基于青藏高原的14 nm FinFET 和28 nm 平面CMOS 工藝SRAM 單粒子效應實時測量試驗*

張戰剛 楊少華? 林倩 雷志鋒 彭超 何玉娟

1) (工業和信息化部電子第五研究所,廣州 511370)

2) (電子元器件可靠性物理及其應用技術國家級重點實驗室,廣州 511370)

本文基于海拔為4300 m 的拉薩羊八井國際宇宙射線觀測站,開展了14 nm FinFET 和28 nm 平面互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝靜態隨機存取存儲器(static randomaccess memory,SRAM)陣列的大氣輻射長期實時測量試驗.試驗持續時間為6651 h,共觀測到單粒子翻轉(single event upset,SEU)事件56 個,其中單位翻轉(single bit upset,SBU) 24 個,多單元翻轉(multiple cell upset,MCU) 32 個.結合之前開展的65 nm 工藝SRAM 結果,研究發現,隨著工藝尺寸的減小,器件的整體軟錯誤率(soft error rate,SER)持續降低.但是,相比于65 和14 nm 工藝器件,28 nm 工藝器件的MCU SER 最大,其MCU 占比(57%)超過SBU,MCU 最大位數為16 位.雖然14 nm FinFET 器件的Fin 間距僅有35 nm左右,且臨界電荷降至亞fC,但FinFET 結構的引入導致靈敏區電荷收集和共享機制發生變化,淺溝道隔離致使電荷擴散通道“狹窄化”,另一方面靈敏區表面積減小至0.0024 μm2,從而導致14 nm 工藝器件SBU 和MCU的軟錯誤率均明顯下降.

1 引言

大氣輻射來源于高能宇宙射線與地球大氣的相互作用[1],其強度依賴于海拔、經緯度、太陽活動等因素.具有高可靠性、高安全性要求的航空、地面電子系統(包括汽車、通訊、電網等)及其使用的器件在設計、制造和使用過程中必須考慮大氣輻射的影響.根據JESD89A 標準[2],可通過加速試驗或實時測量試驗獲得大氣輻射導致的軟錯誤率(soft error rate,SER).相比于加速試驗,雖然實時測量試驗具有耗時、測試容量大等缺點,但實時試驗是唯一不引入人為干擾因素的試驗類型,可準確獲得被測器件的SER“標尺數據”.為了提高試驗效率,實時SER 試驗通常在高海拔地區進行.例如,位于“世界屋脊”青藏高原的羊八井國際宇宙射線觀測站的中子(E>10 MeV)通量為118.6 cm—2·h—1,相比于北京地面(～7.3 cm—2·h—1)高16 倍,是開展實時SER 試驗的理想地點[3].

近年來,國內外開展了一些實時SER 試驗[4-20].2012 年,Intel 公司Seifert 等[4]針對45 nm 工藝靜態隨機存取存儲器(static random-access memory,SRAM),在海拔61 m 處開展了5000 h 的軟錯誤實時測量實驗,觀測到27 次單粒子翻轉(包含單位翻轉和多位翻轉);在地下655 m 處開展了6000 h的軟錯誤實時測量實驗,觀測到1 次單位翻轉.艾克斯-馬賽大學 Autran 等[5-8]針對0.13 μm,65 nm和40 nm 工藝SRAM,開展了高海拔(2552 m)和地下軟錯誤實時測量試驗.Xilinx 公司[9-11]在其器件可靠性報告中公布了FPGA 系列產品的軟錯誤數據,包括實時測量得到的SER,測量海拔有0,1555,3801 和4023 m 等,器件工藝覆蓋0.15 μm—7 nm,但是90 nm 以下工藝器件僅公布了SER 數值,未對試驗過程和數據進行詳細報道和分析.西北核技術研究所[12,13]開展了0.5,0.35 和0.18 μm工藝SRAM 的高海拔實時測量試驗,數千小時內,3 種器件分別發生195,181 和76 次翻轉.總體來看,已報道的研究工作針對的器件工藝最小為40 nm,缺少針對更先進工藝器件的實時測量研究和分析工作,而28 nm 及以下工藝集成電路已在航空、電網等電子系統中廣泛采用,實時測量研究工作的缺失不利于其大氣中子單粒子效應的評價.

本文基于我國青藏高原開展4300 m 海拔處的28 nm 平面和14 nm FinFET 工藝SRAM 陣列大氣輻射實時測量試驗,對觀測到的單位翻轉(single bit upset,SBU)和多單元翻轉(multiple cell upset,MCU)進行分析和計算,并與之前開展的65 nm 工藝SRAM 器件結果[3,21]進行對比,揭示內在機理.

2 試驗條件

高海拔試驗在位于拉薩市的羊八井國際宇宙射線觀測站[22]開展.試驗站實景圖如圖1 所示,海拔為4300 m.試驗站電力供應、網絡通訊穩定,具備試驗所需的軟硬件設施.

圖1 羊八井國際宇宙射線觀測站Fig.1.Yangbajing International Cosmic Ray Observatory.

被測器件參數列于表1.選用14 nm FinFET和28 nm 平面CMOS 兩種工藝SRAM 開展試驗.其中,28 nm 工藝分為高介電常數金屬柵極(high-K metal gate,HKMG)和傳統氮氧化硅(silicon oxynitride,SION)兩種柵極工藝.一共有5 塊測試板,其中4 塊板搭載28 nm 器件,1 塊板搭載14 nm 器件.去除測試不穩定的壞位后,實際的有效測試容量為7.1 Gbit.

表1 被測器件參數Table 1. Parameters of devices under test.

測試現場圖如圖2 所示.5 塊測試板平鋪放置在測試現場,每塊測試板分A,B,C,D 四列,每列最多搭載5 只器件.所在房間為木質屋頂.上位機軟件界面如圖3 所示.試驗流程圖如圖4 所示,開始測試前,位于廣州的上位機通過互聯網遠程連接測試板,對測試板上所有被測器件寫入5555 初始圖形,并實時監控各組被測器件的工作電壓/電流、測試板電壓/電流、測試板溫度等參數.試驗過程中,板載FPGA 實時讀取所有被測器件的存儲內容,發現錯誤后,上報錯誤信息(發生時間、板號、列號、器件編號、錯誤地址、錯誤數據),并糾正錯誤.試驗期間,測試板溫度為(15 ± 10) ℃,溫度變化對器件自身的單粒子翻轉敏感性影響不大.

圖2 試驗現場圖及測試結果Fig.2.Experimental setup and test results.

圖3 上位機軟件測試界面Fig.3.Software test interface on the computer.

圖4 試驗流程圖Fig.4.Test flow chart.

為避免器件自身工藝造成的軟錯誤誤判,進行了以下操作:

1) 試驗前,對5 塊測試板進行高溫長期測試(低海拔地區進行),對發現的少量錯誤地址進行屏蔽處理;

2) 高海拔地區測試過程中,對發現的錯誤進行地址檢驗,若發現某一地址出現2 次或以上錯誤,則判定為“假SEU(single event upset)”,因為在試驗期間同一個存儲位的數據被大氣輻射影響2 次的概率是極低的.試驗期間發現,3#板C5 芯片的0x0D82B0 地址出現2 次“假SEU”,均為5555 至5545 的數據翻轉,重寫可以恢復.后續的深地環境試驗中,該地址也多次出現相同現象,間隔時間無規律.分析原因可能為該存儲位自身工藝不穩定所導致.

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

試驗自2021 年10 月23 日開始,至2022 年7 月28 日結束,有效測試時間為6651 h.表2 匯總了所有測量結果信息.共觀測到SEU 事件56 個,其中SBU 24 個,MCU (指多個位翻轉位于不同的字內) 32 個,未發現多位翻轉(multiple bit upset,MBU)事件(指單個字中發生多個位翻轉).被測器件在設計中采用了交織架構,即單個字中的存儲位在物理版圖上被分開,因此無MBU 事件發生.試驗過程中,未發現單粒子閂鎖事件.

表2 測量結果匯總Table 2. Summary of test results.

基于EXPACS 工具[23]對高海拔試驗點的大氣輻射環境進行計算,結果如圖5 所示,輻射粒子包括中子、質子、繆子、電子、光子等[3].根據器件工藝特點,大氣輻射中可能導致單粒子效應的粒子包括中子、質子和繆子,其中中子的貢獻最大.此外,器件自身釋放的α 粒子也有可能誘發單粒子效應.

圖5 高海拔試驗點的大氣輻射環境[3]Fig.5.Atmospheric radiation environment of the high-altitude test site[3].

表2 給出了每個錯誤發生時的失效時間(time to failure,TTF),即錯誤發生時刻與試驗開始時刻間隔的小時數.由于試驗過程中2#板的計時功能出現故障,故表2 中2#板發生的SEU 沒有具體的TTF 值,其編號順序是根據人工記錄的錯誤發現時間排列的.圖6 繪制了試驗期間SEU 累積計數與TTF 的關系曲線.由圖可見,SEU 累積計數整體呈線性增長.值得注意的是,在2022 年7 月4 日至11 日期間,密集發生了5 次SEU 事件,見圖中紅色虛線圈.

圖6 SEU 累積計數與TTF 的關系圖Fig.6.Relationship between SEU cumulative count and TTF.

3.2 SER 計算與分析

對SEU,SBU 和MCU 的SER 進行計算:

其中Nerror指各種類型錯誤的發生次數;T為測試時間(單位為h);C為測試總容量(單位為Mbit).

計算結果如圖7 所示,圖中65 nm 工藝器件的試驗結果來自于文獻[21].由圖7 可見: 1) 對于SBU,隨著工藝尺寸的減小,SER 持續下降.相比于65 nm 工藝,14 nm FinFET 工藝SRAM 的SER下降超過1 個數量級(圖中FIT 為failure in time);2) 對于MCU,相比于65 nm 工藝,28 nm 工藝SRAM 的SER 上升了近1 倍,而14 nm FinFET工藝SRAM 在試驗期間未觀測到MCU 事件,其SER 上限相比于28 nm 工藝器件下降3 個數量級;3) 對于SEU,相比于65 nm 工藝,28 nm 工藝處MCU SER 的增大,導致其SEU SER 的減小幅度減緩,而14 nm FinFET 的SEU SER 迅速下降.

圖7 SEU,SBU 和MCU SER 與工藝尺寸的關系Fig.7.Relationship between SERs of SEU,SBU,MCU and feature size.

3.3 MCU 特性

圖8 進一步給出了各種工藝尺寸下的SBU 和MCU 占比.由圖8 可見: 1) 28 nm 處,MCU 占比為57%,超過了SBU 成為主要的翻轉類型;2) MCU中,兩位翻轉、三維翻轉和四位翻轉為主要的翻轉類型,占比分別為21%,13%和14%;3) 28 nm 處的MCU 比例、位數均高于65 nm 和14 nm,觀測到的最大MCU 為16 位.

圖8 各種工藝尺寸下的SBU 和MCU 占比Fig.8.Proportion of SBU and MCU under various feature sizes.

3.4 與太陽活動的關系

圖9 給出了芬蘭奧盧宇宙射線站監測的大氣中子通量變化情況(1965 年至今).可見,大氣中子通量呈現明顯的11 年周期變化,與太陽活動反相關,變化范圍基本在±10%內.本文試驗期間大氣中子通量處在下降區間.

圖9 芬蘭奧盧宇宙射線站監測的大氣中子通量變化情況(1965 年至今)[24]Fig.9.Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland (1965 till now)[24].

圖10 進一步給出了試驗期間(2021 年10 月23 日至2022 年7 月28 日)的大氣中子通量監測數據(芬蘭奧盧宇宙射線站).由于沒有試驗地點的中子測量數據,使用芬蘭奧盧宇宙射線站的監測數據作為試驗期間太陽活動情況的判斷依據.由圖10可見,在試驗前期(2022 年2 月前)大氣中子通量變化不大,之后大氣中子通量整體呈下降趨勢.將圖10 與圖6 對應,可以發現,圖6 中試驗后期SEU發生速率的降低似乎和圖10 中中子計數下降有一定的對應關系.值得注意的是,圖6 虛線紅框中,2022 年7 月初連續發生5 次SEU 事件,而圖10中7 月初發現中子計數的突然增大,源于太陽短時間的質子爆發.二者在時間上能對應得上,但是并不能完全確定圖10 紅框中中子計數的增大就是圖6 紅框中SEU 計數率增大的原因,因為圖10 中除了紅框內,其他時間段也有中子計數增大的現象,而圖6 中并沒有發現對應的SEU 計數率的增大.圖6 紅框中SEU 計數率的增大也有可能是偶然因素,或者是器件自身因素(如電壓的突變)導致.

圖10 試驗期間芬蘭奧盧宇宙射線站監測的大氣中子通量變化情況Fig.10.Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland during the test.

3.5 機理分析

3.5.1 反向分析及討論

為了進一步理解上述試驗結果的內在機理,對試驗對象進行了反向分析,獲得了其存儲區圖像及對應的尺寸信息.表3 為14 nm FinFET,28 和65 nm SRAM 的存儲單元尺寸和靈敏區參數,一般“關”態NMOS 的漏區為單粒子翻轉靈敏區(sensitive volume,SV).由表3 可知: 1) 隨著器件工藝尺寸的縮小,靈敏區表面積從0.038 μm2(65 nm工藝)減小至0.0024 μm2(14 nm 工藝),降低超過1 個數量級,這是圖6 中SER 隨工藝尺寸減小的主要原因之一;2) 相比于65 nm 工藝,28 nm 工藝器件的臨界電荷和靈敏區間距縮小,導致其MCU概率增大;3) 對于14 nm 工藝,FinFET 結構的引入,導致其SBU 和MCU 發生率均發生明顯下降,具體分析見下一段.

表3 14 nm FinFET,28 nm 和65 nm SRAM 的存儲單元尺寸和靈敏區參數Table 3. Memory cell size and SV parameters for the 14 nm FinFET,28 nm and 65 nm SRAM devices.

圖11 給出了14 nm FinFET 器件的Fin 結構圖像.該器件的Fin 高為45 nm,Fin 寬為14 nm,Fin 之間的距離約為35 nm.觀察到“排列式”的淺溝道隔離(shallow trench isolation,STI)存在,將Fin 在物理上隔開,Fin 與襯底之間的通道變得非常狹窄.14 nm FinFET 器件SBU 截面下降的主要原因為靈敏區尺寸的減小和電荷收集機制發生變化,電荷收集主要依賴漂移過程,襯底中產生的電荷擴散至靈敏區的通道變得狹窄,效率降低.對于MCU,雖然14 nm FinFET 器件的Fin 間距僅有35 nm 左右,且臨界電荷降至亞fC,但STI 致使Fin 間電荷共享效應被削弱,這是14 nm FinFET器件MCU 占比減小的主要原因.

圖11 14 nm FinFET 器件的Fin 結構圖像Fig.11.Fin structure of the 14 nm FinFET device.

3.5.2 器件仿真及討論

根據14 nm FinFET SRAM 器件的反向分析結果進行建模,器件結構參數如表4 所列,FinFET器件的區域摻雜情況如表5 所列.

表4 14 nm FinFET 器件建模的結構參數Table 4. Structural parameters for modeling 14 nm FinFET device.

表5 14 nm FinFET 器件模型摻雜情況Table 5. Doping parameters of 14 nm FinFET device model.

按照上述結構參數與摻雜參數,在SDE 模塊建立的14 nm FinFET 器件模型如圖12 所示.

圖12 14 nm FinFET 器件模型圖Fig.12.Model of the 14 nm FinFET device.

根據之前的研究結果[28],大氣中子在14 nm FinFET 器件中產生的二次粒子的LET 值低于15 MeV·cm2/mg,粒子呈多角度入射.本文根據上述二次粒子特征,選擇的入射粒子LET 值為10 MeV·cm2/mg,入射角從0°至90°,設置在開始仿真5 ps 時,重離子入射T1 管,同時監測T1 和T2 管(器件間距為60 nm)的單粒子瞬態脈沖.

圖13(a)為改變入射角時,T1 漏極產生的瞬態脈沖電流圖,圖13(b)為T2 漏極產生的瞬態脈沖電流圖.由圖13(b)可看出,改變入射角,T2 漏極產生的瞬態脈沖電流是角度越大,脈沖電流越小,原因是角度越大越偏,入射粒子束穿過敏感區的徑跡長度越短,則產生的電子-空穴對也越少.另外,T2 漏極產生的瞬態脈沖峰值出現的時間,也隨著入射角的改變而改變,這是因為角度越大,粒子束入射的最終位置越偏向于T2,因而脈沖電流產生得越早.脈沖寬度方面,不同入射角下,T1 產生的脈沖寬度相差不大,大約為4.9 ps;而T2 產生的脈沖寬度隨脈沖峰值的增加而增加,隨著入射角從0°增加到90°,脈沖寬度從7.65 ps 減少到3.25 ps.

圖13 不同入射角下兩個器件的單粒子瞬態脈沖圖 (a) T1瞬態脈沖;(b) T2 瞬態脈沖Fig.13.Single event transients of two transistors at different incidence angles: (a) T1 transient pulse;(b) T2 transient pulse.

由于同一襯底的電荷共享效應,當粒子束入射T1 時,T2 會不同程度地受到影響而發生較微弱的單粒子瞬態脈沖效應,且T2 脈沖峰值出現的時間比直接被入射的器件晚;T2 脈沖峰值與T1產生的脈沖峰值相比減小了2 個數量級,由此可見14 nm FinFET 器件的電荷共享效應明顯減弱.

4 結論

本文基于“世界屋脊”青藏高原,在4300 m 海拔處開展了14 nm FinFET 和28 nm 平面CMOS工藝SRAM 陣列的大氣輻射長期實時測量試驗.在6651 h 的測量時間內,共觀測到SEU 事件56 個,其中SBU 24 個,MCU 32 個,最大的MCU為16 bit.結合之前開展的65 nm 工藝SRAM 結果,研究發現,隨著工藝尺寸的減小,器件的整體SER 持續降低.但是,相比于65 和14 nm 工藝器件,28 nm 工藝器件的MCU SER 最大,其MCU占比(57%)超過SBU,MCU 最大位數為16 bit.14 nm 工藝處FinFET 結構的引入導致SV 電荷收集和共享機制發生變化,STI 隔離致使電荷擴散通道“狹窄化”,從而導致14 nm 工藝器件SBU 和MCU 的SER 均明顯下降.

下一步將繼續對試驗結果進行分析,通過散裂中子源試驗、“深地”試驗等,確定高海拔試驗結果中高能中子、熱中子、封裝α 粒子等的貢獻占比,分析內在物理機制.

感謝羊八井國際宇宙射線觀測站工作人員對試驗的支持和幫助.