, сечение ядерной реакции практически равна полному сечению ядерных

взаимодействий для всех атомов чувствительного объема

ΣΩ= atSEU Nσ ≅ 2×10-24 см2 ×5×1022 см-3 (10-12 мкм3/см3)(Ω/ мкм3) ≅ 10-13 см2 (Ω/ мкм3).

Недавние эксперименты [T. Granlund and N.Olsson, A comparative Study between Proton and Neutron

Induced SEU in SRAM, RADECS 2005 ] показали, что сечение нейтронного сбоя на 1 бит для

разных образцов промышленной КМОП памяти (от 1 до 8 Мб, от 1.8В до 3.3В и нормой от 0.13 до

Кафедра микроэлектроники МИФИ, Зебрев, Шунков, Гагарин, ноябрь-декабрь 2005 ([email protected]) 0.25 мкм ) достигает насыщения (максимального значения) при энергиях нейтронов ~30 МэВ и

оказывается порядка 10-13 см-3 (~10-14 см-3 для нормы 0.13 мкм). Это соответствует в сделанной

выше оценке при величине чувствительного объема ~ 1 мкм3. Последнее хорошо соотвествует

топологическим оценкам величины чувствительного объема.

Таким образом для энергий нейтронов более 50 МэВ можно пользоваться грубой оценкой

( )31310 мкмсмSEU Ω≈ −σ .

Для актуальных энергий 10-15 МэВ сечение оказывается в 3-4 раза меньше.

Вообще говоря, измеряемые сечения нейтронно-индуцированных мягких отказов SRAM лежит

в диапазоне от 10-12 до 10-14 см2 на бит. Сечение нейтронных отказов для ПЛИС от 10-14 до 10-15

см2 на бит.

Площади чувствительных областей двух объемных технологий были оценены как площади

стоковых p-n переходов

( ) ( ) ( ) 9.66.13.550 =+≅ pnTSS мкм2 (технология 0.5 мкм)

( ) ( ) 8.18.00.1)035( =+≅ pnXCS мкм2 (технология 0.35 мкм)

Предполагая, что глубины чувствительных объемов для двух технологий примерно равны,

можно получить отношение сечений сбоев от протонов (и нейтронов)

( )( ) 8.3

8.19.6

03550

35.0

5.0 ≅≅≅XCSTSS

σσ

Burst Generation Rate (BGR) метод

Для более точного расчета мягких отказов, индуцированных нейтронами, обычно применяют

метод BGR [Ziegler, 1979], [Letaw, 1991]. Идеологически он очень близок описанной выше

процедуре, но технически очень сложен. Метод BGR оперирует с макроскопическим сечением

(вероятностью) BGR (En, ER) образования ядра отдачи с энергией ER или больше для нейтрона с

энергией En. По своему смыслу BGR есть суммарное сечение ядерных реакций на единицу

чувствительного объема с энерговыделением выше заданного и его обычно представляют в

единицах измерения см2/мкм3. Такое определение означает, что количество отказов считается

пропорциональным количеству ядерных взаимодействий в пределах чувствительного объема.

Для того, чтобы найти скорость мягких отказов, сечение BGR (En, ER) интегрируют в свертке с

дифференциальной энергетической плотностью потока нейтронов dФn/dEn

( )∫ ΦΩ nnnRnSEU dEdEdEEBGRN ),(~

Считается, что коэффициент пропорциональности в этой формуле является внутренним

параметром ячейки и подлежит экспериментальному определению.


Рис. Рассчитанные сечения ядерных взаимодействий на единицу объема с энергиями ядер отдачи ER как функции энергии нейтронов [E. Normand et al., IEEE, Trans. Nucl. Sci. 45 (1998) 2904.]. Необходимо подчеркнуть, что эти данные являются результатом расчета ядерных взаимодействий и никак не связаны с проблемой отказов в элементах микроэлектроники.

[Ziegler, 1979] -J. F. Ziegler, W.A. Landford, Science 206 (1979) 776 [Letaw, 1991] - .Letaw, E.Normand, IEEE Trans. on Nucl.Sci. V.38(6), 1500, 1991, “Guidelines for

predicting SEU in neutron environments.”

seu circuit simulation 2005

Documents