МОДЕЛИРОВАНИЕ SEU СБОЕВ В СУБМИКРОННЫХ

КНИ-КМОП ЯЧЕЙКАХ ПАМЯТИ С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭФФЕКТОВ

,

Московский инженерно-физический институт

(государственный университет), krasnjuk@eldep.mephi.ru

Ряд приложений позволяют рассматривать КНИКМОП элементную базу как наиболее перспективную для решения задач разработки СБИС повышенного быстродействия и надежности. Во многом это связано с тем, что в отличие от объемных КМОП, КНИ МОП транзисторы характеризуются малым объемом кремния, где изготавливается прибор, соответственно меньшими размерами легированных областей и возможностью использования области нижнего затвора. Но данные особенности конструкции приводят к тому, что характеристики приборов могут существенно зависеть как от температуры, так и от внешних факторов. В частности возможно проявление эффектов одиночных сбоев (SEU – single event upset), одиночного запирания (SES - single event snapback), одиночного выгорания (SEB - single event burnout). Распространенный в объемных КМОП эффект одиночных защелкиваний (SEL - single event latch-up) в КНИ КМОП как правило не рассматривается. Это связано с тем, что в КНИ отсутствуют тиристорные структуры типа p-n-p-n, способные защелкнуться в результате температурных и ионизирующих воздействий. Эффекты SEB и пробоя подзатворного диэлектрика SEGR (single event gate rupture) как правило приводят к постоянным повреждениям (hard error) в СБИС и для объемных и КНИ структур мало отличаются друг от друга. SES эффект связан с активацией паразитного n-p-n биполярного транзистора в n-канале с последующим усилением ударной ионизации и запиранием - защелкиванием МОП транзистора. Как правило данный эффект рассматривается для КНИ МОП с частичным обеднением канала, однако для полностью обедненных приборов, однако его наличие не подтверждается. Таким образом, серьезной и актуальной задачей является исследование именно SEU сбоев для субмикронных КНИ-КМОП транзисторных структур. В этом плане особый интерес представляют триггерные элементы памяти, поскольку именно SEU эффект приводит к непредсказуемым переключениям отдельных ячеек в ОЗУ СБИС, локализация которых не всегда возможна и реализуема [1].

Рассмотрим особенности физического моделирования данных эффектов в триггерных элементах (ТЭ) памяти с учетом влияния температуры. В общем случае SEU эффект связывается с попаданием в транзистор высокоэнергетичных частиц с последующим образованием внутри транзисторов плазменного трека и генерацией электронно-дырочных пар. Собранные электроны изменяют ток переходов транзистора, дырки двигаются вниз и создают ток подложки. Именно эти скачки тока могут привести к сбою логического состояния элемента. Продолжительность собирания электронов полем в канале транзистора составляет величину порядка долей наносекунды и его принято называть быстрым (немедленным) током. Для объемных КМОП длина трека обычно составляет порядка 5-10 мкм. Впоследствии, свободные электроны, сгенерированные вдоль трека частицы в нижней части трубки, могут диффундировать к обедненной области, где они создают второй (диффузионный ток), называемый задержанный ток. В КНИ приборе, падающая частица ионизирует также кремний вдоль своего трека. Однако, из-за присутствия скрытого изолирующего слоя между пленкой активного кремния и подложкой, заряды, сгенерированные в подложке не могут быть собраны переходами КНИ приборов. Единственными электронами, которые могут быть собраны, являются те, которые возникли в пределах приборного кремния, толщина которого обычно составляет 150–300 нм. Поэтому для КНИ приборов оправданно моделирование именно быстрой составляющей тока для SEU эффектов. Выделенная энергия частицы вдоль трека выражают в линейно приведенных единицах энергии (LET). Эта единица определяется следующим соотношением:

,

где x - линейное расстояние вдоль трека частицы, dW -энергетические потери частицы, абсорбированные кремнием и ρ – удельная плотность кремния. LET обычно выражают в МэВ×см2/мг. Число электронов и дырок, созданных одиночным сбоем, можно определить из соотношения:

,

где Q – образовавшийся заряд в пКл, D – длина пробега. Величина воздействия SEU на схему измеряется поперечным сечением сбоя (размерность см2/бит). Поперечное сечение сбоя представляет собой область триггера, чувствительную к SEU. Например, для 6-транзисторной ячейки памяти ему соответствуют области переходов, которые могут быть выведены из строя SEU механизмом – рис.1. Чем меньше это поперечное сечение, тем менее прибор чувствителен облучению частицами. Легкие частицы, как например, протоны, электроны, и нейтроны имеют LET, которые обычно слишком малы для ионизации кремния. Тем не менее эти частицы образуют атомы отдачи по механизму «прямого соударения» или вызывают ядерные реакции, которые производят осколки ядер отдачи. Эти атомы отдачи или осколки ядер могут, в свою очередь, воздействовать подобно тяжелым ионам и вызывать SEU. Тем не менее КНИ приборы толщиной 150нм по разным оценкам в 5-10 раз менее чувствительны, чем более толстые (500нм) приборы, которые, в свою очередь, примерно в 30-40 раз более сбоеустойчивые, чем объемные КМОП приборы. Дырочная составляющая тока также может формировать процессы образования SEU эффекта. В частности фототок, генерируемый воздействием частицы в КНИ МОППТ может усиливаться паразитным биполярным транзистором. В этом случае дырочный ток Ih, созданный в объеме КНИ МОППТ, действует как базовый ток паразитного горизонтального NPN биполярного транзистора (случай n-канального прибора). В ответ на импульс тока базы, вызванного частицей, возникает ток коллектора Iс=βIh. Этот ток складывается с импульсом тока, обусловленным электронами вызванными SEU и собранными стоком. Очевидно, что данный эффект характерен приборов с коротким каналом, где β может быть достаточно большим. В этом случае КНИ транзисторы теоретически могут стать более чувствительными к SEU, чем объемные приборы. Технологические и конструктивные решения этой проблемы (использование дополнительного вывода к объему (телу) и использование материалов с малым временем жизни носителей) в сочетании со схемотехническими методами (увеличение постоянных времени в узлах триггерной ячейки памяти) позволяют минимизировать влияние паразитного биполярного транзистора для SEU эффектов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Таким образом, температурное влияние при моделировании SEU эффектов в КНИ КМОП триггерных ячейках памяти оправданно свести к двум основным составляющим:

- изменение характера генерации и сбора неравновесных носителей в транзисторах ячеек памяти в зависимости от температуры;

- изменение вольтамперных характеристик транзисторов в плечах триггерных ячеек с соответствующим изменением помехоустойчивости элементов памяти.

Рис. 1. Шеститранзисторная симметричная триггерная ячейка памяти

Собственно исследование зависимости характеристик генерации и сбора неравновесного заряда в полупроводнике от температуры имеет целью определение величины критического заряда, способного инициировать переключение триггерного элемента. Использование наиболее распространенной RPP (rectangular parallepiped) модели сбора неравновесного заряда переходом транзистора позволяет достаточно просто оценивать реакцию ячейки памяти на внешнее воздействие, однако определение параметров модели в зависимости от источника образования SEU невозможно без проведения экспериментальных исследований. Учитывая то, что для SEU эффектов в КНИ КМОП приборах допустима аппроксимация внешнего воздействия импульсным лазерным излучением, можно предположить, что и соответствующие результаты экспериментальных исследований являются общими и для случаев возникновения SEU для энергетичных частиц и ионов. На рис.2 приведены экспериментальные и расчетные зависимости коэффициента чувствительности к однократным сбоям Kq=ΔQ/W (ΔQ – собираемый переходом заряд в пКл, W – энергия импульсного 8пс лазерного излучения в нДж) от температуры [2]. Данная зависимость соответствует случаю захвата переходом максимального заряда, приводящего к несанкционированному изменению состояния триггера. Таким образом, можно предположить, что для моделирования SEU эффектов, обусловленных воздействием высокоэнергетичных частиц, температурный фактор в механизме формирования критического заряда может не учитываться, если Kq>100. Для случаев Kq<100 как показано в работе [2] фактор SEE (single event effects) прямо пропорционален температуре.

Рис. 2. Расчетная и экспериментальная зависимости коэффициента

чувствительности к однократным сбоям от температуры [2]

Одной из основных проблем низкой сбоеустойчивости 6-транзисторной триггерной ячейки (ТЯ) памяти является несимметрия плеч, в результате которой возможно возникновение ситуации, при которой различные по величине фототоки через p - и n-транзисторы приводят к тому, что уровни «0» и «1» изменяются с различной скоростью, производя SEU. Например, для ячейки показанной на рис.1 различие крутизн может составлять 10 раз, а ширин каналов – 5 раз. Это означает, что реакция ТЯ на внешнее воздействие будет различной в зависимости от того, какой элемент ТЯ является приемником помехи. Также влияет помимо температуры и код, установленный на разрядных шинах, и эффект плавающей подложки и паразитные биполярные транзисторы. Граничным случаем для наихудшего сочетания данных факторов может рассматриваться квазистатический, когда временной интервал, в течение которого существует градиент тока/напряжения сформированной извне помехи, существенно превышает время переключения вентиля. Для субмикронных КНИ КМОП ТЯ длительность импульса тока при SEU сбое как правило удовлетворяет данному условию. Симметричные триггерные элементы относятся также как и релаксационные схемы к классу электронных устройств, обладающих состояниями устойчивого и неустойчивого равновесия. Обычно предполагается, что состояние электрической цепи будет устойчивым, если при малых начальных отклонениях токов и напряжений от своих равновесных значений последующие изменения этих величин не превышают уровня первоначальных отклонений. И, наоборот, состояние равновесия будет неустойчивым, если при сколь угодно малых начальных изменениях токов и напряжений последующие изменения этих величин, возрастая, превышают первоначальные отклонения. Поскольку симметричные ТЯ строятся на основе схемотехники импульсных устройств с регенеративной обратной связью, то состояние неустойчивости соответствует системе с замкнутой петлей обратной связи, коэффициент передачи внутри которой больше единицы. И состояние равновесия определяется положением плечей ТЯ, при котором коэффициент передачи сигнала по цепи ОС будет много меньше единицы. Таким образом сбоеустойчивость ТЯ требует обеспечения разомкнутости петли ОС во время действия помехи и одиночных квантов (частиц).

В стационарном режиме равновесные состояния ТЯ можно определить при помощи переключательных характеристик логических элементов, используемых в качестве плечей ТЯ. Поскольку в симметричных ТЯ вход каждого логического элемента подключается к выходу другого, то входные и выходные напряжения ТЯ оказываются связанными следующими равенствами:

Поэтому состояния равновесия ТЯ определяются как точки пересечения переключательных характеристик, построенных как показано на рис.3 и соответствующих границ SNM (static noise margins) на характеристике ТЯ. В общем случае для ТЯ определяются четыре основных состояния равновесия – два устойчивых ( позиции 1 и 2 на рис.3), метастабильное (позиция 3 на рис.3) и состояние, когда оба плеча ТЭ оказываются закрытыми одновременно. Естественно, наличие двух устойчивых состояний обеспечивает возможность построения графика переключения триггера под воздействием внешнего спускового сигнала. Из рис.3 следует, что устойчивые состояния равновесия возможны при одновременном выполнении следующих неравенств:

Это необходимое условие, но недостаточное, поэтому его следует дополнить неравенствами, характеризующими работу логических элементов плечей ТЭ при переходе в состояние устойчивого равновесия. Это условие можно записать в виде:

Поэтому предельные величины напряжений обычно и лимитируются помехоустойчивостью ТЯ, которую можно определить в статическом случае аналогично соотношениям принятым для логических элементов:

В КНИ КМОП ТЯ потенциальные характеристики помехоустойчивости являются функциями температуры, времени, нагрузочной способности, характера нагрузки, быстродействия логических элементов плеч ТЯ и тд. На рис. 3 показано изменение SNM характеристики ТЯ при учете температуры как следствие несимметрии характеристик транзисторов в плечах ТЯ.
 
 

Собственно помехоустойчивость симметричного триггерного элемента определяется, как максимальный прямоугольник, вписываемый в характеристики переключения плечей ТЯ. Наличие токовых/потенциальных помех, превышающих размеры сторон прямоугольника, позволяют определить с достаточной степенью точности как возможность появления SEU сбоя, так и величину критического заряда и исследовать влияние температурных, технологических и схемотехнических факторов на сбоеустойчивость ТЯ. На рис. 4 показано изменение SNM характеристики КНИ КМОП ТЯ (рис. 1) при увеличении температуры, рассчитанное средствами ORCAD CADENCE. Данный метод средствами SPICE моделирования не позволяет учесть влияние температурных характеристик паразитного биполярного транзистора, появление которого вероятно именно для субмикронных КНИ КМОП ТЯ. Тем не менее использование возможностей программ типа ISE TCAD позволяет включать в эквивалентную схему ТЯ и паразитные биполярные структуры. Следует, отметить, что с уменьшением проектных норм коэффициент влияния подложки уменьшается (т. е. ослабляется эффект уменьшения порогового напряжения транзистора), а влияние биполярного транзистора усиливается из-за уменьшения шины базы транзистора. При проектных нормах 2,5-4 мкм действием биполярного транзистора можно пренебречь из-за большой ширины базы [3].

V2(V1)
 

V1(V2)
 

Рис. 4. SPICE-моделирование SNM характеристик симметричной триггерной ячейки памяти

Таким образом, проведенные исследования показывают допустимость применения SPICE моделирования для исследования SEU сбоев в симметричных триггерных ячейках памяти, а также позволяют достаточно просто оценивать влияние температуры на характеристики сбоеустойчивости.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Edmonds L. D., Barnes C. E., Scheik L. Z. An introduction to space radiation effects on microelectronics // NASA: JPL publication 00-06, 20p.

2.  Influence of temperature on pulsed laser SEE testing/ P. K.Skorobogatov, A. I.Nikiforov, O. B.Mavritsky et al.// SPELS, 2004.-http://www. *****/pub/pub_11.pdf.

3.  Чумаков космической радиации на интегральные схемы. - М.:Радио и связь, 20с.