高麗娟，郭 剛，蔡 莉，何安林

(中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413)

宇宙空間環(huán)境中存在大量的高能粒子，這些高能粒子可能使航天器上的微電子器件發(fā)生單粒子效應，影響其運行。微電子器件投入使用前，須對其進行地面單粒子效應模擬實驗。通常，實驗中以線性能量轉移為參數，獲得器件的單粒子效應截面曲線，結合空間輻射環(huán)境模型預估器件的在軌錯誤率，因此單粒子效應截面的測試結果嚴重影響器件的評估結果，然而宇宙空間的重離子和地面加速器產生的能量差別較大，前者約幾十MeV/u～幾百GeV/u，后者僅幾MeV/u～幾百MeV/u[1]。大量實驗結果表明，相同LET的不同離子測試得到的單粒子效應截面存在一定的差別[2-4]。在截面曲線接近飽和區(qū)部分，高能離子的測試結果低于低能離子的，有研究者指出這種差別是高、低能離子徑跡結構不同造成的，但并未對其進行理論分析。而文獻[5-6]實驗得到高、低能離子截面差別很小，認為這種差別來源于實驗誤差。本文擬對此現(xiàn)象進行進一步研究，基于北京HI-13串列加速器的單粒子效應實驗終端對0.15 μm工藝的SRAM進行單粒子翻轉測試，并與國外高能離子的結果作對比，利用Geant4對單粒子翻轉截面接近飽和區(qū)的測試結果進行模擬分析。

1 測試實驗

1.1 實驗過程

基于北京HI-13串列加速器單粒子效應輻照終端，對日本瑞薩公司生產的商用SRAM進行測試。由于采用了新的薄膜晶體管(TFT)工藝，該器件的存儲單元面積大幅縮小，僅為1 μm×0.98 μm[7]，圖1為該器件存儲單元的剖面圖。

圖1 被測器件存儲單元的剖面圖

根據已有的測試數據[8]可知，該器件對單粒子翻轉較敏感。本文在測試中選擇的離子及參數列于表1。

表1 實驗離子及參數

1.2 實驗結果

圖2 單粒子翻轉截面測試結果

經測試，器件的單粒子翻轉截面如圖2所示。從圖2可看出，在接近飽和區(qū)，文獻[7]測得的高能單粒子翻轉截面略小于本文的低能單粒子翻轉截面。這一結果與文獻[6]的測試結果一致(圖3)。圖3中BNL實驗離子為1.8 MeV/u Au、3.7 MeV/u Br、4.6 MeV/u Ni、6.0 MeV/u Cl、6.6 MeV/u Si、7.4 MeV/u F、8.3 MeV/u C、10.7 MeV/u Li；GANIL實驗離子為11.0 MeV/u Au、21.0 MeV/u、60.0 MeV/u Ca、95 MeV/u Ar、80 MeV/u Mg、95 MeV/u Mg；MSU實驗離子為能量均為60 MeV/u的Xe、Kr、Ar。BNL離子能量大多小于10 MeV/u。

文獻[6]認為，高、低能離子翻轉截面的差別來源于實驗誤差。但從圖3可看出，低能離子的翻轉截面是高能離子的2～3倍，且這一現(xiàn)象在文獻[2-4]中亦出現(xiàn)，國際上普遍發(fā)現(xiàn)，在飽和截面區(qū)域，低能重離子測試截面更為保守。因此認為這種現(xiàn)象的存在可能存在深層次的物理機制，不能簡單地將出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因歸因為實驗誤差。

圖3 文獻[6]的測試結果

2 模擬計算

2.1 基本原理

隨著器件特征尺寸的減小，當離子入射電路中的某一器件時，對入射器件及其相鄰器件均會造成影響，這種現(xiàn)象稱為電荷共享。若相鄰存儲單元共享電荷則可能使器件發(fā)生多位翻轉；若電荷共享僅發(fā)生在SRAM的同一個存儲單元中，則可能發(fā)生單粒子翻轉恢復。

圖4為單粒子翻轉恢復示意圖，假定存儲單元邏輯狀態(tài)為1，此時晶體管T1、T4截止，T2、T3導通，節(jié)點1、2為低電平，3、4為高電平。當離子入射截止T1的漏區(qū)時會使反相器I1的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jié)點4的電平也隨之降低，反相器I2的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑琓4由截止變?yōu)閷?，T2由導通變?yōu)榻刂?，存儲單元發(fā)生1次翻轉。此時，整個電路未完全穩(wěn)定，離子入射沉積能量產生的電荷也未完全消失。與T1處于同一阱中的T2的漏區(qū)會繼續(xù)收集剩余電荷，當電荷收集到一定量時，T2又會導通，使反相器I2的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，反相器I1的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，存儲單元即會恢復到初始狀態(tài)，這種機制稱為單粒子翻轉恢復[9]，類似于組合邏輯電路中的脈沖衰減效應[10-11]。

2.2 初始離子徑跡結構計算

該計算主要針對SRAM單粒子翻轉截面曲線接近飽和區(qū)部分，該區(qū)域可忽略核反應的影響，因此，計算離子徑跡的初始分布時，采用Geant4中的低能電磁物理PENELOPE代碼進行模擬。

由于入射離子及δ電子沉積能量的平均值呈徑向對稱分布[12]，用聚焦圓筒作為記錄能量沉積的靈敏體積，其半徑由內向外呈對數增加，離子沿聚焦圓筒中心入射，為獲得較好的統(tǒng)計，計算離子數為106。

圖4 單粒子翻轉恢復示意圖

本文計算了3組單粒子效應測試中常用的LET相同但能量不同的離子能量沉積分布(圖5)。由圖5可看出，離子的LET雖相同，但能量沉積分布存在差異：1) 低能離子電離半徑遠小于高能離子的；2) 低能離子徑跡中心的電荷密度遠高于高能離子的。

對早期特征尺寸較大的器件，敏感區(qū)面積較大，高、低能離子沉積的能量均集中在器件的靈敏區(qū)內，單粒子效應不會有明顯的差別。但隨著器件特征尺寸的減小，高能離子可在靈敏區(qū)外沉積能量，這部分能量可能影響鄰近節(jié)點的電荷收集。

2.3 鄰近節(jié)點的電荷收集

上述的計算結果表明，高能離子可能會在相鄰節(jié)點沉積較多的能量，但由于能量密度較小，器件的敏感區(qū)體積也很小，離子直接在靈敏區(qū)沉積的能量產生的電荷可能并不足以使存儲單元發(fā)生第2次翻轉，但由于器件間距較小，電荷可擴散至鄰近節(jié)點，因此必須考慮雙極擴散的影響。

離子入射器件沉積能量會產生由高密度電子-空穴對組成的等離子體柱，若不考慮雙極擴散，這些電子-空穴對大部分將發(fā)生復合。根據Finch等[13]的研究，離子入射Si材料產生的等離子體柱持續(xù)時間約1 ns，在這段時間內，等離子柱的半徑會隨時間擴展。在考慮肖克萊-里德-霍爾(SRH)復合的前提下，濃度小于1019cm-3的載流子幾乎不會復合。但這些載流子主要貢獻于第1次翻轉，沉積在較遠處的電荷和在雙極擴散作用下運動出初始靈敏區(qū)的電荷才可能為第2次翻轉做貢獻，載流子發(fā)生雙極擴散時，擴散長度L與載流子的壽命τ和雙極擴散系數D有關：

(1)

D=2DnDp/(Dn+Dp)

(2)

其中，Dn和Dp分別為電子和空穴的擴散系數。結合載流子壽命[14]，可得到在等離子體消失前，僅有離子初始產生的濃度小于1017cm-3的載流子，才可能在雙極擴散的作用下擴散出離子入射節(jié)點的耗盡區(qū)，并被相鄰節(jié)點收集。

通常離子入射SRAM后約1 ns會發(fā)生第1次翻轉[15]，此時離子徑跡入射產生的高電導區(qū)消失，存在電場的區(qū)域恢復至晶體管漏極耗盡區(qū)附近，載流子的擴散接近自由擴散。

2.4 結果與討論

根據離子初始電離能量沉積分布及載流子輸運的特點，構建如圖6所示的幾何模型，計算離子入射SRAM同一存儲單元內可能被鄰近晶體管收集的電荷。

圖6a為俯視圖，圖中的4個區(qū)域V1、V2、V3、V4分別對應圖4中SRAM某一存儲單元內4個晶體管的敏感區(qū)，d為晶體管T1和T2的中心距。

圖6b為側視圖，縱向箭頭代表離子徑跡，x點是離子入射晶體管T1的位置，半圓表示自由電荷的擴散范圍(B區(qū))，其半徑r是與時間相關的參數，當摻雜濃度為1017cm-3，擴散時間為2 ns時，r=2 μm。另外，在阱與襯底的交界處會形成勢壘，從而限制載流子的擴散[9]，假定阱面積是存儲單元面積的1/2，本文用1/2存儲單元體積限制擴散邊界(C區(qū))，同時做以下假定：

1) 擴散區(qū)電場為零，載流子擴散不受電場的影響；

2) 存儲單元中的阱面積為存儲單元總面積的1/2，電荷擴散的最大范圍為1/2存儲單元體積，如圖6b的C區(qū)，其縱向深度為10 μm；

圖5 不同LET離子能量沉積分布

圖6 擴散電荷計算幾何結構示意圖

3) 以敏感區(qū)為中心，擴散長度為r的半圓內的電荷會擴散至敏感區(qū)，r表征了特定時間內擴散電荷的范圍，如圖6b的B區(qū)；

4) 以離子徑跡中心為標識，位于電荷收集中心相反方向的電荷不擴散至鄰近敏感區(qū)；

5) 濃度大于1017cm-3的載流子不會擴散至鄰近敏感區(qū)。

根據假定，在離子徑跡形成時，沉積在A區(qū)中的電荷可能擴散至相鄰節(jié)點，A區(qū)與離子徑跡中心間的空隙的部分載流子濃度大于1017cm-3。

本文采用的器件存儲單元的兩個相鄰晶體管的中心距約為0.6 μm(圖1)，采用Geant4構建了如圖6所示的靈敏體積進行計算，結果列于表2。

表2 相同LET不同能量離子入射后鄰近節(jié)點收集的電荷

從表2可看出，高能離子入射時，鄰近節(jié)點收集的電荷約為4 fC，低能離子入射時，收集的電荷小于1 fC。根據實驗，該器件的臨界電荷約為3 fC，因此高能Kr離子入射后，鄰近節(jié)點收集到的電荷可能使存儲單元發(fā)生單粒子翻轉恢復，使其截面小于低能離子。因此，低能離子測試的結果相對保守。

3 結論

本文基于北京HI-13串列加速器的單粒子效應實驗終端對0.15 μm SRAM進行了測試，再次驗證了SRAM的單粒子翻轉截面曲線接近飽和區(qū)部分，高能離子單粒子翻轉截面低于低能離子的現(xiàn)象，并對此現(xiàn)象進行了理論分析。

采用Geant4的模擬結果表明，相同LET條件下，高能離子電離能量沉積分布的半徑大于低能離子的，可在較遠處沉積電荷；高能離子入射后相鄰節(jié)點收集電荷的平均值大于該器件的臨界電荷，可使存儲單元發(fā)生第2次翻轉，這一機制是造成高能離子單粒子翻轉截面偏小的原因之一，低能離子的單粒子翻轉測試結果相對保守。

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