Analisi e progettazione di un circuito di sensing per memorie rad-hard

Capitolo 1
Radiazioni presenti nello spazio
e memorie non volatili
Nella prima parte di questo capitolo introduttivo parleremo delle parti-
celle presenti nello spazio e delle radiazioni che causano, dei loro efietti sui
circuiti integrati e delle conseguenze sui transistori MOS. Inflne classiflchere-
moglierrorieimalfunzionamenticausatidalleradiazioni; sarannoaccennati
in generale e descritti pi u in dettaglio nel Capitolo 6, dove ci occuperemo di
simularli sul circuito di sensing.
Nellasecondaparte,invece,presenteremovelocementel’architetturadelle
memorie non volatili, le tecnologie NOR e NAND e i vari circuiti periferici
che le compongono.
1.1 Le radiazioni
1.1.1 Particelle nello spazio
Le radiazioni presenti nello spazio sono causate da certi tipi di particelle
elementari, come protoni, elettroni oppure neutroni; esse si dividono in due
grandi categorie: le particelle cariche e la particelle neutre. Vediamole in
dettaglio:
21.1 Le radiazioni
†leparticellecarichehannolacaratteristicafondamentaledireagireelet-
tricamente tra di loro secondo la legge di Coulomb. Le principali sono
i protoni, gli elettroni e gli ioni:
1.i protoni sono le particelle cariche pi u difiuse fuori dall’atmosfera
dellaTerra,illorocomportamentodipendedall’energiaposseduta:
se  e minore di 100keV ionizzano la materia e possono provocare
eccitazione o spostamento degli atomi, se  e maggiore di 10MeV
provocano una reazione nucleare;
2.gli elettroni, anch’essi presenti in grande quantit a, possono inter-
agire secondo la legge di Coulomb oppure attraverso il fenomeno
di scattering, che si veriflca durante la reazione nucleare quan-
do la particella emessa dal nucleo  e uguale a quella emessa dalla
reazione. Inoltre, quando gli elettroni penetrano nella materia
perdono energia emettendo raggi X;
3.gli ioni sono atomi con un numero di protoni diverso da quello
degli elettroni; in particolare gli ioni pesanti (cio e pi u pesanti del
carbonio) hanno un comportamento simile a quello dei protoni.
†leparticelleneutrenonhannocaricaelettricaeperci ononinteragiscono
secondo la legge di Coulomb, le pi u difiuse sono i neutroni e i fotoni:
1.i neutroni causano principalmente reazioni nucleari: quando un
neutronecolpisceunnucleo, vieneassorbitoequest’ultimoemette
particelletracuiprotoni,particellefioraggi ,oppuresubisceuna
flssione. A seconda dell’energia del neutrone si veriflcano diversi
tipi di reazione nucleare;
1
2.i fotoni, quantidi energia elettromagnetica, a seconda di come
interagiscono con la materia possono provocare lo spostamento di
un elettrone dall’orbitale e la generazione di un nuovo fotone (ef-
1
Un quanto  e una quantit a discreta e indivisibile di una certa grandezza.
1. Radiazioni presenti nello spazio e memorie non volatili3
fetto fotoelettrico), l’emissione di un elettrone (efietto Compton)
oppure la creazione di una coppia elettrone-positrone.
1.1.2 Tipi di radiazioni
Perradiazionesiintendegeneralmenteunfenomenocausatodaltrasporto
dienergianellospazio,cheasecondadicosaloproducepu oessereditretipi:
le radiazioni nella fascia di Van Allen, i raggi cosmici e i brillamenti solari.
Vediamoli brevemente:
†la fascia di Van Allen (Figura 1.1)  e una insieme di particelle cariche
trattenute dal campo magnetico terrestre che si pu o dividere in due
zone: una interna e una esterna. La zona interna arriva flno a 10000
km dalla Terra ed  e composta principalmente di protoni. La zona
esterna, in cui orbitano la maggior parte dei satelliti, si estende invece
flno a 65000 km ed  e formata principalmente da elettroni;
Figura 1.1: La fascia di Van Allen
†i raggi cosmici, o radiazione cosmica, sono causati dall’attivit a delle
galassie dell’universo, e per questo sono molto uniformi e costanti, an-
che se di–cili da studiare perch¶ e causati da particelle difierenti. In
41.1 Le radiazioni
prossimit a della Terra reagiscono con l’atmosfera, creando particelle
che possono raggiungere la superflcie terrestre;
†i brillamenti solari (are ) sono violente eruzioni di materia dalla fotos-
fera del sole (Figura 1.2). Le espulsioni di materia sono composte prin-
cipalmente di protoni, la cui elevata energia pu o danneggiare i circuiti
elettronici. I componenti pi u sensibili vengono infatti spenti durante i
brillamenti solari.
Figura 1.2: I brillamenti solari
1.1.3 Efietti delle radiazioni sui circuiti integrati
Vediamo ora gli efietti che le radiazioni causano nei circuiti integrati,
cominciando dalle conseguenze sul transistore MOS.
1. Radiazioni presenti nello spazio e memorie non volatili5
Efietti sul transistore MOS
†Intrappolamentodellelacunenell’ossido: quandoparticellacolpisce
un transistore MOS, si crea una coppia elettrone-lacuna: nell’elettrodo
digateenellezonedisiliciodrogatoquestacoppiasi ricombinaveloce-
mente,essendoquestimaterialipocoresistivi;nelbiossidodisilicio(che
 eunisolante),invece, epossibilechelelacune,acausadellalorobassis-
sima mobilit a, rimangano intrappolate, modiflcando il funzionamento
del transistore stesso;
†Intrappolamentodellelacunetraossidoesilicio: unaltroefietto
dovuto alle radiazioni  e l’incremento della densit a di lacune all’inter-
faccia tra ossido e silicio; senza addentrarci nei dettagli flsici di tale
fenomeno, diremo solo che questo provoca l’aumento in valore assolu-
to della tensione di soglia; in pratica un transistore nMOS avr a una
tensione di soglia maggiore, e un pMOS, invece, la avr a minore.
Conseguenze sui parametri dei transistori MOS
Questi efietti inuiscono sui paramentri dei transistori MOS, modiflcan-
done tensione di soglia, correnti parassite e transconduttanza.
†Aumento della tensione di soglia: l’intrappolamento delle lacune
nell’ossidoenell’interfacciatraossidoesilicioprovocadueaumentidel-
la tensione di soglia; rispettivamente ¢Ve ¢V. Il primo contributo
oxit
 e descritto dalla formula:
Z
t
ox
1x
¢V=¡‰(x)dx(1.1)
ox
Ct
oxox
0
dove t e lo spessore dell’ossido di gate, C e la capacit a per unit a
oxox
di area e ‰(x)  e la densit a di carica nell’ossido in funzione della dis-
tanza x dall’interfaccia. Il cambiamento di soglia  e negativo quando
le cariche sono positive: ad esempio, per un transistore a canale p,
le lacune intrappolate nell’ossido sopra il canale respingono le lacune
61.1 Le radiazioni
che dovrebbero formare il canale. Questo vuol dire che per avere la
stessa quantit a di carica nel canale bisogna applicare una tensione pi u
negativa al gate e quindi la soglia diventa pi u negativa. [Stabile, 2006]
Poich¶ e la distribuzione di carica nell’interfaccia pu o essere considerata
bidimensionale, il secondo contributo alla variazione di soglia si pu o
semplicemente esprimere come:
Q
it
¢V=¡(1.2)
it
C
ox
doveQ eladifierenzadicarica(perunit adiarea)cheriempieglistati
it
d’interfaccia prima e dopo l’irraggiamento.
†Incremento delle correnti parassite: deflniamo la corrente stato-
spento come la corrente che uisce nel transistore quando V= 0.
GS
Questa corrente pu o aumentare dopo l’irraggiamento a causa di due
efiettichepossonoveriflcarsi: l’incrementodellacorrentedisotto-soglia
e la generazione di corrente parassita.
1.L’incremento della corrente di sotto-soglia  e determinato da due
fattori, illustrati in Figura 1.3. Il primo fattore  e la diminuzione
della tensione di soglia in un transistore MOS a canale n a causa
delle lacune intrappolate nell’ossido. La caratteristica del tran-
sistore MOS prima dell’irraggiamento  e indicata dalla linea con-
tinua. Dopo l’irraggiamento la caratteristica  e spostata verso sin-
istra (linea tratteggiata a). In secondo luogo le radiazioni fanno
diminuire la pendenza della curva (linea continua b). La corrente
di sotto-soglia passa da Ia Iper la diminuzione della tensione
12
di soglia e a Ipoich¶ e diminuisce la pendenza.
3
2.La generazione di correnti parassite  e dovuta all’intrappolamento
dilacunenellazonadiossidochiamatabeccod’uccello[Gaillard, 1995]
(Figura 1.4). In questa zona, essendo lo strato di ossido pi u spes-
so,  e pi u probabile che rimangano intrappolate le lacune, creando
1. Radiazioni presenti nello spazio e memorie non volatili7
Figura 1.3: Incremento della corrente di sotto-soglia in un transistore nMOS
transistori parassiti, come si vede in flgura, con parametri simili a
quelli del transistore principale.
†Diminuzionedellamobilit aedellatransconduttanza: Dopol’ir-
raggiamento si veriflca una diminuzione della mobilit a, dovuta princi-
palmenteall’incrementoditrappolenell’interfacciaedesprimibilecome:
(1.3) [Sexton, 1985]
„
0
„=(1.3)
1+fi(¢N)
it
dove „ e la mobilit a prima dell’irraggiamento, N e l’incremento della
0it
densit a di trappole nell’interfaccia e fi  e un paramentro che dipende
dalla tecnologia. Il degrado della mobilit a da origine al degrado della
trasconduttanza,che eproporzionaleallamobilit a. Questofadiminuire
la corrente erogata.
1.1.4 Efietti da evento singolo: Single Event Efiect
(SEE)
In questa sezione presentiamo velocemente gli eventi da efietto singolo, i
pi u importanti saranno ripresi poi nel Capitolo 6 nell’ambito delle radiazioni
nel circuito di sensing.
81.1 Le radiazioni
Figura 1.4: Zona a becco d’uccello e transistori parassiti [Gaillard, 1995]
Gli eventi da efietto singolo sono causati da particelle con alta energia
che colpiscono i circuiti integrati e causano un malfunzionamento di uno o
pi u transistori, modiflcando il funzionamento del circuito. Si possono di-
videre in due categorie a seconda che gli efietti siano reversibili oppure irre-
versibili: nel primo caso parliamo di soft errors, nel secondo di hard errors.
[Beaucour, 1995]
Soft Errors
†SingleEventUpset(SEU): eunerroretemporaneonondistruttivo
checomportalacommutazioneerratadiunbitoppureuncambiamento
del valore logico di una cella di memoria. Nel caso di celle di memoria
RAM formate da due inverter in cascata, i nodi sensibili sono i drain
dei transistori (vedi Capitolo 6) [Holbert, 2006][Anelli, 2000];
†Multiple Bit Upset (MBU):  esimilealSEU,conlasoladifierenza
1. Radiazioni presenti nello spazio e memorie non volatili9
che coinvolge pi u celle provocando cambiamenti di pi u bit contempo-
raneamente [Holbert, 2006][Anelli, 2000];
†Single Event Functional Interrupt (SEFI): nel caso di mem-
orie complesse con circuiti periferici usati, ad esempio, per la cor-
rezione degli errori, un errore su uno di questi circuiti pu o provocare
un malfunzionamento di tutto il circuito [Holbert, 2006][Anelli, 2000].
Hard Errors
†Single Event Latch-up (SEL): In un transistore MOS, esistono
transistori bipolari parassiti dovuti alle giunzioni p-n e n-p. Nor-
malmente sono polarizzati inversamente, ma in presenza di un forte
impulso esterno si possono accendere. poich¶ e formano un anello di
retroazione,l’aumentodicorrentepu oesseredistruttivo(vediparagrafo
6.1.2) [Johnston, 1996];
†Single Event Snapback (SES):  esimilealSELinquantofunziona
tramiteretroazioneesfruttalapresenzaditransistoribipolariparassiti
(vedi paragrafo 6.1.3) [Beitman, 1988];
†Single Hard Error (SHE): quando una particella con alta energia
attraversa l’ossido sotto il gate, pu o provocare lo spostamento della
tensione di soglia e l’aumento di correnti di sotto-soglia che possono
aumentareflnoadalterareleinfotmazionimemorizzate[Dufour, 1992];
†Single Event Gate Rupture (SEGR): consiste nella perforazione
dell’ossidosottoilgate. Questofenomenoavvieneinpresenzadicampi
elettricielevati(vediparagrafo6.1.4)[Allenspach, 1994][Wheatley, 1994].
101.2 Architettura delle memorie non volatili
1.2 Architettura delle memorie non volatili
In questa sezione descriveremo il funzionamento della cella di memoria
elementare EEPROM, le architetture NAND e NOR per la costruzione degli
arraydicelle, inflneicircuitiperifericitracui, appunto,ilcircuitodisensing.
1.2.1 La cella di memoria EEPROM
EEPROM  e l’acronimo di Electrically Erasable and Programmable Read
Only Memory, cio e una memoria ROM programmabile (e riprogrammabile)
da parte dell’utente. A difierenza della EPROM, permette la cancellazione
elettricamente.
Lacelladimemoriaelementare esimileauntransistore, conladifierenza
che ha due gate: il primo gate, il pi u esterno, e il Control Gate ed e collegato
al resto della memoria come un gate tradizionale. Il gate pi u interno  e il
Floating Gate ed  e separato dal silicio da uno strato molto sottile di ossido
(Figura 1.5).
Figura 1.5: Transistore EEPROM