丁李利 郭紅霞 陳偉 閆逸華2) 肖堯 范如玉2)

1)(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

2)(清華大學(xué)工程物理系，北京 100084)

(2013年5月2日收到;2013年6月4日收到修改稿)

1 引言

空間輻射環(huán)境是由質(zhì)子、電子、重離子等組成的復(fù)雜環(huán)境，星用微電子器件可能受到總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)和位移損傷的影響.在地面考核試驗(yàn)中，一般假設(shè)不同類型的輻射效應(yīng)是相互獨(dú)立的[1,2]，也有大量相關(guān)報(bào)道研究了不同效應(yīng)間發(fā)生協(xié)同影響的可能性.早在1983年，Knudson等[3]首先研究了累積劑量對(duì)于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的影響，其測(cè)試結(jié)果表明，存儲(chǔ)值不變的情況下，單粒子翻轉(zhuǎn)截面將隨著器件受輻照所累積劑量的增加而減小.令人疑惑的是，Cambell和Stapor[4]等在隨后針對(duì)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)器件的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，隨著累積輻照劑量增加且存儲(chǔ)值不變的情況下，三類SRAM器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì).迄今為止，相關(guān)測(cè)試結(jié)論已經(jīng)屢屢出現(xiàn)，但并沒(méi)有表現(xiàn)出一致的規(guī)律.部分結(jié)果表明，當(dāng)SRAM器件在累積輻照與重離子測(cè)試階段保持相同的存儲(chǔ)圖形時(shí)，對(duì)應(yīng)的單粒子翻轉(zhuǎn)截面將增大[5-8]，甚至增大兩個(gè)量級(jí)[7].另一部分結(jié)果表明，只有所存儲(chǔ)圖形全部改為相反值時(shí)，對(duì)應(yīng)的單粒子翻轉(zhuǎn)截面才會(huì)增大，否則就會(huì)減小[3,6,7,9].其他結(jié)果則表明，累積輻照對(duì)于某些SRAM器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面不會(huì)出現(xiàn)明顯的影響[6,7].

針對(duì)上述問(wèn)題，Bhuva等[9]針對(duì)大尺寸四管SRAM單元給出了相應(yīng)的解析分析，其中單純考慮了累積輻照導(dǎo)致金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)管閾值電壓漂移的損傷機(jī)制.Matsukawa等[10]采用重離子微束輻照的方法，認(rèn)為大尺寸SRAM單元中nMOS和pMOS管的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將隨累積輻照劑量的增加呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì).Schwank等[6]利用光發(fā)射譜儀對(duì)累積輻照作用后的深亞微米SRAM器件開(kāi)展損傷分析，判定內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換電路對(duì)整個(gè)器件的功耗電流貢獻(xiàn)最大，所以很可能是導(dǎo)致器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性發(fā)生變化的直接原因.綜合來(lái)看，目前的相關(guān)研究以整芯片實(shí)測(cè)為主，與此相關(guān)的解析分析和微束輻照等針對(duì)的都是大尺寸器件.當(dāng)器件進(jìn)入深亞微米尺度以后，累積輻照對(duì)MOS管的影響機(jī)制已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，有必要對(duì)相關(guān)的解釋加以修正.

本文采用仿真手段研究累積輻照對(duì)于SRAM器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的影響.首先結(jié)合已有的0.18μm單管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)三維器件仿真模型的結(jié)構(gòu)、摻雜及輻射相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn);同時(shí)采用解析分析的方法，比較累積輻照對(duì)于大尺寸(特征尺寸為微米量級(jí))和深亞微米尺度(特征尺寸≤0.25μm)下SRAM單元單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的影響差異;接下來(lái)利用校準(zhǔn)后的器件模型計(jì)算不同累積劑量下單個(gè)nMOS管輸出單粒子瞬態(tài)脈沖的變化;最后，利用混合模擬詳細(xì)計(jì)算了六管SRAM單元中對(duì)應(yīng)不同累積劑量情況下，離子分別入射四個(gè)中心單管時(shí)的電學(xué)響應(yīng)變化.

2 三維仿真模型介紹

為提高TCAD(technology computer-aided design)模擬的可信度，首先利用反向建模方式對(duì)三維器件模型的結(jié)構(gòu)及摻雜參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn).本文中結(jié)合0.18μm工藝對(duì)應(yīng)的單管試驗(yàn)片，首先利用精密半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀HP4156A獲取常態(tài)情況下的電學(xué)特性曲線，將半導(dǎo)體數(shù)值模擬軟件ISE TCAD得到的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行反復(fù)對(duì)比，最終得到了符合較好的三維器件模型.圖1給出了寬長(zhǎng)比為W/L=0.22/0.18μm nMOS管所對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)結(jié)果.

圖1 nMOS管Ids-Vgs曲線的校準(zhǔn)結(jié)果，W/L=0.22/0.18μm

模擬總劑量效應(yīng)對(duì)器件的影響時(shí)，需要考慮輻射在氧化物材料中沉積能量產(chǎn)生過(guò)剩載流子、過(guò)剩載流子在氧化物中的輸運(yùn)、陷阱俘獲空穴產(chǎn)生陷阱電荷、電子與陷阱電荷中的空穴發(fā)生復(fù)合等一系列過(guò)程.計(jì)算過(guò)程中涉及的待定參數(shù)包括：氧化層中的中性空穴陷阱濃度Nt，空穴被中性陷阱俘獲的作用截面σp和被陷阱俘獲的空穴與電子發(fā)生復(fù)合反應(yīng)的截面σr，這就需要對(duì)輻射效應(yīng)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn).計(jì)算過(guò)程中所需的三維器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中重點(diǎn)展示出場(chǎng)氧隔離區(qū)(shallow trench isolation，STI)，該部分區(qū)域內(nèi)定義氧化物材料為寬禁帶半導(dǎo)體.

利用西北核技術(shù)研究所的60Co源針對(duì)單管試驗(yàn)片開(kāi)展總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，劑量率選取為50 rad(Si)/s，輻照過(guò)程中單管的柵極接1.8 V，測(cè)試得到累積劑量為58，100，140和200 krad(Si)情況下單管試驗(yàn)片的電學(xué)特性曲線.

圖2 計(jì)算單管總劑量效應(yīng)時(shí)的器件模型示意圖

器件尺寸減小至深亞微米尺度后，輻照過(guò)程仍會(huì)顯著改變nMOS的電學(xué)特性，但對(duì)pMOS的影響會(huì)變得非常小.對(duì)于本文中的0.18μm工藝，其中尺寸為0.22/0.18μm的pMOS管在輻照劑量累積至200 krad(Si)時(shí)，對(duì)應(yīng)的閾值電壓漂移將小于-10 mV，并且未伴隨出現(xiàn)截止區(qū)漏電流增大的附加現(xiàn)象.

最終的校準(zhǔn)結(jié)果顯示，當(dāng)空穴陷阱均勻分布于 STI隔離區(qū)范圍內(nèi)，峰值濃度Nt=3×1017cm-3，陷阱俘獲空穴的截面值為5×10-12cm2，電子與陷阱發(fā)生作用使空穴被釋放并復(fù)合的截面值為1×10-14cm2時(shí)，模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果之間的一致性較好.圖3給出了分別利用TCAD模擬計(jì)算和輻照試驗(yàn)獲取的關(guān)態(tài)漏電流(Vgs=0 V，Vds=0.05 V)隨累積劑量的變化關(guān)系，對(duì)應(yīng)單管尺寸為W/L=0.22/0.18μm.

確定了這些參數(shù)的具體數(shù)值后，就可以定量計(jì)算輻照前后器件的宏觀電學(xué)響應(yīng)及載流子微觀輸運(yùn)過(guò)程.SiO2材料對(duì)應(yīng)的過(guò)剩載流子產(chǎn)生率g0=7.6×1012rad-1·cm-3，而空穴產(chǎn)額Y(逃脫復(fù)合的空穴數(shù)/輻射誘發(fā)的空穴數(shù))的關(guān)系表達(dá)式為[11]

圖3 nMOS管不同累積劑量下關(guān)態(tài)漏電流(Vgs=0 V，Vds=0.05 V)的校準(zhǔn)結(jié)果，W/L=0.22/0.18μm

3 累積輻照影響不同尺寸SRAM單元單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的解析分析

SRAM器件中的最主要組成為SRAM單元，其常見(jiàn)結(jié)構(gòu)分為四管和六管兩種.圖4為典型六管SRAM單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其主體部分為兩個(gè)對(duì)接的反相器，分別由P1，N1和P2，N2組成.四管SRAM單元中，圖4所示的P1和P2將由阻值較大的電阻所代替.

圖4 典型六管SRAM單元的結(jié)構(gòu)示意圖

分析SRAM單元的穩(wěn)定性及工作原理時(shí)，常采用如圖5所示的曲線組，下面將結(jié)合圖4與圖5進(jìn)行分析.令六管SRAM單元中的存儲(chǔ)點(diǎn)Q′連接Vin，則存儲(chǔ)點(diǎn)Q連接Vout.六管SRAM單元中左端反相器對(duì)應(yīng)的輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vout，其電學(xué)特性可表征為圖5中的轉(zhuǎn)移特性曲線1.與此相對(duì)應(yīng)的是，右端反相器對(duì)應(yīng)的輸入電壓為Vout，輸出電壓為Vin，其電學(xué)特性可表征為圖5中的轉(zhuǎn)移特性曲線2.

接下來(lái)說(shuō)明轉(zhuǎn)移特性曲線所代表的含義：以圖4中左端反相器所代表的轉(zhuǎn)移特性曲線1為例，當(dāng)Vin=0 V時(shí)，晶體管P1處于開(kāi)啟狀態(tài)，N1處于關(guān)斷狀態(tài)，所以Vout=Vdd，該區(qū)域在圖5中表征為S1;隨著Vin的持續(xù)增加，當(dāng)滿足高于N1閾值電壓VN1,th并低于Vdd+VP1,th時(shí)，其中VP1,th代表P1管閾值電壓，同時(shí)受到N1和P1管的分壓作用，Vout的數(shù)值將介于0 V和Vdd之間，該區(qū)域在圖5中表征為S2;當(dāng)Vin高于Vdd+VP1,th以后，P1管徹底關(guān)斷，只有N1管保持開(kāi)啟狀態(tài)，所以Vout=0 V，于是進(jìn)入S3區(qū)域.三個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的輸入電壓范圍分別為：VS1=VN1,th，VS2=Vdd+VP1,th-VN1,th，VS3=-VP1,th.令轉(zhuǎn)變點(diǎn)電壓Vsw1代表兩條轉(zhuǎn)移特性曲線的中心交點(diǎn)在特性曲線1輸入電壓軸上的投影，即所存儲(chǔ)電壓從高電平跳變?yōu)榈碗娖降呐R界電壓.

圖5 SRAM單元中兩個(gè)對(duì)接反相器的轉(zhuǎn)移特性曲線

圖5中，兩條轉(zhuǎn)移特性曲線相交于St1和St2點(diǎn)時(shí)，曲線斜率近似為零，說(shuō)明對(duì)接反相器將處于穩(wěn)定工作狀態(tài).當(dāng)SRAM單元處于St2工作狀態(tài)時(shí)(Q連接低電平)，對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的區(qū)域包括N2管和P1管的漏極，發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所需的臨界電荷分別為

其中，C1(V)代表晶體管N1，P1的柵極與耗盡層對(duì)地的電容值，C2(V)代表晶體管N2，P2的柵極與耗盡層對(duì)地的電容值，Vsw1和Vsw2分別代表轉(zhuǎn)移特性曲線1，2的電壓轉(zhuǎn)換點(diǎn)，VH2代表轉(zhuǎn)移特性曲線2的輸出電平最高值.

當(dāng)SRAM單元處于St1工作狀態(tài)時(shí)(Q連接高電平)，對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的區(qū)域包括N1管漏極和P2管漏極，發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所需的臨界電荷分別為

其中VH1代表轉(zhuǎn)移特性曲線1的輸出電平最高值.

對(duì)于大尺寸器件(特征尺寸為微米量級(jí))，總劑量效應(yīng)對(duì)于MOS單管的影響主要體現(xiàn)為閾值電壓明顯減小.假設(shè)輻照過(guò)程中Q連接高電平(St1工作點(diǎn))，則受損傷的單管主要為N2和P1，導(dǎo)致VN2,th和VP1,th減小.于是，轉(zhuǎn)移特性曲線2的S1區(qū)域?qū)⒆冋?，?dǎo)致Vsw2隨之減小;相應(yīng)的兩條轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn)將向左上方移動(dòng)，導(dǎo)致Vsw1隨之增大.結(jié)合(2)式可知，狀態(tài)St2中N2與P1對(duì)應(yīng)的臨界電荷值均減小;結(jié)合(3)式可知，狀態(tài)St1中N1和P2對(duì)應(yīng)的臨界電荷值均增大.換言之，六管SRAM單元在前期累積輻照階段與后期單粒子作用階段處于相反的工作狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將增大，反之則會(huì)減小.對(duì)于大尺寸四管SRAM單元，忽略了P1與P2管受累積劑量輻照后的閾值電壓漂移，所得結(jié)論如下：前期累積輻照階段與后期單粒子作用階段處于相反的工作狀態(tài)時(shí)，單元的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將增大，反而則無(wú)影響.

當(dāng)器件尺寸減小進(jìn)入深亞微米尺度(特征尺寸≤0.25μm)，總劑量效應(yīng)對(duì)于nMOS單管的影響主要體現(xiàn)為關(guān)態(tài)漏電流明顯增大，閾值電壓的漂移反而可以忽略不計(jì)，同時(shí)可以忽略對(duì)于pMOS單管的影響.若輻照過(guò)程中Q連接高電平(St1工作點(diǎn))，則N2的關(guān)態(tài)漏電流明顯增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移特性曲線2的高電平值VH2降低，電壓轉(zhuǎn)換點(diǎn)Vsw2減小.結(jié)合(2)和(3)式可以得到，QSt2,N2將減小(高電平值減小所致)，而QSt1,N1將明顯增大.所以，對(duì)于特征尺寸較小的SRAM單元，只有當(dāng)前期累積輻照與后期單粒子作用階段處于相反的工作狀態(tài)，單元的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性才會(huì)表征出增加的趨勢(shì).

4 累積輻照對(duì)單粒子瞬態(tài)脈沖的影響

為研究累積輻照對(duì)于SRAM器件單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的作用機(jī)制，首先要了解累積輻照對(duì)于單粒子脈沖形狀的影響.需要注意的是，總劑量效應(yīng)的最劣偏置是nMOS管柵極連接高電平，而瞬時(shí)單粒子效應(yīng)的最劣偏置是pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，且在nMOS管截止區(qū)的效應(yīng)最為明顯.綜合來(lái)說(shuō)，研究累積輻照對(duì)于nMOS管單粒子瞬態(tài)脈沖影響的最劣偏置為：在前期劑量累積階段柵極電壓Vg=1.8 V，其他電極電壓Vd=Vs=Vb=0 V，到達(dá)設(shè)定的累積劑量后，改變偏置情況為漏極電壓Vd=1.8 V，其他電極電壓Vg=Vs=Vb=0 V.

表征重離子入射時(shí)，設(shè)定器件材料中產(chǎn)生過(guò)剩載流子的空間分布與時(shí)間分布均服從Gauss分布，特征半徑選取為0.1μm，特征時(shí)間選取為2 ps，產(chǎn)生過(guò)剩載流子的峰值時(shí)刻為20 ps[2].設(shè)定重離子沿nMOS管漏極中心垂直入射，LET=2 MeV·cm2·mg-1.圖6給出了不同累積劑量下由單粒子入射所引發(fā)的電流脈沖波形，可以看出：隨著累積劑量的增加，單粒子所引發(fā)電流脈沖的峰值并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化，不同曲線間最主要的差異體現(xiàn)在電流初始值，對(duì)應(yīng)著單粒子入射前漏極電壓Vd=1.8 V，其他電極電壓Vg=Vs=Vb=0 V所對(duì)應(yīng)的漏極電流，這是由累積劑量增加后nMOS管關(guān)態(tài)漏電流的增加所決定的.

圖6 不同累積劑量下nMOS管單粒子脈沖形狀的差異，LET=2 MeV·cm2·mg-1

可以看出，累積輻照對(duì)于nMOS管的單粒子瞬態(tài)脈沖形狀確實(shí)會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)的影響，但對(duì)于稍大規(guī)模電路單元的定量影響仍然需要進(jìn)一步評(píng)估.

5 仿真計(jì)算

利用前期校準(zhǔn)得到的0.18μm器件模型，對(duì)六管SRAM單元執(zhí)行混合模擬，定量計(jì)算不同累積劑量及不同存儲(chǔ)圖形情況下，累積劑量增加對(duì)于單元單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的影響規(guī)律.圖7所示為混合模擬的示意圖，SRAM單元的中心單管 N1與 N2(W/L=0.22/0.18μm)，P1與 P2(W/L=0.35/0.18μm)利用三維器件模型進(jìn)行構(gòu)造并聯(lián)立求解泊松方程與電子、空穴連續(xù)性方程，其他如A1，A2及不同單管間的連接關(guān)系則利用電路模型進(jìn)行構(gòu)造并求解電路節(jié)點(diǎn)的電流與電壓平衡方程.

當(dāng)累積輻照過(guò)程中固定Q連接低電平(St2工作點(diǎn))時(shí)，受總劑量效應(yīng)影響最嚴(yán)重的單管將為N1管.后期單粒子效應(yīng)作用階段，如果Q仍然連接低電平(即不改變偏置狀況)，則對(duì)單粒子敏感的區(qū)域?yàn)镹2和P1管的漏極;反之，如果Q連接高電平，則對(duì)單粒子敏感的區(qū)域?yàn)镹1和P2管的漏極.總體來(lái)說(shuō)，可以歸納為如表1所示的四種情況.

如表1所示，隨著累積劑量的增加，六管SRAM單元的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將發(fā)生明顯的變化.其中，No.1與No.3兩種情況下(累積輻照與單粒子作用階段存儲(chǔ)值相同)，SRAM單元的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將隨著劑量值的增高而減小.而對(duì)于No.2和No.4兩種情況(累積輻照與單粒子作用階段存儲(chǔ)值相反)，單元的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將隨之增大.

No.1情況下，SRAM單元在前期累積輻照與后期單粒子作用階段處于相同的工作狀態(tài)，重離子入射相對(duì)來(lái)說(shuō)受總劑量影響很小的N2管漏極中心.圖8給出了單粒子作用階段SRAM單元所存儲(chǔ)電平值隨時(shí)間的變化，時(shí)間尺度為1 ns，LET=1.11 MeV·cm2·mg-1.

圖7 六管SRAM單元執(zhí)行混合模擬的示意圖

表1 利用仿真手段計(jì)算累積劑量與單粒子效應(yīng)共同作用的分類描述及初步結(jié)果

從圖8中可以看出，當(dāng)累積劑量為零時(shí)(輻照前)，單粒子入射帶來(lái)的擾動(dòng)將導(dǎo)致SRAM單元發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，Q節(jié)點(diǎn)將從低電平改變?yōu)楦唠娖?隨著累積劑量的增加，這種情況逐漸發(fā)生了改變.當(dāng)累積劑量為140，200和300 krad(Si)時(shí)，同樣LET值的重離子入射將不能導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而只是出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)的變化，一定時(shí)間后還能夠恢復(fù)至初始時(shí)刻的水平.需要注意的是，當(dāng)累積劑量為60 krad(Si)時(shí)，單粒子擾動(dòng)項(xiàng)對(duì)于節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)電壓的影響趨近于臨界狀態(tài)，電壓值出現(xiàn)瞬時(shí)變化后將持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間穩(wěn)定下來(lái)，從圖中的趨勢(shì)中可以看出，該情況下SRAM單元最終仍然會(huì)發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn).

圖8中標(biāo)出了70.7 ps時(shí)刻點(diǎn)，可以看出，在t≤70.7 ps時(shí)，不同累積劑量所對(duì)應(yīng)的電平變化曲線基本重合，當(dāng)t＞70.7 ps時(shí)，不同曲線間出現(xiàn)了明顯的偏離.為了分析累積劑量影響SRAM單元單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的原因，考慮到N1是整個(gè)SRAM單元中受累積輻照影響后惟一發(fā)生明顯性能退化的單管，圖9給出了70.7 ps時(shí)刻N(yùn)1漏極電流隨累積劑量的變化.N1所在電流通路是與單粒子效應(yīng)直接作用的N2所在電流通路相對(duì)的，N2管漏極電流為重離子入射后產(chǎn)生過(guò)剩載流子并被節(jié)點(diǎn)收集而產(chǎn)生的電流脈沖，其幅值越高，SRAM單元發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的可能性越高;受N2漏極電流的影響，P1和N1的柵極電壓將首先出現(xiàn)小幅度的降低，導(dǎo)致Q節(jié)點(diǎn)電平隨之增加，其增加的幅度與N1的電導(dǎo)值相關(guān)，即相同電壓偏置情況下，N1的漏極電流越高，Q節(jié)點(diǎn)受擾動(dòng)后電平增加的幅度將越小，于是SRAM單元發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的可能性越低.

圖8 No.1情況下，重離子入射后兩個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電壓值隨時(shí)間的變化

從圖9中可以看出，隨著累積劑量的增加，t=70.7 ps時(shí)N1的漏極電流隨之增加，結(jié)合上文中的分析，SRAM單元發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的可能性將隨之降低，這與圖8中不同曲線的對(duì)比是相一致的.

No.2情況下，SRAM單元在前期累積輻照與后期單粒子作用階段處于相反的工作狀態(tài)，重離子入射受總劑量影響最大的N1管漏極中心.圖10和給出了單粒子作用階段SRAM單元所存儲(chǔ)電平值隨時(shí)間的變化，時(shí)間尺度為1 ns，LET=1.2 MeV·cm2·mg-1.

圖9 與圖8相對(duì)應(yīng)，70.7 ps時(shí)刻N(yùn)1漏極電流隨累積劑量的變化

從圖10中可以看出，當(dāng)累積劑量為零時(shí)(輻照前)，重離子入射帶來(lái)的擾動(dòng)不足以使SRAM單元發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，Q節(jié)點(diǎn)受擾動(dòng)后將恢復(fù)為高電平.當(dāng)累積劑量為60 krad(Si)時(shí)，Q節(jié)點(diǎn)受擾動(dòng)后仍然能夠恢復(fù)為高電平，但可以看出其擾動(dòng)幅值已經(jīng)有所增加.隨著累積劑量的繼續(xù)增加，當(dāng)累積劑量為140，200和300 krad(Si)時(shí)，同樣LET值的重離子入射將導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)翻轉(zhuǎn)的發(fā)生.

圖10 No.2情況下，重離子入射后兩個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電壓值隨時(shí)間的變化

與上文相似，圖10中同樣標(biāo)出了類似于臨界時(shí)刻的時(shí)間線，該情況下t=38.2 ps，圖11給出了對(duì)應(yīng)的N1漏極電流隨累積劑量的變化.此時(shí)N1的漏極電流成分主要為重離子入射后產(chǎn)生過(guò)剩載流子并被節(jié)點(diǎn)收集而產(chǎn)生的電流脈沖，其幅值越高，SRAM單元發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的可能性將越高.從圖11中可以看出，隨著累積劑量的增加，t=38.2 ps時(shí)N1的漏極電流將隨之增加，于是增大了SRAM單元發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的可能性.

No.3與No.4兩種情況下，重離子分別入射P1和P2漏極，對(duì)應(yīng)結(jié)論與上述兩種情況是類似的：當(dāng)累積劑量與單粒子入射階段存儲(chǔ)相同數(shù)值時(shí)，SRAM單元的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將減弱;存儲(chǔ)相反值時(shí)，對(duì)應(yīng)的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將增強(qiáng).

圖11 與圖10相對(duì)應(yīng)，38.2 ps時(shí)刻N(yùn)1漏極電流隨累積劑量的變化

從文獻(xiàn)中的報(bào)道可知，并不是所有SRAM器件的測(cè)試結(jié)果都符合上述結(jié)論，部分SRAM器件表征出的趨勢(shì)甚至是相反的，即當(dāng)累積輻照與單粒子入射階段存儲(chǔ)相同數(shù)值時(shí)，SRAM器件的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性才會(huì)增強(qiáng).因此，必須考慮除SRAM單元以外，器件中的其他組成部分是否同樣發(fā)揮了作用.參照Schwank等[7]的相關(guān)工作，其中共考核測(cè)試了六款SRAM芯片，雖然不同芯片反映出的現(xiàn)象并不一致，但卻在另一方面得出了一致的結(jié)論，即考察總劑量/單粒子協(xié)同影響時(shí)，最劣情況下的存儲(chǔ)數(shù)值組合對(duì)應(yīng)著SRAM器件功耗電流達(dá)到最大值的情況.例如，如果累積輻照階段SRAM芯片存儲(chǔ)的數(shù)值為55 H，那么若輻照后存儲(chǔ)55 H時(shí)的功耗電流低于相反值A(chǔ)AH，則后期單粒子作用階段對(duì)應(yīng)翻轉(zhuǎn)截面增加的存儲(chǔ)值將為AAH;反之，若輻照后存儲(chǔ)55 H時(shí)功耗電流更高，則后期存儲(chǔ)55 H(即不改變存儲(chǔ)狀態(tài))時(shí)器件的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性將增大.

對(duì)于SRAM器件中的單元而言，令輻照前節(jié)點(diǎn)Q存儲(chǔ)低電壓，計(jì)算單粒子作用階段節(jié)點(diǎn)Q存儲(chǔ)不同電平時(shí)SRAM單元的功耗電流變化，如圖12所示.從圖中可以看出，當(dāng)累積輻照與單粒子作用階段存儲(chǔ)相同值時(shí)，SRAM單元的功耗電流將基本上維持不變;當(dāng)存儲(chǔ)相反值時(shí)，對(duì)應(yīng)功耗電流將表征出明顯的增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)與單個(gè)nMOS管受總劑量影響后關(guān)態(tài)漏電流的變化相一致.

圖12 累積輻照與單粒子作用階段存儲(chǔ)相同值與相反值時(shí)對(duì)應(yīng)功耗電流隨累積劑量的變化

利用解析分析就可以解釋圖12中的計(jì)算結(jié)果，累積輻照對(duì)nMOS單管的影響主要體現(xiàn)為截止區(qū)漏電流增大，其最劣表征對(duì)應(yīng)著輻照過(guò)程中柵極接高電平，測(cè)試過(guò)程中柵極接低電平的情況，此時(shí)輻照前后的差異才能最大限度地體現(xiàn)出來(lái).所以，導(dǎo)致部分SRAM器件在累積劑量與單粒子作用階段存儲(chǔ)相同值時(shí)功耗電流增大、存儲(chǔ)相反值時(shí)功耗電流減小的機(jī)制必然不是由于其中的存儲(chǔ)單元，而是與其他內(nèi)部電路相關(guān).SRAM器件的內(nèi)部電路還包括靈敏放大器、譯碼器、IO電路、電壓轉(zhuǎn)換電路等，其中最可能受存儲(chǔ)值影響的是靈敏放大器，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)中同樣包含對(duì)接反相器，相對(duì)而言，譯碼器、IO電路、電壓轉(zhuǎn)換電路等都屬于邏輯電路，不會(huì)與存儲(chǔ)值的圖形產(chǎn)生直接的聯(lián)系.

6 結(jié)論

本文主要利用仿真手段研究了累積輻照對(duì)于SRAM器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的影響.首先結(jié)合已有的0.18μm單管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)三維器件仿真模型的常規(guī)電學(xué)特性與總劑量效應(yīng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并針對(duì)大尺寸及深亞微米尺度SRAM單元，利用解析手段研究了表征SRAM單元單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的特征量及其受累積輻照后的變化趨勢(shì).得到下述結(jié)論：只有當(dāng)輻照階段與單粒子作用階段存儲(chǔ)相反數(shù)值時(shí)，單元的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性才會(huì)增強(qiáng).基于校準(zhǔn)后的0.18μm三維器件模型開(kāi)展器件仿真工作，研究了累積輻照對(duì)于nMOS管單粒子脈沖形狀的影響，結(jié)果主要體現(xiàn)為關(guān)斷狀態(tài)下瞬態(tài)單粒子脈沖初始值的顯著增高.同時(shí)利用混合模擬詳細(xì)計(jì)算了六管SRAM單元對(duì)應(yīng)不同累積劑量情況下，離子分別入射四個(gè)中心單管時(shí)的電學(xué)響應(yīng)變化.結(jié)果表明：只有當(dāng)輻照階段與單粒子作用階段存儲(chǔ)相反數(shù)值時(shí)，單元的單粒子敏感性才會(huì)增強(qiáng)，與解析分析的結(jié)論相一致.最后，針對(duì)參考文獻(xiàn)中報(bào)道的部分不一致的測(cè)試結(jié)論給出了相應(yīng)的推測(cè)并提供用于輔助的計(jì)算結(jié)果，初步判定是由于其他內(nèi)部電路，最可能是同樣包含對(duì)接反相器結(jié)構(gòu)的靈敏放大器的影響所導(dǎo)致的.

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