Методики экспериментальных исследований многократных сбоев в КМОП микросхемах статических оперативных запоминающих устройств при воздействии отдельных ядерных частиц

• Автор: Боруздина, Анна Борисовна
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭФФЕКТОВ МНОГОКРАТНЫХ
СБОЕВ, ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
1.1. Классификация эффектов многократных сбоев, особенности и тенденции проявления
1.2. Методические и технические средства экспериментальной регистрации многократных сбоев
1.3. Комплексный анализ проблемной ситуации и постановка задачи исследования и оценки многократных сбоев в статических ОЗУ
1.4. Выводы по разделу
Глава 2. МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КРАТНОСТИ СБОЕВ В КМОП СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ
2.1. Инженерная модель многократных сбоев для задач предварительной оценки чувствительности
2.2. Методика экспериментальных исследований многократных сбоев в физически соседних ячейках
2.3. Общая методика испытаний и экспериментальных исследований физических многократных сбоев в микросхемах статических ОЗУ при воздействии отдельных ядерных частиц
2.4. Методики экспериментальных исследований многократных сбоев в ячейках, относящихся к одному логическому блоку
2.5. Выводы по разделу
Глава 3. РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ К ЭФФЕКТАМ МНОГОКРАТНЫХ СБОЕВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
3.1. Базовый алгоритм определения критического режима для выявления многократных сбоев
3.2. Аппаратно-программный комплекс для регистрации эффектов многократных сбоев
3.3. Выводы по разделу
Глава 4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ К ЭФФЕКТАМ МНОГОКРАТНЫХ СБОЕВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
4.1. Результаты экспериментальных исследований
4.2. Влияние электрических режимов и условий работы микросхем статических ОЗУ на чувствительность к эффекту многократных сбоев

4.3. Рекомендаций по повышению стойкости микросхем 99 статических ОЗУ к эффектам многократных сбоев
4.4. Выводы по разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ. Общая характеристика работы
Диссертация направлена на решение актуальной научно-технической задачи по разработке и внедрению методических и технических средств экспериментальных исследований эффектов многократных сбоев в микросхемах статических оперативных запоминающих устройств нового поколения при воздействии отдельных ядерных частиц (тяжелых заряженных частиц и высокоэнергичных протонов), имеющей существенное значение для создания новых и совершенствования существующих элементов и устройств систем управления, вычислительной техники и целевой аппаратуры военного, космического и двойного назначения, повышения их функциональных и эксплуатационных характеристик, а также эффективности применения.
Актуальность темы диссертации
Современные микросхемы, изготовленные по субмнкронным проектным нормам (менее 0,25 мкм), характеризуются высокой чувствительностью к одиночным радиационным эффектам (ОРЭ) от отдельных ядерных частиц (ОЯЧ). Для микросхем статических оперативных запоминающих устройств (СОЗУ) одним из характерных ОРЭ является эффект сбоев, приводящий к потере информации. Уменьшение проектных норм приводит к уменьшению площади логического элемента и расстояний между соседними логическими элементами, что повышает вероятность одновременного возникновения сбоев в нескольких элементах от воздействия одной ОЯЧ.
Эффекты возникновения сбоя в двух или более логических элементах от воздействия одной ОЯЧ называют многократными сбоями (МС) и по числу сбившихся элементов характеризуются кратностью. При этом многократные сбои могут возникать в физически соседних ячейках (физические МС) и в ячейках, относящихся к одному логическому блоку (логические МС). Парирование логических МС в СОЗУ требует сложных и специальных мер коррекции, позволяющих исправлять несколько сбившихся бит в логическом слове (коды по типу Рида-Соломона и т.п.), применение которых в аппаратуре требует специального учета на этапе проектирования.
На момент начала работы в практике проведения экспериментальных исследований уровней сбоеустойчивости СОЗУ, эффекты МС не учитывались. Тогда вследствие проявления эффекта физических МС могло наблюдаться отсутствие насыщения зависимости сечения сбоев от уровня линейных потерь энергии (ЛПЭ), и определенное в эксперименте значение сечения насыщения было завышенным относительно реального зна-

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КРАТПОСТИ СБОЕВ В КМОП СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ
Существующие методики определения чувствительности микросхем СОЗУ к эффектам МС, как было показано в главе 1, предполагают проведение экспериментальных исследований с наложением ограничений на условия проведения эксперимента. Проведение экспериментов согласно данным методикам [73, 74] представляется не целесообразным по трем причинам: (1) на доступных в России испытательных стендах обеспечить данные условия в полной мере (в т.ч. плотность потока частиц) не представляется возможным; (2) необходимо увеличение времени проведение эксперимента более чем в 10 раз для набора статистики по эффектам сбоев; (3) представленное в зарубежной литературе описание данных методик не достаточно полно для их практического применения. Для устранения перечисленных недостатков в рамках диссертации проводилась разработка экспериментальных методик определения чувствительности к МС, учитывающих эффекты логических МС.
При участии автора были разработаны три методики определения чувствительности СОЗУ к МС: инженерная модель, основанная на аналитических оценках, и две расчетно-экспериментальные методики. Данный комплекс методик направлен на оценку потенциальной чувствительности как серийных, так и проектируемых микросхем СОЗУ, и экспериментальное подтверждение прогнозируемой чувствительности. Применение данных методик позволяет решать две задачи:
• проведение анализа элементной базы на предмет чувствительности к МС на этапе проектирования РЭА с целью выбора элементов, у которых сечение насыщения эффектов сбоев будет ниже;
• определение числа ячеек, в которых потенциально может возникнуть МС для оптимизации шага разнесения элементов;
• оценка пороговых ЛПЭ возникновения логических МС - ошибок не исправляемых с применением стандартных мер коррекции информации.
2.1 Инженерная модель многократных сбоев для задач предварительной оценки чувствительности
Целью разработки инженерной модели было получение возможности проведения предварительной оценки чувствительности (пороговых ЛПЭ) к эффекту МС, основываясь на данных о технологии изготовления и топологических нормах.