大容量抗辐射加固SRAM器件单粒子效应试验研究

余永涛，陈毓彬，水春生，王小强，冯发明，费武雄

（1. 工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2. 华南理工大学 电子与信息学院，广州 510641）

0 引言

空间辐射环境中的高能带电粒子入射到航天器电子系统中，会引发集成电路器件的单粒子效应（SEE），包括单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）、单粒子瞬态（SET）等，严重影响航天器的在轨安全和可靠运行。静态随机存储器（SRAM）是航天器电子系统中的关键存储载体，广泛用于微处理器和SoC芯片的高速缓存。随着半导体工艺器件特征尺寸的缩小，宇航用SRAM的容量越来越大，空间辐射环境中的重离子诱发单粒子效应愈加严重[1-3]，必须对SRAM进行抗辐射加固并通过地面模拟试验验证其抗单粒子效应性能。因此，开展大容量SRAM的单粒子效应研究对于保证其在空间环境的可靠性具有重要意义。

目前抗辐射加固SRAM产品主要有基于Bulk（体硅）CMOS工艺和基于SOI（绝缘体上硅）CMOS工艺这2种器件。本工作分别针对基于这2种工艺的抗辐射加固SRAM器件，利用重离子加速器开展单粒子效应模拟试验对比研究，基于试验获得的SRAM器件单粒子效应特性进行SEU在轨翻转率预估，并对试验结果进行讨论和分析，以期为宇航用大容量SRAM器件的SEE试验，以及选用、评估提供参考。

1 试验方案

1.1 SRAM单粒子效应测试系统

SRAM器件单粒子效应测试系统由测试电路板、测试主板、控制计算机和远程计算机组成（见图1）。被测器件（DUT）放置于测试电路板上送入重离子加速器装置中进行辐照试验。测试系统的关键部分是测试主板，由电源模块、接口模块、主控模块、缓存模块、电流监控模块等组成（见图2）。电源模块为测试系统提供电源；USB接口模块实现主板与控制计算机间的通信，并为接受测试的SRAM器件提供工作电源；主控模块接收USB接口的命令信号并产生控制信号进而通过接口模块控制SRAM器件的数据读取；缓存模块存储SRAM测试图形数据和辐照试验中从SRAM读出的数据；电流监控模块实时监测SRAM的电流大小，并将电流数值进行A/D转换后传入主控模块——若器件电流过大，电流监控模块中的继电器断电，从而实现SEL的检测和被测器件的保护。

图1 SRAM器件单粒子效应测试系统Fig. 1 Schematic diagram of SEE test system for SRAM

图2 SRAM器件单粒子效应测试系统主板结构Fig. 2 The mainboard of SEE test system for SRAM

1.2 SRAM单粒子效应测试方法

SRAM器件的单粒子效应主要是SEL和SEU。SEL测试时，为了模拟器件最恶劣的偏置条件，器件工作电压为电源电压容限的上限。当电源电流突然增大超过设定阈值，且只能通过断电重新配置才能恢复正常（不能直接复位），则判断为发生SEL。此时计算机自动记录1次SEL，并对被测器件实施断电、复位和配置，确保器件恢复到正常工作状态。SEU测试时，器件工作电压为电源电压容限的下限，器件存储数据为0x55、0xAA交替写入。在进行辐照试验时，测试系统检测器件全地址的存储数据，并与原数据对比，若不一致则认为发生SEU。随后测试系统记录错误地址和错误值并通过串口发回上位机，并将错误数据改写为正确数据。

1.3 被测器件和辐照源

辐照试验的被测器件为大容量Bulk CMOS工艺SRAM和SOI CMOS工艺SRAM，存储容量分别为 32 Mbit（1 M×32 bit）和 16 Mbit（512 k×32 bit），2款器件的特性参数相近，如表1所示。测试时，每种器件选取3只受试，以3只器件测试数据的均值作为单粒子效应特性数值。

表1 被测器件特性Table 1 Descriptions of the DUTs

重离子辐照源分别采用中国原子能科学研究院的HI-13串列静电加速器和中国科学院兰州近代物理研究所的HIRFL回旋加速器。根据国内现有的辐照重离子条件，选取不少于5个不同LET值的重离子进行试验。重离子的LET值从低到高，如表2所示。

表2 SEE试验用重离子特性Table 2 Ion species, energy, LET and range in silicon for SRAM’s SEE test

2 试验结果及分析讨论

对被测器件进行重离子辐照，根据重离子注量和相应的器件存储数据翻转位数，按照单粒子翻转效应截面的计算公式

计算得到不同LET值条件下的SEU截面。式中：Nupset为发生翻转的存储位数；F为离子注量；N为器件容量（当计算整个器件的翻转截面时，N=1）；θ为离子入射倾角。

2.1 Bulk SRAM单粒子效应试验结果

如图3所示，32 M Bulk SRAM的SEU截面随入射离子LET值的增大而增大，3只器件的试验数据基本一致，当入射离子LET值为9.0 MeV·cm2/mg时，没有产生翻转；LET值达到50 MeV·cm2/mg时，SEU截面逐渐饱和。利用Weibull函数进行数据拟合得到：32 M Bulk SRAM的SEU饱和截面σsat为7.32×10-4cm2，换算到单个存储位为2.18×10-11cm2/bit；SEU阈值LETth为1.2 MeV·cm2/mg。但根据辐照试验结果，LETth应该在 9.0～13.1 MeV·cm2/mg之间。

图3 Bulk SRAM的SEU截面曲线Fig. 3 SEU cross section of the Bulk SRAM vs ion LET

在单粒子锁定试验过程中，32 M Bulk SRAM器件的2路供电电流没有显著增大，表明器件的SEL阈值大于99.8 MeV·cm2/mg。

2.2 SOI SRAM单粒子效应试验结果

如图4所示，16 M SOI SRAM的单粒子翻转效应截面随入射离子LET值增大而增大，3只器件的试验数据偏差不大，LET值达到50 MeV·cm2/mg时，SEU截面逐渐饱和。利用Weibull函数进行数据拟合得到：SEU 饱和截面σsat为 2.9×10-4cm2，换算到单个存储位为1.73×10-11cm2/bit；SEU的阈值LETth为 8.4 MeV·cm2/mg。

图4 SOI SRAM的SEU截面曲线Fig. 4 SEU cross section of the SOI SRAM vs ion LET

在SOI SRAM的单粒子翻转试验中，SEU分为2种，即1翻0（1→0）和0翻1（0→1）。如图5所示，随着入射离子LET值的增大，不同SEU类型的翻转截面表现出明显的差异，0翻1的截面显著大于1翻0的截面，前者是后者的4～12倍。

图5 SOI SRAM不同SEU类型的翻转截面曲线Fig. 5 SEU cross section of SOI SRAM for different upsetpattern

在单粒子锁定试验过程中，16 M SOI SRAM器件的2路供电电流没有显著增大，表明器件的SEL阈值大于99.8 MeV·cm2/mg。

2.3 分析与讨论

2.3.1 对重离子射程的要求

在重离子试验条件中，除了重离子LET值外，重离子的射程也是单粒子效应试验的关键影响因素。目前国内外相关的试验标准均规定“选择的离子在Si中要有足够的射程，一般大于30 μm”[4-5]。本工作在进行16 M SOI SRAM器件重离子辐照试验时，由于离子能量所限，I离子的射程为25.4 μm。根据SOI工艺结构，在顶层硅和背衬底之间加入一层SiO2绝缘氧化层（BOX层），然后在BOX层的硅膜上制作器件和电路。如图6所示，由单粒子效应电荷收集机理，SOI器件的SEU灵敏层很薄，同时绝缘层SiO2隔离了入射重离子“漏斗效应”在衬底上产生的电子–空穴扩散和漂移电荷，使得SOI器件的单粒子效应电荷收集距离远小于Bulk器件的[6]。

图6 重离子在Bulk和SOI工艺器件结构中产生单粒子翻转的电荷收集示意Fig. 6 Ion-induced single event charge collection in bulk MOS device and SOI MOS device

采用SOI工艺的器件硅膜厚度与Bulk工艺的器件相比非常薄，16 M SOI SRAM器件的顶层SEU灵敏层厚度TSV为0.3 μm；同时器件采用4层金属1层多晶的工艺结构，器件表面的钝化层厚度TOL为6.3 μm。在单粒子效应试验中，重离子射程RT的要求为

I离子的射程为25.4 μm，远大于所要求的重离子射程（6.6 μm），可以穿透器件表面钝化层和SEU灵敏层。根据不同LET值和射程离子的辐照试验结果，I离子的SEU截面比Ge离子以及Ti离子的大，也可以说明射程为25.4 μm的I离子能有效诱发SEU。

本工作中32 M Bulk SRAM器件的表面钝化层厚度达到10 μm以上，SEU灵敏层厚度为1.5 μm，重离子射程要求接近SOI SRAM的2倍。目前0.5～0.13 μm SOI SRAM器件表面的金属层、钝化层等厚度一般不足8 μm，小于Bulk工艺器件的。同时SOI SRAM的SEU灵敏层厚度一般为0.2～0.4 μm，先进SOI工艺器件的SEU灵敏层厚度甚至达到10 nm以下，远小于Bulk工艺器件的[6]。另外，由于Bulk工艺SRAM器件的SEU灵敏层厚度较大，为了保证重离子在穿透灵敏层过程中LET值不发生显著变化，也要求更长的重离子射程；而SOI SRAM的SEU灵敏层厚度非常小，重离子在穿透SEU灵敏层过程中的LET值变化可以忽略。因此，SOI SRAM器件单粒子效应试验的重离子射程不需很长，在实际开展重离子模拟单粒子效应试验时，可根据单粒子效应类型和器件工艺结构，计算评估重离子的射程要求。

2.3.2 不同SEU类型的翻转截面差异

在16 M SOI SRAM的单粒子翻转试验中，发现不同SEU类型的翻转截面相差4～12倍，相对于1翻0，0翻1的敏感性更强。如图7所示，该SOI SRAM的存储阵列单元采用了基于ADE（active delay element）电路级加固的单元结构，即在传统的6管SRAM单元电路的反馈回路上增加了1个NMOS管（N5）。根据单粒子翻转的动态过程，翻转是否发生依赖于恢复过程和反馈过程的竞争。当ADE处于高阻状态时，RC延迟增加了单粒子翻转所需要的反馈时间，从而提高了器件抗单粒子翻转的能力。但该SRAM存储单元2条反馈回路的结构不对称，存储节点Q到P1、N1栅极的反馈回路上有ADE，而节点到P2、N2栅极的反馈回路上没有ADE，这使得单粒子翻转过程中1翻0反馈回路的反馈时间更长，发生翻转的难度更大。对于常规的6 T存储单元SRAM，由于具有完全对称的单元电路结构，1翻0和0翻1的敏感性没有差异。但对于抗辐射加固SRAM，常见的加固方法包括工艺加固、电路加固、系统加固等，由于单元结构和翻转动态过程可能存在的不对称性，会产生1翻0和0翻1的翻转敏感性差异，这对SEU测试提出了新的要求[7-8]。目前的单粒子辐照试验中，测试数据通常为FFH、00H或55H、AAH等单一类型。为了在地面模拟试验最恶劣条件下抗辐射加固SRAM器件的SEU特性，应针对多种不同测试图形开展SEU测试，从而获得最敏感的SEU特性指标。

图7 SOI SRAM存储单元结构Fig. 7 Structure of the SOI SRAM memory cell

3 在轨翻转率预估及讨论

根据Weibull拟合得到的SEU饱和截面σsat、SEU阈值LETth、形状参数S、尺度参数W等，选取GEO典型空间轨道环境（35 876 km，0°），重离子辐射环境模型为CRÈME 96，粒子全方向入射，3 mm等效Al屏蔽，利用OMERE 4.0软件对器件在轨翻转率进行预估[9]，结果为：16 M SOI SRAM器件的在轨翻转率为5.78×10-15bit-1·d-1， 而 32 M Bulk SRAM 器件的在轨翻转率为 1.36×10-10bit-1·d-1。根据SEU辐照试验结果，Bulk SRAM和SOI SRAM的翻转截面相近，分别为2.18×10-11cm2/bit和1.73×10-11cm2/bit，但Bulk SRAM的在轨翻转率预估值却高了4个数量级以上。这是因为单粒子效应在轨预估采用的计算模型为IRPP模型，利用试验获得的σ–LET数据点进行Weibull拟合得到整个LET谱范围内的σ–LET函数关系曲线（如图8所示），然后与空间辐射环境的重离子等效微分能谱进行乘积并积分，从而得到在轨翻转率预估值。其中，翻转的临界电荷QC由Weibull拟合得到的LETth计算得到，

图8 RPP模型与IRPP模型采用的σ–LET曲线Fig. 8 σ–LET adopted in the RPP and IRPP model,respectively

式中：ρ为Si的密度；d为单粒子效应灵敏体积厚度；Eion为重离子电离产生1个电子–空穴对需要的能量。LETth直接决定了翻转的临界电荷QC，是影响在轨单粒子翻转率计算最重要的参数[10]。在32 M Bulk SRAM的在轨翻转率计算中，采用了Weibull拟合得到的LETth=1.2 MeV·cm2/mg，但根据辐照试验结果Bulk SRAM的SEU阈值LETth实际为9.0～13.1 MeV·cm2/mg，导致严重高估了Bulk SRAM的在轨翻转率。

在单粒子效应在轨预估中，除了IRPP模型外，常用的计算模型还有RPP模型。该模型采用σsat和LETth这2个参数构成的阶跃函数表示σ–LET关系（如图8所示），其计算结果要比IRPP模型的更保守或恶劣[11]。因此，对于32 M Bulk SRAM器件，Weibull拟合得到的LETth与试验结果相差较大，可以利用RPP模型计算在轨翻转率。以辐照试验获得的 9.0 MeV·cm2/mg作为 LETth，以 2.18×10-11cm2作为饱和截面σsat，在轨翻转率计算结果为 2.76×10-14bit-1·d-1，比利用 Weibull拟合参数计算的结果低3个数量级以上，与SOI SRAM的在轨翻转率较为一致。由于单粒子效应辐照试验结果自身存在离散性，同时辐照能够获得的试验数据点非常有限，一般不超过5个数据点，拟合得到的SEU特性参数可能存在较大偏差，其中对单粒子翻转效应在轨翻转率预估起决定性影响的参数是LETth。因此，为避免辐照试验及数据拟合造成LETth和在轨翻转率等指标的严重偏差，可尽量通过辐照试验获得更为准确的LETth范围，并以试验结果对在轨翻转率进行预估。

4 结论及建议

本工作通过重离子辐照模拟试验获得了大容量抗辐射加固32 M Bulk CMOS工艺SRAM和16 M SOI CMOS工艺SRAM的单粒子效应特性，这2种器件的 SEL阈值 LETth均大于 99.8 MeV·cm2/mg，典型 GEO 在轨翻转率均小于 1×10-10bit-1·d-1，2 款SRAM的性能参数相近，经过抗辐射加固优化设计，都达到了较高的抗单粒子效应性能指标。SOI SRAM器件的表面钝化层厚度和SEU灵敏层厚度均小于Bulk SRAM的，诱发SEU的重离子射程要求相对较低。16 M SOI SRAM的SEU试验中，由于存储单元电路结构的非对称性，1翻0和0翻1的敏感性存在显著差异。为了更加准确地测试最恶劣条件下抗辐射加固SRAM器件的SEU特性，应针对多种不同测试图形开展SEU测试，从而获得最敏感的SEU特性指标。另外，为避免辐照试验及数据拟合造成LETth和在轨翻转率等指标的严重偏差，可通过单粒子效应辐照试验获得更为准确的LETth，并以试验结果进行在轨翻转率预估。