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.
•у 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 7 веществом с выделением большого количества энергии (порядка единиц МэВ) внутри л 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 п-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 8 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 H.A. [4], Ладыгина H.A. [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 Г. 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 9 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 вычислений, 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.
11 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 сбоеустойчивостыо 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 сбоеи 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.
2. Методика расчета ЬСМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц с обоснованием коэффициентов затрат площади на схемотехнические и конструктивно-топологические методы повышения сбоеустойчивости КМОП ОЗУ.
3. 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.
4. Методика оценки минимального напряжения сохранения данных в КМОП СБИС ОЗУ при воздействии экстремальных тепловых режимов эксплуатации.
Практическая значимость диссертации.
1. 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 проектпыми нормами 0,35 мкм. 0,18 мкм к воздействию отдельных ядерных частиц.
2. 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 чувствительных областей, контактами к подложке и n-карману и охранными кольцами в блоках управляющей логики.
3. Разработана библиотека базовых элементов для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью 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.
2. 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.
3. 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, микрои наноэлектроника» (2007 г. — 2009 г.), «Проблемы разработки перспективных микрои 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 литературысодержит 150 страниц, в том числе 53 рисунка, 45 таблиц и список литературы из 102 наименований.
Выводы.
Результаты экспериментальных исследований макетных образцов на основе 6-транзисторных ячеек памяти показали, что усредненные значения сечения одиночных сбоев в макетных образцах ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектными нормами 0,5 мкм составили (4. 10) х10~14 см2/бит. Усредненные значения сечения одиночных сбоев в тестовых образцах ОЗУ по объемной КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм и 0,18 мкм составили (1 .5)х 10″ 14 см2/бит. Выявлены тиристорные эффекты в макетных образцах на основе 6-транзисторных ячеек памяти, выполненных по проектной норме 0,18 мкмсечения тиристорных эффектов имеют значения 9,4><10″ 10 см2/ИС (для.
9 2 протонов 250 МэВ) и 2,4×10″ см /ИС (для протонов 1 ГэВ). Таким образом, плотность расположения полос контактов в макетном образце ОЗУ с проектной нормой 0,18 мкм оказалась недостаточна для предотвращения тиристорного эффекта.
Применение 12-транзисторных ячеек памяти типа DICE или HIT позволило на порядок снизить чувствительность тестовых структур к одиночным сбоям по сравнению с ОЗУ на обычных 6-транзисторных ячейках памяти. Усредненные значения сечения одиночных сбоев в тестовых образцах ОЗУ 13,8Кх16 на ячейках типа DICE и HIT с проектной нормой 0,35 мкм составили сгос «ЗхЮ» 15 см2/биттиристорные эффекты отсутствовали. В тестовой структуре ОЗУ 16Кх16 (КМОП 0,18 мкм) на ячейках типа DICE и HIT при воздействии 1 ГэВ протонов в банке ячеек памяти типа DICE наблюдался эффект сбоев, вызванный собиранием заряда с трека частицы одновременно двумя чувствительными областями. Усредненное значение сечения одиночных сбоев для банка DICE составило а0. с= 1,1×10″ 14 см2/бит (при наибольшей чувствительности), банка HITо0. с= 3,7×10″ 15 см2/биттиристорных эффектов не обнаружено.
Экспериментальные исследования влияния экстремальных тепловых режимов на помехои сбоеустойчивость ячеек памяти ОЗУ подтвердили результаты моделирования с погрешностью 15.20%, обусловленной наличием помех по шине питания при проведении экспериментальных исследований. Для субмикронных КМОП 6-транзисторных ячеек памяти, выполненных по проектной норме 0,35 мкм и 0,18 мкм, минимальные напряжения сохранения данных имеют значения в пределах 250.330 мВ в диапазоне температур от минус 50 °C до +150°С. Минимальное напряжение сохранения данных для HIT и DICE ячеек не превышает 250 мВ (КМОП 0,35 мкм) и 210 мВ (КМОП 0,18 мкм), что соответствует практически десятикратному запасу помехоустойчивости.
Визуализация карты сбоев в накопителе ОЗУ при анализе минимального напряжения сохранения данных показала, что в тестовой структуре ОЗУ, выполненной по проектной норме 0,18 мкм, минимальное напряжение сохранения данных у ячеек, расположенных на расстоянии менее 3,6 мкм от полос контактов к подложке и п-карману, на 30.60% меньше, чем у остальных ячеек. Таким образом, для повышения устойчивости к просадкам питания и к воздействию экстремальных тепловых режимов рекомендуется изготовление контактов к подложке и n-карману в накопителе не более, чем через 3.4 мкм при проектной норме 0,18 мкм.
Экспериментальные исследования тестовых структур субмикронных ОЗУ при тепловом воздействии с повышенной температурой +150°С показали отсутствие катастрофических отказов тестовых образцов субмикронных статических КМОП ОЗУ с проектными нормами 0,18 мкм и 0,35 мкм за интервал теплового воздействия при температуре +150°С длительностью 1 месяц. Изменения характеристик было незначительно. Сбои наблюдались лишь при напряжениях менее 270 мВ. При номинальном напряжении питания сбои отсутствовали.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили эффективность мер, принятых для повышения сбоеустойчивости субмикронных структур КМОП ОЗУ.
Заключение
.
Основной результат диссертации заключается в развитии методов проектирования субмикронных статических КМОП и КНИ ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц. Основные теоретические результаты диссертации:
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.
2. Методика расчета КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц с обоснованием коэффициентов затрат площади на схемотехнические и конструктивно-топологические методы защиты ОЗУ.
3. Методика оценки минимального напряжения сохранения данных в КМОП СБИС ОЗУ при воздействии экстремальных тепловых режимов.
Основной практический результат диссертации заключается в разработке методических средств проектирования КМОП статических ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц и создании библиотек КМОП и КНИ КМОП элементов с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц.
Частные практические результаты диссертации и их внедрение:
1. Результаты сравнительного анализа и экспериментальных исследований ячеек памяти с субмикронными проектными нормами позволили обосновывать применение ячеек памяти типа DICE для проектирования КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц.
2. Разработана библиотека базовых блоков КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц с проектной нормой 0,18 мкм на основе однопортовых и двухпортовых ячеек памяти типа DICE с пространственным разнесением чувствительных областей, контактами к подложке и п-карману и охранными кольцами в блоках управляющей логики. Данная библиотека использована в НИИ системных исследований РАН при разработке макетного образца КЭШ ОЗУ первого уровня перспективного микропроцессора.
3. Методика оценки минимального напряжения сохранения данных использована при экспериментальном исследовании воздействия экстремальных тепловых режимов на работоспособность макетных образцов тестовых структур КМОП ОЗУ с проектными нормами 0,35 мкм и 0,18 мкм в НИИ системных исследований РАН.
4. Разработана библиотека базовых элементов для проектирования ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью 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. Данная библиотека использована в НИИ системных исследований РАН при проектировании макетного образца ОЗУ емкостью 2 Мбит с помехоустойчивым кодированием.
