殷 倩，郭 剛,*，張鳳祁，郭紅霞，覃英參，孫波波

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 國(guó)防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 102413；2.西北核技術(shù)研究院，陜西 西安 710024)

存儲(chǔ)器是微處理器的核心部件，用于存放微處理器運(yùn)行時(shí)所需的各種程序和數(shù)據(jù)，其應(yīng)用范圍十分廣泛，一直是國(guó)內(nèi)外單粒子效應(yīng)研究的熱點(diǎn)[1-2]。靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)通常為6管CMOS器件組成的交叉耦合觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各類航空航天設(shè)備上，但其存儲(chǔ)單元面積相對(duì)較大，對(duì)輻射環(huán)境相對(duì)敏感，易發(fā)生軟錯(cuò)誤[3]，且隨工藝尺寸的縮減，軟錯(cuò)誤越發(fā)嚴(yán)重，幾乎已成為輻射環(huán)境中導(dǎo)致CMOS工藝集成電路功能異常的主要原因[4-5]。國(guó)內(nèi)外許多研究人員已對(duì)存儲(chǔ)器的單粒子效應(yīng)開(kāi)展了大量的研究[6-7]，但大多數(shù)集中在重離子對(duì)其的影響[8-10]，而質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中的主要成分，含量高、能量范圍廣，已逐漸成為輻射效應(yīng)研究的熱點(diǎn)[11-12]。在進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中往往會(huì)對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如僅在單個(gè)方向上對(duì)元器件進(jìn)行輻照，此時(shí)可能無(wú)法觀察到器件的最劣響應(yīng)。已有研究表明，當(dāng)63 MeV質(zhì)子輻照器件時(shí)，在掠入射情況下多位翻轉(zhuǎn)(MBU)截面比垂直入射高近1個(gè)量級(jí)[13]。國(guó)內(nèi)可開(kāi)展質(zhì)子單粒子效應(yīng)地面模擬實(shí)驗(yàn)的加速器裝置資源有限，尚未形成系統(tǒng)完整的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。本文在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器上開(kāi)展一系列不同特征尺寸(150、90和65 nm)雙數(shù)據(jù)速率(DDR)Ⅱ SRAM質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)敏感性研究，分析質(zhì)子能量及入射角度對(duì)不同特征尺寸SRAM SEU飽和截面的影響規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理，為納米器件SEU測(cè)試參數(shù)的選取及地面實(shí)驗(yàn)方法提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 束流條件與實(shí)驗(yàn)樣品

質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器單粒子效應(yīng)輻照終端(圖1)下進(jìn)行。加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流通過(guò)導(dǎo)向器和四極透鏡到達(dá)可調(diào)狹縫，通過(guò)可調(diào)狹縫可調(diào)節(jié)束斑的大小并達(dá)到降束的目的；經(jīng)過(guò)雙環(huán)雙散射靶進(jìn)行擴(kuò)束及均勻化；最后到達(dá)輻照終端。輻照終端主要由二次電子監(jiān)督器(SEEM，在線監(jiān)督束流)、降能片組(降低束流能量)、準(zhǔn)直器、樣品移動(dòng)平臺(tái)及一系列探測(cè)裝置組成[14]，實(shí)驗(yàn)全部在大氣環(huán)境下進(jìn)行。選定加速器初始束流能量為100 MeV，到達(dá)輻照終端束流面積限制為5 cm×5 cm，利用法拉第筒(FC)測(cè)量此區(qū)域內(nèi)12個(gè)點(diǎn)的注量率得到束流分布均勻性好于94%。實(shí)驗(yàn)樣品為Cypress公司不同特征尺寸的DDRⅡ SRAM，具體參數(shù)列于表1。

圖1 100 MeV質(zhì)子回旋加速器及單粒子效應(yīng)輻照終端布局圖Fig.1 Layout of 100 MeV proton cyclotronaccelerator and single-event effect irradiation terminal

1.2 單粒子效應(yīng)測(cè)試

采用西北核技術(shù)研究院開(kāi)發(fā)建立的DDR模式SRAM單粒子效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試?；緶y(cè)試原理為：存儲(chǔ)器初始寫(xiě)入數(shù)據(jù)為5555H，在輻照過(guò)程中對(duì)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)讀寫(xiě)訪問(wèn)，將讀取數(shù)據(jù)與初始值進(jìn)行比較，若不一致即判定發(fā)生了翻轉(zhuǎn)并實(shí)時(shí)記錄翻轉(zhuǎn)邏輯地址，這樣即可得到總的翻轉(zhuǎn)位數(shù)，又可得到某一時(shí)刻的翻轉(zhuǎn)邏輯地址，便于之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)完成1次循環(huán)監(jiān)測(cè)的時(shí)間約為0.25 s，完成1次錯(cuò)誤記錄時(shí)間約為0.1 ms[9]。

表1 待測(cè)器件參數(shù)Table 1 Parameter of device under test

考慮到質(zhì)子與待測(cè)器件及樣品架周圍材料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的中子等次級(jí)粒子可能會(huì)影響測(cè)試板的正常工作，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅將SRAM輻照板置于束流出口的樣品平臺(tái)上，供電單元、測(cè)試板與束流出口不在同一平面，距離約為2.5 m，并用含硼12%的聚乙烯板對(duì)測(cè)試板進(jìn)行屏蔽。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)束流條件和實(shí)驗(yàn)需求，選取50、70和90 MeV 3個(gè)能量點(diǎn)，注量率約為107cm-2·s-1，累積注量為1.2×109cm-2。在每個(gè)能量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，質(zhì)子分別沿0°(垂直入射)、30°、45°和60°方向?qū)ζ骷M(jìn)行輻照，從而研究質(zhì)子能量和入射角度對(duì)同一系列不同特征尺寸SRAM器件單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)截面的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 垂直入射下不同特征尺寸SRAM SEU截面隨質(zhì)子能量的變化Fig.2 SEU cross-section for different SRAM devices as a function of proton energy under normal incident

圖2為垂直入射下不同特征尺寸SRAM SEU截面隨質(zhì)子能量的變化。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果[15-18]表明，3種不同特征尺寸SRAM在入射質(zhì)子能量大于50 MeV時(shí)，SEU截面均已達(dá)到飽和，且飽和截面與圖2中所示截面量級(jí)一致，因此認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的能量點(diǎn)下，3種SRAM的SEU截面即為其飽和截面。由圖2可知，150 nm SRAM飽和截面約為90 nm SRAM的7倍，90 nm SRAM與65 nm SRAM飽和截面較相近，僅相差3%～6%。根據(jù)摩爾定律，對(duì)于每個(gè)連續(xù)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，基本存儲(chǔ)單元的面積會(huì)減小為上一代的二分之一，這種尺寸上的減小會(huì)使得臨界電荷Qcrit和靈敏體積SV減小。SV的減小將會(huì)導(dǎo)致SEU飽和截面的降低，因此150 nm SRAM飽和截面與90 nm SRAM飽和截面存在差異。

同款90 nm和65 nm SRAM重離子輻照所得SEU截面表明，90 nm SRAM飽和截面為65 nm SRAM的2倍[9]，與質(zhì)子輻照測(cè)試結(jié)果所表現(xiàn)的趨勢(shì)出現(xiàn)了較大的差異。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于質(zhì)子與重離子引起納米級(jí)SRAM SEU機(jī)制的不同。從靈敏體積中能量沉積的角度考慮，質(zhì)子次級(jí)粒子的影響范圍大于重離子的范圍，導(dǎo)致質(zhì)子輻照時(shí)產(chǎn)生更多或更大規(guī)模的多單元翻轉(zhuǎn)(MCU)。

圖3 150 nm SRAM SEU截面與角度的相關(guān)性Fig.3 Angular dependence of SEU cross-section on 150 nm SRAM

不同質(zhì)子入射角度對(duì)不同特征尺寸SRAM SEU敏感性的影響如圖3～5所示。3種不同特征尺寸的SRAM在質(zhì)子傾角入射的情況下飽和截面均出現(xiàn)了不同程度的增大?？煽闯觯琒RAM特征尺寸越小，質(zhì)子傾角入射對(duì)其影響越大。器件特征尺寸越小，在質(zhì)子傾角入射時(shí)能影響更多相鄰的存儲(chǔ)單元，發(fā)生MCU的概率越大，且其規(guī)模和復(fù)雜程度也會(huì)增大，因此會(huì)出現(xiàn)飽和截面持續(xù)增長(zhǎng)的情況。傳統(tǒng)的質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究中僅考慮垂直入射下的SEU截面，會(huì)對(duì)器件的翻轉(zhuǎn)率造成不同程度的低估，且隨著器件特征尺寸的減小，這種翻轉(zhuǎn)率低估的現(xiàn)象還有可能越來(lái)越嚴(yán)重。

圖4 90 nm SRAM SEU截面與角度的相關(guān)性Fig.4 Angular dependence of SEU cross-section on 90 nm SRAM

圖5 65 nm SRAM SEU截面與角度的相關(guān)性Fig.5 Angular dependence of SEU cross-section on 65 nm SRAM

2.2 質(zhì)子輻照SRAM的結(jié)果分析

針對(duì)納米級(jí)SRAM器件質(zhì)子SEU實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于蒙特卡羅方法，以65 nm SRAM為研究載體，開(kāi)展質(zhì)子SEU的模擬研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式，建立了較為精確的幾何結(jié)構(gòu)模型，對(duì)入射質(zhì)子在器件中的輸運(yùn)進(jìn)行模擬，跟蹤次級(jí)粒子并分析其影響范圍，計(jì)算靈敏體積內(nèi)的能量沉積，判定翻轉(zhuǎn)條件，得到翻轉(zhuǎn)截面。分析質(zhì)子能量及入射角度對(duì)器件靈敏體積內(nèi)電荷沉積的影響，解釋產(chǎn)生上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因。

1) 模型建立

根據(jù)文獻(xiàn)[9]重離子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)Weibull擬合得到LET閾值為0.3 MeV·cm2/mg；根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，65 nm SRAM臨界電荷為1.3 fC，臨界能量可根據(jù)臨界電荷由式(1)計(jì)算得到：

Ec=Qc×2.25×10-2

(1)

其中：Ec為臨界能量，MeV；Qc為臨界電荷，fC。按照在硅中產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)需要3.6 eV，將Qc轉(zhuǎn)換為Ec，得到臨界能量為0.029 MeV。而LET閾值與臨界能量和靈敏體積厚度之間存在一定的比例關(guān)系，故靈敏體積深度可表示為：

(2)

其中：DSV為靈敏體積深度，nm；LETth為L(zhǎng)ET閾值，MeV·cm2/mg；ρSi為硅的密度，ρSi=2.32×103mg/cm3。計(jì)算得到靈敏體積的深度為0.42 μm。

隨著工藝的發(fā)展，質(zhì)子引起的器件SEU效應(yīng)變得更為復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的單一長(zhǎng)方體靈敏體積模型已不足以完全模擬質(zhì)子引起的SEU效應(yīng)，因此根據(jù)圖6所示的重離子測(cè)試結(jié)果的Weibull擬合值，在65 nm SRAM擬合曲線上提取5個(gè)不同LET值下的截面，構(gòu)建深度為0.42 μm的靈敏體積嵌套模型，如圖7所示。

圖6 90 nm及65 nm SRAM重離子測(cè)試截面曲線[9]Fig.6 Cross-section curve of heavy-ionirradiation on 90 nm and 65 nm SRAMs[9]

模擬能量為90 MeV的106個(gè)質(zhì)子入射的情況，通過(guò)迭代不斷調(diào)整嵌套模型中各靈敏體積SV的收集效率，圖8為3種不同收集效率下所對(duì)應(yīng)器件模型翻轉(zhuǎn)截面，當(dāng)收集效率為case3時(shí)，沉積能量為0.029 5 MeV時(shí)所對(duì)應(yīng)的截面為2.6×10-14cm2，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

圖7 65 nm SRAM靈敏體積幾何結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Sensitive volume geometry model of 65 nm SRAM

圖8 65 nm SRAM SEU截面與沉積能量的關(guān)系Fig.8 SEU cross-section vs deposited energy of 65 nm SRAM

2) 影響范圍確定

在50～90 MeV能量范圍(LET范圍為6.3×10-3～9.8×10-3MeV·cm2/mg)內(nèi)，質(zhì)子引起65 nm SRAM器件單粒子效應(yīng)主要依靠非直接電離的方式，入射質(zhì)子與器件材料中的原子核發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生的次級(jí)粒子沉積能量導(dǎo)致SEU。不同能量的質(zhì)子與硅反應(yīng)生成次級(jí)粒子的截面如圖9所示，為便于說(shuō)明問(wèn)題，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)入射質(zhì)子能量范圍進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展?？煽闯觯S入射質(zhì)子能量的增大，打開(kāi)的反應(yīng)道越多，出射粒子原子序數(shù)逐漸在0～15范圍內(nèi)全部覆蓋。

圖9 次級(jí)粒子截面Fig.9 Secondary particle cross-section

圖10 入射質(zhì)子影響范圍示意圖Fig.10 Schematic diagram of incident proton influence range

出射粒子中的較重粒子往往是沿入射質(zhì)子方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的，但生成的其他次級(jí)粒子會(huì)存在一定的出射角度，且質(zhì)子能量越高，次級(jí)產(chǎn)物出射角的張角越大，即影響的范圍也越大。本文模擬了109個(gè)質(zhì)子垂直穿過(guò)上述金屬布線層后在0.42 μm厚的Si層中沉積能量的分布(僅統(tǒng)計(jì)了沉積能量大于臨界能量Ec的部分，為便于給出定量數(shù)值，設(shè)SV=0.25 μm×0.5 μm×0.42 μm)，結(jié)果如圖10所示。在每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)上，給出模擬中該點(diǎn)沉積能量的數(shù)值，根據(jù)結(jié)果可知在本次模擬中能量沉積最大點(diǎn)坐標(biāo)為(-0.1，-0.1)。模擬結(jié)果表明：沉積能量Edep>1 MeV的概率很小，比Edep=0.56 MeV平均低2個(gè)量級(jí)。根據(jù)模擬過(guò)程中選取的SV，統(tǒng)計(jì)得到單個(gè)入射質(zhì)子平均影響范圍約為1.2 μm×1 μm，明顯大于SRAM中單個(gè)存儲(chǔ)單元的面積，可能引發(fā)MCU。因?yàn)?5 nm SRAM相比于90 nm SRAM存儲(chǔ)單元更小，集成度也更高，引起的MCU的規(guī)模會(huì)更大，可較好地解釋圖2與圖6中所表現(xiàn)出的質(zhì)子與重離子測(cè)試結(jié)果的不同。

質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子更傾向于沿著質(zhì)子入射方向前向運(yùn)動(dòng)，本文在模擬過(guò)程中僅考慮了質(zhì)子垂直入射的情況，當(dāng)質(zhì)子呈一定傾角入射時(shí)必然會(huì)影響更大的范圍，這是實(shí)驗(yàn)評(píng)估過(guò)程中必須考慮的因素。

2.3 質(zhì)子輻照對(duì)MBU的影響

隨著存儲(chǔ)器中MBU概率的增加，針對(duì)MBU的抗輻照加固設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。本文所選擇的3款SRAM均采用了位交錯(cuò)技術(shù)來(lái)抑制MBU事件的發(fā)生。位交錯(cuò)技術(shù)是指將同一邏輯字節(jié)中的不同位放置到存儲(chǔ)器不同的物理地址上，當(dāng)器件在質(zhì)子輻照時(shí)可能會(huì)引起物理地址上的MBU，但翻轉(zhuǎn)往往是在不同的字節(jié)中，即對(duì)MBU進(jìn)行了分離，因此可通過(guò)檢錯(cuò)糾錯(cuò)予以糾正[19]。在實(shí)驗(yàn)中觀察到150 nm SRAM在所有入射能量和入射角度下均出現(xiàn)了邏輯地址上的兩位翻轉(zhuǎn)，未觀察到更大規(guī)模的MBU。在入射質(zhì)子能量和傾角條件下，MBU概率為0.3%左右，暫時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯的能量和角度對(duì)MBU影響的規(guī)律性。這表明在本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的所有輻照條件下，這款SRAM很有可能出現(xiàn)了較大規(guī)模的MCU，導(dǎo)致即便器件采取了位交錯(cuò)技術(shù)，MCU中也包含同一字節(jié)中的位翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而出現(xiàn)MBU。

文獻(xiàn)[20]中指出，MBU在SEU中所占百分比最后可能在90 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下顯著增加。本文在90 nm SRAM和65 nm SRAM上發(fā)現(xiàn)兩位翻轉(zhuǎn)發(fā)生的概率有所降低，僅為0.1%左右，且并不是所有能量和角度下都出現(xiàn)MBU。對(duì)于90 nm和65 nm SRAM與150 nm SRAM在MBU上出現(xiàn)的差異性，需對(duì)照位圖進(jìn)行更為深入的分析。與文獻(xiàn)[10]相比，表明位交錯(cuò)技術(shù)可較為有效地抑制MBU事件，但并不能完全避免，需進(jìn)一步采取更為有效的加固方式。

3 結(jié)論

本文利用中國(guó)原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器單粒子效應(yīng)輻照終端首次開(kāi)展了中能質(zhì)子對(duì)不同特征尺寸(150、90和65 nm)SRAM單粒子敏感性影響的研究，獲得了不同能量及不同入射角度的質(zhì)子輻照下3款SRAM的截面曲線?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用蒙特卡羅方法構(gòu)建了較為精確的計(jì)算模型，得到中能質(zhì)子在穿過(guò)金屬布線層后次級(jí)粒子的分布特征，獲得質(zhì)子及其次級(jí)粒子的能量沉積分布特性，認(rèn)為65 nm SRAM中由質(zhì)子輻照產(chǎn)生更大規(guī)模的MCU是其飽和截面表現(xiàn)出與重離子輻照下不同特征的原因，同時(shí)也說(shuō)明隨器件特征尺寸的降低，SEU飽和截面減小的趨勢(shì)會(huì)逐漸變緩。在質(zhì)子單粒子效應(yīng)測(cè)試中應(yīng)考慮傾角入射的影響，特別是在更小的特征尺寸器件中，僅關(guān)注垂直入射情況會(huì)對(duì)翻轉(zhuǎn)率造成不同程度的低估。