CC BY
9КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ BRIEF REPORTS
Краткое сообщение
УДК 621.3.049.776.43:544.541:004.946TCAD doi:10.24151/1561-5405-2023-28-3-385-390 EDN: JBECTY
Моделирование средствами TCAD воздействия тяжелых заряженных частиц на я-МОП-структуру в составе ячейки памяти
В. П. Смирнова, Т. Ю. Крупкина
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
smirnova-vera123@yandex.ru
Аннотация. При проектировании радиационно стойких микросхем, в частности микросхем памяти, возникает необходимость учитывать распространение токов, вызванных тяжелой заряженной частицей (ТЗЧ), попавшей в устройство. При уменьшении топологических норм и увеличении плотности упаковки повышается вероятность множественных сбоев, причина которых - диффузионные токи. Анализ данных эффектов представляет собой сложную вычислительную задачу, трудоемкость решения которой возрастает при уменьшении топологических размеров элементов. В работе предложен подход, основанный на использовании возможностей ТСЛВ для моделирования конструктивных областей наноразмер-ных ИС. Представлена модель в цилиндрических координатах для приборно-технологического моделирования генерации и сбора заряда после воздействия ТЗЧ на МОП-структуру. Описанный подход позволяет оперативно оценить значения диффузионного тока, вызванного ТЗЧ и проходящего через область определенной площади. При применении данного подхода к ячейке памяти можно определить, на каком расстоянии от точки падения ТЗЧ диффузионный ток от частиц превышает граничный ток, при котором происходит радиационно-индуци-рованный сбой. Это позволяет оценить вероятность возникновения множественных сбоев и скорректировать топологию с учетом данных факторов, а также провести аналитическую оценку сечения сбоя до производства и испытаний микросхемы.
Ключевые слова: КМОП ИС, тяжелая заряженная частица, радиационная стойкость, ячейка памяти, ТСАО
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-37-90005).
Для цитирования: Смирнова В. П., Крупкина Т. Ю. Моделирование средствами ТСЛЭ воздействия тяжелых заряженных частиц на и-МОП-структуру в составе ячейки памяти // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 3. С. 385-390. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-3-385-390. - ЕБ№ ШЕСТУ.
© В. П. Смирнова, Т. Ю. Крупкина, 2023
Brief report
TCAD simulation of a heavy charged particle impact on a n-MOS structure as a part of a memory cell
V. P. Smirnova, T. Yu. Krupkina
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia smirnova-vera123@yandex.ru
Abstract. When designing radiation hardened integrated circuits, especially memory chips, it becomes necessary to consider the propagation of currents caused by a heavy charged particle that has stroked the device. A decrease in technological norms and an increase in packing density enhance the likelihood of multiple cells upset caused by diffusion currents. The analysis of these effects is a complex computational problem, the laboriousness of which increases with a decrease in elements feature size. In this work, an approach is presented based on the use of TCAD capabilities for simulating the structural regions of nanoscale ICs. A TCAD model in cylindrical coordinates for simulation of charge generation and collection after the impact of a heavy charged particle on a MOS structure has been proposed. The described technique allows quick estimation of the values of the diffusion current caused by heavy charged particle passing through an n+ region of a certain area. Taking this approach to a memory cell it is possible to determine at what distance from the point of the heavy charged particle impact the diffusion current exceeds the boundary current at which the radiation-induced failure in a memory cell occurs. This allows the estimation of multiple cell upsets probability and the adjustment of layout for these factors, as well as an analytical assessment of the upset cross-section before the production and testing of the integrated circuit.
Keywords: CMOS IC, heavy charged particle, radiation hardening, TCAD, memory cell
Funding: the work has been supported by Russian Foundation for Basic Research (project No. 20-37-90005).
For citation: Smirnova V. P., Krupkina T. Yu. TCAD simulation of a heavy charged particle impact on a n-MOS structure as a part of a memory cell. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 3, pp. 385-390. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-3-385-390. - EDN: JBECTY.
Существующие на сегодняшний день методы моделирования воздействия тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) на полупроводниковые приборы различаются по сложности и доступности для инженера и, как правило, требуют много времени на построение модели и на вычисления [1-5]. Предлагаемая в настоящей работе модель проста в построении и позволяет быстро провести оценку радиуса распространения диффузионного тока частицы, необходимую для проектирования топологии микросхем повышенной радиационной стойкости [6]. Рассматриваемый подход основан на использовании численных методов приборно-технологического моделирования, что позволяет повысить точность оценки по сравнению с аналитическим подходом. Тенденция к прецизионному многоступенчатому формированию профилей распределения примеси, уменьшение топологических размеров приводят к необходимости повышения роли информации о технологическом процессе формирования слоев. Точность описания моделируемой структуры дополнительно может быть повышена за счет калибровки параметров модели по экспериментальным данным.
В полупроводниковых приборах самым чувствительным к попаданию ТЗЧ является обрат-носмещенный ^-n-переход [7]. В ячейке памяти, состоящей из двух инверторов с обратной связью, наиболее уязвимы к попаданию ТЗЧ стоковые ^-n-переходы закрытых транзисторов [8]. В области попадания ТЗЧ часть зарядов собирается за счет дрейфа и диффузии [9]. Дрейфовая
компонента тока локализована в точке падения ТЗЧ, а волна диффузионного тока начинает распространяться дальше по подложке [10-12]. Если ТЗЧ попадает в стоковые р-«-переходы закрытых транзисторов, то происходит сбой пораженной ячейки, а возникший диффузионный ток может привести к сбою одной или нескольких соседних ячеек [13-15]. Наличие или отсутствие сбоя в расположенных в области распространения диффузионного тока ячейках определяется значением диффузионного тока, которое, в свою очередь, зависит от расстояния до точки падения ТЗЧ.
Ячейка переключается, когда ток от ТЗЧ превышает граничный ток, который можно определить с помощью DC-моделирования. Граничным током будет значение максимального тока помехи, который может выдержать ячейка не переключаясь. Уязвимая площадь ячейки в рассматриваемом случае равна площади стока «-канального МОП-транзистора. Значения граничного тока и уязвимой площади ячейки необходимы для обработки и применения результатов моделирования.
Воздействие ТЗЧ, при котором ее трек перпендикулярен поверхности структуры, имеет цилиндрическую симметрию [16]. Это позволяет свести трехмерную модель воздействия ТЗЧ на МОП-структуру к двумерной модели, в результате чего существенно сократится время моделирования. Дополнительно сократить время моделирования можно, используя среднее значение потери энергии вдоль трека частицы, что внесет незначительную погрешность в результаты, однако кратно ускорит процесс.
Для исследования воздействия ТЗЧ на «-МОП-структуру в среде приборно-технологического моделирования TCAD Sentaurus использовано несколько моделей в цилиндрических координатах, представляющих собой пять концентрических «+-областей минимальной ширины, вложенных одна в другую, с контактами к этим областям. В базовых вариантах модели « -области разделены либо областями поликремния минимальной ширины (0,1 мкм) для представления многопальцевого транзистора, либо областями щелевой изоляции для моделирования отдельно стоящих транзисторов. По краю поверхности расположен р -контакт к р-подложке. Полученные результаты моделирования показали, что для проектных норм 90 нм при попадании ТЗЧ в активную область D1 заряд, собираемый кольцевыми «-областями, зависит только от расстояния области до точки падения частицы и площади кольца и не зависит от типа разделения « -областей (поликремнием или STI-областями) в пределах погрешности вычислений. Убедиться в этом можно, заменив область D2 и прилегающие затворы на STI-область соответствующего размера. На рис. 1 представлена модель с поликремниевыми затворами.
Рис. 1. Двумерная TCAD-модель в цилиндрических координатах для расчета временных зависимостей токов и собранных зарядов, возникающих при воздействии ТЗЧ
на n-МОП-структуру
Fig. 1. The 2D TCAD model in cylindrical coordinates for calculating the time dependences of currents and collected charges from a heavy charged particle in an n-MOS structure
Результатом моделирования является зависимость тока от времени для каждой кольцевой п -области ф1-Э5). Ток в области D1 включает в себя дрейфовую и диффузионную компоненты, ток в областях D2-D5 только диффузионный. Для применения результатов моделирования в цилиндрических координатах к реальному фрагменту ИС необходимо рассчитать плотность тока, разделив полученные значения тока на площади колец D1-D5. Далее плотность тока умножается на площадь чувствительной области исследуемой ячейки, т. е. на площадь стока п-канального транзистора. Результатом этих действий является временная зависимость тока, проходящего через уязвимую площадь, которая находится на разных расстояниях от точки падения частицы. Это позволяет сравнить значения тока со значениями граничного тока. Если ток превышает граничный ток, то происходит сбой. Таким образом можно определить радиус поражения от частицы. На рис. 2 приведена зависимость тока от времени для 6-транзисторной ячейки памяти, выполненной по технологии 90 нм, граничный ток для которой составляет 11,86 мкА, уязвимая площадь равна 0,065 мкм2. Из рисунка видно, что ток, протекающий через сток, находящийся на расстоянии, соответствующем области D2 (0,6-0,94 мкм), превышает граничный ток. Из этого следует, что в ячейке, сток закрытого п-канального транзистора которой попадает в этот радиус, произойдет сбой. Полученный радиус позволяет оценить устойчивость массива ячеек памяти к множественным сбоям и использовать его в аналитической оценке сечения сбоя.
70
60
50
1540
г
и 30 £
20 10
10,1 10,2 10,3 10,4 10,5
Время, не
Рис. 2. Зависимость тока, протекающего через чувствительную область площадью S = 0,065 мкм2, от времени: • • • • - граничный ток; 1 - D1; 2 - D2; 3 - D3; 4 - D4; 5 - D5 Fig. 2. Dependence of the current flowing through the sensitive area S = 0.065 ^m2 on time: -----boundary current; 1 - D1; 2 - D2; 3 - D3; 4 - D4; 5 - D5
Аналогичным методом можно определить расстояние, на которое следует разнести дублируемые элементы в топологии, чтобы избежать одновременного их сбоя. С этой целью при расчетах в качестве уязвимой площади требуется использовать уязвимую площадь интересующего элемента и соответствующий ему граничный ток.
В приведенных моделях рассмотрены только «-канальные транзисторы и попадание ТЗЧ в активную область, не учтено наличие кармана в ячейке памяти. Однако ТЗЧ может попасть в область изоляции. В таком случае отсутствует дрейфовая компонента тока и весь ток становится диффузионным. Описанный подход к моделированию и анализу результатов можно использовать для всех областей ячейки, т. е. рассматривать попадание частицы в области изоляции, кармана, в ^-канальный транзистор, а также учитывать переход карман - подложка. Информация о технологическом процессе, на основе которой формируется исходная модель, остается неизменной, варьируются только размеры областей и порядок их размещения в моделируемой структуре. Каждый новый рассмотренный случай повышает точность оценки радиуса сбоя.
Представленная модель в цилиндрических координатах для приборно-технологического моделирования на примере воздействия ТЗЧ на «-МОП-структуру и предложенный подход к
обработке результатов дают возможность достаточно быстро определять диффузионные токи, проходящие через области, расположенные на расстоянии от точки падения ТЗЧ. Полученные результаты позволяют проводить аналитическую оценку сечения сбоя для заданных проектных норм и определенной конфигурации ячейки до начала производства и испытаний микросхемы, а также учитывать эти данные при проектировании ее топологии.
Литература
1. Схемотехническое моделирование одиночных эффектов при воздействии тяжелых заряженных частиц в КМОП СБИС с суб-100-нм проектными нормами / А. А. Смолин, А. Б. Боруздина, А В. Уланова и др. // Изв. вузов. Электроника. 2017. Т. 22. № 5. С. 447-459. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2017-22-5-447-459
2. Тельпухов Д. В., Деменева А. И., Надоленко В. В. Исследование и разработка автоматизированных средств моделирования случайных сбоев в современных комбинационных КМОП ИМС // Изв. ЮФУ. Технические науки. 2019. № 4 (206). С. 207-219. https://doi.org/10.23683/2311-3103-2019-4-207-219
3. Anthology of the development of radiation transport tools as applied to single event effects / R. A. Reed, R A. Wetter, A Akkerman et aL // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2013. Vol. 60. Iss. 3. P. 1876-1911. https://doi.org/10.1109/TNS.2013.2262101
4. An overview of the modeling and simulation of the single event transients at the circuit level / M. Andjelkovic, A Ilic, Z. Stamenkovic et al // 2017 IEEE 30th International Conference on Microelectronics (MIEL). Nis: IEEE, 2017. P. 35-44. https://doi.org/10.1109/MIEL.2017.8190065
5. Балбеков А О. Методы и средства повышения устойчивости к многократным сбоям ячеек статической памяти и комбинационных элементов микросхем с проектными нормами уровня 65 нм: дис. ... канд. техн. наук. М., 2022. 102 с.
6. Single event upsets in a 130 nm hardened latch design due to charge sharing / O. A. Amusan, A. L. Stemberg, A. F. Witulski et al // 2007 IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. 45th Annual. Phoenix, AZ: IEEE, 2007. P. 306-311. https://doi.org/10.1109/RELPHY.2007.369908
7. Белоус А И., Солодуха В. А., Шведов С. В. Космическая электроника: в 2 кн. М.: Техносфера, 2015. Кн. 2. С. 700-1183.
8. Design and evaluation of radiation-hardened standard cell flip-flops / O. Schrape, M. Andjelkovic, A. Breitenreiter et aL // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2021. Vol. 68. No. 11. P. 4796-4809. https://doi.org/10.1109/TCSI.2021.3109080
9. Baumann R. C. Radiation-induced soft errors in advanced semiconductor technologies // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. 2005. Vol. 5. Iss. 3. P. 305-316. https://doi.org/10.1109/TDMR.2005.853449
10. Никифоров А Ю., Телец В. А., Чумаков А И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. М.: Радио и связь, 1994. 164 с.
11. Зебрев Г. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции // Кафедра микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ [Электронный ресурс]. 2010. URL: М1р://%'%глг.нано-е.рф/uploads/Шes/Zebrev_Radiacюnnye_effekty.pdf (дата обращения: 27.03.2023).
12. Kirkpatrick S. Modeling diffusion and collection of charge from ionizing radiation in silicon devices // IEEE Transactions on Electron Devices. 1979. Vol. 26. Iss. 11. P. 1742-1753. https://doi.org/10.1109/T-ED.1979.19680
13. GaspardN. J. (III) Single-event upset technology scaling trends of unhardened and hardened flip-flops in bulk CMOS: diss. for the PhD (Electr. Eng.). Nashville, TN: Univ. of Vanderbilt, 2017. IX, 79 p.
14. Multiple cell upset classification in commercial SRAMs / G. Tsiligiannis, L. Dilillo, A. Bosio et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2014. Vol. 61. Iss. 4. P. 1747-1754. https://doi.org/10.1109/TNS.2014.2313742
15. Mechanisms of multiple cell upsets in memory / A. I. Chumakov, A. V. Sogoyan, A. B. Boruzdina et al. // Сборник избранных трудов на английском языке VII Всероссийской научно-технической конференции МЭС-2016 = Selected Articles of the VII All-Russia Science and Technology Conference МES-2016. М.: ИППМ РАН, 2017. Ч. 4. С. 49-54.
16. Зольников В. К., Потапов И. П., Таперо К. И. Моделирование сбора заряда при воздействии тяжелых заряженных частиц в КМОП элементах микросхем // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2010. № 1. С. 275-278. EDN MVWVTJ.
Краткое сообщение поступило в редакцию 18.10.2022 г.; одобрено после рецензирования 02.02.2023 г.;
принято к публикации 30.03.2023 г.
Информация об авторах
Смирнова Вера Петровна - инженер Института интегральной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д. 1), smirnova-vera123@yandex.ru
Крупкина Татьяна Юрьевна - доктор технических наук, профессор Института интегральной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д. 1), krupkina@miee.ru
References
1. Smolin A. A., Boruzdina A. B., Ulanova A. V., Yanenko A. V., Sogoyan A. V., Nikiforov A. Y., Telets V. A., Chumakov A. I., Shelepin N. A. Circuit engineering modeling of single event effects under impact of heavy-charged particles in sub-100 nm CMOS ICs. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2017, vol. 22, no. 5, pp. 447-459. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2017-22-5-447-459
2. Telpukhov D. V., Demeneva A. I., Nadolenko V. V. Study and design of automated tools for simulation of soft errors in modern combinational CMOS IC. Izv. YuFU. Tekhnicheskiye nauki = Izvestiya SFEDU. Engineering Sciences, 2019, no. 4 (206), pp. 207-219. (In Russian). https://doi.org/10.23683/2311-3103-2019-4-207-219
3. Reed R. A., Weller R. A., Akkerman A., Barak J., Culpepper W., Duzellier S., Foster C., Gaillardin M., Hubert G., Jordan T. et al. Anthology of the development of radiation transport tools as applied to single event effects. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2013, vol. 60, iss. 3, pp. 1876-1911. https://doi.org/10.1109/TNS.2013.2262101
4. Andjelkovic M., Ilic A., Stamenkovic Z., Krstic M., Kraemer R. An overview of the modeling and simulation of the single event transients at the circuit level. 2017 IEEE 30th International Conference on Microelectronics (MIEL). Nis, IEEE, 2017, pp. 35-44. https://doi.org/10.1109/MIEL.2017.8190065
5. Balbekov A. O. Methods and tools of increasing the resistance to multiple failures of static memory cells and combinational elements of microcircuits with design standards of the level of 65 nm, diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Moscow, 2022. 102 p. (In Russian).
6. Amusan O. A., Stemberg A. L., Witulski A. F., Bhuva B. L., Black J. D., Baze M. P., Massengill L. W. Single event upsets in a 130 nm hardened latch design due to charge sharing. 2007 IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. 45th Annual. Phoenix, AZ, IEEE, 2007, pp. 306-311. https://doi.org/10.1109/RELPHY.2007.369908
7. Belous A. I., Solodukha V. A., Shvedov S. V. Space electronics, in 2 books. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2015, book 2, pp. 700-1183. (In Russian).
8. Schrape O., Andjelkovic M., Breitenreiter A., Zeidler S., Balashov A., Krstic M. Design and evaluation of radiation-hardened standard cell flip-flops. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2021, vol. 68, no. 11, pp. 4796-4809. https://doi.org/10.1109/TCSI.2021.3109080
9. Baumann R. C. Radiation-induced soft errors in advanced semiconductor technologies. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2005, vol. 5, iss. 3, pp. 305-316. https://doi.org/10.1109/TDMR.2005.853449
10. Nikiforov A. Yu., Telets V. A., Chumakov A. I. Radiation effects in CMOS IS. Moscow, Radio i svyaz', 1994. 164 p. (In Russian).
11. Zebrev G. I. Radiation effects in silicon integrated circuits with a high degree of integration. Kafedra mikro-i nanoelektroniki NIYaU MIFI. 2010. (In Russian). Available at: http://www.xn—7sbq3abg.xn--p1ai/uploads/files/ Zebrev_Radiacionnye_effekty.pdf (accessed: 27.03.2023).
12. Kirkpatrick S. Modeling diffusion and collection of charge from ionizing radiation in silicon devices. IEEE Transactions on Electron Devices, 1979, vol. 26, iss. 11, pp. 1742-1753. https://doi.org/10.1109/T-ED. 1979.19680
13. Gaspard N. J. (III) Single-event upset technology scaling trends of unhardened and hardened flip-flops in bulk CMOS, diss. for the PhD (Electr. Eng.). Nashville, TN, Univ. of Vanderbilt, 2017. ix, 79 p.
14. Tsiligiannis G., Dilillo L., Bosio A., Girard P., Pravossoudovitch S., Todri A., Virazel A., Puchner H. et al. Multiple cell upset classification in commercial SRAMs. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, vol. 61, iss. 4, pp. 1747-1754. https://doi.org/10.1109/TNS.2014.2313742
15. Chumakov A. I., Sogoyan A. V., Boruzdina A. B., Smolin A. A., Pechenkin A. A. Mechanisms of multiple cell upsets in memory. Sbornik izbrannykh trudov na angliyskom yazyke VII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii MES-2016 = Selected Articles of the VII All-Russia Science and Technology Conference МES-2016. Moscow, IPPM RAS, 2017, part 4, pp. 49-54.
16. Zolnikov V. K., Potapov I. P., Tapero K. I. Modeling of the charge gathering from the heavy charged particles influence in CMOS integrated circuit. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) = Problems of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems Development (MES), 2010, no. 1, pp. 275-278. EDN MVWVTJ.
The brief reports was submitted 18.10.2022; approved after reviewing 02.02.2023;
accepted for publication 30.03.2023.
Information about the authors
Vera P. Smirnova - Engineer of the Institute of Integrated Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), smirnova-vera123@yandex.ru
Tatiana Yu. Krupkina - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Integrated Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), krupkina@miee.ru
