靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)三維數(shù)值模擬

1、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)三維數(shù)值模擬張科營(yíng) 郭紅霞 羅尹虹 何寶平 姚志斌 張鳳祁 王園明(西北核技術(shù)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(duì)特征尺寸為1 5 m 的國(guó)產(chǎn)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM , 構(gòu)建了三維SRAM 存儲(chǔ)單元模型, 并對(duì)重離子引起的SRAM 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬. 計(jì)算并分析了單粒子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)和電荷收集的物理圖像, 得到了SRAM 器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線. 單粒子翻轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與重離子微束、重離子寬束實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致, 表明所建立的三維器件模型可以用來(lái)研究SRAM 器件的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng).關(guān)鍵詞:三維數(shù)

2、值模擬, 單粒子翻轉(zhuǎn), 微束, 寬束PACC :8750G, 7340Q用1 5 m 硅柵互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(C MOS 加1 引言固工藝設(shè)計(jì), 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(chǔ)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(dǎo)體(MOS晶體管的柵氧層厚度分別為24和20nm. 西北核技術(shù)研究所針對(duì)該器件進(jìn)行了單粒子微束和寬束實(shí)驗(yàn), 得

3、到該器件單粒子翻轉(zhuǎn)的物理圖216318隨著半導(dǎo)體工藝向深亞微米、超深亞微米方向發(fā)展, 電子元器件的單粒子效應(yīng)更加嚴(yán)重. 國(guó)內(nèi)用于單粒子效應(yīng)研究和抗單粒子能力考核的重離子加速器主要是中國(guó)原子能科學(xué)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(kuò)展, 不能很好保證用戶的束流. 單粒子效應(yīng)的三維數(shù)值模擬可以有效地彌補(bǔ)我國(guó)重離子加速器的不足, 國(guó)外已經(jīng)通過(guò)三維數(shù)值模擬計(jì)算了靜態(tài)隨存儲(chǔ)器(SRAM 器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面, 這表明SRAM 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的三維數(shù)值模擬可以在一定程度上彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)重離子加速器單粒子模擬實(shí)驗(yàn)的不足.本文建立了國(guó)產(chǎn)SRAM 的三維器件模型, 計(jì)算得

4、到了單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線. 通過(guò)SRAM 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)數(shù)值模擬, 掌握了SRAM 三維存儲(chǔ)單元建模的關(guān)鍵技術(shù), 建立了理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的單粒子翻轉(zhuǎn)性能評(píng)估方法.1像、單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線, 如圖2所示 .2 數(shù)值模擬技術(shù)2 1 器件工藝本文中實(shí)驗(yàn)和模擬的對(duì)象為中國(guó)電子科技集團(tuán)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(shù)值模擬方法建立SRAM 單元完整的三維器件模型是準(zhǔn)確研究SRAM 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要手段, 但是由于3 圖2 實(shí)驗(yàn)得到的2kbit SRAM 翻轉(zhuǎn)截面曲線圖4 SR AM

5、 單元三維模型數(shù)值算法和計(jì)算機(jī)工作速度的限制, 利用SRAM 單元的三維器件模型來(lái)研究單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象是非常困難的.三維器件 電路混合模擬可以用來(lái)判斷單粒子翻轉(zhuǎn)LE T 閾值, 在這些仿真計(jì)算中首先要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷出最敏感的區(qū)域(通常為MOS 晶體管的反偏漏區(qū) , 采用該方法計(jì)算出的LE T 閾值也能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好地符合. 但是這種混合模擬無(wú)法模擬不同注入位置的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng), 只有采用全三維的數(shù)值模擬才能夠模擬器件的靈敏區(qū)域的面積, 并進(jìn)而得到器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面. 本文采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TC AD 構(gòu)建了三維六管SRAM 單元, 圖3是2kbit SRAM 單元的版圖, 外圍的細(xì)線表示存

6、儲(chǔ)單元有源區(qū)的邊界. 該六管SRAM 單元采用n 型外延, 在本存儲(chǔ)單元中下拉nMOS 和傳輸nMOS 晶體管共用一個(gè)漏區(qū). SRAM 的存儲(chǔ)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(dǎo)體工藝模擬工具生4成的六管三維SRAM 單元, 存儲(chǔ)單元的面積為25 m 37 m, SRAM 三維單元是按照?qǐng)D2所示的版圖采用器件實(shí)際工藝參數(shù)生成的. 在對(duì)SRAM 的單粒子翻轉(zhuǎn)進(jìn)行計(jì)算時(shí), 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(dǎo)體的禁帶變5窄; 非平衡載流子產(chǎn)生 復(fù)合物理模型考慮了載流子濃度對(duì)壽命影響的Shockley 間接復(fù)合、輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合; 載流

7、子遷移率物理模型考慮了電離雜質(zhì)散射、表面散射、載流子之間散射. 模擬的基本過(guò)程如下:首先不考慮產(chǎn)生、復(fù)合項(xiàng), 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(jì)算中加入產(chǎn)生、復(fù)合項(xiàng), 求得瞬態(tài)解, 得到粒子注入后產(chǎn)生的電流脈沖及電壓隨時(shí)間的變化過(guò)程.本文采用三維模擬計(jì)算出某一粒子注入下SRAM 單元單粒子翻轉(zhuǎn)靈敏區(qū)域的物理圖像, 改變注入粒子的LE T 并重復(fù)以上過(guò)程, 就可以得到單元靈敏區(qū)域的面積隨粒子LE T 變化的曲線, 即該SRAM 的單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線.3 單粒子翻轉(zhuǎn)物理圖像單粒子翻轉(zhuǎn)物理圖像是指受重離子撞擊后引起SRAM 存儲(chǔ)單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)的區(qū)域, 即單粒子翻轉(zhuǎn)的靈敏區(qū)

8、域. 研究單粒子翻轉(zhuǎn)的物理圖像可以得出器件的布線、尺寸、材料和工藝等參數(shù)與重離子產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)的定量關(guān)系, 從而為制備抗單粒子輻射能力強(qiáng)的集成電路提供重要的 逐點(diǎn)! 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(zhuǎn)區(qū)域. 對(duì)于LE T 值為5MeV cm mg, nMOS 反圖3 2kbit SR AM 存儲(chǔ)單元的版圖26偏漏結(jié)的中心是SRAM 單元內(nèi)單粒子翻轉(zhuǎn)的靈敏區(qū)域, 隨著LET 值的增加, 單粒子翻轉(zhuǎn)靈敏區(qū)域的面積逐漸增大. 在LET 值達(dá)到10MeV c m mg 時(shí), pMOS2的反偏漏結(jié)也成為單粒子翻轉(zhuǎn)的靈敏區(qū)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(zhuǎn)靈敏區(qū)域重粒子微束實(shí)驗(yàn)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(gè)能量的Br 離子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)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(duì)器件不同敏感區(qū)域的入射都能夠誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)事件. SRAM 重離子微束試驗(yàn)得到單元翻轉(zhuǎn)截面, 如圖6所示.仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明:截止nMOS 和pMOS 的漏區(qū)是單粒子翻轉(zhuǎn)的靈敏區(qū)域, 這是因?yàn)榻刂构艿穆﹨^(qū)存在反偏p n 結(jié), 空間電荷區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)使得等離子體的電子空穴對(duì)迅速分離, 在漏極產(chǎn)生了脈沖電流, 改變了器件邏輯狀態(tài). nMOS 和p

10、MOS 的反偏漏區(qū)對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感程度不同, 截止nMOS 漏區(qū)是單粒子翻轉(zhuǎn)最敏感的區(qū)域, 這是因?yàn)殡娮拥倪w移率要遠(yuǎn)大于空穴, nMOS 漏極的負(fù)向脈沖電流要大于pMOS 漏極的正向脈沖電流. nMOS 單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)的面積比漏區(qū)本身要大, 這是由于敏感反偏結(jié)附近碰撞產(chǎn)生的電荷擴(kuò)散也被反偏漏結(jié)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(qū)域, 即電荷收集靈敏區(qū)域. 單粒子翻轉(zhuǎn)物理圖像直接得到器件遭受重離子撞擊后易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感區(qū)域, 但無(wú)法獲取引起翻轉(zhuǎn)的潛在電荷收集過(guò)程的相關(guān)信息, 通過(guò)分析電荷收集靈敏區(qū)域可以獲得電荷收集與撞擊位置的相關(guān)

11、性. 結(jié)合電荷收集物理圖像與單粒子翻轉(zhuǎn)物理圖像, 可以深入分析對(duì)單粒子效應(yīng)靈敏的區(qū)域及7其損傷機(jī)理.將LE T 值為60MeV cm mg 的粒子注入到圖7所示的位置, 對(duì)電源V DD 端的脈沖電流進(jìn)行積分可以2圖6 重離子加速器實(shí)驗(yàn)得到SRAM 存儲(chǔ)單元翻轉(zhuǎn)截面 (a 10的翻轉(zhuǎn)截面, (b01的翻轉(zhuǎn)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(gè)注入位置中, 僅有位置1, 7兩個(gè)位置引起了SRAM 單元的翻轉(zhuǎn), 但是卻有8個(gè)位置引起-13的V DD 電荷收集量在10C 量級(jí)內(nèi).表1 不同注入位置下V SS 或V DD 電荷收集及翻轉(zhuǎn)情況注入位置1

12、23456789101112名 稱T1, T5晶體管漏結(jié)T2, T6晶體管漏結(jié)T1晶體管源結(jié)T2晶體管源結(jié)p 阱T3晶體管漏結(jié)T4晶體管漏結(jié)T3晶體管源結(jié)T4晶體管源結(jié)n 阱T5晶體管源結(jié)T6晶體管源結(jié)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(zhuǎn)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(qū), 當(dāng)粒子注入到這個(gè)位置時(shí)n 漏區(qū)與p 阱組成的反偏p n 會(huì)引起電荷收集, 發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn). 當(dāng)粒子注入到位置2時(shí), 漏區(qū)與n 阱的電位不完全一致, 會(huì)引起一定量的電荷收集, 但是這種電荷收集會(huì)使得該漏區(qū)電位進(jìn)一步降低, 不會(huì)引起SRAM 單元翻轉(zhuǎn). 位置3, 4為nMOS 源區(qū), 粒子注入到這兩個(gè)位置時(shí), 源區(qū)與V SS 電壓短路, 不會(huì)引起單元邏輯翻轉(zhuǎn). 當(dāng)粒子注入到位置5時(shí), 阱 外延 襯底的結(jié)構(gòu)存在反偏p n 結(jié), 粒子注入會(huì)引起電荷收集, 但不會(huì)引起單粒子翻轉(zhuǎn). 位置6為導(dǎo)通pMOS 晶體管的漏區(qū), 當(dāng)粒子注入到這個(gè)位置時(shí)會(huì)引起一定量的電荷收集, 但是這種電荷收集會(huì)

14、使得該漏區(qū)電位進(jìn)一步降低, 不會(huì)引起SRAM 單元翻轉(zhuǎn). 位置7為截止pMOS 晶體管的漏區(qū), 當(dāng)粒子注入到這個(gè)位置時(shí)p 漏區(qū)和n 阱組成的反偏p n 結(jié)會(huì)引起電荷收集, 發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn). 位置8和9為SRAM 單元內(nèi)pMOS 晶體管的源區(qū), 當(dāng)粒子注入到這兩個(gè)位置時(shí)不會(huì)引起電荷大量收集, 不會(huì)引起單粒子翻轉(zhuǎn). 當(dāng)粒子注入到位置10時(shí), 不存在反偏的p n 結(jié), 不會(huì)引起電荷收集成像和單粒子翻轉(zhuǎn). 由于存在反偏p n 結(jié), 粒子注入到位置11會(huì)引起一定量的電荷收集, 但是不會(huì)產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn). 位+置12的粒子不會(huì)對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生貢獻(xiàn) .5 翻轉(zhuǎn)截面曲線翻轉(zhuǎn)截面曲線是指器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面 隨L

15、E T 變化的曲線, 它用來(lái)表征器件抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力, 同時(shí)單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線是采用Monte Carlo 類方法預(yù)估軌道翻轉(zhuǎn)截面的重要輸入?yún)?shù), 因此器件的翻轉(zhuǎn)截面曲線是評(píng)估器件抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能的重要依據(jù).三維數(shù)值模擬可以直接計(jì)算重離子引起的翻轉(zhuǎn)98圖8 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到的2kbit SR AM 翻轉(zhuǎn)截面曲線截面. 翻轉(zhuǎn)截面的物理含義是指單粒子翻轉(zhuǎn)靈敏區(qū)域的面積, 因此將翻轉(zhuǎn)靈敏區(qū)域的面積乘以存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)就可以得到該LE T 值粒子注入下SRAM 器件的翻轉(zhuǎn)截面.翻轉(zhuǎn)截面曲線一般是通過(guò)重離子寬束實(shí)驗(yàn)而獲得的, 利用HI 13串列加速器寬束開(kāi)展了對(duì)2kbit SRAM 的單粒子效應(yīng)試驗(yàn),

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(zhuǎn)截面與LE T 值之間的關(guān)系曲線, 如圖2所示. 圖8是數(shù)值計(jì)算得到的2kbit SRAM 翻轉(zhuǎn)截面曲線.從圖8可以看出, 在SRAM 的翻轉(zhuǎn)截面飽和區(qū)域(LET 值大于30Me V cm mg , 重離子加速器試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較一致, 兩種翻轉(zhuǎn)截面的差異小于20%.這就表明通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算在一定程度上可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足, 可以準(zhǔn)確計(jì)算高LE T 值的重離子引起的翻轉(zhuǎn)截面. 對(duì)于LE T 值較小的粒子, 實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果相差較大, 國(guó)外文獻(xiàn)也存在這樣的問(wèn)題. 采用數(shù)值模擬方法不適于用來(lái)評(píng)估低能重離子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)效

17、應(yīng), 具體的原因有待進(jìn)一步研究.26 結(jié)論本文利用三維數(shù)值模擬計(jì)算并分析了國(guó)產(chǎn)2kbit SRAM 器件的單粒子翻轉(zhuǎn)與電荷收集的物理圖像, 將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比, 表明了采用三維數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確模擬SRAM 器件的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng). 計(jì)算了2kbit SRAM 器件的翻轉(zhuǎn)截面曲線, 在高LE T 閾值區(qū)域數(shù)值計(jì)算可以得到準(zhǔn)確的翻轉(zhuǎn)截面, 彌補(bǔ)了重離子加速器單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的不足, 初步建立了模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的存儲(chǔ)器抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能的評(píng)估方法.目前集成電路工藝已經(jīng)深入到了超深亞微米. 相對(duì)于大尺寸器件, 超深亞微米器件的電源電壓、節(jié)點(diǎn)電容減小, 超深亞微米C MOS SRAM 單粒子翻轉(zhuǎn)

18、10效應(yīng)的靈敏度增加. 超深亞微米器件三維數(shù)值模擬不僅可以評(píng)估超深亞微米器件的單粒子效應(yīng), 可以研究復(fù)雜工藝下半導(dǎo)體器件的單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域和敏感路徑, 為宇航級(jí)集成電路的設(shè)計(jì)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(yùn)范、朱智勇、孫友梅2004物理學(xué)報(bào)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