不同特征尺寸SRAM质子单粒子效应实验研究

殷 倩，郭 刚,*，张凤祁，郭红霞，覃英参，孙波波

(1.中国原子能科学研究院 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心，北京 102413；2.西北核技术研究院，陕西 西安 710024)

存储器是微处理器的核心部件，用于存放微处理器运行时所需的各种程序和数据，其应用范围十分广泛，一直是国内外单粒子效应研究的热点[1-2]。静态随机存储器(SRAM)通常为6管CMOS器件组成的交叉耦合触发器结构，广泛应用于各类航空航天设备上，但其存储单元面积相对较大，对辐射环境相对敏感，易发生软错误[3]，且随工艺尺寸的缩减，软错误越发严重，几乎已成为辐射环境中导致CMOS工艺集成电路功能异常的主要原因[4-5]。国内外许多研究人员已对存储器的单粒子效应开展了大量的研究[6-7]，但大多数集中在重离子对其的影响[8-10]，而质子是空间辐射环境中的主要成分，含量高、能量范围广，已逐渐成为辐射效应研究的热点[11-12]。在进行地面模拟实验研究过程中往往会对一些参数进行简化处理，如仅在单个方向上对元器件进行辐照，此时可能无法观察到器件的最劣响应。已有研究表明，当63 MeV质子辐照器件时，在掠入射情况下多位翻转(MBU)截面比垂直入射高近1个量级[13]。国内可开展质子单粒子效应地面模拟实验的加速器装置资源有限，尚未形成系统完整的实验技术手段。本文在中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上开展一系列不同特征尺寸(150、90和65 nm)双数据速率(DDR)Ⅱ SRAM质子单粒子翻转(SEU)敏感性研究，分析质子能量及入射角度对不同特征尺寸SRAM SEU饱和截面的影响规律及内在机理，为纳米器件SEU测试参数的选取及地面实验方法提供技术支持。

1 实验设置

1.1 束流条件与实验样品

质子单粒子效应实验在中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器单粒子效应辐照终端(图1)下进行。加速器产生的质子束流通过导向器和四极透镜到达可调狭缝，通过可调狭缝可调节束斑的大小并达到降束的目的；经过双环双散射靶进行扩束及均匀化；最后到达辐照终端。辐照终端主要由二次电子监督器(SEEM，在线监督束流)、降能片组(降低束流能量)、准直器、样品移动平台及一系列探测装置组成[14]，实验全部在大气环境下进行。选定加速器初始束流能量为100 MeV，到达辐照终端束流面积限制为5 cm×5 cm，利用法拉第筒(FC)测量此区域内12个点的注量率得到束流分布均匀性好于94%。实验样品为Cypress公司不同特征尺寸的DDRⅡ SRAM，具体参数列于表1。

图1 100 MeV质子回旋加速器及单粒子效应辐照终端布局图Fig.1 Layout of 100 MeV proton cyclotronaccelerator and single-event effect irradiation terminal

1.2 单粒子效应测试

采用西北核技术研究院开发建立的DDR模式SRAM单粒子效应测试系统对器件进行测试。基本测试原理为：存储器初始写入数据为5555H，在辐照过程中对器件进行实时动态读写访问，将读取数据与初始值进行比较，若不一致即判定发生了翻转并实时记录翻转逻辑地址，这样即可得到总的翻转位数，又可得到某一时刻的翻转逻辑地址，便于之后进行数据分析。系统完成1次循环监测的时间约为0.25 s，完成1次错误记录时间约为0.1 ms[9]。

表1 待测器件参数Table 1 Parameter of device under test

考虑到质子与待测器件及样品架周围材料发生反应产生的中子等次级粒子可能会影响测试板的正常工作，实验过程中仅将SRAM辐照板置于束流出口的样品平台上，供电单元、测试板与束流出口不在同一平面，距离约为2.5 m，并用含硼12%的聚乙烯板对测试板进行屏蔽。

1.3 实验条件

根据束流条件和实验需求，选取50、70和90 MeV 3个能量点，注量率约为107cm-2·s-1，累积注量为1.2×109cm-2。在每个能量点进行测试时，质子分别沿0°(垂直入射)、30°、45°和60°方向对器件进行辐照，从而研究质子能量和入射角度对同一系列不同特征尺寸SRAM器件单粒子效应翻转截面的影响。

2 实验结果及分析

2.1 质子辐照实验结果

图2 垂直入射下不同特征尺寸SRAM SEU截面随质子能量的变化Fig.2 SEU cross-section for different SRAM devices as a function of proton energy under normal incident

图2为垂直入射下不同特征尺寸SRAM SEU截面随质子能量的变化。国内外研究结果[15-18]表明，3种不同特征尺寸SRAM在入射质子能量大于50 MeV时，SEU截面均已达到饱和，且饱和截面与图2中所示截面量级一致，因此认为在实验测试的能量点下，3种SRAM的SEU截面即为其饱和截面。由图2可知，150 nm SRAM饱和截面约为90 nm SRAM的7倍，90 nm SRAM与65 nm SRAM饱和截面较相近，仅相差3%～6%。根据摩尔定律，对于每个连续的技术节点，基本存储单元的面积会减小为上一代的二分之一，这种尺寸上的减小会使得临界电荷Qcrit和灵敏体积SV减小。SV的减小将会导致SEU饱和截面的降低，因此150 nm SRAM饱和截面与90 nm SRAM饱和截面存在差异。

同款90 nm和65 nm SRAM重离子辐照所得SEU截面表明，90 nm SRAM饱和截面为65 nm SRAM的2倍[9]，与质子辐照测试结果所表现的趋势出现了较大的差异。这种现象的产生主要是由于质子与重离子引起纳米级SRAM SEU机制的不同。从灵敏体积中能量沉积的角度考虑，质子次级粒子的影响范围大于重离子的范围，导致质子辐照时产生更多或更大规模的多单元翻转(MCU)。

图3 150 nm SRAM SEU截面与角度的相关性Fig.3 Angular dependence of SEU cross-section on 150 nm SRAM

不同质子入射角度对不同特征尺寸SRAM SEU敏感性的影响如图3～5所示。3种不同特征尺寸的SRAM在质子倾角入射的情况下饱和截面均出现了不同程度的增大。可看出，SRAM特征尺寸越小，质子倾角入射对其影响越大。器件特征尺寸越小，在质子倾角入射时能影响更多相邻的存储单元，发生MCU的概率越大，且其规模和复杂程度也会增大，因此会出现饱和截面持续增长的情况。传统的质子单粒子效应研究中仅考虑垂直入射下的SEU截面，会对器件的翻转率造成不同程度的低估，且随着器件特征尺寸的减小，这种翻转率低估的现象还有可能越来越严重。

图4 90 nm SRAM SEU截面与角度的相关性Fig.4 Angular dependence of SEU cross-section on 90 nm SRAM

图5 65 nm SRAM SEU截面与角度的相关性Fig.5 Angular dependence of SEU cross-section on 65 nm SRAM

2.2 质子辐照SRAM的结果分析

针对纳米级SRAM器件质子SEU实验结果，基于蒙特卡罗方法，以65 nm SRAM为研究载体，开展质子SEU的模拟研究。结合实验数据与经验公式，建立了较为精确的几何结构模型，对入射质子在器件中的输运进行模拟，跟踪次级粒子并分析其影响范围，计算灵敏体积内的能量沉积，判定翻转条件，得到翻转截面。分析质子能量及入射角度对器件灵敏体积内电荷沉积的影响，解释产生上述实验结果的原因。

1) 模型建立

根据文献[9]重离子实验数据，经Weibull拟合得到LET阈值为0.3 MeV·cm2/mg；根据设计规则，65 nm SRAM临界电荷为1.3 fC，临界能量可根据临界电荷由式(1)计算得到：

Ec=Qc×2.25×10-2

(1)

其中：Ec为临界能量，MeV；Qc为临界电荷，fC。按照在硅中产生一对电子空穴对需要3.6 eV，将Qc转换为Ec，得到临界能量为0.029 MeV。而LET阈值与临界能量和灵敏体积厚度之间存在一定的比例关系，故灵敏体积深度可表示为：

(2)

其中：DSV为灵敏体积深度，nm；LETth为LET阈值，MeV·cm2/mg；ρSi为硅的密度，ρSi=2.32×103mg/cm3。计算得到灵敏体积的深度为0.42 μm。

随着工艺的发展，质子引起的器件SEU效应变得更为复杂，因此传统的单一长方体灵敏体积模型已不足以完全模拟质子引起的SEU效应，因此根据图6所示的重离子测试结果的Weibull拟合值，在65 nm SRAM拟合曲线上提取5个不同LET值下的截面，构建深度为0.42 μm的灵敏体积嵌套模型，如图7所示。

图6 90 nm及65 nm SRAM重离子测试截面曲线[9]Fig.6 Cross-section curve of heavy-ionirradiation on 90 nm and 65 nm SRAMs[9]

模拟能量为90 MeV的106个质子入射的情况，通过迭代不断调整嵌套模型中各灵敏体积SV的收集效率，图8为3种不同收集效率下所对应器件模型翻转截面，当收集效率为case3时，沉积能量为0.029 5 MeV时所对应的截面为2.6×10-14cm2，与实验结果吻合良好。

图7 65 nm SRAM灵敏体积几何结构模型Fig.7 Sensitive volume geometry model of 65 nm SRAM

图8 65 nm SRAM SEU截面与沉积能量的关系Fig.8 SEU cross-section vs deposited energy of 65 nm SRAM

2) 影响范围确定

在50～90 MeV能量范围(LET范围为6.3×10-3～9.8×10-3MeV·cm2/mg)内，质子引起65 nm SRAM器件单粒子效应主要依靠非直接电离的方式，入射质子与器件材料中的原子核发生核反应，产生的次级粒子沉积能量导致SEU。不同能量的质子与硅反应生成次级粒子的截面如图9所示，为便于说明问题，在计算过程中对入射质子能量范围进行了适当的扩展。可看出，随入射质子能量的增大，打开的反应道越多，出射粒子原子序数逐渐在0～15范围内全部覆盖。

图9 次级粒子截面Fig.9 Secondary particle cross-section

图10 入射质子影响范围示意图Fig.10 Schematic diagram of incident proton influence range

出射粒子中的较重粒子往往是沿入射质子方向继续运动的，但生成的其他次级粒子会存在一定的出射角度，且质子能量越高，次级产物出射角的张角越大，即影响的范围也越大。本文模拟了109个质子垂直穿过上述金属布线层后在0.42 μm厚的Si层中沉积能量的分布(仅统计了沉积能量大于临界能量Ec的部分，为便于给出定量数值，设SV=0.25 μm×0.5 μm×0.42 μm)，结果如图10所示。在每个坐标点(x，y)上，给出模拟中该点沉积能量的数值，根据结果可知在本次模拟中能量沉积最大点坐标为(-0.1，-0.1)。模拟结果表明：沉积能量Edep>1 MeV的概率很小，比Edep=0.56 MeV平均低2个量级。根据模拟过程中选取的SV，统计得到单个入射质子平均影响范围约为1.2 μm×1 μm，明显大于SRAM中单个存储单元的面积，可能引发MCU。因为65 nm SRAM相比于90 nm SRAM存储单元更小，集成度也更高，引起的MCU的规模会更大，可较好地解释图2与图6中所表现出的质子与重离子测试结果的不同。

质子核反应产生的次级粒子更倾向于沿着质子入射方向前向运动，本文在模拟过程中仅考虑了质子垂直入射的情况，当质子呈一定倾角入射时必然会影响更大的范围，这是实验评估过程中必须考虑的因素。

2.3 质子辐照对MBU的影响

随着存储器中MBU概率的增加，针对MBU的抗辐照加固设计已成为研究热点。本文所选择的3款SRAM均采用了位交错技术来抑制MBU事件的发生。位交错技术是指将同一逻辑字节中的不同位放置到存储器不同的物理地址上，当器件在质子辐照时可能会引起物理地址上的MBU，但翻转往往是在不同的字节中，即对MBU进行了分离，因此可通过检错纠错予以纠正[19]。在实验中观察到150 nm SRAM在所有入射能量和入射角度下均出现了逻辑地址上的两位翻转，未观察到更大规模的MBU。在入射质子能量和倾角条件下，MBU概率为0.3%左右，暂时未发现明显的能量和角度对MBU影响的规律性。这表明在本实验进行的所有辐照条件下，这款SRAM很有可能出现了较大规模的MCU，导致即便器件采取了位交错技术，MCU中也包含同一字节中的位翻转，进而出现MBU。

文献[20]中指出，MBU在SEU中所占百分比最后可能在90 nm技术节点以下显著增加。本文在90 nm SRAM和65 nm SRAM上发现两位翻转发生的概率有所降低，仅为0.1%左右，且并不是所有能量和角度下都出现MBU。对于90 nm和65 nm SRAM与150 nm SRAM在MBU上出现的差异性，需对照位图进行更为深入的分析。与文献[10]相比，表明位交错技术可较为有效地抑制MBU事件，但并不能完全避免，需进一步采取更为有效的加固方式。

3 结论

本文利用中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器单粒子效应辐照终端首次开展了中能质子对不同特征尺寸(150、90和65 nm)SRAM单粒子敏感性影响的研究，获得了不同能量及不同入射角度的质子辐照下3款SRAM的截面曲线。基于实验数据采用蒙特卡罗方法构建了较为精确的计算模型，得到中能质子在穿过金属布线层后次级粒子的分布特征，获得质子及其次级粒子的能量沉积分布特性，认为65 nm SRAM中由质子辐照产生更大规模的MCU是其饱和截面表现出与重离子辐照下不同特征的原因，同时也说明随器件特征尺寸的降低，SEU饱和截面减小的趋势会逐渐变缓。在质子单粒子效应测试中应考虑倾角入射的影响，特别是在更小的特征尺寸器件中，仅关注垂直入射情况会对翻转率造成不同程度的低估。