靜態(tài)隨機存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的二維數(shù)值模擬

1、 第 37卷第 6期 原 子 能 科 學(xué) 技 術(shù)Vol. 37,No. 6 2003年 11月 Atomic Energy Science and TechnologyNov. 2003靜態(tài)隨機存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的二維數(shù)值模擬郭紅霞 , 陳雨生 , 周 輝 , 賀朝會 , 李永宏(西北核技術(shù)研究所 , 陜西 西安 710024摘要 :采用 MEDICI 二維模擬軟件對靜態(tài)存儲器 SRAM 的單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU 現(xiàn)象進行了計算 。對MOSFET 漏區(qū)模擬得到的結(jié)果與電荷漏斗模型相吻合 , 表明所建立的物理模型的正確性 。通過輸入不同粒子的線性能量傳輸 L ET 值 , 得到了某一結(jié)構(gòu)器件的收

2、集電荷與 L ET 值的關(guān)系曲線 , 荷 7173×10-14C 。關(guān)鍵詞 :單粒子翻轉(zhuǎn) ; 線性能量傳輸 ; 電荷漏斗模型中圖分類號 :TN38611 文獻標識碼 :A26931( 205Simulation of the E ffect of Single Event Upset for SRAMGUO Hong 2xia , CHEN Yu 2sheng , ZHOU Hui , HE Chao 2hui , L I Y ong 2hong(Northwest Institute of N uclear Technology , Xi an 710024, China Abst

3、ract :In the paper , Single event upset (SEU for SRAM is simulated using the software of M EDICI two 2dimensional device simulator. From the theory , a reliable approach is set up for analyzing device s SEU. Collective charge depending on linear energy transfer (L ET for specific device structure is

4、 calculated for different particles L ET and the critical charge is pro 2vided. The results of simulation are consistent with the model of charging funnel. It has been proven that the models presented in the paper are correct. There are some improvements to be discussed.K ey w ords :single event ups

5、et ; linear energy transfer ; model of charge funneling收稿日期 :2002209212; 修回日期 :2002212216作者簡介 :郭紅霞 (1964, 山西太原人 , 副研究員 , 博士 , 微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè) 國外對單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU 已研究了 20余 年 , 在各類軌道的衛(wèi)星上和各種加速器上進行了多種芯片實驗 。 國內(nèi)目前在實驗室條件下能 夠利 用 的 模 擬 粒 子 源 主 要 有 252Cf 源 裝 置 、 14MeV 中子發(fā)生器 、 35MeV 質(zhì)子加速器以及中國原子能科學(xué)研究院的 HI 213串列加速器 。 一般情

6、況下 , 實驗方法過程復(fù)雜 , 需要采用不同的離子源輻照裝置 , 不利于快速評估器件的單 粒子性能 。 計算機模擬 SEU 在國內(nèi)尚處于起 步階段 , 需要一種理論的模擬方法及手段 。1 電荷漏斗模型在單粒子效應(yīng)損傷機理的研究過程中 , 提 出了不少模型 , 其中包括電荷漏斗模型 14。 該模型是在研究 粒子引起的單粒子損傷機理 時提出的 。 圖 1示出電荷漏斗模型電荷聚集過 程 。 一個 n +p 結(jié)加 V D 正偏壓 , 形成空間電荷 為 N A 的耗盡區(qū) 。當一 粒子垂直注入時 , 產(chǎn) 生一半徑為 100nm 的電子 2空穴對的等離子體 (圖 1a 。 這時等離子體的密度比襯底摻雜濃 度

7、高出幾個數(shù)量級 , 達到 10181019cm -3。 在 此 瞬 間 , 等 離 子 體 周 圍 的 耗 盡 層 被 中 和 (圖 1b 。 耗盡層進一步消失 , 由于失去屏蔽作 用 , 正偏壓 V D 產(chǎn)生的電場推進到襯底內(nèi)部 (圖 1c 。 等離子體存在兩種形式的電荷分離 , 即徑向和縱向分離 。起始時 , 等離子體密度很 高 , 以徑向分離為主 。 在徑向電場作用下 , 空穴 被驅(qū)趕到襯底 , 而電子則被留在等離子體內(nèi) ; 在 縱向電場作用下 , , 正電極所收集 , 然 后到中心 。 , 電荷以縱向分離為主 , 電子被拉向正電極 , 空穴脫離縱向電場 , 一直到 耗盡層完全恢復(fù) 5,

8、6 。圖 1 漏斗模型電荷聚集過程Fig. 1 Charge collection process of funnel modela 等離子體形成 ;b 耗盡層被中和 ;c 漏斗狀等位線形成2 物理模型及器件結(jié)構(gòu)利用半導(dǎo)體二維模擬軟件 M EDICI 軟件 對 MOSFET 的漏極 SEU 進行模擬計算 。 物理 模型考慮了載流子濃度對壽命影響的 SRH 復(fù) 合 、 俄歇復(fù)合 、 載流子之間散射 、 遷移率隨摻雜 濃度的變化以及禁帶變窄等 。 模擬的基本過程 是 :首先不考慮產(chǎn)生 、 復(fù)合項 , 求得穩(wěn)態(tài)解 ; 然后 在穩(wěn)態(tài)解的基礎(chǔ)上考慮單粒子注入影響 , 即模擬計算中加入產(chǎn)生復(fù)合項 , 求得

9、瞬態(tài)解 , 得到粒 子注入后產(chǎn)生的電流脈沖及電壓隨時間的變化 過程 。在 M EDICI 中 , 離子注入后 , 與電流連續(xù) 方程對應(yīng)的過剩載流子產(chǎn)生率 G 為 :G =T (t R (r L (l 式中 :L (l 為入射離子的深度函數(shù)分布 , 與離 子的種類 、 能量 、 射程有關(guān) ; R (r 反映入射離子 的橫向半徑分布 , 一般取為 012m 6; T (t 為 離子的時間分布函數(shù) , 服從高斯分布 。 T (t 由 下式?jīng)Q定 :T (t =2exp -T c erfc -T c式中 :T 0; c 為入射離子脈, T ;erfc 為 T c =1. 5ps , T 0=3. ps

10、假設(shè)注入?yún)^(qū)域為 p -溝道 MOSFET 的漏 區(qū) 。 注入前 , 漏極接 -3V 電壓 , n 型襯底接 地 。 在翻轉(zhuǎn)過程中 , 電荷的不斷產(chǎn)生使得漏極 電壓不斷升高 , 當漏極電壓上升到 0V 時 , 可認 定單粒子翻轉(zhuǎn)事件發(fā)生 。MOSFET 的工藝參數(shù)如下 :外延層厚度 210m , 外延層摻雜濃度 1×1017cm -3, 襯底摻雜濃度 5×1018cm -3,p +區(qū)結(jié)深 013m ,p +區(qū) 濃度 峰 值 1×1020cm -3, 漏 極 電 源 電 壓 為 -310V 。3 計算結(jié)果分析圖 2示出電流隨時間變化的模擬結(jié)果。 注 入離子為 129X

11、e , 其 L ET 值為 109MeV cm 2 mg -1。 圖 2所示電流為因擴散而收集到的電 流 , 這一過程約持續(xù)了 4ps , 耗盡層內(nèi)所有電荷 已被收集完畢 。 同一時刻 , 擴散還在繼續(xù) , 幾個 ps 后 , 電流開始下降 。圖 3示出電壓隨時間變化的模擬結(jié)果 。 圖 4為碘離子注入時幾個時間點的空穴濃 度等密度區(qū)分布和電位等位線分布的模擬結(jié) 果 。 圖中縱軸沿離子入射方向 , 橫軸為 pn 結(jié)橫 向尺寸 , 均以微米為單位 ?？梢钥吹?,115ps 后 ,n 接觸端電位線有顯905第 6期 郭紅霞等 :靜態(tài)隨機存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的二維數(shù)值模擬 圖 2 129Xe 注入時漏

12、極電流隨時間的變化Fig. 2 Drain current vs time for 129Xe ion圖 3 129Xe 注入時漏極電壓隨時間變化的模擬結(jié)果Fig. 3 Drain voltage vs time for 129Xe ion著變化 , 即在有電場形成了 100ps 后 , 電場又 逐漸恢復(fù) 。 詳細過程為離子注入后 , 產(chǎn)生大量 電子 、 空穴對 , 過剩載流子引起電場再分布 。 在 耗盡區(qū) , 過剩電子 、 空穴對主要是通過沿軸向漂 移引起電場的再分布 , 并且引起空間電荷分布 的變化 , 導(dǎo)致結(jié)電場消失 。 同時 , 粒子徑跡靠近 n 區(qū)接觸端處 , 初始電場為零 , 載流

13、子通過擴散向襯底接觸端移動 。 由于電子的擴散系數(shù)大于 空穴的擴散系數(shù) , 載流子的擴散運動導(dǎo)致徑跡 尾端電子濃度比空穴高 , 將引起粒子徑跡尾端 和襯底接觸端之間建立高場區(qū) 。 襯底場的幅值 受到擴散效應(yīng)和載流子漂移之間的準靜態(tài)平衡 的限制 。 擴散效應(yīng)初始時引起襯底場的上升 , 載流子的漂移同樣對場有貢獻 。 在電荷收集期間 , 準靜態(tài)平衡能夠維持 , 粒子徑跡的橫向擴展伴隨有同樣的平衡 。開始時 , 在垂直于粒子徑 跡方向上 , 空穴向襯底擴散 , 其速率小于電子 , 這引起橫向場的產(chǎn)生 , 從而使電子向襯底的運 動增強 , 而使空穴的運動減弱 , 電場的強度自然 被抑制 , 以致于電子

14、和空穴向襯底的擴散速率 逐漸趨于相等 。 在這一載流子的橫向擴展過程 中 , 由于載流子濃度的降低 , 載流子擴散減弱 , 緊接著可觀察到橫向場的減少 。初始階段 (輻 射后 115ps , 電場區(qū)沿粒子徑跡形成 , 14ps 后 , 電場區(qū)開始衰減 , 在 100ps 時刻 , 基本上恢 復(fù)到輻射前的狀態(tài) 。空穴濃度等密度區(qū)分布表明 :粒子注入 115ps 后 , 沿離子徑跡中心處 , 載流子的濃度達 到 1×1020cm -3,100ps 時 , , n +n 外延層中的增 。 從等電位線分布可以看出 , 在 512、 14ps 時 , 與電荷漏斗模型符合較好 。 利用建立的物理

15、模型 , 計算了不同離子入射引起的電壓隨時間的變化 。模擬的離子為 C 、 Ne 、 Ar 、 Cu 、 I 離子及 Cf 源碎片 , 不同離子注 入電壓隨時間的變化的計算結(jié)果示于圖 5。從 圖 5可以看出 , 不同的離子注入器件 , 其引起器 件電 壓 變 化 程 度 與 該 離 子 的 L ET 值 有 關(guān) 。 L ET 值越大 , 越易引起翻轉(zhuǎn) ; 相反 ,L ET 值小的 粒子 , 只能引起電壓的瞬間擾動 , 而不能引起翻 轉(zhuǎn) 。4 CMOS SRAM 電路的 SEU 模擬利用建立的物理模型 , 針對某一 CMOSSRAM 電路 , 進行了四管 CMOS SRAM 電路單 粒子翻轉(zhuǎn)模擬

16、 。對于 CMOS SRAM , 存儲單元中截止管漏 區(qū)反偏 pn 結(jié)空間電荷 (耗盡區(qū) 構(gòu)成器件單粒 子翻轉(zhuǎn)靈敏區(qū) , CMOS SRAM 正常工作時 , 每 個存儲單元總有兩個晶體管處于截止狀態(tài) , 每 個存儲單元有兩個靈敏區(qū) 。 粒子入射其中之一 均有可能導(dǎo)致邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn) 。數(shù)值模擬了 CMOS SRAM 單粒子翻轉(zhuǎn)過 程 。 圖 6為模擬的帶 SRAM 單元的電路示意 圖 。 粒子注入后 , 電路中的電阻 R5、 R6可延遲015原子能科學(xué)技術(shù) 第 37卷 圖 4 幾個時間點的空穴濃度等密度區(qū)分布和等電位線分布Fig. 4 Distributions of potential lin

17、e and a 115ps ;b 512ps ;c ps圖 5 不同離子注入電壓隨時間的變化Fig. 5 Voltage vs time for different ions Xe 離子 ; I 離子 ; Cf 離子 ; Cu 離子 ; O 離子 ; Ar 離子 ; Ne 離子 ; C 離子單元恢復(fù)時間 , 減小翻轉(zhuǎn)因素 。電路的模擬用 PSPICE 語言描述 , 采用以上建立的離子注入 的物理模型 , 離子注入到存儲單元中單粒子翻 轉(zhuǎn)靈敏區(qū)截止管漏區(qū)反偏 pn 結(jié)上 。如果圖中 節(jié)點 2和 4的電壓互相交換的話 , 則表明單元 發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn) 。圖 7示出氬離子注入后 4個節(jié)點的電壓變 化

18、。 可以看出 ,4個節(jié)點的電壓皆發(fā)生了翻轉(zhuǎn) 。圖 6 模擬的帶 SRAM 單元的電路示意圖Fig. 6 Schematic diagram of SRAM unitfor simulation節(jié)點 1從 3V 翻轉(zhuǎn)到 0V ; 節(jié)點 2從 0V 翻轉(zhuǎn)到 3V ; 節(jié)點 3從 0V 翻轉(zhuǎn)到 3V ; 節(jié)點 4從 3V 翻轉(zhuǎn)到 0V , 表明已發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn) 。圖 8示出模擬的收集電荷隨 L ET 的變化 。 可以看出 , 對于不同的粒子入射 , 器件結(jié)構(gòu)一定 的 SRAM 存儲單元存在一臨界電荷 。對于本 工作模擬的這種結(jié)構(gòu)電路 , 臨界電荷為 7173×10-14C 。 臨界電荷定

19、義為導(dǎo)致 SRAM 存儲單 元邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所必需的最小電荷 , 而對非存 儲單元邏輯 , 則為狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時靈敏電極收集到 的最小電荷 。它與入射粒子無關(guān) , 是個器件參 數(shù) , 取決于漏極電壓和反偏 pn 結(jié)電容 、 柵電容 及寄生電容 。115第 6期 郭紅霞等 :靜態(tài)隨機存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的二維數(shù)值模擬 圖 7 氬離子注入后 4個節(jié)點電壓的變化Fig. 7 4node voltages vs time for Ar ion 節(jié)點 1; 節(jié)點 2; 節(jié)點 3; 節(jié)點 4圖 8 模擬的收集電荷隨 L ET 的變化Fig. 8 Collection charge vs L ET5 結(jié)束語利用 M

20、 EDICI 二維模擬軟件對靜態(tài)隨機 存儲器 SRAM 的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行了計算 , 并從理論上建立了分析器件 SEU 的一種可行 的手段 。 通過輸入不同粒子的 L ET 值 , 得到了 某一結(jié)構(gòu)電路的收集電荷與 L ET 值的關(guān)系曲 線 , 并給出了其臨界電荷 。 對 MOSFET 漏區(qū)模擬得到結(jié)果與電荷漏斗模型相吻合 , 表明建立的物理模型是正確的 。 以上工作僅是 SEU 的初步仿真模擬 , 仍有 許多方面有待進一步研究 7,8。由于 M EDICI 二維模擬的限制 , 采取了圓柱形代替方形漏區(qū) 擴散 , 程序并不能直接模擬 MOSFET 真實的 結(jié)構(gòu) , 欲精確模擬 MOSFET

21、本來面目 , 則須采 用三維模擬 5,9。 參考文獻 :1 Hauser J R. Ion Track Shunt E ffects in the Multi 2junction Structures J .IEEE Trans Nucl Sci , 1985,NS 232:41154122.2 賴祖武 1抗輻射電子學(xué) 輻射效應(yīng)及加固原理 M .北京 :國防工業(yè)出版社 ,1998. 160168.3 尚也淳 , 張義門 , J,24(6 :80714Studies of Charge Collectionand Funneling in Silicon Device J.IEEE Trans Nucl Sci ,1984,NS 231:11611