離子徑跡結(jié)構(gòu)對SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)截面的影響

高麗娟，郭 剛，蔡 莉，何安林

(中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

宇宙空間環(huán)境中存在大量的高能粒子，這些高能粒子可能使航天器上的微電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，影響其運(yùn)行。微電子器件投入使用前，須對其進(jìn)行地面單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)。通常，實(shí)驗(yàn)中以線性能量轉(zhuǎn)移為參數(shù)，獲得器件的單粒子效應(yīng)截面曲線，結(jié)合空間輻射環(huán)境模型預(yù)估器件的在軌錯(cuò)誤率，因此單粒子效應(yīng)截面的測試結(jié)果嚴(yán)重影響器件的評估結(jié)果，然而宇宙空間的重離子和地面加速器產(chǎn)生的能量差別較大，前者約幾十MeV/u～幾百GeV/u，后者僅幾MeV/u～幾百M(fèi)eV/u[1]。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同LET的不同離子測試得到的單粒子效應(yīng)截面存在一定的差別[2-4]。在截面曲線接近飽和區(qū)部分，高能離子的測試結(jié)果低于低能離子的，有研究者指出這種差別是高、低能離子徑跡結(jié)構(gòu)不同造成的，但并未對其進(jìn)行理論分析。而文獻(xiàn)[5-6]實(shí)驗(yàn)得到高、低能離子截面差別很小，認(rèn)為這種差別來源于實(shí)驗(yàn)誤差。本文擬對此現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步研究，基于北京HI-13串列加速器的單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)終端對0.15 μm工藝的SRAM進(jìn)行單粒子翻轉(zhuǎn)測試，并與國外高能離子的結(jié)果作對比，利用Geant4對單粒子翻轉(zhuǎn)截面接近飽和區(qū)的測試結(jié)果進(jìn)行模擬分析。

1 測試實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

基于北京HI-13串列加速器單粒子效應(yīng)輻照終端，對日本瑞薩公司生產(chǎn)的商用SRAM進(jìn)行測試。由于采用了新的薄膜晶體管(TFT)工藝，該器件的存儲單元面積大幅縮小，僅為1 μm×0.98 μm[7]，圖1為該器件存儲單元的剖面圖。

圖1 被測器件存儲單元的剖面圖

根據(jù)已有的測試數(shù)據(jù)[8]可知，該器件對單粒子翻轉(zhuǎn)較敏感。本文在測試中選擇的離子及參數(shù)列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)離子及參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 單粒子翻轉(zhuǎn)截面測試結(jié)果

經(jīng)測試，器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面如圖2所示。從圖2可看出，在接近飽和區(qū)，文獻(xiàn)[7]測得的高能單粒子翻轉(zhuǎn)截面略小于本文的低能單粒子翻轉(zhuǎn)截面。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[6]的測試結(jié)果一致(圖3)。圖3中BNL實(shí)驗(yàn)離子為1.8 MeV/u Au、3.7 MeV/u Br、4.6 MeV/u Ni、6.0 MeV/u Cl、6.6 MeV/u Si、7.4 MeV/u F、8.3 MeV/u C、10.7 MeV/u Li；GANIL實(shí)驗(yàn)離子為11.0 MeV/u Au、21.0 MeV/u、60.0 MeV/u Ca、95 MeV/u Ar、80 MeV/u Mg、95 MeV/u Mg；MSU實(shí)驗(yàn)離子為能量均為60 MeV/u的Xe、Kr、Ar。BNL離子能量大多小于10 MeV/u。

文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，高、低能離子翻轉(zhuǎn)截面的差別來源于實(shí)驗(yàn)誤差。但從圖3可看出，低能離子的翻轉(zhuǎn)截面是高能離子的2～3倍，且這一現(xiàn)象在文獻(xiàn)[2-4]中亦出現(xiàn)，國際上普遍發(fā)現(xiàn)，在飽和截面區(qū)域，低能重離子測試截面更為保守。因此認(rèn)為這種現(xiàn)象的存在可能存在深層次的物理機(jī)制，不能簡單地將出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因歸因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差。

圖3 文獻(xiàn)[6]的測試結(jié)果

2 模擬計(jì)算

2.1 基本原理

隨著器件特征尺寸的減小，當(dāng)離子入射電路中的某一器件時(shí)，對入射器件及其相鄰器件均會造成影響，這種現(xiàn)象稱為電荷共享。若相鄰存儲單元共享電荷則可能使器件發(fā)生多位翻轉(zhuǎn)；若電荷共享僅發(fā)生在SRAM的同一個(gè)存儲單元中，則可能發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)恢復(fù)。

圖4為單粒子翻轉(zhuǎn)恢復(fù)示意圖，假定存儲單元邏輯狀態(tài)為1，此時(shí)晶體管T1、T4截止，T2、T3導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)1、2為低電平，3、4為高電平。當(dāng)離子入射截止T1的漏區(qū)時(shí)會使反相器I1的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jié)點(diǎn)4的電平也隨之降低，反相器I2的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，T4由截止變?yōu)閷?dǎo)通，T2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，存儲單元發(fā)生1次翻轉(zhuǎn)。此時(shí)，整個(gè)電路未完全穩(wěn)定，離子入射沉積能量產(chǎn)生的電荷也未完全消失。與T1處于同一阱中的T2的漏區(qū)會繼續(xù)收集剩余電荷，當(dāng)電荷收集到一定量時(shí)，T2又會導(dǎo)通，使反相器I2的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，反相器I1的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑鎯卧磿謴?fù)到初始狀態(tài)，這種機(jī)制稱為單粒子翻轉(zhuǎn)恢復(fù)[9]，類似于組合邏輯電路中的脈沖衰減效應(yīng)[10-11]。

2.2 初始離子徑跡結(jié)構(gòu)計(jì)算

該計(jì)算主要針對SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線接近飽和區(qū)部分，該區(qū)域可忽略核反應(yīng)的影響，因此，計(jì)算離子徑跡的初始分布時(shí)，采用Geant4中的低能電磁物理PENELOPE代碼進(jìn)行模擬。

由于入射離子及δ電子沉積能量的平均值呈徑向?qū)ΨQ分布[12]，用聚焦圓筒作為記錄能量沉積的靈敏體積，其半徑由內(nèi)向外呈對數(shù)增加，離子沿聚焦圓筒中心入射，為獲得較好的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算離子數(shù)為106。

圖4 單粒子翻轉(zhuǎn)恢復(fù)示意圖

本文計(jì)算了3組單粒子效應(yīng)測試中常用的LET相同但能量不同的離子能量沉積分布(圖5)。由圖5可看出，離子的LET雖相同，但能量沉積分布存在差異：1) 低能離子電離半徑遠(yuǎn)小于高能離子的；2) 低能離子徑跡中心的電荷密度遠(yuǎn)高于高能離子的。

對早期特征尺寸較大的器件，敏感區(qū)面積較大，高、低能離子沉積的能量均集中在器件的靈敏區(qū)內(nèi)，單粒子效應(yīng)不會有明顯的差別。但隨著器件特征尺寸的減小，高能離子可在靈敏區(qū)外沉積能量，這部分能量可能影響鄰近節(jié)點(diǎn)的電荷收集。

2.3 鄰近節(jié)點(diǎn)的電荷收集

上述的計(jì)算結(jié)果表明，高能離子可能會在相鄰節(jié)點(diǎn)沉積較多的能量，但由于能量密度較小，器件的敏感區(qū)體積也很小，離子直接在靈敏區(qū)沉積的能量產(chǎn)生的電荷可能并不足以使存儲單元發(fā)生第2次翻轉(zhuǎn)，但由于器件間距較小，電荷可擴(kuò)散至鄰近節(jié)點(diǎn)，因此必須考慮雙極擴(kuò)散的影響。

離子入射器件沉積能量會產(chǎn)生由高密度電子-空穴對組成的等離子體柱，若不考慮雙極擴(kuò)散，這些電子-空穴對大部分將發(fā)生復(fù)合。根據(jù)Finch等[13]的研究，離子入射Si材料產(chǎn)生的等離子體柱持續(xù)時(shí)間約1 ns，在這段時(shí)間內(nèi)，等離子柱的半徑會隨時(shí)間擴(kuò)展。在考慮肖克萊-里德-霍爾(SRH)復(fù)合的前提下，濃度小于1019cm-3的載流子幾乎不會復(fù)合。但這些載流子主要貢獻(xiàn)于第1次翻轉(zhuǎn)，沉積在較遠(yuǎn)處的電荷和在雙極擴(kuò)散作用下運(yùn)動出初始靈敏區(qū)的電荷才可能為第2次翻轉(zhuǎn)做貢獻(xiàn)，載流子發(fā)生雙極擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散長度L與載流子的壽命τ和雙極擴(kuò)散系數(shù)D有關(guān)：

(1)

D=2DnDp/(Dn+Dp)

(2)

其中，Dn和Dp分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)合載流子壽命[14]，可得到在等離子體消失前，僅有離子初始產(chǎn)生的濃度小于1017cm-3的載流子，才可能在雙極擴(kuò)散的作用下擴(kuò)散出離子入射節(jié)點(diǎn)的耗盡區(qū)，并被相鄰節(jié)點(diǎn)收集。

通常離子入射SRAM后約1 ns會發(fā)生第1次翻轉(zhuǎn)[15]，此時(shí)離子徑跡入射產(chǎn)生的高電導(dǎo)區(qū)消失，存在電場的區(qū)域恢復(fù)至晶體管漏極耗盡區(qū)附近，載流子的擴(kuò)散接近自由擴(kuò)散。

2.4 結(jié)果與討論

根據(jù)離子初始電離能量沉積分布及載流子輸運(yùn)的特點(diǎn)，構(gòu)建如圖6所示的幾何模型，計(jì)算離子入射SRAM同一存儲單元內(nèi)可能被鄰近晶體管收集的電荷。

圖6a為俯視圖，圖中的4個(gè)區(qū)域V1、V2、V3、V4分別對應(yīng)圖4中SRAM某一存儲單元內(nèi)4個(gè)晶體管的敏感區(qū)，d為晶體管T1和T2的中心距。

圖6b為側(cè)視圖，縱向箭頭代表離子徑跡，x點(diǎn)是離子入射晶體管T1的位置，半圓表示自由電荷的擴(kuò)散范圍(B區(qū))，其半徑r是與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)，當(dāng)摻雜濃度為1017cm-3，擴(kuò)散時(shí)間為2 ns時(shí)，r=2 μm。另外，在阱與襯底的交界處會形成勢壘，從而限制載流子的擴(kuò)散[9]，假定阱面積是存儲單元面積的1/2，本文用1/2存儲單元體積限制擴(kuò)散邊界(C區(qū))，同時(shí)做以下假定：

1) 擴(kuò)散區(qū)電場為零，載流子擴(kuò)散不受電場的影響；

2) 存儲單元中的阱面積為存儲單元總面積的1/2，電荷擴(kuò)散的最大范圍為1/2存儲單元體積，如圖6b的C區(qū)，其縱向深度為10 μm；

圖5 不同LET離子能量沉積分布

圖6 擴(kuò)散電荷計(jì)算幾何結(jié)構(gòu)示意圖

3) 以敏感區(qū)為中心，擴(kuò)散長度為r的半圓內(nèi)的電荷會擴(kuò)散至敏感區(qū)，r表征了特定時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散電荷的范圍，如圖6b的B區(qū)；

4) 以離子徑跡中心為標(biāo)識，位于電荷收集中心相反方向的電荷不擴(kuò)散至鄰近敏感區(qū)；

5) 濃度大于1017cm-3的載流子不會擴(kuò)散至鄰近敏感區(qū)。

根據(jù)假定，在離子徑跡形成時(shí)，沉積在A區(qū)中的電荷可能擴(kuò)散至相鄰節(jié)點(diǎn)，A區(qū)與離子徑跡中心間的空隙的部分載流子濃度大于1017cm-3。

本文采用的器件存儲單元的兩個(gè)相鄰晶體管的中心距約為0.6 μm(圖1)，采用Geant4構(gòu)建了如圖6所示的靈敏體積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列于表2。

表2 相同LET不同能量離子入射后鄰近節(jié)點(diǎn)收集的電荷

從表2可看出，高能離子入射時(shí)，鄰近節(jié)點(diǎn)收集的電荷約為4 fC，低能離子入射時(shí)，收集的電荷小于1 fC。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，該器件的臨界電荷約為3 fC，因此高能Kr離子入射后，鄰近節(jié)點(diǎn)收集到的電荷可能使存儲單元發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)恢復(fù)，使其截面小于低能離子。因此，低能離子測試的結(jié)果相對保守。

3 結(jié)論

本文基于北京HI-13串列加速器的單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)終端對0.15 μm SRAM進(jìn)行了測試，再次驗(yàn)證了SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線接近飽和區(qū)部分，高能離子單粒子翻轉(zhuǎn)截面低于低能離子的現(xiàn)象，并對此現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析。

采用Geant4的模擬結(jié)果表明，相同LET條件下，高能離子電離能量沉積分布的半徑大于低能離子的，可在較遠(yuǎn)處沉積電荷；高能離子入射后相鄰節(jié)點(diǎn)收集電荷的平均值大于該器件的臨界電荷，可使存儲單元發(fā)生第2次翻轉(zhuǎn)，這一機(jī)制是造成高能離子單粒子翻轉(zhuǎn)截面偏小的原因之一，低能離子的單粒子翻轉(zhuǎn)測試結(jié)果相對保守。

參考文獻(xiàn)：

[1] STASSINOPOULOS E G, RAYMOND J P. The space radiation environment for electronics[J]. Proceedings of the IEEE, 1988, 76(11): 1 423-1 442.

[2] DUZELLIER S, FALGUERE D, MOULIERE L, et al. SEE results using high energy ions[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1995, 42(6): 1 797-1 802.

[3] DODD P E, SCHWANK J R, SHANEYFELT M R, et al. Heavy ion energy effects in CMOS SRAMs[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2007, 54(4): 889-893.

[4] DODD P E, SCHWANK J R, SHANEYFELT M R, et al. Impact of heavy ion energy and nuclear interactions on single-event upset and latchup in integrated circuits[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2007, 54(6): 2 303-2 311.

[5] KOGA R, CRAIN S H, CRAIN W R, et al. Comparative SEU sensitivities to relativistic heavy ions[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2 475-2 482.

[6] DODD P E, MUSSEAU O, SHANEYFELT M R, et al. Impact of ion energy on single-event upset[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2 483-2 491.

[7] KIHARA Y, NAKASHIMA Y, IZUTSU T, et al. A 16M SRAM with improved characteristics using DRAM technology[C]∥Asian Solid-State Circuits Conference. Hsinchu: [s. n.], 2005: 17-20.

[8] O’BRYAN M V, POIVEY C F, STEPHEN P B, et al. Compendium of current single event effects results for candidate spacecraft electronics for NASA[C]∥Radiation Effects Data Workshop. [S. l.]: IEEE, 2007: 153-161.

[9] CHATTERJEE I, NARASIMHAM B, MAHATME N N, et al. Single-event charge collection and upset in 40 nm dual- and triple-well bulk CMOS SRAMs[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2011, 58(6): 2 761-2 767.

[10] ATKINSON N M, WITULSKI A F, HOLMAN W T, et al. Layout technique for single-event transient mitigation via pulse quenching[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2011, 58(3): 885-890.

[11] AHLBIN J R, MASSENGILL L W, BHUVA B L, et al. Single-event transient pulse quenching in advanced CMOS logic circuits[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2009, 56(6): 3 050-3 056.

[12] HOWARD J W, Jr, BLOCK R C, DUSSAULT H, et al. A novel approach for measuring the radial distribution of charge in a heavy-ion track[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41(6): 2 077-2 084.

[13] FINCH E C, ASGHAR M, FORTE M. Plasma and recombination effects in the fission fragment pluse height defect in a suface barrier detector[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1979, 163(2-3): 467-477.

[14] ABADIR G B, FIKRY W, RAGAI H F, et al. A device simulation and model verification of single event transients in n+p junctions[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2005, 52(5): 1 518-1 523.

[15] DODD P E, SHANEYFELT M R, HORN K M, et al. SEU-sensitive volumes in bulk and SOI SRAMs from first-principles calculations and experiments[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2001, 48(6): 1 893-1 903.