阱接触对28 nm SRAM 单粒子多位翻转的影响*

江新帅 罗尹虹 赵雯 张凤祁 王坦

(西北核技术研究所,强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安 710024)

为研究纳米尺度下,特征尺寸减小和阱接触布放方式对单粒子效应电荷收集机制的影响,在北京HI-13串列加速器上开展了国产28 nm 静态随机存储器(SRAM)重离子单粒子效应辐照实验研究,获得了不同线性能量转移(LET)值重离子垂直入射下的器件重离子单粒子位翻转截面、多位翻转百分比和多位翻转拓扑图形,并与65 nm SRAM 实验数据进行比对,分析了28 nm SRAM 重离子单粒子多位翻转物理机理.结果表明,在特征尺寸减小、工作电压降低等因素影响下,器件重离子单粒子翻转阈值减小,位翻转饱和截面明显降低,多位翻转占比增大,拓扑图形可达n 行×3 列,且呈现间断性的特点,结合28 nm SRAM 的全局阱接触布放对电荷收集机制的影响,分析这种现象的产生源于N 阱内p 型金属-氧化物-半导体间电荷共享所导致的单粒子翻转再恢复.

1 引言

空间环境中,重离子是导致器件发生单粒子效应的主要原因.半导体器件进入纳米尺度后,由于特征尺寸的减小及工作电压的降低,使得器件发生单粒子翻转的临界电荷值不断降低,部分器件甚至只需要收集少量的电荷就会发生翻转,而器件集成度的增加、单元尺寸减小、节点间距降低等单元参数的变化以及新材料新结构的应用,使得器件单粒子多位翻转(multiple cell upset,MCU)敏感性不断增加,器件单粒子效应发生机制也更加复杂.已有相关研究人员开展了包括65,40 和32 nm 等不同特征尺寸纳米器件多位翻转物理机理的研究[1−16],Narasimham等[1]研究了偏置电压对双阱和三阱28 nm 静态随机存储器(SRAM)单粒子多位翻转的影响,结果表明三阱SRAM 的设计使其在低工作电压下的多位翻转截面小于双阱SRAM;Jeffrey等[3]则研究了低LET 重离子入射角度对28 nm SRAM 多位翻转的影响,证明了多位翻转不仅与离子LET 值有关,更与离子的入射轨迹有关;Anna等[4]针对温度对多位翻转敏感性的影响,开展了65 nm SRAM 重离子多位翻转实验研究,发现温度的升高会使阱内载流子迁移率增大,使得器件内部发生寄生双极放大效应的可能性增加,导致器件的多位翻转敏感性增大;国内如罗尹虹等[6]研究了离子径迹对65 nm SRAM 多位翻转的影响,提出采用低能重离子获取单粒子翻转阈值,采用高能重离子获取单粒子翻转饱和截面.

随着器件技术节点的不断减小,28 nm SRAM的阱接触布放方式已经由独立阱接触布放改为全局阱接触布放.本文主要针对特征尺寸减小、阱接触布局方式的变化是否对单粒子效应电荷收集机制产生新的影响,不同特征尺寸器件单粒子多位翻转机理之间是否存在差异等问题,在北京HI-13 串列加速器上开展了28 nm SRAM 重离子单粒子效应辐照实验研究,并与65 nm SRAM 实验结果进行对比,结合版图布局和电荷收集机制对实验结果进行了深入的分析.

2 实验

2.1 实验样品

实验所用器件为一块28 nm HKMG(high-k metal gate)工艺的单端口SRAM,容量为128 kbit,单个字节数据为8 bit,地址数据是14 bit,输入输出数据共用IO,内核单元工作电压为0.9 V,IO 电源电压1.8 V.表1 给出本文所用28 nm SRAM和用于对比的65 nm SRAM 的部分参数.图1 给出两款器件阱接触布放的示意图,可以看到,65 nm SRAM 采用的是每个SRAM 单元放置一个阱接触的独立阱接触布放,28 nm SRAM 采用的则是多个SRAM 单元共用一个阱接触的全局阱接触布放.

表1 两款SRAM 器件关键参数对比Table 1.Key parameters of the 28 nm SRAM and 65 nm SRAM for comparison.

图1 (a)65 nm SRAM 阱接触布放;(b)28 nm SRAM 阱接触布放Fig.1.Well contact placement of 65 nm SRAM(a)and 28 nm SRAM(b).

2.2 实验平台

28 nm SRAM 重离子辐照实验在中国原子能科学研究院HI-13 串列加速器上进行,HI-13 可以提供LET 范围在0.0176—80.9 MeV·cm2·mg–1的1H—197Au 粒子束流,足以覆盖从器件翻转阈值到饱和截面所需线性能量转移(LET)值的离子种类及离子能量.表2 给出本次实验选用的4 种离子以及离子到达器件表面时的LET 值.

表2 实验所用的离子种类及其参数Table 2.Ion species and parameters used in the experiment.

2.3 测试系统及测试方法

实验使用的单粒子效应测试系统由辐照板、FPGA 测试板以及上位机测试软件三部分组成.辐照板主要用于放置待测器件,在器件受到辐照后,将待测器件内的数据通过数据线传至FPGA测试板;FPGA 测试板则主要用于待测器件的初始数据写入,以及将辐照时回传的SRAM 数据与初始写入数据进行比较,并向上位机软件发送翻转单元的逻辑地址和数据;上位机软件则用于监控整个实验流程.

实验前,向待测器件中写入初始测试图形0055H,并对SRAM 内核施加0.9 V 的工作电压;实验时,离子以低注量率垂直辐照器件,测试系统高速回读,以避免因不同离子入射相邻存储单元引发的“伪”多位翻转;离子注量率的选定通常要保证每个回读周期内,SRAM 单元的翻转数小于芯片总容量的0.01%,此时“伪”多位翻转发生的概率小于0.1%;每轮实验结束后,保存实验数据,并开启下一轮次实验.

2.4 多位翻转数据处理方法

数据文件保存的是翻转单元的数据和逻辑地址,为实现对单粒子多位翻转数据的准确提取,需要根据器件逻辑地址和物理地址的映射关系,将逻辑地址转换为器件真实的物理地址.

通过分析数据翻转单元发生翻转的时间、翻转单元逻辑地址和数据的关键字,将翻转数据根据发生时间的不同,归类为不同的时间段;并从其逻辑地址中提取字线、位线等物理地址信息;再根据多位翻转的定义,判断同一时间内发生翻转的两个SRAM 单元在物理上的距离d是否满足d<2,以确定这两个翻转的SRAM 是否属于同一次多位翻转,具体设计流程如图2 所示.

图2 28nm SRAM 多位翻转数据提取程序流程图Fig.2.Flow diagram of 28 nm SRAM MCU extract program.

3 实验结果

3.1 单粒子位翻转截面

图3 给出利用Weibull 公式拟合得到的28 nm SRAM 重离子单粒子位翻转截面曲线及Weibull参数,同时给出65 nm SRAM 重离子单粒子位翻转截面曲线及Weibull 参数.从图3 可以看到,相比于65 nm SRAM,由于特征尺寸的减小以及工作电压的降低,28 nm SRAM 重离子单粒子位翻转饱和截面由1.85×10–8cm2/bit 减小至2.1×10–9cm2/bit,翻转阈值由0.3 MeV·cm2·mg–1降低至0.15 MeV·cm2·mg–1;同时可以看到,受阈值降低和特征尺寸减小的影响,28 nm SRAM 重离子单粒子位翻转截面在LET ≈ 10 MeV·cm2·mg–1便进入饱和,65 nm SRAM 的重离子单粒子位翻转截面则在LET ≈ 35 MeV·cm2·mg–1时才进入饱和.

图3 28nm SRAM 重离子单粒子位翻转截面曲线Fig.3.Single event upset(SEU)cross section of 28 nm SRAM heavy ion experiment.

3.2 多位翻转百分比及拓扑图形

图4(a)和图4(b)给出 了65 nm SRAM 和28 nm SRAM 在不同LET 值下的重离子单粒子多位翻转百分比,图5(a)和图5(b)则给出65 nm SRAM 和28 nm SRAM 在全部LET 值下的重离子单粒子多位翻转拓扑图形.由图4 可知,28 nm SRAM 在LET=1.73 MeV·cm2·mg–1时出现两位翻转,65 nm SRAM 在LET=4.2 MeV·cm2·mg–1时才出现两位翻转,这表明相比于65 nm SRAM,28 nm SRAM 单粒子多位翻转LET 阈值降低.从多位翻转所占比例来看,随着入射离子LET 值的增大,两款器件的多位翻转的占比也逐渐升高,其中,65 nm SRAM 单粒子多位翻转最高位为8 位,而28 nm SRAM 单粒子多位翻转最高位为11 位,这表明特征尺寸的减小导致离子沉积电荷的影响范围增加.从拓扑图形来看,65 nm SRAM 的多位翻转拓扑图形均为n行×2 列或n行×1 列,且呈现连续性的特点;而28 nm SRAM 的低LET 重离子多位翻转拓扑图形与65 nm SRAM 特点相同,高LET 的I 离子多位翻转拓扑图形则出现了n行×3 列的形状,且呈现间断性的特点.

图4 重离子单粒子多位翻转百分比(a)65 nm SRAM;(b)28 nm SRAMFig.4.The MCU ratio of 65 nm SRAM(a)and 28 nm SRAM(b).

4 结果分析

4.1 单粒子多位翻转物理机理

下面结合图4 和图5 对28 nm SRAM 单粒子多位翻转物理机理进行分析.低LET 重离子(LET ≤ 1.73 MeV·cm2·mg–1)入射后,由于其通过电离作用在硅中产生的沉积电荷较少,因此,低LET 离子只有直接撞击在敏感节点的n 型金属-氧化物-半导体(NMOS)漏区时,其产生的沉积电荷在强电场的作用下通过漂移作用被收集后,才能导致SRAM 单元逻辑状态发生改变,所以低LET 重离子导致的基本全为单位翻转.

图5 重离子单粒子多位翻转拓扑图形集合(a)65 nm SRAM;(b)28 nm SRAMFig.5.The MCU topological patterns of 65 nm SRAM(a)and 28 nm SRAM(b).

较高LET 重离子(1.73 MeV·cm2·mg–1≤ LET≤ 9.3 MeV·cm2·mg–1)入射后,离子沉积的电荷量增大,入射位置电荷浓度增大,少子的寿命变长,扩散距离增加[17].部分沉积在灵敏漏区外围的电荷也可以通过扩散过程,被一定距离内的数个SRAM 单元的灵敏漏区收集,多位翻转所占的比例逐渐增大.

高LET 重离子(9.3 MeV·cm2·mg–1≤ LET)入射后,由于其可以通过电离产生大量电子空穴对,容易引起阱电势的塌陷,导致寄生双极放大效应的产生,有研究表明,对于小尺寸器件,寄生双极放大效应严重时会引起10 个以上的SRAM 单元发生翻转[18].

4.2 电荷收集机制对MCU 拓扑图形的影响

图6 给出离子入射SRAM 器件不同位置的示意图.由于垂直于阱方向的相邻SRAM 的关态NMOS 敏感节点位于同一P 阱中,因此,离子垂直入射1#位置产生的沉积电荷,不仅可以直接影响垂直于阱方向的两个相邻SRAM 单元,还会通过扩散作用影响沿阱方向的数个SRAM 单元,多位翻转拓扑图形通常呈现为沿阱方向的n行×2 列的形状;而N 阱中垂直于阱方向仅有一个SRAM 单元的关态p 型金属-氧化物-半导体(PMOS)敏感节点,沉积电荷在扩散作用下仅能影响沿阱方向的数个SRAM 单元,多位翻转拓扑图形通常呈现沿阱方向的n行×1 列的形状.65 nm SRAM 由于采用独立阱接触的布放,离子垂直入射难以引发寄生双极放大效应,其多位翻转拓扑图形呈现上述电荷共享所导致的n行×1 列和n行×2 列的形状,并具有连续性的特点;28 nm SRAM 的低LET 重离子多位翻转拓扑图形,同样为电荷共享导致的n行×1 列和n行×2 列的形状.

图6 离子入射SRAM 器件位置示意图Fig.6.Ion incident position on the SRAM cell surface.

当LET 值较高的I 离子入射后,28 nm SRAM的多位翻转拓扑图形出现了n行×3 列的形状.分析是由于28 nm SRAM 特征尺寸减小,在离子径迹覆盖、寄生双极放大效应引起的阱电势调制以及载流子扩散过程的共同作用下,沉积电荷可以被横跨阱方向的三个SRAM 单元所收集.65 nm SRAM 多位翻转拓扑图形中,由高LET 的I 离子诱发的多位翻转拓扑图形最大为4 行×2 列,结合65 nm SRAM 的单元尺寸计算可知电荷扩散的影响半径约为0.79 µm.65 nm SRAM 的P 阱宽度为0.98 µm,N 阱宽度为0.57 µm,入射离子撞击在2#位置时,沉积在右侧P 阱内的电荷难以通过扩散的方式被A 或B 的灵敏区收集,沉积在左侧P 阱内的电荷有概率被左侧SRAM 单元灵敏漏区收集并诱发翻转,这使得65 nm SRAM 单元拓扑图形并未出现n行×3 列的形状.28 nm SRAM 多位翻转拓扑图形中,由高LET 的I 离子诱发的多位翻转拓扑图形最大为5 行×2 列,结合28 nm SRAM 的单元尺寸计算可知电荷扩散的影响半径约为0.54 µm.28 nm SRAM 的P 阱宽度为0.37 µm,N 阱宽度为0.21 µm,入射离子撞击在2#位置时,沉积在2#位置右侧P 阱中未被收集或复合的电子会扩散到相邻SRAM 单元A 或B 的N 阱附近,在P 阱/N 阱耗尽层电场的影响下,被N 阱收集,导致N 阱的阱电势发生扰动,触发寄生双极放大效应,致使A 或B 处的SRAM 单元发生翻转;而沉积在2#位置左侧P 阱内的电荷也会被左侧SRAM 单元灵敏NMOS 漏区收集,最终导致拓扑图形呈现n行×3 列的形状.

4.3 单粒子翻转再恢复

图5(b)中的28 nm SRAM 在高LET 重离子入射下的多位翻转拓扑图形呈现间断性的特点,分析是由于SRAM 单元内部PMOS 管之间的寄生双极放大效应竞争机制引发的单粒子翻转再恢复[19−22].由于65 nm SRAM 采用的是独立阱接触的布放方式,离子垂直入射后的沉积电荷会经由阱接触被快速泄放掉,难以引起寄生双极放大效应;而28 nm SRAM 采用的是全局阱接触的布放方式,多个SRAM 单元共用一个阱接触,导致沉积在阱中的电荷无法快速泄放,SRAM 单元在发生翻转后,处于同一N 阱中的关态PMOS(第一次翻转前为开态)被再次触发寄生双极放大效应,SRAM单元再次发生翻转.具体过程如下.

图7 为一个6 T SRAM 单元的电路结构图,其中,P1,P2,N1,N2 分别为组成SRAM 单元内两个交叉耦合反相器的PMOS 管和NMOS 管,两个反相器则通过NMOS 传输管N3 和N4 分别连接至B(位线)和BL(互补位线),传输管电压则由WL(字线)控制,单元初始状态为Q点低电平(VGND),点高电平(VDD).当重离子轰击在N 阱中关态P1 管漏极区域后,离子在N 阱中电离的大量电子被N 阱收集,导致N 阱势垒塌陷,引发阱电势调制,当N 阱势垒降低到一定程度时,源极-N 阱-漏极之间的寄生晶体管开启,触发寄生双极放大效应,Q¯点的电势被下拉至低电平,Q点的电势被上拉至高电平,SRAM 单元发生翻转,此时P2成为关态敏感PMOS.由于28 nm SRAM 采用全局阱接触的布放方式,导致沉积在N 阱内的电荷无法快速地通过阱接触被泄放掉,N 阱内的阱电势扰动会持续较长时间.此时,P2 作为敏感PMOS通过寄生双极放大效应进行电荷收集,SRAM 单元电路的Q点和点会同时处于略低于高电平的“弱1”亚稳态[23,24],两者呈一种竞争态势,存储单元最终的逻辑状态取决于P1 和P2管各自寄生双极放大效应所收集的电荷量,若P1 管收集的电荷量大于P2 管,则SRAM 单元仅发生了单粒子翻转,若P2 管收集的电荷量大于P1管,则发生了单粒子翻转再恢复.

图7 单粒子翻转再恢复在SRAM 电路单元中的产生过程Fig.7.SEU recovery generation process in SRAM circuit.

5 结论

本文以国产28 nm SRAM 为实验对象,依托国内重离子加速器辐照装置,开展了28 nm SRAM重离子单粒子翻转实验研究,通过器件逻辑地址与物理地址的映射关系,获得了器件单粒子翻转截面、多位翻转拓扑图形和多位翻转百分比等实验数据,并结合器件版图以及单粒子效应电荷收集机制,对实验结果进行了分析.

实验结果表明,特征尺寸的减小以及工作电压的降低,会导致器件单粒子翻转饱和截面和翻转阈值降低,且在离子径迹覆盖、电荷扩散和寄生双极放大的共同作用下,离子入射后影响的SRAM 单元数量增多,器件多位翻转比例增大;采用了全局阱接触布放的28 nm SRAM 中寄生双极放大效应增强,高LET 离子入射时多位翻转拓扑图形出现了n行×3 列的形状,这使得同一字节内多个位发生MBU(multiple bit upsets)的概率增加,对以定时刷新加EDAC(error detection and correction)的加固技术提出了新的挑战和要求;寄生双极放大效应导致的单粒子翻转再恢复,也为利用寄生双极放大效应抑制单粒子翻转提供了一种新的加固思路.