65 nm工藝SRAM低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗研究

何安林，郭 剛，陳 力，沈東軍，任 義，劉建成，張志超，蔡 莉，史淑廷，王 惠，范 輝，高麗娟，孔福全

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413；2.薩斯喀徹溫大學(xué) 電子與計算機(jī)工程學(xué)院，加拿大 薩斯卡通 S7N 5A2)

空間輻射環(huán)境中的高能帶電粒子(如重離子、質(zhì)子)入射到航天器微電子器件或集成電路中會引起單粒子效應(yīng)[1]，導(dǎo)致器件工作失?；驌p壞，嚴(yán)重影響航天器的在軌安全和可靠性。質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中的主要成分，且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代大規(guī)模集成電路向低特征尺寸、高集成度等趨勢不斷發(fā)展，這些因素使電路敏感節(jié)點尺寸減小、工作電壓降低，從而導(dǎo)致敏感節(jié)點的臨界電荷降低，對單粒子效應(yīng)越來越敏感，因此針對納米級先進(jìn)工藝器件的低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究成為目前國內(nèi)外抗輻射加固領(lǐng)域重點關(guān)注的空間可靠性問題。

質(zhì)子單粒子效應(yīng)主要是通過質(zhì)子與器件材料的核反應(yīng)引起，但對于高度敏感的器件，質(zhì)子通過直接電離可產(chǎn)生足夠的電荷，從而引起單粒子翻轉(zhuǎn)[2-3]。文獻(xiàn)[4]研究了65 nm體硅CMOS工藝SRAM器件的低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)機(jī)制，并建立了相應(yīng)的理論研究模型。北京HI-13串列加速器是目前國內(nèi)開展單粒子效應(yīng)研究的主要加速器之一，主要應(yīng)用于航天關(guān)鍵電子器件空間應(yīng)用考核及基礎(chǔ)研究[5]。該加速器具備質(zhì)子加速能力，其主要優(yōu)勢在于質(zhì)子能量覆蓋了低能及部分中能區(qū)域，具備同時開展低能質(zhì)子直接電離及高能質(zhì)子核反應(yīng)機(jī)制單粒子效應(yīng)研究的潛力。另外，該加速器能量單色性好，可在一定程度上減小質(zhì)子能量離散度，適合開展低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗研究。

本工作通過質(zhì)子降能、降束及防散射等技術(shù)改進(jìn)，在北京HI-13串列加速器R20支線管道微電子器件單粒子效應(yīng)專用重離子輻照裝置上獲得適用于質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗研究的低能質(zhì)子束，并針對65 nm工藝4M×18 bit大容量SRAM開展質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗，證實質(zhì)子可通過直接電離引起顯著的單粒子翻轉(zhuǎn)，同時結(jié)合翻轉(zhuǎn)機(jī)制和空間預(yù)估分析，獲得器件單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷、空間軟錯誤率等。

1 實驗

1.1 實驗裝置

北京HI-13串列加速器微電子器件單粒子效應(yīng)專用重離子輻照裝置如圖1所示。裝置主要由束流控制系統(tǒng)(偏轉(zhuǎn)磁鐵、掃描磁鐵SM、四極透鏡Q、自動可調(diào)狹縫S)，靶室系統(tǒng)(束流預(yù)分析靶室T1、束流定位靶室T2、束流診斷靶室T3、樣品輻照靶室T4)，閥門V，法拉第筒FC等組成。實驗時，加速器產(chǎn)生的束流經(jīng)前端分析磁鐵篩選、引出，通過開關(guān)磁鐵到達(dá)實驗二廳R20管道(Q3D實驗管道)，然后通過偏轉(zhuǎn)磁鐵將束流偏轉(zhuǎn)41°引至專用輻照管道，器件輻照由位于管道終端的T4完成。

1.2 技術(shù)改進(jìn)

先前北京HI-13串列加速器所提供的初始質(zhì)子能量范圍為6～26 MeV，不能滿足低能質(zhì)子直接電離實驗的需求，且R20支線管道主要用來開展重離子輻照實驗，未開展過質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗；同時低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗對質(zhì)子束流要求較高，如當(dāng)質(zhì)子能量在1 MeV以下時已接近其射程末端，需提高質(zhì)子能量純度以減小質(zhì)子在器件敏感區(qū)沉積能量的歧離，使質(zhì)子能量與翻轉(zhuǎn)截面對應(yīng)，因此必須開展質(zhì)子降能、降束、擴(kuò)束及束流調(diào)試等研究，獲得可應(yīng)用于低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗的1～6 MeV質(zhì)子束。

圖1 單粒子效應(yīng)專用重離子輻照裝置

質(zhì)子降能主要通過在T3加降能片的方式實現(xiàn)，為了避免實驗過程中破壞T3，同時考慮靶室空間有限性，降能片的大小和厚度需精確設(shè)計，使得僅通過調(diào)節(jié)加速器高壓即可得到合適的質(zhì)子能量。實驗中選擇的降能片材料為厚325.3 μm的鋁，器件覆蓋層厚度為50 μm，經(jīng)SRIM[6]計算，加速器初始束流能量在7～8 MeV時，即可在器件敏感區(qū)獲得低于1 MeV的有效質(zhì)子能量。

加速器提供的質(zhì)子束流強(qiáng)度為幾nA，不能直接用于單粒子效應(yīng)實驗，需做大范圍的降束處理。本文借助R20支線管道原有的狹縫儀加掃描磁鐵組合的降束技術(shù)，采用散焦降束辦法獲得原始小束斑，然后采用磁場相互垂直的兩組掃描磁鐵分別加上相同振幅和不同頻率(頻率差固定)的三角波函數(shù)激磁電流驅(qū)動，在T4獲得均勻的掃描大束斑，圖2為掃描束斑分布示意圖。

圖2 掃描束斑示意圖

加速器束流的束斑尺寸約5 mm，而輻照器件尺寸在cm量級，因此需采取擴(kuò)束技術(shù)來獲得均勻分布的大束斑束流。本文主要利用兩種擴(kuò)束技術(shù)：1) 掃描擴(kuò)束，通過掃描磁鐵完成，主要應(yīng)用于不加降能片時擴(kuò)束；2) 降能片擴(kuò)束，通過質(zhì)子與降能片材料發(fā)生散射作用，使束斑面積增大，這是目前質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照裝置中應(yīng)用較多的方法。

由于中子也可引起單粒子效應(yīng)，因此應(yīng)盡可能避免中子等次級粒子的產(chǎn)生，實驗中在T2和T3入口分別設(shè)計并安裝防散射光闌，盡量減少質(zhì)子與管道壁材料散射或核反應(yīng)產(chǎn)生次級粒子引起的實驗干擾。另外，實驗中還通過狹縫儀與其他束流調(diào)試元件的配合使用，實現(xiàn)束流強(qiáng)度在多個量級之間的快速調(diào)節(jié)；在偏轉(zhuǎn)磁鐵前的T1增加熒光屏及CCD，以便在實驗中觀察束流，從而方便束流引出。

1.3 實驗器件

實驗中選用的器件為體硅CMOS工藝4M×18 bit的大容量SRAM，器件特征工藝尺寸為65 nm，6管結(jié)構(gòu)，封裝模式為BGA倒封裝。器件原始襯底厚度約200 μm，實驗前減薄至約50 μm。

單粒子翻轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)主要由一塊現(xiàn)場可編程門陳列(FPGA)完成，測試開始時，通過FPGA向SRAM寫入測試碼，然后開始輻照，輻照過程中循環(huán)檢測翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)及地址，單次檢測完成后，重新寫入測試碼繼續(xù)檢測，輻照過程中要注意粒子入射注量率和系統(tǒng)檢測速度的匹配。圖3所示為實驗測試系統(tǒng)示意圖，靶室內(nèi)為輻照器件及測試版，電源及測試信號通過T4壁的真空密封轉(zhuǎn)接頭引出。實驗時，測試硬件設(shè)備安裝在T4附近，通過測量廳的計算機(jī)遠(yuǎn)程控制并完成效應(yīng)測試。

圖3 實驗測試系統(tǒng)示意圖

1.4 實驗束流

實驗中選取表1所列的質(zhì)子能量進(jìn)行輻照。質(zhì)子初始能量由加速器提供，根據(jù)降能片和覆蓋層的厚度分別為(325.3±2.4) μm(由稱重法得到)和50 μm(等效硅厚度)，經(jīng)SRIM計算，最低有效質(zhì)子能量可達(dá)0.1 MeV，其線性能量轉(zhuǎn)移(LET)值覆蓋了低能質(zhì)子區(qū)的主要LET值范圍，滿足實驗要求。

實驗中15 MeV及8 MeV質(zhì)子的束流注量測量由法拉第筒完成，其余能量點采用T4金硅面壘半導(dǎo)體探測器和T3閃爍體探測器共同完成。圖4所示為金硅面壘探測器所測得的質(zhì)子能譜(已剔除噪聲計數(shù))，圖中3.37 MeV的質(zhì)子能譜是8 MeV質(zhì)子經(jīng)降能后的能譜，可看出，由于低能質(zhì)子直接電離能力強(qiáng)，3.37 MeV能譜的道數(shù)大于8 MeV能譜的道數(shù)。

表1 實驗中使用的質(zhì)子能量

圖4 質(zhì)子能譜

2 實驗結(jié)果

圖5 翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子能量的關(guān)系

實驗獲得的器件翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子能量的關(guān)系如圖5所示(質(zhì)子能量以穿過器件覆蓋層的能量為準(zhǔn))，其中翻轉(zhuǎn)截面誤差考慮了翻轉(zhuǎn)數(shù)統(tǒng)計誤差及注量測量誤差的貢獻(xiàn)?？煽闯觯?dāng)質(zhì)子能量大于10 MeV時，隨質(zhì)子能量增加，翻轉(zhuǎn)截面增加；當(dāng)質(zhì)子能量小于10 MeV時，隨質(zhì)子能量降低，翻轉(zhuǎn)截面急劇上升；當(dāng)質(zhì)子能量降低至1 MeV左右，翻轉(zhuǎn)截面增大了2～3個數(shù)量級；當(dāng)質(zhì)子能量繼續(xù)降低至0.1 MeV，仍能測試到翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但其翻轉(zhuǎn)截面有所降低。

3 分析與討論

3.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)制

質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面顯著變化的原因在于翻轉(zhuǎn)機(jī)制的改變：在高能區(qū)，通過質(zhì)子與器件材料的核反應(yīng)引起翻轉(zhuǎn)，而核反應(yīng)截面相對較低(約0.4×10-24cm2)，使得翻轉(zhuǎn)截面也較低；在低能區(qū)，質(zhì)子可通過直接電離直接引起翻轉(zhuǎn)，其截面值僅與器件敏感單元尺寸及敏感程度有關(guān)。

圖6為質(zhì)子直接電離LET值及射程與能量的關(guān)系(由SRIM計算獲得)?？煽闯?，當(dāng)質(zhì)子能量大于10 MeV時，其直接電離LET值很小(不足0.05 MeV·cm2/mg)，此時翻轉(zhuǎn)主要是核反應(yīng)的貢獻(xiàn)；當(dāng)質(zhì)子能量小于10 MeV時，其直接電離LET值快速上升，直至布拉格峰值(LET值約為0.55 MeV·cm2/mg，射程約為0.5 μm)。結(jié)合圖5可知，當(dāng)質(zhì)子能量從2.35 MeV減小至1 MeV，直接電離LET值和單粒子翻轉(zhuǎn)截面均增大，符合直接電離機(jī)制下單粒子效應(yīng)的一般規(guī)律。

圖6 質(zhì)子直接電離LET值及射程與能量的關(guān)系

3.2 臨界電荷

引起質(zhì)子直接電離單粒子翻轉(zhuǎn)的主要原因為：隨著器件工藝尺寸降低，單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷減小，本文利用敏感區(qū)長方體近似模型(RPP模型)來分析此原因。該模型認(rèn)為，當(dāng)入射粒子沉積的電荷Q引起的電壓差大于翻轉(zhuǎn)電壓ΔV時，將發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。此時，沉積電荷稱為臨界電荷Qc，臨界電荷所對應(yīng)的LET值稱為LET閾值LETth(fC/μm)，則有：

LETth·d≈Qc=ΔVC

(1)

Qc=ΔVεxy/d

(2)

式中：d為電荷收集深度；C為長方體上下平板間的電容；ε為介電常數(shù)；x、y為敏感區(qū)橫向和縱向尺寸。僅討論臨界電荷與工藝尺寸的大致關(guān)系時，可近似認(rèn)為ΔV和d為常數(shù)，x和y等于器件特征工藝尺寸L，因此可得到：

Qc～L2

(3)

文獻(xiàn)[7]在結(jié)合模型和大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為Qc=0.023L2。經(jīng)計算，本文使用的65 nm工藝SRAM的Qc=0.97 fC。假設(shè)電荷收集深度為1 μm，通過SRIM計算可得到LETth等于0.97 fC/μm或0.094 MeV·cm2/mg，即能量低于2.5 MeV的質(zhì)子均可通過直接電離引起單粒子翻轉(zhuǎn)。由此分析圖5中的實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)質(zhì)子能量大于2.5 MeV時，直接電離LET值小于閾值，翻轉(zhuǎn)主要由質(zhì)子與硅的彈性散射和核反應(yīng)相互作用引起；當(dāng)質(zhì)子能量為2.5 MeV時，質(zhì)子直接電離LET值大于閾值，直接電離開始發(fā)揮作用；當(dāng)質(zhì)子能量低于2.5 MeV時，隨著質(zhì)子能量減小，LET值增加，翻轉(zhuǎn)截面增大。

相同特征尺寸下不同工藝線生產(chǎn)的器件，臨界電荷會不同，如文獻(xiàn)[4]基于數(shù)值模擬，得到某65 nm工藝中NMOS和PMOS晶體管臨界電荷分別為1.4 fC和1.8 fC，文獻(xiàn)[8]給出65 nm工藝器件臨界電荷為0.8 fC，與本文分析得到的0.97 fC基本相當(dāng)。臨界電荷會隨工藝尺寸的減小而減小，如文獻(xiàn)[8]給出目前最新的22 nm工藝器件臨界電荷為0.1 fC，相當(dāng)于能量在50 MeV以下的質(zhì)子均可通過直接電離引起翻轉(zhuǎn)。

3.3 布拉格峰與截面峰值

理論上臨界電荷為0.97 fC時，誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)的質(zhì)子能量范圍為0.05～2 MeV，且質(zhì)子能量為0.05 MeV時(布拉格峰處)翻轉(zhuǎn)截面應(yīng)最大，但如圖5所示，實驗所得的截面最大值出現(xiàn)在質(zhì)子能量1 MeV附近，文獻(xiàn)[7]也給出了類似的結(jié)果；文獻(xiàn)[2-4]中得到的直接電離翻轉(zhuǎn)發(fā)生區(qū)間為質(zhì)子能量0.5～2 MeV，但也未獲得理論上的翻轉(zhuǎn)截面最大值；由圖5中的實驗結(jié)果還可看出，在非常接近布拉格峰值的附近(質(zhì)子能量0.1 MeV)，翻轉(zhuǎn)存在，但翻轉(zhuǎn)截面較小。

上述現(xiàn)象主要由以下3種因素造成：1) 器件敏感區(qū)上的覆蓋層厚底無法確切知道，且實驗中加速器及降能片均會使質(zhì)子能量展寬；2) 1 MeV質(zhì)子在硅中1 μm入射深度上的沉積能量為0.04 MeV，而布拉格峰值對應(yīng)的0.05 MeV質(zhì)子能量全部沉積也只有0.05 MeV，且在布拉格峰值處，質(zhì)子能量和射程歧離嚴(yán)重，造成沉積電荷分布范圍增大，敏感節(jié)點實際收集電荷減小，使0.05 MeV質(zhì)子引起的翻轉(zhuǎn)不會比1 MeV質(zhì)子顯著增大；3) 在實際器件中，尤其是65 nm工藝尺寸下，后端工藝(BEOL)會引入復(fù)雜的金屬互聯(lián)層和隔離層結(jié)構(gòu)和材料，由于0.05 MeV質(zhì)子的射程僅0.47 μm(圖6)，BEOL層的存在對0.05 MeV質(zhì)子影響很大，質(zhì)子入射路徑的細(xì)微改變，會使布拉格峰顯著偏離敏感區(qū)[9]，導(dǎo)致0.05 MeV質(zhì)子對應(yīng)的布拉格峰引起的翻轉(zhuǎn)截面減小，而能量大于1 MeV的質(zhì)子，其射程較長(>16 μm)，不同BEOL層入射路徑對敏感區(qū)處的質(zhì)子能量影響相對較小，從而呈現(xiàn)圖5的實驗結(jié)果。

3.4 空間軟錯誤率分析

65 nm及其他更先進(jìn)工藝器件對極低LET值的高度敏感性及其空間應(yīng)用帶來很大挑戰(zhàn)，因為在空間環(huán)境中，對于翻轉(zhuǎn)閾值很低的器件，超過其LET閾值的粒子注量率很高，而這些粒子主要由低能質(zhì)子組成。式(4)為質(zhì)子軟錯誤率(SER)的標(biāo)準(zhǔn)計算公式和FOM半經(jīng)驗計算公式：

(4)

式中：σ(Ep)為翻轉(zhuǎn)截面曲線；φ(Ep)為器件實際運行空間的質(zhì)子微分能譜；c為φ(Ep)相關(guān)的軌道質(zhì)子分布參數(shù)。FOM參數(shù)正比于質(zhì)子翻轉(zhuǎn)飽和截面，本文僅分析低能和高能質(zhì)子軟錯誤率的相對大小，可近似得到：

(5)

空間質(zhì)子分布較為復(fù)雜，同時受多種因素影響，這里為簡化分析，結(jié)合文獻(xiàn)[10]給出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(太陽耀斑質(zhì)子、CREME96模型、2.54 cm鋁屏蔽、最糟糕周)，0.1～1.6 MeV質(zhì)子對應(yīng)的注量率為1.2×106m-2·s-1，能量大于15 MeV的質(zhì)子注量率為7.8×107m-2·s-1，同時取低能質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面比高能質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面大2～3個數(shù)量級，結(jié)合式(5)可得到低、高能質(zhì)子軟錯誤率的比值為：

SERLow/SERHigh≈1.5～15

(6)

文獻(xiàn)[11]針對90 nm商業(yè)級SRAM，在極地軌道、最糟糕天、2.54 cm鋁屏蔽，得到的低、高能質(zhì)子軟錯誤率比值為：

SERLow/SERHigh≈4

(7)

由上述結(jié)果可看出，低能質(zhì)子引起的軟錯誤率明顯高于高能質(zhì)子軟錯誤率，因此，在商業(yè)級納米工藝器件中，低能質(zhì)子已成為質(zhì)子軟錯誤率的主要因素，針對納米工藝器件的空間應(yīng)用，需關(guān)注低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)帶來的可靠性風(fēng)險，并采取針對性的抗輻射加固措施，以確保其空間應(yīng)用安全。

4 總結(jié)

基于北京HI-13串列加速器單粒子效應(yīng)專用重離子輻照裝置，通過質(zhì)子降能、降束、擴(kuò)束及防散射等技術(shù)改進(jìn)，獲得了適用于質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗研究的低能質(zhì)子束，并針對65 nm工藝4M×18 bit 大容量SRAM開展了質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗，實驗證實質(zhì)子可通過直接電離引起顯著的單粒子翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)截面較間接電離引起的單粒子翻轉(zhuǎn)截面大2～3個數(shù)量級，該結(jié)果與國際上同類工藝器件實驗數(shù)據(jù)基本一致。實驗器件單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷約為0.97 fC，2.5 MeV以下質(zhì)子可通過直接電離引起翻轉(zhuǎn)；65 nm工藝下低能質(zhì)子空間軟錯誤率為高能質(zhì)子軟錯誤率的1.5～15倍，低能質(zhì)子成為空間質(zhì)子軟錯誤率的主要因素，隨著未來半導(dǎo)體器件工藝特征尺寸持續(xù)縮減，單粒子效應(yīng)敏感性顯著增強(qiáng)，低能質(zhì)子將成為現(xiàn)代納米級工藝器件空間應(yīng)用的重要難題。

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