不同特征尺寸SRAM質(zhì)子單粒子效應實驗研究

殷 倩，郭 剛,*，張鳳祁，郭紅霞，覃英參，孫波波

(1.中國原子能科學研究院 國防科技工業(yè)抗輻照應用技術創(chuàng)新中心，北京 102413；2.西北核技術研究院，陜西 西安 710024)

存儲器是微處理器的核心部件，用于存放微處理器運行時所需的各種程序和數(shù)據(jù)，其應用范圍十分廣泛，一直是國內(nèi)外單粒子效應研究的熱點[1-2]。靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)通常為6管CMOS器件組成的交叉耦合觸發(fā)器結(jié)構，廣泛應用于各類航空航天設備上，但其存儲單元面積相對較大，對輻射環(huán)境相對敏感，易發(fā)生軟錯誤[3]，且隨工藝尺寸的縮減，軟錯誤越發(fā)嚴重，幾乎已成為輻射環(huán)境中導致CMOS工藝集成電路功能異常的主要原因[4-5]。國內(nèi)外許多研究人員已對存儲器的單粒子效應開展了大量的研究[6-7]，但大多數(shù)集中在重離子對其的影響[8-10]，而質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中的主要成分，含量高、能量范圍廣，已逐漸成為輻射效應研究的熱點[11-12]。在進行地面模擬實驗研究過程中往往會對一些參數(shù)進行簡化處理，如僅在單個方向上對元器件進行輻照，此時可能無法觀察到器件的最劣響應。已有研究表明，當63 MeV質(zhì)子輻照器件時，在掠入射情況下多位翻轉(zhuǎn)(MBU)截面比垂直入射高近1個量級[13]。國內(nèi)可開展質(zhì)子單粒子效應地面模擬實驗的加速器裝置資源有限，尚未形成系統(tǒng)完整的實驗技術手段。本文在中國原子能科學研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器上開展一系列不同特征尺寸(150、90和65 nm)雙數(shù)據(jù)速率(DDR)Ⅱ SRAM質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)敏感性研究，分析質(zhì)子能量及入射角度對不同特征尺寸SRAM SEU飽和截面的影響規(guī)律及內(nèi)在機理，為納米器件SEU測試參數(shù)的選取及地面實驗方法提供技術支持。

1 實驗設置

1.1 束流條件與實驗樣品

質(zhì)子單粒子效應實驗在中國原子能科學研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器單粒子效應輻照終端(圖1)下進行。加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流通過導向器和四極透鏡到達可調(diào)狹縫，通過可調(diào)狹縫可調(diào)節(jié)束斑的大小并達到降束的目的；經(jīng)過雙環(huán)雙散射靶進行擴束及均勻化；最后到達輻照終端。輻照終端主要由二次電子監(jiān)督器(SEEM，在線監(jiān)督束流)、降能片組(降低束流能量)、準直器、樣品移動平臺及一系列探測裝置組成[14]，實驗全部在大氣環(huán)境下進行。選定加速器初始束流能量為100 MeV，到達輻照終端束流面積限制為5 cm×5 cm，利用法拉第筒(FC)測量此區(qū)域內(nèi)12個點的注量率得到束流分布均勻性好于94%。實驗樣品為Cypress公司不同特征尺寸的DDRⅡ SRAM，具體參數(shù)列于表1。

圖1 100 MeV質(zhì)子回旋加速器及單粒子效應輻照終端布局圖Fig.1 Layout of 100 MeV proton cyclotronaccelerator and single-event effect irradiation terminal

1.2 單粒子效應測試

采用西北核技術研究院開發(fā)建立的DDR模式SRAM單粒子效應測試系統(tǒng)對器件進行測試?；緶y試原理為：存儲器初始寫入數(shù)據(jù)為5555H，在輻照過程中對器件進行實時動態(tài)讀寫訪問，將讀取數(shù)據(jù)與初始值進行比較，若不一致即判定發(fā)生了翻轉(zhuǎn)并實時記錄翻轉(zhuǎn)邏輯地址，這樣即可得到總的翻轉(zhuǎn)位數(shù)，又可得到某一時刻的翻轉(zhuǎn)邏輯地址，便于之后進行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)完成1次循環(huán)監(jiān)測的時間約為0.25 s，完成1次錯誤記錄時間約為0.1 ms[9]。

表1 待測器件參數(shù)Table 1 Parameter of device under test

考慮到質(zhì)子與待測器件及樣品架周圍材料發(fā)生反應產(chǎn)生的中子等次級粒子可能會影響測試板的正常工作，實驗過程中僅將SRAM輻照板置于束流出口的樣品平臺上，供電單元、測試板與束流出口不在同一平面，距離約為2.5 m，并用含硼12%的聚乙烯板對測試板進行屏蔽。

1.3 實驗條件

根據(jù)束流條件和實驗需求，選取50、70和90 MeV 3個能量點，注量率約為107cm-2·s-1，累積注量為1.2×109cm-2。在每個能量點進行測試時，質(zhì)子分別沿0°(垂直入射)、30°、45°和60°方向?qū)ζ骷M行輻照，從而研究質(zhì)子能量和入射角度對同一系列不同特征尺寸SRAM器件單粒子效應翻轉(zhuǎn)截面的影響。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 質(zhì)子輻照實驗結(jié)果

圖2 垂直入射下不同特征尺寸SRAM SEU截面隨質(zhì)子能量的變化Fig.2 SEU cross-section for different SRAM devices as a function of proton energy under normal incident

圖2為垂直入射下不同特征尺寸SRAM SEU截面隨質(zhì)子能量的變化。國內(nèi)外研究結(jié)果[15-18]表明，3種不同特征尺寸SRAM在入射質(zhì)子能量大于50 MeV時，SEU截面均已達到飽和，且飽和截面與圖2中所示截面量級一致，因此認為在實驗測試的能量點下，3種SRAM的SEU截面即為其飽和截面。由圖2可知，150 nm SRAM飽和截面約為90 nm SRAM的7倍，90 nm SRAM與65 nm SRAM飽和截面較相近，僅相差3%～6%。根據(jù)摩爾定律，對于每個連續(xù)的技術節(jié)點，基本存儲單元的面積會減小為上一代的二分之一，這種尺寸上的減小會使得臨界電荷Qcrit和靈敏體積SV減小。SV的減小將會導致SEU飽和截面的降低，因此150 nm SRAM飽和截面與90 nm SRAM飽和截面存在差異。

同款90 nm和65 nm SRAM重離子輻照所得SEU截面表明，90 nm SRAM飽和截面為65 nm SRAM的2倍[9]，與質(zhì)子輻照測試結(jié)果所表現(xiàn)的趨勢出現(xiàn)了較大的差異。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于質(zhì)子與重離子引起納米級SRAM SEU機制的不同。從靈敏體積中能量沉積的角度考慮，質(zhì)子次級粒子的影響范圍大于重離子的范圍，導致質(zhì)子輻照時產(chǎn)生更多或更大規(guī)模的多單元翻轉(zhuǎn)(MCU)。

圖3 150 nm SRAM SEU截面與角度的相關性Fig.3 Angular dependence of SEU cross-section on 150 nm SRAM

不同質(zhì)子入射角度對不同特征尺寸SRAM SEU敏感性的影響如圖3～5所示。3種不同特征尺寸的SRAM在質(zhì)子傾角入射的情況下飽和截面均出現(xiàn)了不同程度的增大?？煽闯?，SRAM特征尺寸越小，質(zhì)子傾角入射對其影響越大。器件特征尺寸越小，在質(zhì)子傾角入射時能影響更多相鄰的存儲單元，發(fā)生MCU的概率越大，且其規(guī)模和復雜程度也會增大，因此會出現(xiàn)飽和截面持續(xù)增長的情況。傳統(tǒng)的質(zhì)子單粒子效應研究中僅考慮垂直入射下的SEU截面，會對器件的翻轉(zhuǎn)率造成不同程度的低估，且隨著器件特征尺寸的減小，這種翻轉(zhuǎn)率低估的現(xiàn)象還有可能越來越嚴重。

圖4 90 nm SRAM SEU截面與角度的相關性Fig.4 Angular dependence of SEU cross-section on 90 nm SRAM

圖5 65 nm SRAM SEU截面與角度的相關性Fig.5 Angular dependence of SEU cross-section on 65 nm SRAM

2.2 質(zhì)子輻照SRAM的結(jié)果分析

針對納米級SRAM器件質(zhì)子SEU實驗結(jié)果，基于蒙特卡羅方法，以65 nm SRAM為研究載體，開展質(zhì)子SEU的模擬研究。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式，建立了較為精確的幾何結(jié)構模型，對入射質(zhì)子在器件中的輸運進行模擬，跟蹤次級粒子并分析其影響范圍，計算靈敏體積內(nèi)的能量沉積，判定翻轉(zhuǎn)條件，得到翻轉(zhuǎn)截面。分析質(zhì)子能量及入射角度對器件靈敏體積內(nèi)電荷沉積的影響，解釋產(chǎn)生上述實驗結(jié)果的原因。

1) 模型建立

根據(jù)文獻[9]重離子實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)Weibull擬合得到LET閾值為0.3 MeV·cm2/mg；根據(jù)設計規(guī)則，65 nm SRAM臨界電荷為1.3 fC，臨界能量可根據(jù)臨界電荷由式(1)計算得到：

Ec=Qc×2.25×10-2

(1)

其中：Ec為臨界能量，MeV；Qc為臨界電荷，fC。按照在硅中產(chǎn)生一對電子空穴對需要3.6 eV，將Qc轉(zhuǎn)換為Ec，得到臨界能量為0.029 MeV。而LET閾值與臨界能量和靈敏體積厚度之間存在一定的比例關系，故靈敏體積深度可表示為：

(2)

其中：DSV為靈敏體積深度，nm；LETth為LET閾值，MeV·cm2/mg；ρSi為硅的密度，ρSi=2.32×103mg/cm3。計算得到靈敏體積的深度為0.42 μm。

隨著工藝的發(fā)展，質(zhì)子引起的器件SEU效應變得更為復雜，因此傳統(tǒng)的單一長方體靈敏體積模型已不足以完全模擬質(zhì)子引起的SEU效應，因此根據(jù)圖6所示的重離子測試結(jié)果的Weibull擬合值，在65 nm SRAM擬合曲線上提取5個不同LET值下的截面，構建深度為0.42 μm的靈敏體積嵌套模型，如圖7所示。

圖6 90 nm及65 nm SRAM重離子測試截面曲線[9]Fig.6 Cross-section curve of heavy-ionirradiation on 90 nm and 65 nm SRAMs[9]

模擬能量為90 MeV的106個質(zhì)子入射的情況，通過迭代不斷調(diào)整嵌套模型中各靈敏體積SV的收集效率，圖8為3種不同收集效率下所對應器件模型翻轉(zhuǎn)截面，當收集效率為case3時，沉積能量為0.029 5 MeV時所對應的截面為2.6×10-14cm2，與實驗結(jié)果吻合良好。

圖7 65 nm SRAM靈敏體積幾何結(jié)構模型Fig.7 Sensitive volume geometry model of 65 nm SRAM

圖8 65 nm SRAM SEU截面與沉積能量的關系Fig.8 SEU cross-section vs deposited energy of 65 nm SRAM

2) 影響范圍確定

在50～90 MeV能量范圍(LET范圍為6.3×10-3～9.8×10-3MeV·cm2/mg)內(nèi)，質(zhì)子引起65 nm SRAM器件單粒子效應主要依靠非直接電離的方式，入射質(zhì)子與器件材料中的原子核發(fā)生核反應，產(chǎn)生的次級粒子沉積能量導致SEU。不同能量的質(zhì)子與硅反應生成次級粒子的截面如圖9所示，為便于說明問題，在計算過程中對入射質(zhì)子能量范圍進行了適當?shù)臄U展?？煽闯觯S入射質(zhì)子能量的增大，打開的反應道越多，出射粒子原子序數(shù)逐漸在0～15范圍內(nèi)全部覆蓋。

圖9 次級粒子截面Fig.9 Secondary particle cross-section

圖10 入射質(zhì)子影響范圍示意圖Fig.10 Schematic diagram of incident proton influence range

出射粒子中的較重粒子往往是沿入射質(zhì)子方向繼續(xù)運動的，但生成的其他次級粒子會存在一定的出射角度，且質(zhì)子能量越高，次級產(chǎn)物出射角的張角越大，即影響的范圍也越大。本文模擬了109個質(zhì)子垂直穿過上述金屬布線層后在0.42 μm厚的Si層中沉積能量的分布(僅統(tǒng)計了沉積能量大于臨界能量Ec的部分，為便于給出定量數(shù)值，設SV=0.25 μm×0.5 μm×0.42 μm)，結(jié)果如圖10所示。在每個坐標點(x，y)上，給出模擬中該點沉積能量的數(shù)值，根據(jù)結(jié)果可知在本次模擬中能量沉積最大點坐標為(-0.1，-0.1)。模擬結(jié)果表明：沉積能量Edep>1 MeV的概率很小，比Edep=0.56 MeV平均低2個量級。根據(jù)模擬過程中選取的SV，統(tǒng)計得到單個入射質(zhì)子平均影響范圍約為1.2 μm×1 μm，明顯大于SRAM中單個存儲單元的面積，可能引發(fā)MCU。因為65 nm SRAM相比于90 nm SRAM存儲單元更小，集成度也更高，引起的MCU的規(guī)模會更大，可較好地解釋圖2與圖6中所表現(xiàn)出的質(zhì)子與重離子測試結(jié)果的不同。

質(zhì)子核反應產(chǎn)生的次級粒子更傾向于沿著質(zhì)子入射方向前向運動，本文在模擬過程中僅考慮了質(zhì)子垂直入射的情況，當質(zhì)子呈一定傾角入射時必然會影響更大的范圍，這是實驗評估過程中必須考慮的因素。

2.3 質(zhì)子輻照對MBU的影響

隨著存儲器中MBU概率的增加，針對MBU的抗輻照加固設計已成為研究熱點。本文所選擇的3款SRAM均采用了位交錯技術來抑制MBU事件的發(fā)生。位交錯技術是指將同一邏輯字節(jié)中的不同位放置到存儲器不同的物理地址上，當器件在質(zhì)子輻照時可能會引起物理地址上的MBU，但翻轉(zhuǎn)往往是在不同的字節(jié)中，即對MBU進行了分離，因此可通過檢錯糾錯予以糾正[19]。在實驗中觀察到150 nm SRAM在所有入射能量和入射角度下均出現(xiàn)了邏輯地址上的兩位翻轉(zhuǎn)，未觀察到更大規(guī)模的MBU。在入射質(zhì)子能量和傾角條件下，MBU概率為0.3%左右，暫時未發(fā)現(xiàn)明顯的能量和角度對MBU影響的規(guī)律性。這表明在本實驗進行的所有輻照條件下，這款SRAM很有可能出現(xiàn)了較大規(guī)模的MCU，導致即便器件采取了位交錯技術，MCU中也包含同一字節(jié)中的位翻轉(zhuǎn)，進而出現(xiàn)MBU。

文獻[20]中指出，MBU在SEU中所占百分比最后可能在90 nm技術節(jié)點以下顯著增加。本文在90 nm SRAM和65 nm SRAM上發(fā)現(xiàn)兩位翻轉(zhuǎn)發(fā)生的概率有所降低，僅為0.1%左右，且并不是所有能量和角度下都出現(xiàn)MBU。對于90 nm和65 nm SRAM與150 nm SRAM在MBU上出現(xiàn)的差異性，需對照位圖進行更為深入的分析。與文獻[10]相比，表明位交錯技術可較為有效地抑制MBU事件，但并不能完全避免，需進一步采取更為有效的加固方式。

3 結(jié)論

本文利用中國原子能科學研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器單粒子效應輻照終端首次開展了中能質(zhì)子對不同特征尺寸(150、90和65 nm)SRAM單粒子敏感性影響的研究，獲得了不同能量及不同入射角度的質(zhì)子輻照下3款SRAM的截面曲線。基于實驗數(shù)據(jù)采用蒙特卡羅方法構建了較為精確的計算模型，得到中能質(zhì)子在穿過金屬布線層后次級粒子的分布特征，獲得質(zhì)子及其次級粒子的能量沉積分布特性，認為65 nm SRAM中由質(zhì)子輻照產(chǎn)生更大規(guī)模的MCU是其飽和截面表現(xiàn)出與重離子輻照下不同特征的原因，同時也說明隨器件特征尺寸的降低，SEU飽和截面減小的趨勢會逐漸變緩。在質(zhì)子單粒子效應測試中應考慮傾角入射的影響，特別是在更小的特征尺寸器件中，僅關注垂直入射情況會對翻轉(zhuǎn)率造成不同程度的低估。