离子径迹结构对SRAM单粒子翻转截面的影响

高丽娟，郭 刚，蔡 莉，何安林

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

宇宙空间环境中存在大量的高能粒子，这些高能粒子可能使航天器上的微电子器件发生单粒子效应，影响其运行。微电子器件投入使用前，须对其进行地面单粒子效应模拟实验。通常，实验中以线性能量转移为参数，获得器件的单粒子效应截面曲线，结合空间辐射环境模型预估器件的在轨错误率，因此单粒子效应截面的测试结果严重影响器件的评估结果，然而宇宙空间的重离子和地面加速器产生的能量差别较大，前者约几十MeV/u～几百GeV/u，后者仅几MeV/u～几百MeV/u[1]。大量实验结果表明，相同LET的不同离子测试得到的单粒子效应截面存在一定的差别[2-4]。在截面曲线接近饱和区部分，高能离子的测试结果低于低能离子的，有研究者指出这种差别是高、低能离子径迹结构不同造成的，但并未对其进行理论分析。而文献[5-6]实验得到高、低能离子截面差别很小，认为这种差别来源于实验误差。本文拟对此现象进行进一步研究，基于北京HI-13串列加速器的单粒子效应实验终端对0.15 μm工艺的SRAM进行单粒子翻转测试，并与国外高能离子的结果作对比，利用Geant4对单粒子翻转截面接近饱和区的测试结果进行模拟分析。

1 测试实验

1.1 实验过程

基于北京HI-13串列加速器单粒子效应辐照终端，对日本瑞萨公司生产的商用SRAM进行测试。由于采用了新的薄膜晶体管(TFT)工艺，该器件的存储单元面积大幅缩小，仅为1 μm×0.98 μm[7]，图1为该器件存储单元的剖面图。

图1 被测器件存储单元的剖面图

根据已有的测试数据[8]可知，该器件对单粒子翻转较敏感。本文在测试中选择的离子及参数列于表1。

表1 实验离子及参数

1.2 实验结果

图2 单粒子翻转截面测试结果

经测试，器件的单粒子翻转截面如图2所示。从图2可看出，在接近饱和区，文献[7]测得的高能单粒子翻转截面略小于本文的低能单粒子翻转截面。这一结果与文献[6]的测试结果一致(图3)。图3中BNL实验离子为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实验离子为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实验离子为能量均为60 MeV/u的Xe、Kr、Ar。BNL离子能量大多小于10 MeV/u。

文献[6]认为，高、低能离子翻转截面的差别来源于实验误差。但从图3可看出，低能离子的翻转截面是高能离子的2～3倍，且这一现象在文献[2-4]中亦出现，国际上普遍发现，在饱和截面区域，低能重离子测试截面更为保守。因此认为这种现象的存在可能存在深层次的物理机制，不能简单地将出现这种现象的原因归因为实验误差。

图3 文献[6]的测试结果

2 模拟计算

2.1 基本原理

随着器件特征尺寸的减小，当离子入射电路中的某一器件时，对入射器件及其相邻器件均会造成影响，这种现象称为电荷共享。若相邻存储单元共享电荷则可能使器件发生多位翻转；若电荷共享仅发生在SRAM的同一个存储单元中，则可能发生单粒子翻转恢复。

图4为单粒子翻转恢复示意图，假定存储单元逻辑状态为1，此时晶体管T1、T4截止，T2、T3导通，节点1、2为低电平，3、4为高电平。当离子入射截止T1的漏区时会使反相器I1的输出由高电平变为低电平，节点4的电平也随之降低，反相器I2的输出由低电平变为高电平，T4由截止变为导通，T2由导通变为截止，存储单元发生1次翻转。此时，整个电路未完全稳定，离子入射沉积能量产生的电荷也未完全消失。与T1处于同一阱中的T2的漏区会继续收集剩余电荷，当电荷收集到一定量时，T2又会导通，使反相器I2的输出由高电平变为低电平，反相器I1的输出由低电平变为高电平，存储单元即会恢复到初始状态，这种机制称为单粒子翻转恢复[9]，类似于组合逻辑电路中的脉冲衰减效应[10-11]。

2.2 初始离子径迹结构计算

该计算主要针对SRAM单粒子翻转截面曲线接近饱和区部分，该区域可忽略核反应的影响，因此，计算离子径迹的初始分布时，采用Geant4中的低能电磁物理PENELOPE代码进行模拟。

由于入射离子及δ电子沉积能量的平均值呈径向对称分布[12]，用聚焦圆筒作为记录能量沉积的灵敏体积，其半径由内向外呈对数增加，离子沿聚焦圆筒中心入射，为获得较好的统计，计算离子数为106。

图4 单粒子翻转恢复示意图

本文计算了3组单粒子效应测试中常用的LET相同但能量不同的离子能量沉积分布(图5)。由图5可看出，离子的LET虽相同，但能量沉积分布存在差异：1) 低能离子电离半径远小于高能离子的；2) 低能离子径迹中心的电荷密度远高于高能离子的。

对早期特征尺寸较大的器件，敏感区面积较大，高、低能离子沉积的能量均集中在器件的灵敏区内，单粒子效应不会有明显的差别。但随着器件特征尺寸的减小，高能离子可在灵敏区外沉积能量，这部分能量可能影响邻近节点的电荷收集。

2.3 邻近节点的电荷收集

上述的计算结果表明，高能离子可能会在相邻节点沉积较多的能量，但由于能量密度较小，器件的敏感区体积也很小，离子直接在灵敏区沉积的能量产生的电荷可能并不足以使存储单元发生第2次翻转，但由于器件间距较小，电荷可扩散至邻近节点，因此必须考虑双极扩散的影响。

离子入射器件沉积能量会产生由高密度电子-空穴对组成的等离子体柱，若不考虑双极扩散，这些电子-空穴对大部分将发生复合。根据Finch等[13]的研究，离子入射Si材料产生的等离子体柱持续时间约1 ns，在这段时间内，等离子柱的半径会随时间扩展。在考虑肖克莱-里德-霍尔(SRH)复合的前提下，浓度小于1019cm-3的载流子几乎不会复合。但这些载流子主要贡献于第1次翻转，沉积在较远处的电荷和在双极扩散作用下运动出初始灵敏区的电荷才可能为第2次翻转做贡献，载流子发生双极扩散时，扩散长度L与载流子的寿命τ和双极扩散系数D有关：

(1)

D=2DnDp/(Dn+Dp)

(2)

其中，Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数。结合载流子寿命[14]，可得到在等离子体消失前，仅有离子初始产生的浓度小于1017cm-3的载流子，才可能在双极扩散的作用下扩散出离子入射节点的耗尽区，并被相邻节点收集。

通常离子入射SRAM后约1 ns会发生第1次翻转[15]，此时离子径迹入射产生的高电导区消失，存在电场的区域恢复至晶体管漏极耗尽区附近，载流子的扩散接近自由扩散。

2.4 结果与讨论

根据离子初始电离能量沉积分布及载流子输运的特点，构建如图6所示的几何模型，计算离子入射SRAM同一存储单元内可能被邻近晶体管收集的电荷。

图6a为俯视图，图中的4个区域V1、V2、V3、V4分别对应图4中SRAM某一存储单元内4个晶体管的敏感区，d为晶体管T1和T2的中心距。

图6b为侧视图，纵向箭头代表离子径迹，x点是离子入射晶体管T1的位置，半圆表示自由电荷的扩散范围(B区)，其半径r是与时间相关的参数，当掺杂浓度为1017cm-3，扩散时间为2 ns时，r=2 μm。另外，在阱与衬底的交界处会形成势垒，从而限制载流子的扩散[9]，假定阱面积是存储单元面积的1/2，本文用1/2存储单元体积限制扩散边界(C区)，同时做以下假定：

1) 扩散区电场为零，载流子扩散不受电场的影响；

2) 存储单元中的阱面积为存储单元总面积的1/2，电荷扩散的最大范围为1/2存储单元体积，如图6b的C区，其纵向深度为10 μm；

图5 不同LET离子能量沉积分布

图6 扩散电荷计算几何结构示意图

3) 以敏感区为中心，扩散长度为r的半圆内的电荷会扩散至敏感区，r表征了特定时间内扩散电荷的范围，如图6b的B区；

4) 以离子径迹中心为标识，位于电荷收集中心相反方向的电荷不扩散至邻近敏感区；

5) 浓度大于1017cm-3的载流子不会扩散至邻近敏感区。

根据假定，在离子径迹形成时，沉积在A区中的电荷可能扩散至相邻节点，A区与离子径迹中心间的空隙的部分载流子浓度大于1017cm-3。

本文采用的器件存储单元的两个相邻晶体管的中心距约为0.6 μm(图1)，采用Geant4构建了如图6所示的灵敏体积进行计算，结果列于表2。

表2 相同LET不同能量离子入射后邻近节点收集的电荷

从表2可看出，高能离子入射时，邻近节点收集的电荷约为4 fC，低能离子入射时，收集的电荷小于1 fC。根据实验，该器件的临界电荷约为3 fC，因此高能Kr离子入射后，邻近节点收集到的电荷可能使存储单元发生单粒子翻转恢复，使其截面小于低能离子。因此，低能离子测试的结果相对保守。

3 结论

本文基于北京HI-13串列加速器的单粒子效应实验终端对0.15 μm SRAM进行了测试，再次验证了SRAM的单粒子翻转截面曲线接近饱和区部分，高能离子单粒子翻转截面低于低能离子的现象，并对此现象进行了理论分析。

采用Geant4的模拟结果表明，相同LET条件下，高能离子电离能量沉积分布的半径大于低能离子的，可在较远处沉积电荷；高能离子入射后相邻节点收集电荷的平均值大于该器件的临界电荷，可使存储单元发生第2次翻转，这一机制是造成高能离子单粒子翻转截面偏小的原因之一，低能离子的单粒子翻转测试结果相对保守。

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