1、靜態隨機存儲器單粒子翻轉效應三維數值模擬張科營 郭紅霞 羅尹虹 何寶平 姚志斌 張鳳祁 王園明(西北核技術研究所, 西安 710024(2009年1月5日收到; 2009年4月18日收到修改稿針對特征尺寸為1 5 m 的國產靜態隨機存儲器(SRAM , 構建了三維SRAM 存儲單元模型, 并對重離子引起的SRAM 單粒子翻轉效應進行了數值模擬. 計算并分析了單粒子引起的單粒子翻轉和電荷收集的物理圖像, 得到了SRAM 器件的單粒子翻轉截面曲線. 單粒子翻轉的數值模擬結果與重離子微束、重離子寬束實驗結果比較一致, 表明所建立的三維器件模型可以用來研究SRAM 器件的單粒子翻轉效應.關鍵詞:三維數

2、值模擬, 單粒子翻轉, 微束, 寬束PACC :8750G, 7340Q用1 5 m 硅柵互補型金屬氧化物半導體(C MOS 加1 引言固工藝設計, 采用雙層金屬布線, 其芯片尺寸為6 350mm 6 440mm. 圖1是2kbit SRAM 存儲單元示意圖. 該SRAM 的電源電壓為4 8V, 采用雙阱工藝, n 型外延層厚度為4 m, 摻雜濃度為2 10 3163cm , n 阱和p 阱的摻雜濃度分別為1 7 10 cm , 1 1 10 cm , n 溝道和p 溝道金屬氧化物半導體(MOS晶體管的柵氧層厚度分別為24和20nm. 西北核技術研究所針對該器件進行了單粒子微束和寬束實驗, 得

3、到該器件單粒子翻轉的物理圖216318隨著半導體工藝向深亞微米、超深亞微米方向發展, 電子元器件的單粒子效應更加嚴重. 國內用于單粒子效應研究和抗單粒子能力考核的重離子加速器主要是中國原子能科學研究院HI 13串列靜電加速器, 該重離子加速器線性能量傳輸(LE T 值范圍有待擴展, 不能很好保證用戶的束流. 單粒子效應的三維數值模擬可以有效地彌補我國重離子加速器的不足, 國外已經通過三維數值模擬計算了靜態隨存儲器(SRAM 器件單粒子翻轉截面, 這表明SRAM 單粒子翻轉效應的三維數值模擬可以在一定程度上彌補國內重離子加速器單粒子模擬實驗的不足.本文建立了國產SRAM 的三維器件模型, 計算得

4、到了單粒子翻轉截面曲線. 通過SRAM 單粒子翻轉效應數值模擬, 掌握了SRAM 三維存儲單元建模的關鍵技術, 建立了理論與實驗相結合的單粒子翻轉性能評估方法.1像、單粒子翻轉截面曲線, 如圖2所示 .2 數值模擬技術2 1 器件工藝本文中實驗和模擬的對象為中國電子科技集團公司第四十七研究所研制的2kbit SRAM, 該器件采E mail:keyingzhang2006yahoo. cn圖1 SR AM 單元電路2 2 數值模擬方法建立SRAM 單元完整的三維器件模型是準確研究SRAM 單粒子翻轉效應的重要手段, 但是由于3 圖2 實驗得到的2kbit SRAM 翻轉截面曲線圖4 SR AM

5、 單元三維模型數值算法和計算機工作速度的限制, 利用SRAM 單元的三維器件模型來研究單粒子翻轉現象是非常困難的.三維器件 電路混合模擬可以用來判斷單粒子翻轉LE T 閾值, 在這些仿真計算中首先要根據經驗判斷出最敏感的區域(通常為MOS 晶體管的反偏漏區 , 采用該方法計算出的LE T 閾值也能與實驗結果較好地符合. 但是這種混合模擬無法模擬不同注入位置的單粒子翻轉效應, 只有采用全三維的數值模擬才能夠模擬器件的靈敏區域的面積, 并進而得到器件的單粒子翻轉截面. 本文采用計算機輔助設計技術(TC AD 構建了三維六管SRAM 單元, 圖3是2kbit SRAM 單元的版圖, 外圍的細線表示存

6、儲單元有源區的邊界. 該六管SRAM 單元采用n 型外延, 在本存儲單元中下拉nMOS 和傳輸nMOS 晶體管共用一個漏區. SRAM 的存儲陣列就是由這樣的單元并列組合而成的.圖4是利用TAC D 中的半導體工藝模擬工具生4成的六管三維SRAM 單元, 存儲單元的面積為25 m 37 m, SRAM 三維單元是按照圖2所示的版圖采用器件實際工藝參數生成的. 在對SRAM 的單粒子翻轉進行計算時, 載流子濃度采用Fermi 分布, 載流子濃度物理模型考慮了高摻雜半導體的禁帶變5窄; 非平衡載流子產生 復合物理模型考慮了載流子濃度對壽命影響的Shockley 間接復合、輻射復合、俄歇復合; 載流

7、子遷移率物理模型考慮了電離雜質散射、表面散射、載流子之間散射. 模擬的基本過程如下:首先不考慮產生、復合項, 求得穩態解. 然后在穩態解的基礎上考慮單粒子注入影響, 即模擬計算中加入產生、復合項, 求得瞬態解, 得到粒子注入后產生的電流脈沖及電壓隨時間的變化過程.本文采用三維模擬計算出某一粒子注入下SRAM 單元單粒子翻轉靈敏區域的物理圖像, 改變注入粒子的LE T 并重復以上過程, 就可以得到單元靈敏區域的面積隨粒子LE T 變化的曲線, 即該SRAM 的單粒子翻轉截面曲線.3 單粒子翻轉物理圖像單粒子翻轉物理圖像是指受重離子撞擊后引起SRAM 存儲單元發生翻轉的區域, 即單粒子翻轉的靈敏區

8、域. 研究單粒子翻轉的物理圖像可以得出器件的布線、尺寸、材料和工藝等參數與重離子產生的單粒子翻轉的定量關系, 從而為制備抗單粒子輻射能力強的集成電路提供重要的 逐點! 信息.圖5顯示的是不同LE T 值的粒子注入下的單粒子翻轉區域. 對于LE T 值為5MeV cm mg, nMOS 反圖3 2kbit SR AM 存儲單元的版圖26偏漏結的中心是SRAM 單元內單粒子翻轉的靈敏區域, 隨著LET 值的增加, 單粒子翻轉靈敏區域的面積逐漸增大. 在LET 值達到10MeV c m mg 時, pMOS2的反偏漏結也成為單粒子翻轉的靈敏區域 .圖5 不同LET 值(單位:MeV cm 2 mg

9、的重離子注入下的單粒子翻轉靈敏區域重粒子微束實驗選用Br 離子作為入射粒子, Br 離子能量145MeV, 其LE T 值為41MeV cm mg, 這個能量的Br 離子引起的單粒子翻轉截面接近飽和(如圖2所示 , 選用它作為入射粒子, 可以保證粒子對器件不同敏感區域的入射都能夠誘發單粒子翻轉事件. SRAM 重離子微束試驗得到單元翻轉截面, 如圖6所示.仿真結果和實驗結果一致表明:截止nMOS 和pMOS 的漏區是單粒子翻轉的靈敏區域, 這是因為截止管的漏區存在反偏p n 結, 空間電荷區的強電場使得等離子體的電子空穴對迅速分離, 在漏極產生了脈沖電流, 改變了器件邏輯狀態. nMOS 和p

10、MOS 的反偏漏區對單粒子翻轉的敏感程度不同, 截止nMOS 漏區是單粒子翻轉最敏感的區域, 這是因為電子的遷移率要遠大于空穴, nMOS 漏極的負向脈沖電流要大于pMOS 漏極的正向脈沖電流. nMOS 單粒子翻轉敏感區的面積比漏區本身要大, 這是由于敏感反偏結附近碰撞產生的電荷擴散也被反偏漏結收集.24 電荷收集物理圖像電荷收集物理圖像是指遭受重離子撞擊后引起器件功耗電流明顯增大的區域, 即電荷收集靈敏區域. 單粒子翻轉物理圖像直接得到器件遭受重離子撞擊后易發生單粒子翻轉的敏感區域, 但無法獲取引起翻轉的潛在電荷收集過程的相關信息, 通過分析電荷收集靈敏區域可以獲得電荷收集與撞擊位置的相關

11、性. 結合電荷收集物理圖像與單粒子翻轉物理圖像, 可以深入分析對單粒子效應靈敏的區域及7其損傷機理.將LE T 值為60MeV cm mg 的粒子注入到圖7所示的位置, 對電源V DD 端的脈沖電流進行積分可以2圖6 重離子加速器實驗得到SRAM 存儲單元翻轉截面 (a 10的翻轉截面, (b01的翻轉截面圖7 電荷收集模擬中的注入位置得到不同注入位置下的電荷收集總量, 如表1所列.在這12個注入位置中, 僅有位置1, 7兩個位置引起了SRAM 單元的翻轉, 但是卻有8個位置引起-13的V DD 電荷收集量在10C 量級內.表1 不同注入位置下V SS 或V DD 電荷收集及翻轉情況注入位置1

12、23456789101112名 稱T1, T5晶體管漏結T2, T6晶體管漏結T1晶體管源結T2晶體管源結p 阱T3晶體管漏結T4晶體管漏結T3晶體管源結T4晶體管源結n 阱T5晶體管源結T6晶體管源結偏置狀況 V4 80 00 00 00 04 80 04 84 84 84 80 0收集電荷量 C 7 69 10-134 64 10-133 03 10-134 10 10-131 04 10-131 38 10-151 32 10-133 89 10-151 12 10-141 76 10-141 62 10-137 98 10-14是否引起翻轉是否否否否否是否否否否否注入位置1為截止nMO

13、S 晶體管的漏區, 當粒子注入到這個位置時n 漏區與p 阱組成的反偏p n 會引起電荷收集, 發生單粒子翻轉. 當粒子注入到位置2時, 漏區與n 阱的電位不完全一致, 會引起一定量的電荷收集, 但是這種電荷收集會使得該漏區電位進一步降低, 不會引起SRAM 單元翻轉. 位置3, 4為nMOS 源區, 粒子注入到這兩個位置時, 源區與V SS 電壓短路, 不會引起單元邏輯翻轉. 當粒子注入到位置5時, 阱 外延 襯底的結構存在反偏p n 結, 粒子注入會引起電荷收集, 但不會引起單粒子翻轉. 位置6為導通pMOS 晶體管的漏區, 當粒子注入到這個位置時會引起一定量的電荷收集, 但是這種電荷收集會

14、使得該漏區電位進一步降低, 不會引起SRAM 單元翻轉. 位置7為截止pMOS 晶體管的漏區, 當粒子注入到這個位置時p 漏區和n 阱組成的反偏p n 結會引起電荷收集, 發生單粒子翻轉. 位置8和9為SRAM 單元內pMOS 晶體管的源區, 當粒子注入到這兩個位置時不會引起電荷大量收集, 不會引起單粒子翻轉. 當粒子注入到位置10時, 不存在反偏的p n 結, 不會引起電荷收集成像和單粒子翻轉. 由于存在反偏p n 結, 粒子注入到位置11會引起一定量的電荷收集, 但是不會產生單粒子翻轉. 位+置12的粒子不會對單粒子翻轉產生貢獻 .5 翻轉截面曲線翻轉截面曲線是指器件的單粒子翻轉截面 隨L

15、E T 變化的曲線, 它用來表征器件抗單粒子翻轉能力, 同時單粒子翻轉截面曲線是采用Monte Carlo 類方法預估軌道翻轉截面的重要輸入參數, 因此器件的翻轉截面曲線是評估器件抗單粒子翻轉性能的重要依據.三維數值模擬可以直接計算重離子引起的翻轉98圖8 實驗和數值計算得到的2kbit SR AM 翻轉截面曲線截面. 翻轉截面的物理含義是指單粒子翻轉靈敏區域的面積, 因此將翻轉靈敏區域的面積乘以存儲單元的個數就可以得到該LE T 值粒子注入下SRAM 器件的翻轉截面.翻轉截面曲線一般是通過重離子寬束實驗而獲得的, 利用HI 13串列加速器寬束開展了對2kbit SRAM 的單粒子效應試驗,

16、共選用了5種不同能量、不同LE T 值的重離子, 獲得了器件的單粒子翻轉截面與LE T 值之間的關系曲線, 如圖2所示. 圖8是數值計算得到的2kbit SRAM 翻轉截面曲線.從圖8可以看出, 在SRAM 的翻轉截面飽和區域(LET 值大于30Me V cm mg , 重離子加速器試驗結果與數值計算結果比較一致, 兩種翻轉截面的差異小于20%.這就表明通過三維數值計算在一定程度上可以彌補實驗的不足, 可以準確計算高LE T 值的重離子引起的翻轉截面. 對于LE T 值較小的粒子, 實驗和仿真結果相差較大, 國外文獻也存在這樣的問題. 采用數值模擬方法不適于用來評估低能重離子引起的單粒子翻轉效

17、應, 具體的原因有待進一步研究.26 結論本文利用三維數值模擬計算并分析了國產2kbit SRAM 器件的單粒子翻轉與電荷收集的物理圖像, 將計算結果與實驗結果對比, 表明了采用三維數值模擬可以準確模擬SRAM 器件的單粒子翻轉效應. 計算了2kbit SRAM 器件的翻轉截面曲線, 在高LE T 閾值區域數值計算可以得到準確的翻轉截面, 彌補了重離子加速器單粒子翻轉實驗的不足, 初步建立了模擬實驗與數值計算相結合的存儲器抗單粒子翻轉性能的評估方法.目前集成電路工藝已經深入到了超深亞微米. 相對于大尺寸器件, 超深亞微米器件的電源電壓、節點電容減小, 超深亞微米C MOS SRAM 單粒子翻轉

18、10效應的靈敏度增加. 超深亞微米器件三維數值模擬不僅可以評估超深亞微米器件的單粒子效應, 可以研究復雜工藝下半導體器件的單粒子效應敏感區域和敏感路徑, 為宇航級集成電路的設計和制造提供理論支持.1Dodd P E, Shaneyfelt M R, Horn K M , Walsh D S, Has h G L, Hill T A, Draper B L, Schwank J R, Sexton F W, Winokur P S 2001IEEE Trans . Nuc . Sci . 48189378Nuc . Sc i . 41589Sexton F W, Horn K M , D oyl

19、e B L, Laird J S, Cholewa M , Saint A, Legge G J F 1993IEEE Trans . Nuc . Sci . 401787Zhang Q X, Hou M D, Liu J, J in Y F, Zhu Z Y, Sun Y M 2004Acta Phys . Sin . 43566(in Chines e 張慶祥、侯明東、劉 杰、金運范、朱智勇、孫友梅2004物理學報435669Warren K M , Weller R A, Siera wski B D, Reed R A, M endenhall M H, Schrimpf R D, M

20、assengill L W, Porter M E, Wi lkins on J D, Label K A, Adams J H 2007IEEE Trans . Nuc . Sci . 5489810Amus an O A, Wituls ki A F, Mas sengill L W, Bhuva B L, Flemi ng P R, Alles Michael L, Sternberg A L, Black J D, Schri mpf R D 2006IEEE Trans . Nuc . Sc i . 5332532Se xton F W, Corbett W T, Treece R

21、K, Has s K J, Hughes K L, A xnes s C L, Has h G L, Shaneyfel t M R, Wunsch T F 1991IEEE Trans . Nuc . Sci . 4315213456Roche P, Palau J M, Bel haddad K, Bruguier G, Ecoffet R, Gasi ot J 1998IEEE Trans . Nuc . Sci . 452534Detcheverry C, Dachs C, Lorfevre E, Sudre C, Bruguier G, Gasiot J, Palau J M, Ec

22、offet R 1997IEEE Trans . Nuc . Sci . 442266Woodruff R L, Rudeck P J 1993IEEE Trans . Nuc . Sci . 401795M e tz ger S , Dreute J, Heinrich W, Rocher H 1994IEEE Trans .Three dimensional numerial simulation of single event upset effects in static random access memory Zhang Ke Ying Guo Hong Xia Luo Yin Hong He Bao Ping Yao Zhi Bin Zhang Feng Qi Wang Yuan Ming (Northwest Institution of Nuclear Technology, Xi an 710024, China ( Received 5 January 2009; revised manuscript received 18 April 2009 Abstract Three Dimensi