大容量抗輻射加固SRAM器件單粒子效應試驗研究

余永濤，陳毓彬，水春生，王小強，馮發明，費武雄

（1. 工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2. 華南理工大學 電子與信息學院，廣州 510641）

0 引言

空間輻射環境中的高能帶電粒子入射到航天器電子系統中，會引發集成電路器件的單粒子效應（SEE），包括單粒子翻轉（SEU）、單粒子鎖定（SEL）、單粒子瞬態（SET）等，嚴重影響航天器的在軌安全和可靠運行。靜態隨機存儲器（SRAM）是航天器電子系統中的關鍵存儲載體，廣泛用于微處理器和SoC芯片的高速緩存。隨著半導體工藝器件特征尺寸的縮小，宇航用SRAM的容量越來越大，空間輻射環境中的重離子誘發單粒子效應愈加嚴重[1-3]，必須對SRAM進行抗輻射加固并通過地面模擬試驗驗證其抗單粒子效應性能。因此，開展大容量SRAM的單粒子效應研究對于保證其在空間環境的可靠性具有重要意義。

目前抗輻射加固SRAM產品主要有基于Bulk（體硅）CMOS工藝和基于SOI（絕緣體上硅）CMOS工藝這2種器件。本工作分別針對基于這2種工藝的抗輻射加固SRAM器件，利用重離子加速器開展單粒子效應模擬試驗對比研究，基于試驗獲得的SRAM器件單粒子效應特性進行SEU在軌翻轉率預估，并對試驗結果進行討論和分析，以期為宇航用大容量SRAM器件的SEE試驗，以及選用、評估提供參考。

1 試驗方案

1.1 SRAM單粒子效應測試系統

SRAM器件單粒子效應測試系統由測試電路板、測試主板、控制計算機和遠程計算機組成（見圖1）。被測器件（DUT）放置于測試電路板上送入重離子加速器裝置中進行輻照試驗。測試系統的關鍵部分是測試主板，由電源模塊、接口模塊、主控模塊、緩存模塊、電流監控模塊等組成（見圖2）。電源模塊為測試系統提供電源；USB接口模塊實現主板與控制計算機間的通信，并為接受測試的SRAM器件提供工作電源；主控模塊接收USB接口的命令信號并產生控制信號進而通過接口模塊控制SRAM器件的數據讀取；緩存模塊存儲SRAM測試圖形數據和輻照試驗中從SRAM讀出的數據；電流監控模塊實時監測SRAM的電流大小，并將電流數值進行A/D轉換后傳入主控模塊——若器件電流過大，電流監控模塊中的繼電器斷電，從而實現SEL的檢測和被測器件的保護。

圖1 SRAM器件單粒子效應測試系統Fig. 1 Schematic diagram of SEE test system for SRAM

圖2 SRAM器件單粒子效應測試系統主板結構Fig. 2 The mainboard of SEE test system for SRAM

1.2 SRAM單粒子效應測試方法

SRAM器件的單粒子效應主要是SEL和SEU。SEL測試時，為了模擬器件最惡劣的偏置條件，器件工作電壓為電源電壓容限的上限。當電源電流突然增大超過設定閾值，且只能通過斷電重新配置才能恢復正常（不能直接復位），則判斷為發生SEL。此時計算機自動記錄1次SEL，并對被測器件實施斷電、復位和配置，確保器件恢復到正常工作狀態。SEU測試時，器件工作電壓為電源電壓容限的下限，器件存儲數據為0x55、0xAA交替寫入。在進行輻照試驗時，測試系統檢測器件全地址的存儲數據，并與原數據對比，若不一致則認為發生SEU。隨后測試系統記錄錯誤地址和錯誤值并通過串口發回上位機，并將錯誤數據改寫為正確數據。

1.3 被測器件和輻照源

輻照試驗的被測器件為大容量Bulk CMOS工藝SRAM和SOI CMOS工藝SRAM，存儲容量分別為 32 Mbit（1 M×32 bit）和 16 Mbit（512 k×32 bit），2款器件的特性參數相近，如表1所示。測試時，每種器件選取3只受試，以3只器件測試數據的均值作為單粒子效應特性數值。

表1 被測器件特性Table 1 Descriptions of the DUTs

重離子輻照源分別采用中國原子能科學研究院的HI-13串列靜電加速器和中國科學院蘭州近代物理研究所的HIRFL回旋加速器。根據國內現有的輻照重離子條件，選取不少于5個不同LET值的重離子進行試驗。重離子的LET值從低到高，如表2所示。

表2 SEE試驗用重離子特性Table 2 Ion species, energy, LET and range in silicon for SRAM’s SEE test

2 試驗結果及分析討論

對被測器件進行重離子輻照，根據重離子注量和相應的器件存儲數據翻轉位數，按照單粒子翻轉效應截面的計算公式

計算得到不同LET值條件下的SEU截面。式中：Nupset為發生翻轉的存儲位數；F為離子注量；N為器件容量（當計算整個器件的翻轉截面時，N=1）；θ為離子入射傾角。

2.1 Bulk SRAM單粒子效應試驗結果

如圖3所示，32 M Bulk SRAM的SEU截面隨入射離子LET值的增大而增大，3只器件的試驗數據基本一致，當入射離子LET值為9.0 MeV·cm2/mg時，沒有產生翻轉；LET值達到50 MeV·cm2/mg時，SEU截面逐漸飽和。利用Weibull函數進行數據擬合得到：32 M Bulk SRAM的SEU飽和截面σsat為7.32×10-4cm2，換算到單個存儲位為2.18×10-11cm2/bit；SEU閾值LETth為1.2 MeV·cm2/mg。但根據輻照試驗結果，LETth應該在 9.0～13.1 MeV·cm2/mg之間。

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

在單粒子鎖定試驗過程中，32 M Bulk SRAM器件的2路供電電流沒有顯著增大，表明器件的SEL閾值大于99.8 MeV·cm2/mg。

2.2 SOI SRAM單粒子效應試驗結果

如圖4所示，16 M SOI SRAM的單粒子翻轉效應截面隨入射離子LET值增大而增大，3只器件的試驗數據偏差不大，LET值達到50 MeV·cm2/mg時，SEU截面逐漸飽和。利用Weibull函數進行數據擬合得到：SEU 飽和截面σsat為 2.9×10-4cm2，換算到單個存儲位為1.73×10-11cm2/bit；SEU的閾值LETth為 8.4 MeV·cm2/mg。

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

在SOI SRAM的單粒子翻轉試驗中，SEU分為2種，即1翻0（1→0）和0翻1（0→1）。如圖5所示，隨著入射離子LET值的增大，不同SEU類型的翻轉截面表現出明顯的差異，0翻1的截面顯著大于1翻0的截面，前者是后者的4～12倍。

圖5 SOI SRAM不同SEU類型的翻轉截面曲線Fig. 5 SEU cross section of SOI SRAM for different upsetpattern

在單粒子鎖定試驗過程中，16 M SOI SRAM器件的2路供電電流沒有顯著增大，表明器件的SEL閾值大于99.8 MeV·cm2/mg。

2.3 分析與討論

2.3.1 對重離子射程的要求

在重離子試驗條件中，除了重離子LET值外，重離子的射程也是單粒子效應試驗的關鍵影響因素。目前國內外相關的試驗標準均規定“選擇的離子在Si中要有足夠的射程，一般大于30 μm”[4-5]。本工作在進行16 M SOI SRAM器件重離子輻照試驗時，由于離子能量所限，I離子的射程為25.4 μm。根據SOI工藝結構，在頂層硅和背襯底之間加入一層SiO2絕緣氧化層（BOX層），然后在BOX層的硅膜上制作器件和電路。如圖6所示，由單粒子效應電荷收集機理，SOI器件的SEU靈敏層很薄，同時絕緣層SiO2隔離了入射重離子“漏斗效應”在襯底上產生的電子–空穴擴散和漂移電荷，使得SOI器件的單粒子效應電荷收集距離遠小于Bulk器件的[6]。

圖6 重離子在Bulk和SOI工藝器件結構中產生單粒子翻轉的電荷收集示意Fig. 6 Ion-induced single event charge collection in bulk MOS device and SOI MOS device

采用SOI工藝的器件硅膜厚度與Bulk工藝的器件相比非常薄，16 M SOI SRAM器件的頂層SEU靈敏層厚度TSV為0.3 μm；同時器件采用4層金屬1層多晶的工藝結構，器件表面的鈍化層厚度TOL為6.3 μm。在單粒子效應試驗中，重離子射程RT的要求為

I離子的射程為25.4 μm，遠大于所要求的重離子射程（6.6 μm），可以穿透器件表面鈍化層和SEU靈敏層。根據不同LET值和射程離子的輻照試驗結果，I離子的SEU截面比Ge離子以及Ti離子的大，也可以說明射程為25.4 μm的I離子能有效誘發SEU。

本工作中32 M Bulk SRAM器件的表面鈍化層厚度達到10 μm以上，SEU靈敏層厚度為1.5 μm，重離子射程要求接近SOI SRAM的2倍。目前0.5～0.13 μm SOI SRAM器件表面的金屬層、鈍化層等厚度一般不足8 μm，小于Bulk工藝器件的。同時SOI SRAM的SEU靈敏層厚度一般為0.2～0.4 μm，先進SOI工藝器件的SEU靈敏層厚度甚至達到10 nm以下，遠小于Bulk工藝器件的[6]。另外，由于Bulk工藝SRAM器件的SEU靈敏層厚度較大，為了保證重離子在穿透靈敏層過程中LET值不發生顯著變化，也要求更長的重離子射程；而SOI SRAM的SEU靈敏層厚度非常小，重離子在穿透SEU靈敏層過程中的LET值變化可以忽略。因此，SOI SRAM器件單粒子效應試驗的重離子射程不需很長，在實際開展重離子模擬單粒子效應試驗時，可根據單粒子效應類型和器件工藝結構，計算評估重離子的射程要求。

2.3.2 不同SEU類型的翻轉截面差異

在16 M SOI SRAM的單粒子翻轉試驗中，發現不同SEU類型的翻轉截面相差4～12倍，相對于1翻0，0翻1的敏感性更強。如圖7所示，該SOI SRAM的存儲陣列單元采用了基于ADE（active delay element）電路級加固的單元結構，即在傳統的6管SRAM單元電路的反饋回路上增加了1個NMOS管（N5）。根據單粒子翻轉的動態過程，翻轉是否發生依賴于恢復過程和反饋過程的競爭。當ADE處于高阻狀態時，RC延遲增加了單粒子翻轉所需要的反饋時間，從而提高了器件抗單粒子翻轉的能力。但該SRAM存儲單元2條反饋回路的結構不對稱，存儲節點Q到P1、N1柵極的反饋回路上有ADE，而節點到P2、N2柵極的反饋回路上沒有ADE，這使得單粒子翻轉過程中1翻0反饋回路的反饋時間更長，發生翻轉的難度更大。對于常規的6 T存儲單元SRAM，由于具有完全對稱的單元電路結構，1翻0和0翻1的敏感性沒有差異。但對于抗輻射加固SRAM，常見的加固方法包括工藝加固、電路加固、系統加固等，由于單元結構和翻轉動態過程可能存在的不對稱性，會產生1翻0和0翻1的翻轉敏感性差異，這對SEU測試提出了新的要求[7-8]。目前的單粒子輻照試驗中，測試數據通常為FFH、00H或55H、AAH等單一類型。為了在地面模擬試驗最惡劣條件下抗輻射加固SRAM器件的SEU特性，應針對多種不同測試圖形開展SEU測試，從而獲得最敏感的SEU特性指標。

圖7 SOI SRAM存儲單元結構Fig. 7 Structure of the SOI SRAM memory cell

3 在軌翻轉率預估及討論

根據Weibull擬合得到的SEU飽和截面σsat、SEU閾值LETth、形狀參數S、尺度參數W等，選取GEO典型空間軌道環境（35 876 km，0°），重離子輻射環境模型為CRèME 96，粒子全方向入射，3 mm等效Al屏蔽，利用OMERE 4.0軟件對器件在軌翻轉率進行預估[9]，結果為：16 M SOI SRAM器件的在軌翻轉率為5.78×10-15bit-1·d-1， 而 32 M Bulk SRAM 器件的在軌翻轉率為 1.36×10-10bit-1·d-1。根據SEU輻照試驗結果，Bulk SRAM和SOI SRAM的翻轉截面相近，分別為2.18×10-11cm2/bit和1.73×10-11cm2/bit，但Bulk SRAM的在軌翻轉率預估值卻高了4個數量級以上。這是因為單粒子效應在軌預估采用的計算模型為IRPP模型，利用試驗獲得的σ–LET數據點進行Weibull擬合得到整個LET譜范圍內的σ–LET函數關系曲線（如圖8所示），然后與空間輻射環境的重離子等效微分能譜進行乘積并積分，從而得到在軌翻轉率預估值。其中，翻轉的臨界電荷QC由Weibull擬合得到的LETth計算得到，

圖8 RPP模型與IRPP模型采用的σ–LET曲線Fig. 8 σ–LET adopted in the RPP and IRPP model,respectively

式中：ρ為Si的密度；d為單粒子效應靈敏體積厚度；Eion為重離子電離產生1個電子–空穴對需要的能量。LETth直接決定了翻轉的臨界電荷QC，是影響在軌單粒子翻轉率計算最重要的參數[10]。在32 M Bulk SRAM的在軌翻轉率計算中，采用了Weibull擬合得到的LETth=1.2 MeV·cm2/mg，但根據輻照試驗結果Bulk SRAM的SEU閾值LETth實際為9.0～13.1 MeV·cm2/mg，導致嚴重高估了Bulk SRAM的在軌翻轉率。

在單粒子效應在軌預估中，除了IRPP模型外，常用的計算模型還有RPP模型。該模型采用σsat和LETth這2個參數構成的階躍函數表示σ–LET關系（如圖8所示），其計算結果要比IRPP模型的更保守或惡劣[11]。因此，對于32 M Bulk SRAM器件，Weibull擬合得到的LETth與試驗結果相差較大，可以利用RPP模型計算在軌翻轉率。以輻照試驗獲得的 9.0 MeV·cm2/mg作為 LETth，以 2.18×10-11cm2作為飽和截面σsat，在軌翻轉率計算結果為 2.76×10-14bit-1·d-1，比利用 Weibull擬合參數計算的結果低3個數量級以上，與SOI SRAM的在軌翻轉率較為一致。由于單粒子效應輻照試驗結果自身存在離散性，同時輻照能夠獲得的試驗數據點非常有限，一般不超過5個數據點，擬合得到的SEU特性參數可能存在較大偏差，其中對單粒子翻轉效應在軌翻轉率預估起決定性影響的參數是LETth。因此，為避免輻照試驗及數據擬合造成LETth和在軌翻轉率等指標的嚴重偏差，可盡量通過輻照試驗獲得更為準確的LETth范圍，并以試驗結果對在軌翻轉率進行預估。

4 結論及建議

本工作通過重離子輻照模擬試驗獲得了大容量抗輻射加固32 M Bulk CMOS工藝SRAM和16 M SOI CMOS工藝SRAM的單粒子效應特性，這2種器件的 SEL閾值 LETth均大于 99.8 MeV·cm2/mg，典型 GEO 在軌翻轉率均小于 1×10-10bit-1·d-1，2 款SRAM的性能參數相近，經過抗輻射加固優化設計，都達到了較高的抗單粒子效應性能指標。SOI SRAM器件的表面鈍化層厚度和SEU靈敏層厚度均小于Bulk SRAM的，誘發SEU的重離子射程要求相對較低。16 M SOI SRAM的SEU試驗中，由于存儲單元電路結構的非對稱性，1翻0和0翻1的敏感性存在顯著差異。為了更加準確地測試最惡劣條件下抗輻射加固SRAM器件的SEU特性，應針對多種不同測試圖形開展SEU測試，從而獲得最敏感的SEU特性指標。另外，為避免輻照試驗及數據擬合造成LETth和在軌翻轉率等指標的嚴重偏差，可通過單粒子效應輻照試驗獲得更為準確的LETth，并以試驗結果進行在軌翻轉率預估。