Исследование влияния схемотехнических параметров статической КМОП-ячейки памяти на стойкость к воздействию одиночных частиц ионизирующих излучений

Е. А. ГАГАРИН, В. Е. ШУНКОВ, Г. И. ЗЕБРЕВ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТАТИЧЕСКОЙ КМОП-ЯЧЕЙКИ ПАМЯТИ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОДИНОЧНЫХ ЧАСТИЦ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Проведены расчеты критического заряда статической КМОП-ячейки памяти как функции ее основных схемотехнических параметров.

Разработанная в нашей группе программа IC4 (Integrated Circuit Critical Charge Calculator) позволяет рассчитывать критический заряд QC, при котором происходит сбой в ячейке статической КМОП памяти [1]. Расчет выполняется путем анализа выходных SPICE данных, полученных с помощью моделирования переходных процессов, возникающих после попадания одиночной ионизирующей частицы в чувствительную область ячейки памяти. Чувствительными областями в КМОП-ячейке являются стоки закрытых транзисторов. Эквивалентная схема, моделирующая попадание частицы, представлена на рис. 1. Импульсное воздействие ионизирующей частицы моделируется источником тока с заданными параметрами импульса.

Рис. 1. Эквивалентная схема, моделирующая попадание частицы в закрытый n-MOS транзистор М1	Рис. 2. Рассчитанная зависимость критического заряда от отношения ширины к длине канала транзисторов

Параметры транзисторов ячейки задаются с использованием системы модели BSIM3v3 [2], позволяющей работать с субмикронными длинами каналов. Эти параметры выбираются разработчиком исходя из технического задания и из результатов расчета программ экстракции. В ходе работы с программой исследовались влияние основных параметров ячейки памяти на величину ее критического заряда. В частности, были исследованы влияние топологических характеристик (рост отношения ширины к длине канала W/L приводит к увеличению критического заряда и, соответственно, меньшей вероятности сбоя); порогового напряжение (увеличение порогового напряжения приводит к снижению QC); крутизны (чем больше крутизна, тем больше QC); емкости узлов (QC и время переключения зависят от соотношения емкостей обратных связей); сопротивление в цепи обратной связи (экспоненциальная зависимость, рис. 3) и напряжения питания (рис. 4).

Рис. 3. Зависимость критического заряда от величины сопротивления обратной связи	Рис. 4. Зависимость критического заряда от напряжения питания

Зависимость критического заряда от напряжения питания оказалась приблизительно линейной. При этом нулевой критический заряд получается при напряжении питания, приблизительно равному сумме модулей пороговых напряжений транзисторов, что соответствует минимальной помехоустойчивости. Использованный подход может быть использован при проектировании СБИС для оптимизации параметров радиационной стойкости.

Список литературы

1. , , “PRIVET-IC4: комплекс программ моделирования интенсивности сбоев элементов цифровой микроэлектроники, вызванных одиночными ионами космического пространства”, сборник Научная сессия МИФИ, 2006

2. BSIM3v3 Manual, University of California, Berkeley, 1995, 1996

3. Zebrev G. I., Ladanov I. A., et al., “PRIVET – A Heavy Ion Induced Single Event Upset Rate Simulator in Space Environment”, a report presented at RADECS 2005