張戰(zhàn)剛 雷志鋒 岳龍 劉遠(yuǎn) 何玉娟 彭超 師謙 黃云 恩云飛

(電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣州 510610)

(2017年7月1日收到;2017年8月29日收到修改稿)

1 引 言

宇宙空間中存在惡劣的輻射環(huán)境,其中的重離子、質(zhì)子等在空間電子系統(tǒng)中引起的單粒子效應(yīng)是威脅航天器在軌安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素.尤其隨著集成電路的特征尺寸持續(xù)減小至納米量級(jí),集成度不斷增高,單粒子效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重[1].

作為行業(yè)空間錯(cuò)誤率預(yù)計(jì)的基本架構(gòu),立方體/積分立方體(rectangular parallelepiped/integral rectangular parallelepiped,RPP/IRPP)模型已取得近30年的成功[2].RPP/IRPP模型使用線性能量轉(zhuǎn)移(LET)值作為“橋梁”,將具有相同LET值的空間離子和地面加速器離子對(duì)等起來(lái),繼而使用地面加速器離子測(cè)試和評(píng)價(jià)電子器件空間單粒子效應(yīng)敏感性.但是,近些年關(guān)于RPP/IRPP模型在現(xiàn)代先進(jìn)工藝器件中局限性的報(bào)道較多,源于一些新的物理機(jī)理(如二次電子、能損歧離、核反應(yīng)等)的影響[3?15].隨著納米器件靈敏區(qū)尺寸的減小、臨界電荷的降低和集成度的增高,這些物理機(jī)理的影響越來(lái)越大,使得空間高能離子的單粒子效應(yīng)不能簡(jiǎn)單地使用地面低能離子模擬和替代.

空間離子的能量范圍十分廣,最高可達(dá)幾百GeV/n,通量峰位于幾百M(fèi)eV/n處[11].目前,國(guó)際上幾乎沒有地面加速器能達(dá)到這個(gè)能量范圍,導(dǎo)致空間高能離子單粒子效應(yīng)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)道非常缺少.空間離子轟擊和能量沉積的本征隨機(jī)性使得蒙特卡羅(Monte-Carlo,MC)仿真成為一個(gè)研究空間高能離子單粒子效應(yīng)的理想工具[2].我們報(bào)道過(guò)納米級(jí)體硅靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)中的研究結(jié)果[16].相比于體硅器件,絕緣體上的硅(silicon on insulator,SOI)器件的靈敏區(qū)更薄,故離子能損歧離程度會(huì)更大;且SOI器件的靈敏區(qū)被淺溝道隔離和埋氧層介電隔離,故靈敏區(qū)之間不能通過(guò)電荷擴(kuò)散效應(yīng)產(chǎn)生電荷共享,進(jìn)而引起多位翻轉(zhuǎn)[17].因此,空間高能離子的二次電子效應(yīng)在SOI SRAM中尤為重要,需開展深入研究.

基于此,本文基于MC方法,進(jìn)一步研究空間高能離子在65—32 nm SOI SRAM中產(chǎn)生的靈敏區(qū)沉積能量譜、單粒子翻轉(zhuǎn)截面和空間錯(cuò)誤率特性,并探究其內(nèi)在的物理機(jī)理.

2 器件和仿真參數(shù)

圖1為納米級(jí)SOI SRAM三維器件模型示意圖.器件模型的表面積為5μm×5μm,靈敏區(qū)位于表層布線和埋氧層之間.靈敏區(qū)的厚度設(shè)置為硅層厚度.由于本文主要研究二次電子和能損歧離對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的影響,故器件模型中的多層金屬布線使用12μm二氧化硅層替代.需要強(qiáng)調(diào)的是,雖然本文僅考慮一個(gè)靈敏單元,研究二次電子分布和能損歧離在單個(gè)靈敏單元中造成的影響,但實(shí)際上本文間接考慮了電荷共享效應(yīng),原因?yàn)楸疚囊矊?duì)轟擊在靈敏單元附近的粒子產(chǎn)生的二次電子效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和分析.

表1列出了65,45和32 nm SOI SRAM器件的仿真參數(shù),包括存儲(chǔ)單元表面積、硅層厚度及臨界電荷;臨界能量根據(jù)臨界電荷計(jì)算得到,計(jì)算公式如下:

其中,Ec為臨界能量(單位為MeV),Qc為臨界電荷(單位為fC),按3.6 eV/e-h pair將Qc轉(zhuǎn)換為Ec.LET閾值根據(jù)臨界能量和硅層厚度計(jì)算得到,計(jì)算公式如下:

其中,LETth單位為MeV·cm2/mg,ρSi為硅材料的密度(取2.32×103mg/cm3),TSi為硅層厚度(單位為nm).不同于體硅SRAM,通常認(rèn)為SOI SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)靈敏區(qū)為“閉態(tài)”N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)管和P型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)管的柵極區(qū)域(尤其對(duì)于全耗盡型SOI器件).表1中靈敏區(qū)表面積指“閉態(tài)”NMOS管和PMOS管的表面積之和,如圖1所示.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)納米級(jí)SOI SRAM三維器件模型示意圖Fig.1.(color online)Schematic diagram of threedimensional device model of nanometric SOI SRAM.

基于圖5,地球同步軌道(GEO)軌道離子的通量峰基本位于200 MeV/n的能量處.因此,大多數(shù)情況下,本文使用200 MeV/n的離子開展MC仿真,詳細(xì)離子參數(shù)見表2.使用工具為CRèMEMC[2,21,22],所有離子垂直入射,隨機(jī)轟擊在器件模型表面.為了保證良好的統(tǒng)計(jì)性,大多數(shù)情況下,離子總注量達(dá)到6.52×1011ions/cm2.此外,本文計(jì)算和分析了三種工藝節(jié)點(diǎn)的SOI SRAM在GEO和國(guó)際空間站(ISS)軌道上的在軌錯(cuò)誤率.軌道天氣條件設(shè)置為太陽(yáng)極小、地磁平靜和AP8MIN(對(duì)于ISS軌道而言).空間離子各向同性,穿過(guò)3 mm等效鋁屏蔽層.考慮的離子原子序數(shù)為1—92(即質(zhì)子—U離子).為了保證良好的統(tǒng)計(jì)性,每種計(jì)算條件下的仿真粒子數(shù)量達(dá)到108個(gè).MC計(jì)算中,共使用如下兩種模式.

表1 65,45和32 nm SOI SRAM器件仿真參數(shù)[18?20]Table 1.Simulation parameters of 65,45,and 32 nm SOI SRAM devices[18?20].

1)Case 1:不考慮二次電子和核反應(yīng),僅考慮直接電離過(guò)程.此種計(jì)算類型下,單粒子效應(yīng)源于離子徑跡的局部效應(yīng).需要強(qiáng)調(diào)的是,Case 1是RPP/IRPP模型的基本假設(shè)之一.

2)Case 2:考慮二次電子,不考慮核反應(yīng).

表2 仿真計(jì)算使用的離子參數(shù)Table 2.Ion parameters using in the MC simulations.

離子沉積能量歧離的計(jì)算使用TRIM和SSSM工具[23?25]實(shí)現(xiàn).詳細(xì)計(jì)算了入射離子與核外電子的直接電離作用和原子核的庫(kù)侖散射過(guò)程.為了提高計(jì)算精度,沒有詳細(xì)計(jì)算二次粒子的傳播,這對(duì)能量沉積歧離的計(jì)算結(jié)果沒有影響.詳細(xì)記錄了入射離子在器件靈敏層的沉積能量、出射動(dòng)量、出射位置和角度.計(jì)算模式為“ion distribution and quick calculation of damage”,總離子數(shù)為105個(gè),所有離子垂直入射.

3 結(jié)果與分析

3.1 單粒子翻轉(zhuǎn)截面

圖2為200 MeV/n離子輻照下65,45和32 nm SOI SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨LET值的變化圖,圖中對(duì)比了Case 1和Case 2兩種情況.由圖2可見,隨著特征尺寸的減小,SOI SRAM的per-bit飽和截面持續(xù)降低,與特征尺寸降低單個(gè)存儲(chǔ)單元尺寸減小的趨勢(shì)相符合.從圖2發(fā)現(xiàn)兩個(gè)有趣的現(xiàn)象:1)表1列出了器件的LET閾值為0.97 MeV·cm2/mg,但是LET值分別為0.13 MeV·cm2/mg和0.71 MeV·cm2/mg的C離子和Si離子仍然可以在65—32 nm SOI SRAM中引起單粒子翻轉(zhuǎn);其中,在LET值為0.71 MeV·cm2/mg處,Case 1和Case 2下均有單粒子翻轉(zhuǎn),而在LET值為0.13 MeV·cm2/mg處,Case 1下仍有單粒子翻轉(zhuǎn),Case 2下未產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn);2)在LET值為0.71 MeV·cm2/mg處,對(duì)于三種工藝節(jié)點(diǎn),Case 2下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面均小于Case 1,差別約為1/15—1/6;無(wú)論是Case 1還是Case 2,隨著特征尺寸的降低,此LET處的單粒子翻轉(zhuǎn)截面均持續(xù)降低.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)200 MeV/n離子輻照下65,45和32 nm SOI SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨LET值的變化趨勢(shì)Fig.2.(color online)Single event upset cross sections of 65,45,and 32 nm SOI SRAM devices as a function of LET of 200 MeV/n heavy ions.

對(duì)現(xiàn)象1)的原因進(jìn)行分析.首先,文獻(xiàn)[3,4,12]報(bào)道亞LET閾值區(qū)域內(nèi)重離子非直接電離效應(yīng)導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)截面.但是,本文中Case 1和Case 2并不考慮核反應(yīng)過(guò)程,因此可排除此類原因.其次,在后文中的分析發(fā)現(xiàn),二次電子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致per-bit單粒子翻轉(zhuǎn)截面的降低,因此也可以排除此類原因.根據(jù)文獻(xiàn)[14,15],高能離子在器件靈敏區(qū)中的沉積能量并不是一個(gè)固定值,而是服從高斯分布,且沉積能量的歧離度隨靈敏區(qū)厚度的減小而增大.對(duì)200 MeV/n的Si離子在32 nm SOI SRAM靈敏區(qū)(厚度為40 nm)中的沉積能量歧離進(jìn)行MC模擬計(jì)算,結(jié)果如圖3所示.由圖3可見,Si離子在器件靈敏區(qū)中的沉積能量并不是一個(gè)絕對(duì)值,而是呈一定分布,存在一定的歧離.其平均沉積能量為6.63 keV,對(duì)應(yīng)的LET值與表2相符.其最高沉積能量可達(dá)25 keV,對(duì)應(yīng)的LET值為2.6 MeV·cm2/mg,遠(yuǎn)高于器件LET閾值.圖3中沉積能量高于9 keV(器件的臨界能量)的離子數(shù)占總離子數(shù)(105個(gè))的23%左右,說(shuō)明僅有23%的Si離子可以在32 nm SOI SRAM中引起單粒子翻轉(zhuǎn),將導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)截面下降23%,該值與圖2中32 nm-Case1基本相符,進(jìn)一步證實(shí)了亞LET閾值區(qū)域單粒子翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)生源于沉積能量歧離.此外,對(duì)200 MeV/n的C離子在32 nm SOI SRAM靈敏區(qū)中的沉積能量歧離計(jì)算結(jié)果表明,其最高沉積能量也可以達(dá)到器件的臨界能量,從而引起單粒子翻轉(zhuǎn).

圖3 200 MeV/n的Si離子在32 nm SOI SRAM靈敏區(qū)中的沉積能量歧離Fig.3.Deposited-energy straggling of 200 MeV/n Si ions in the sensitive volume of 32 nm SOI SRAM.

對(duì)現(xiàn)象2)的原因進(jìn)行分析.Case 2情況下,單核能高達(dá)200 MeV/n的C和Si離子在器件靈敏區(qū)中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的二次電子空間分布,即離子徑跡.轟擊在靈敏區(qū)上方的單個(gè)離子徑跡中的部分電荷超出納米級(jí)SOI SRAM的靈敏區(qū),導(dǎo)致電荷被部分收集,降低了產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率.根據(jù)上一段的分析可知,C離子和Si離子在靈敏區(qū)中產(chǎn)生的電荷量與臨界電荷接近,因此二次電子導(dǎo)致的靈敏區(qū)收集電荷的減小可直接導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)截面的降低(如Case 2情況下的Si離子),甚至不能產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)(如Case 2情況下的C離子).此外,在LET值為0.71 MeV·cm2/mg處,無(wú)論是Case 1還是Case 2,隨著特征尺寸的降低,單粒子翻轉(zhuǎn)截面均持續(xù)降低.該現(xiàn)象的內(nèi)在原因有兩方面:一方面,隨著SOI SRAM的特征尺寸從65 nm降至32 nm,其靈敏區(qū)表面積持續(xù)降低(從3×10?10cm2/bit降至1.4×10?10cm2/bit),直接導(dǎo)致其單粒子翻轉(zhuǎn)截面的下降(對(duì)于Case 1),或?qū)е蚂`敏區(qū)在單個(gè)離子徑跡中的有效收集截面減小,進(jìn)而導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)截面的下降(對(duì)于Case 2);另一方面,隨著SOI SRAM的特征尺寸從65 nm降至32 nm,其靈敏區(qū)厚度持續(xù)降低(從60 nm降至40 nm),導(dǎo)致入射離子在靈敏區(qū)中的沉積能量歧離持續(xù)增大,對(duì)于Case 1和Case 2,靈敏區(qū)中的沉積能量歧離的持續(xù)增大導(dǎo)致更多的離子具備了引起單粒子翻轉(zhuǎn)的能力,造成單粒子翻轉(zhuǎn)截面的增大.在兩者的共同作用下,單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨特征尺寸的減小而持續(xù)降低.可見,靈敏區(qū)表面積的減小是最主要的影響因素.

綜上所述,沉積能量歧離和二次電子效應(yīng)共同決定了亞LET閾值區(qū)域的單粒子翻轉(zhuǎn)特性.

此外,在高于LET閾值的區(qū)域,圖2中65,45和32 nm SOI SRAM的飽和截面與靈敏區(qū)表面積基本相符,并沒有發(fā)現(xiàn)如文獻(xiàn)[26]中單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨LET值增高而持續(xù)增大的現(xiàn)象,說(shuō)明在單核能為200 MeV/n的空間高能離子輻照下,二次電子對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)截面的影響較小.原因?yàn)?1)隨著離子能量增大到至200 MeV/n,其二次電子分布范圍越來(lái)越大,稀釋了徑跡內(nèi)的電子密度;2)隨著離子能量增大至200 MeV/n,其LET值持續(xù)降低;3)納米級(jí)SOI SRAM的靈敏區(qū)非常薄,達(dá)到納米量級(jí),導(dǎo)致靈敏區(qū)的收集電荷量持續(xù)減小.上述三個(gè)原因的共同作用,導(dǎo)致只有轟擊在靈敏區(qū)表面的空間高能離子才能引起單粒子翻轉(zhuǎn),即離子徑跡核心區(qū)域的高密度電子-空穴對(duì)被靈敏區(qū)收集后超過(guò)臨界電荷,而轟擊在靈敏區(qū)周圍的空間高能離子,由于其非徑跡核心區(qū)域的電子密度非常低,被靈敏區(qū)收集后不能超過(guò)器件的臨界電荷,故不能引起單粒子翻轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)截面與靈敏區(qū)表面積基本相符.

3.2 沉積能譜

為了進(jìn)一步說(shuō)明二次電子對(duì)納米級(jí)SOI SRAM靈敏區(qū)沉積能譜和單粒子翻轉(zhuǎn)截面的影響,圖4給出了200 MeV/n Bi離子輻照下32 nm SOI SRAM的靈敏區(qū)沉積能譜和單粒子翻轉(zhuǎn)截面.圖中對(duì)比了Case 1和Case 2兩種情況,可見明顯的差異.首先,Case 2能譜的最大沉積能量為0.3 MeV,比Case 1能譜小25%;Case 2能譜右峰的平均沉積能量為0.2 MeV,比Case 1能譜小33.3%.由于Case 2和Case 1的差別僅在于Case 2考慮了詳細(xì)的二次電子效應(yīng),故可以進(jìn)一步證實(shí),Case 2情況下,單個(gè)空間高能離子產(chǎn)生的二次電子分布區(qū)域大于32 nm SOI SRAM的靈敏區(qū),引起靈敏區(qū)僅能部分收集單個(gè)空間高能離子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì),從而導(dǎo)致了靈敏區(qū)最大沉積能量和平均沉積能量的減小.其次,Case 2截面在臨界能量小于4 keV的區(qū)域內(nèi)迅速增大,而Case 1截面幾乎不變.這是因?yàn)楫?dāng)靈敏區(qū)的臨界能量下降到一定程度后,轟擊在靈敏區(qū)周圍區(qū)域的空間高能離子產(chǎn)生的二次電子被靈敏區(qū)收集,超過(guò)臨界能量,導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)截面的增大.

圖4 200 MeV/n的Bi離子輻照下32 nm SOI SRAM靈敏區(qū)沉積能譜和單粒子翻轉(zhuǎn)截面Fig.4.Deposited-energy spectra and single event upset cross sections induced by 200 MeV/n Bi ions in the sensitive volume of 32 nm SOI SRAM.

3.3 空間在軌錯(cuò)誤率

本節(jié)主要研究納米級(jí)SOI SRAM的空間在軌錯(cuò)誤率表現(xiàn)及二次電子和俘獲帶質(zhì)子直接電離對(duì)在軌錯(cuò)誤率的影響和貢獻(xiàn).需要說(shuō)明的是,質(zhì)子核反應(yīng)是產(chǎn)生在軌錯(cuò)誤率的機(jī)理之一,但其不在本文的研究范疇,本文僅考慮直接電離產(chǎn)生的在軌錯(cuò)誤率.本節(jié)的第三部分研究證實(shí),質(zhì)子直接電離效應(yīng)可以在65 nm SOI SRAM中引起單粒子翻轉(zhuǎn),且直接電離比核反應(yīng)的作用截面高三到四個(gè)數(shù)量級(jí),因此,本文中不考慮核反應(yīng)對(duì)在軌錯(cuò)誤率的結(jié)果影響較小.

3.3.1 在軌錯(cuò)誤率隨特征尺寸的變化趨勢(shì)

以GEO軌道、Case 2情況為例,表3對(duì)比了65,45和32 nm SOI SRAM的在軌錯(cuò)誤率.由表3可見,隨著特征尺寸的減小,其per-bit在軌錯(cuò)誤率持續(xù)降低,其原因在于單比特靈敏區(qū)幾何尺寸隨特征尺寸降低而減小,相同的空間離子入射條件下,將受到更少的離子輻射.雖然單比特在軌錯(cuò)誤率隨特征尺寸的降低而減小,但對(duì)于納米級(jí)集成電路,單位面積芯片內(nèi)集成更多的存儲(chǔ)單元,將導(dǎo)致集成電路整體在軌錯(cuò)誤率增大.

表3 納米級(jí)SOI SRAM在軌錯(cuò)誤率隨特征尺寸的變化趨勢(shì)Table 3.Change trend of on-orbit error rate of nanometric SOI SRAM with the feature size.

3.3.2 二次電子對(duì)在軌錯(cuò)誤率的影響

以兩個(gè)典型衛(wèi)星軌道(GEO和ISS軌道)為例進(jìn)行對(duì)比分析.圖5為使用CREME96軟件[22]計(jì)算得到的GEO和ISS軌道粒子通量-能量譜,計(jì)算條件為太陽(yáng)極小、3 mm等效鋁屏蔽,圖5(b)考慮俘獲帶質(zhì)子.表4為計(jì)算得到的65 nm SOI SRAM在軌錯(cuò)誤率,對(duì)比了Case 1和Case 2兩種情況.由表4可見,二次電子導(dǎo)致在軌錯(cuò)誤率下降約80%.

引入二次電子的貢獻(xiàn)后,單比特在軌錯(cuò)誤率降低的原因可用圖4解釋:Case 2情況下,單個(gè)離子徑跡中的電荷被單比特靈敏區(qū)部分收集,導(dǎo)致一部分LET閾值附近的空間離子無(wú)法引起預(yù)期的單粒子翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致在軌錯(cuò)誤率下降;而LET值越低,對(duì)應(yīng)的離子空間通量越大.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)(a)GEO軌道和(b)ISS軌道粒子通量-能量譜(計(jì)算條件:太陽(yáng)極小、3 mm等效鋁屏蔽)Fig.5.(color online)Ion fl ux-energy spectra of(a)GEO and(b)ISS orbit(solar minimum,3 mm equivalent Al-shielding).

表4 65 nm SOI SRAM在軌錯(cuò)誤率的Case 1和Case 2對(duì)比Table 4.On-orbit error rates of 65 nm SOI SRAM under Case 1 and Case 2.

3.3.3 質(zhì)子直接電離對(duì)在軌錯(cuò)誤率的貢獻(xiàn)

如前文所述,雖然俘獲帶質(zhì)子通過(guò)核反應(yīng)引起的錯(cuò)誤是低地軌道在軌錯(cuò)誤率的重要組成成分,但其并不在本文的研究范疇之內(nèi).質(zhì)子通過(guò)直接電離在納米器件中引起的效應(yīng)是近些年國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)之一,受到廣泛的關(guān)注,主要原因有:1)相比核反應(yīng),直接電離的作用概率高三到四個(gè)數(shù)量級(jí);2)質(zhì)子是空間中最多的離子.因此,本文通過(guò)對(duì)比ISS軌道“考慮俘獲帶質(zhì)子”和“不考慮俘獲帶質(zhì)子”的粒子譜引起的在軌錯(cuò)誤率,研究質(zhì)子直接電離對(duì)在軌錯(cuò)誤率的貢獻(xiàn).

圖6對(duì)比了考慮和不考慮俘獲帶質(zhì)子的ISS軌道粒子通量-能量譜,明顯可見圖6(a)的質(zhì)子通量在小于800 MeV的能量范圍內(nèi)迅速增大.表5對(duì)比了考慮和不考慮俘獲帶質(zhì)子的ISS軌道在軌錯(cuò)誤率.由表5可見,同樣的情況下,俘獲帶質(zhì)子直接電離作用導(dǎo)致65 nm SOI SRAM的在軌錯(cuò)誤率增大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí).

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(a)考慮和(b)不考慮俘獲帶質(zhì)子的ISS軌道粒子通量-能量譜(計(jì)算條件:太陽(yáng)極小、3 mm等效鋁屏蔽)Fig.6.(color online)Ion fl ux-energy spectra of ISS orbit(a)with and(b)without the trapped protons(solar minimum,3 mm equivalent Al-shielding).

表5 俘獲帶質(zhì)子對(duì)65 nm SOI SRAM在軌錯(cuò)誤率的貢獻(xiàn)Table 5.Contribution of trapped protons to the on-orbit error rate of 65 nm SOI SRAM.

4 結(jié) 論

GEO離子的通量峰基本位于200 MeV/n的能量處.基于此,本文使用MC方法開展單核能為200 MeV/n的空間離子在65,45和32 nm SOI SRAM中產(chǎn)生的靈敏區(qū)沉積能量譜和單粒子翻轉(zhuǎn)截面特性及內(nèi)在物理機(jī)理研究,并預(yù)計(jì)其空間在軌錯(cuò)誤率,揭示二次電子和質(zhì)子直接電離作用對(duì)在軌錯(cuò)誤率的影響.

結(jié)果表明,單核能為200 MeV/n的空間離子在60—40 nm厚的靈敏區(qū)中產(chǎn)生的能損歧離較大,導(dǎo)致納米級(jí)SOI SRAM在亞LET閾值區(qū)域出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)截面比飽和截面下降一到兩個(gè)數(shù)量級(jí).寬的二次電子分布導(dǎo)致靈敏區(qū)僅能部分收集單個(gè)高能離子徑跡中的電子-空穴對(duì),致使靈敏區(qū)最大和平均沉積能量各下降25%和33.3%,進(jìn)而引起單粒子翻轉(zhuǎn)概率降低,以及在軌錯(cuò)誤率下降約80%.隨著特征尺寸的減小,納米級(jí)SOI SRAM的per-bit飽和截面和在軌錯(cuò)誤率持續(xù)降低,未觀測(cè)到單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨LET值增高而持續(xù)增大的現(xiàn)象,源于200 MeV/n空間離子徑跡內(nèi)的電子-空穴對(duì)密度較小,且SOI器件的靈敏區(qū)較薄,導(dǎo)致二次電子效應(yīng)不能引起鄰近靈敏單元的翻轉(zhuǎn).此外,文中發(fā)現(xiàn)俘獲帶質(zhì)子直接電離作用導(dǎo)致65 nm SOI SRAM的在軌錯(cuò)誤率增大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí).

感謝CRèME團(tuán)隊(duì)、美國(guó)Vanderbilt大學(xué)對(duì)CRèME工具的網(wǎng)站和技術(shù)支持.

[1]Dodd P E,Shaneyfelt M R,Schwank J R,Felix J A 2010IEEE Trans.Nucl.Sci.57 1747

[2]Weller R A,Mendenhall M H,Reed R A,Schrimpf R D,Warren K M,Sierawski B D,Massengill L W 2010IEEE Trans.Nucl.Sci.57 1726

[3]Reed R A,Weller R A,Schrimpf R D,Mendenhall M H,Warren K M,Massengill L W 2006IEEE Trans.Nucl.Sci.53 3356

[4]Warren K M,Weller R A,Mendenhall M H,Reed R A,Ball D R,Howe C L,Olson B D,Alles M L,Massengill L W,Schrimpf R D,Haddad N F,Doyle S E,McMorrow D,Melinger J S,Lotshaw W T 2005IEEE Trans.Nucl.Sci.52 2125

[5]Dodd P E,Schwank J R,Shaneyfelt M R,Ferlet-Cavrois V,Paillet P,Baggio J,Hash G L,Felix J A,Hirose K,Saito H 2007IEEE Trans.Nucl.Sci.54 889

[6]Dodd P E,Schwank J R,Shaneyfelt M R,Felix J A,Paillet P,Ferlet-Cavrois V,Baggio J,Reed R A,Warren K M,Weller R A,Schrimpf R D,Hash G L,Dalton S M,Hirose K,Saito H 2007IEEE Trans.Nucl.Sci.54 2303

[7]Ecoffet R,Duzellier S,Falguere D,Guibert L,Inguimbert C 1997IEEE Trans.Nucl.Sci.44 2230

[8]Koga R,Crain S H,Crain W R,Crawford K B,Hansel S J 1998IEEE Trans.Nucl.Sci.45 2475

[9]Liu M S,Liu H Y,Brewster N,Nelson D,Golke K W,Kirchner G,Hughes H L,Campbell A,Ziegler J F 2006IEEE Trans.Nucl.Sci.53 3487

[10]Xapsos M A 1992IEEE Trans.Nucl.Sci.39 1613

[11]Dodd P E,Musseau O,Shaneyfelt M R,Sexton F W,D’hose C,Hash G L,Martinez M,Loemker R A,Leray J L,Winokur P S 1998IEEE Trans.Nucl.Sci.45 2483

[12]Reed R A,Weller R A,Mendenhall M H,Lauenstein J M,Warren K M,Pellish J A,Schrimpf R D,Sierawski B D,Massengill L W,Dodd P E,Shaneyfelt M R,Felix J A,Schwank J R,Haddad N F,Lawrence R K,Bowman J H,Conde R 2007IEEE Trans.Nucl.Sci.54 2312

[13]Raine M,Gaillardin M,Sauvestre J E,Flament O,Bournel A,Aubry-Fortuna V 2010IEEE Trans.Nucl.Sci.57 1892

[14]Zhang Z G,Liu J,Hou M D,Sun Y M,Zhao F Z Liu G,Han Z S,Geng C,Liu J D,Xi K,Duan J L,Yao H J,Mo D,Luo J,Gu S,Liu T Q 2013Chin.Phys.B22 096103

[15]Raine M,Gaillardin M,Paillet P,Duhamel O,Girard S,Bournel A 2011IEEE Trans.Nucl.Sci.58 2664

[16]Zhang Z G,Lei Z F,En Y F,Liu J 2016Radiation Effects on Components&Systems Conference(RADECS)Bremen,Germany,September 19–23,2016 pp1–4

[17]Schwank J R,Ferlet-Cavrois V,Shaneyfelt M R,Paillet P,Dodd P E 2003IEEE Trans.Nucl.Sci.50 522

[18]2006 International Technology Roadmap for Semiconductor(ITRS)[Online].Available:http://www.itsr.net/Links/2006update/2006UpdateFinal[2017-7-3]

[19]Heidel D F,Marshall P W,LaBel K A,Schwank J R,Rodbell K P,Hakey M C,Berg M D,Dodd P E,Friendlich M R,Phan A D,Seidleck C M,Shaneyfelt M R,Xapsos M A 2008IEEE Trans.Nucl.Sci.55 3394

[20]Fenouillet-Beranger C,Perreau P,Pham-Nguyen L,Denorme S,Andrieu F,Tosti L,Brevard L,Weber O,Barnola S,Salvetat T,Garros X,Casse M,Cassé M,Leroux C,Noel J P,Thomas O,Le-Gratiet B,Baron F,Gatefait M,Campidelli Y,Abbate F,Perrot C,de-Buttet C,Beneyton R,Pinzelli L,Leverd F,Gouraud P,Gros-Jean M,Bajolet A,Mezzomo C,Leyris C,Haendler S,Noblet D,Pantel R,Margain A,Borowiak C,Josse E,Planes N,Delprat D,Boedt F,Bourdelle K,Nguyen B Y,Boeuf F,Faynot O,Skotnicki T 2009IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM)Baltimore,USA,December 7–9,2009 p1

[21]Adams J H,Barghouty A F,Mendenhall M H,Reed R A,Sierawski B D,Warren K M,Watts J W,Weller R A 2012IEEE Trans.Nucl.Sci.59 3141

[22]Tylka A J,Adams J H,Boberg P R,Brownstein B,Dietrich W F,Flueckiger E O,Petersen E L,Shea M A,Smart D F,Smith E C 1997IEEE Trans.Nucl.Sci.44 2150

[23]Ziegler J F,Biersack J P,Littmark U 1985The Stopping and Range of Ions in Solids(New York:Pergamon Press)

[24]The Stopping and Range of Ions in Matter,Ziegler J F http://www.srim.org/[2017-7-3]

[25]Pavlovic M,Strasik I 2007Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B257 601

[26]Raine M,Hubert G,Gaillardin M,Artola L,Paillet P,Girard S,Sauvestre J,Bournel A 2011IEEE Trans.Nucl.Sci.58 840