总剂量与单粒子协合效应对SRAM单粒子翻转敏感性影响的仿真研究

刘 艳，曹荣幸*，李红霞，赵 琳，韩 丹，刘 洋，郑 澍，曾祥华，薛玉雄*

（1.扬州大学 电气与能源动力工程学院，扬州 225127；2.哈尔滨工业大学（深圳）特殊环境物质科学研究院，深圳 518055）

0 引言

静态随机存储器（Static Random Access Memory,SRAM）是集成电路中最主要的存储器之一[1]，具有速度快、功耗低、集成度高以及与CMOS 工艺兼容性好的优点，在存储、通信、数字信息处理、控制系统等产品中有着广泛应用。SRAM 在空间环境中所经受的电离辐射效应主要表现为总电离剂量（Total Ionizing Dose, TID）效应和单粒子效应（Single Event Effect, SEE）。TID 效应主要是带电粒子或γ 射线入射到半导体器件氧化物中，通过电离作用产生氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷，随着辐照剂量的增加，累积电荷随之增加，导致半导体器件性能发生变化，如电参数漂移、漏电流增大以及1/f 噪声变化等，严重影响器件的正常应用，甚至导致器件的失效[2]。SEE 是单个高能质子或重离子由于其本身较强的电离能力，入射到器件的敏感节点，通过电离作用产生“电子–空穴”对，电荷通过扩散和漂移被器件的敏感节点收集，产生瞬态脉冲，从而影响器件的正常工作[3]。

然而，空间环境是多种粒子并存的综合辐射环境，SRAM 同时受到不同粒子的辐照，可能出现TID 和SEE 同时存在并产生协合作用[4]的情况。有研究表明，总剂量辐照会降低SRAM 器件的抗单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）能力，使翻转截面随辐射剂量的增加而增大[5]；也有部分SRAM 表现出“印记效应”，即单粒子敏感性对存储数据图形有一定的依赖性[6]；此外有研究表明，在总剂量辐照与单粒子作用期间，当SRAM 中存储相反数值时，SEU 敏感性会增强[7-8]；但是，也有部分研究呈现相反的变化趋势，即总剂量辐照与单粒子作用期间，当SRAM 中存储相同数值时，SEU 敏感性才会增强[9-10]。针对SRAM 器件TID和SEE 的协合作用，国内外较多研究机构主要开展试验研究，且电路层面对协合作用的机理解释不够详尽[11]。虽然实验是研究器件TID 和SEE 协合作用的常用手段，可以较为精准地评估器件受协合作用的影响，但是通常辐照试验资源较紧张、成本较高且辐照条件有限，然而仿真研究仍旧占比较少[12]。使用计算机辅助设计（Technology Computer Aided Design, TCAD）结合集成电路模拟程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, SPICE）的综合仿真手段可以灵活调节辐照条件和线性能量转移（Linear Energy Transfer,LET）等参数，从器件内部的微观参数变化角度分析SRAM 器件中TID 和SEE 对SEU 敏感性的影响规律。本文通过器件级和电路级综合仿真手段研究了TID 和SEE 的协合作用对90 nm SRAM 器件SEU 敏感性的影响，并分析了这种协合效应的规律与机理。

1 MOS 器件模型构建及仿真参数设置

参考与文献[13]具有相同工艺的实验数据，利用TCAD 仿真平台对MOS 器件结构进行建模。电学仿真时所使用的元胞结构如图1 所示，横向宽度为0.25 μm，纵向高度为0.2 μm，厚度为0.1 μm，结深厚度为0.04 μm，栅氧化层的厚度为0.002 μm，沟道宽度为0.09 μm，其余各区域的尺寸及掺杂浓度范围等信息如图。

图1 MOS 器件结构示意Fig.1 Schematic diagram of MOS device structure

本文仿真所用到的物理模型主要包括“载流子产生–复合模型”、“迁移率模型”和“载流子统计模型”。其中“载流子产生–复合模型”调用了SRH（Shockley-Read-Hall）复合模型[14]和Auger 复合模型[15]；“迁移率模型”调用了温度依赖迁移率模型（Analytic）[16]和浓度依赖迁移率模型（Conmob）[17]；“载流子统计模型”调用了Fermi-Dirac 模型[18]和能带变窄（BGN）模型[19]。这些均为MOS 器件仿真用的典型物理模型。

根据上述典型物理模型和器件电学模型，对器件进行电学特性仿真。器件偏置条件选取器件特性测量中的典型数值；NMOS 管和PMOS 管的转移特性曲线均通过加0.05 V 的漏极电压获得，输出特性曲线通过加1 V 的栅极电压获得。在获得转移和输出特性曲线后，提取TCAD 器件的SPICE 参数并构建SPICE 模型。图2 和图3 分别为两种MOS 器件的转移特性和输出特性曲线，从图中可见，TCAD 数据和SPICE 数据具有较高的符合度，表明已建立的器件SPICE 模型较为准确，可用于进一步的SRAM 电路级仿真。

图3 MOS 器件的输出特性曲线Fig.3 Output characteristic curves of MOS devices

在器件电学模型基础上，利用TCAD 的器件仿真器定义重离子入射器件后因碰撞离化产生的“电子–空穴”对的空间和时间分布信息，构建器件单粒子模型。碰撞离化模型采用的是常用的Selberherr模型[20]，粒子的径迹半径为0.02 μm，深度为贯穿器件，角度为垂直入射，生成电荷脉冲的峰值时间为4 ps，电荷脉冲的特征时间为2 ps，仿真温度为室温（300 K）。对MOS 管的不同位置进行SEE 仿真，对得到的瞬态时间–电流曲线进行积分并排序，定义其最大值对应的位置为MOS 管敏感位置，即SEE入射位置。在不加总剂量辐照的情况下，对器件进行不同LET 值的SEE 仿真，图4 所示为不同LET值对应的漏极瞬态电流值。由图可知，漏极瞬态电流随着LET 值的增加而增大。对漏极瞬态电流曲线进行积分，可以得到对应的电荷量。将不同LET 值得到的瞬态电流注入SRAM 电路中，通过SRAM 的翻转情况得到临界LET 值和对应的临界翻转电荷。

图4 不同LET 值对应的漏极瞬态电流值Fig.4 Drain transient currents under different LET values

将TCAD 构建的器件模型引入SRAM 的电路级模型中，根据TCAD 器件仿真结果得到存储单元的敏感节点在关断的MOS 管漏区，因此在SPICE电路模型中，在关断的MOS 管漏区自定义电流源来模拟瞬态电流注入。

在器件电学模型基础上，利用TCAD 的器件仿真器构建器件总剂量模型。通过INTTRAP 语句在半导体带隙内的离散能级上激活界面缺陷陷阱，并设置陷阱类别为受主型、内部材料为氧化物/硅，确定离散陷阱水平的能量（E.LEVEL）和陷阱级别的最大状态密度（DENSITY）等参数，模拟电离辐射在Si/SiO2界面产生的陷阱电荷密度。INTERFACE用于定义氧化物/硅面上的固定电荷密度，模拟电离辐射在SiO2中产生的氧化层陷阱电荷密度。参考与文献中具有相同工艺的MOS 器件在不同剂量下的漏电流偏移量[21]和阈值电压漂移量[22]，在数值模拟中加入上述TID 模型进行仿真，分析器件在300、600、800 krad(Si)的辐照剂量下的电学曲线退化情况，得到MOS 器件的转移特性随不同总剂量水平的变化，如图5 所示。从图中可以看出，NMOS管的关态漏电流随剂量的增加而增大，而PMOS 管的关态漏电流随总剂量的增加变化不大。

图5 MOS 管的转移特性随不同总剂量水平的变化Fig.5 Transfer characteristics of MOS transistor varied with total doses

为研究TID 和SEE 协合效应对器件SEU 的影响，在上述构建的总剂量模型中加入单粒子仿真模块进行模拟，分析器件在300、600、800 krad(Si)的辐照剂量下的SEE 特性。图6 所示为辐照不同剂量后，LET 值为10 MeV·cm2·mg-1时所对应的漏极瞬态电流值。由图可知，NMOS 管漏极瞬态电流峰值随总剂量水平的增加而增大，而PMOS 管漏极瞬态电流峰值随总剂量的增加变化不大，这与图5(b)中PMOS 关态漏电流对总剂量不敏感的表现相符合。

图6 不同总剂量辐照后的MOS 漏极瞬态电流值Fig.6 Drain transient currents of MOS after radiation of different total doses

2 TID 与SEE 协合效应对SRAM 存储单元SEU 敏感性的影响

典型的SRAM 六管存储单元结构如图7 所示，主要由4 个NMOS 管和2 个PMOS 管组成。通常，M1 和M3 被称为下拉NMOS 管，M2 和M4被称为上拉PMOS 管或者负载PMOS 管，M5 和M6 被称为导通NMOS 管。其中，M1 和M2、M3 和M4 分别构成2 个反相器，存储逻辑相反的信息。协合效应对传输管M5 和M6 的影响可以忽略。

图7 MOS 器件存储单元结构示意图Fig.7 Structure schematic diagram of a storage cell of MOS device

2.1 TID 与SEE 协合效应仿真结果

SRAM 的中心单管M1、M2、M3 和M4 均使用前文所构建的单管器件模型，提取其SPICE 参数进行电路仿真。若重离子作用在工作状态1，即存储节点BC =“1”，BCN=“0”，则M2 和M3 为导通状态，M1 和M4 为断开状态，此时对单粒子敏感的区域为关态M1 的漏极和M4 的漏极。若重离子作用在工作状态2，即存储节点BC =“0”，BCN=“1”，则M1 和M4 为导通状态，M2 和M3 为断开状态，此时对单粒子敏感的区域为关态M2 的漏极和M3 的漏极。当累计总剂量辐照阶段为工作状态1 时，M1 和M4 为断开状态，M2 和M3 为导通状态，受损伤的单管主要为M2 和M3，且由于M2 栅极为高电平，故其损伤最为严重[23]；当累计总剂量辐照阶段为工作状态2 时，M2 和M3 为断开状态，M1 和M4 为导通状态，受损伤的单管主要为M1 和M4，由于M1 栅极为高电平，故其损伤最为严重。

为方便研究，固定累计总剂量辐照阶段为工作状态2，即存储节点BC=“0”，BCN=“1”，仿真重离子分别入射4 个中心单管（M1～M4）的漏极，分析TID 对SRAM 的SEU 敏感性影响。由上述分析可知，此时M1 总剂量损伤最为严重，且当器件尺寸减小达到深亚微米尺度（特征尺寸≤0.25 μm）时，可以忽略TID 对PMOS 单管的影响[7]，仅将电路模型中的M1 管替换为受到总剂量辐照后的SPICE 模型进行仿真。本文使用临界电荷来表征TID 对器件SEU 敏感性的影响，临界电荷是指导致SRAM 存储单元敏感节点发生SEU 效应时收集到的最小累积电荷量，其大小决定了SRAM 存储单元抗SEU 效应的能力[24]。通过对具有临界LET 值的单粒子入射SRAM 得到的瞬态电流–时间曲线进行积分，可以得到对应的临界电荷。SRAM 的翻转LET 阈值和临界翻转电荷如表1 和表2 所示。

表1 SRAM 的翻转LET 阈值Table 1 LET threshold of SEU in SRAM单位：(MeV·cm2·mg-1)

表2 SRAM 的临界翻转电荷Table 2 Critical charge of SEU in SRAM单位：fC

图8 为重离子分别入射4 个关态MOS 管漏极敏感位置得到的临界翻转电荷。如图所示，随着累计总剂量的增加，SRAM 的SEU 敏感性发生不同的变化趋势。当单粒子入射关态M1 和M4 的漏极，即重离子作用在工作状态1 时，重离子和总剂量辐照作用在相反工作状态，SRAM 发生SEU 的临界电荷变小，即SEU 敏感性随着总剂量值的增加而增大，且重离子入射关态PMOS 管时，翻转敏感性增大幅度较明显，如图8 中绿色M4 线所示；入射关态NMOS 管时，变化较小，如图8 中红色M1线所示。

当单粒子入射关态M2 和M3 的漏极，即重离子作用在工作状态2 时，重离子和总剂量辐照作用在相同工作状态，SRAM 发生SEU 的临界电荷变大，即SEU 敏感性随着总剂量值的增加而减小，且重离子入射关态PMOS 管时，敏感性减小幅度较明显，如图8 中蓝色M2 线所示；入射关态NMOS管时，变化较小，如图8 中黑色M3 线所示。

图8 重离子入射关态MOS 管漏极敏感位置的SEU 临界电荷Fig.8 Critical charge of SEU induced by heavy ion incidence at sensitive positions of the drain of off-state MOS

2.2 TID 与SEE 协合效应对SEU 敏感性影响机理分析

若重离子入射M1 的漏极，引起的瞬态电流使漏极电位降低。当漏极电位由高电平降到低电平，但M2 管仍然导通时，存储单元的状态是不稳定的。这时电路存在两个相互竞争的过程，即恢复过程和反馈过程。其中，恢复过程为电源VDD通过M2 管给M3 管栅电容充电，使M1 管漏极电位上升，电路恢复初始状态，恢复时间记为tr，如图9(a)所示，红色路线示意重离子入射M1 的漏极后恢复过程的等效电路。反馈过程为M1 漏极电位降低，耦合到M3 和M4 的栅极，使得M3 截止，同时M4 导通，M3 漏极电位升高，反馈到M1 和M2的栅极，使M1 导通，同时M2 截止，这时存储状态由“1”变为“0”，反馈时间tf为M1 和M4 管从截止到导通与M2 和M3 管从导通到截止的状态转换时间之和。反馈时间与恢复时间的差值(tf–tr)越大，SRAM 越不容易翻转。M1 从截止到导通的转换时间[25]为

式中：Cg2为M3 的栅电容；Kn1为M1 的跨导参数；VTn1为M1 的阈值电压。显然，ton受到VTn1的影响，考虑到VDD远大于VTn1，式(1)可简化为

由于M1 受到总剂量损伤，其阈值电压减小，同时跨导参数Kn1的值保持不变[26]，则M1 从截止到导通的转换时间ton缩短，反馈时间tf缩短即(tf–tr)减小，此时反馈过程对电路的贡献更大，器件逻辑更容易翻转，SRAM 翻转敏感性增大。若重离子入射M4 的漏极，如图9(b)所示，红色路线示意重离子入射后恢复过程的等效电路，与M1 类似，(tf–tr)减小，器件逻辑更容易翻转，SRAM 翻转敏感性增大。

图9 离子入射M1 或M4 后恢复过程等效电路Fig.9 Equivalent circuit of recovery process after ion incidence to M1 or M4

若重离子入射M2 的漏极，使漏极电位升高。这时恢复过程为电源VDD通过M1 管给M4 管栅电容充电，使M2 管漏极电位下降，电路恢复初始状态，恢复时间为tr，如图10(a)所示，红色路线示意重离子入射M2 的漏极后恢复过程的等效电路；反馈过程为M2 漏极电位上升，耦合到M3 和M4 的栅极，使得M4 截止，M3 导通，M3 管漏极电位下降，反馈到M1 和M2 的栅极，使M2 导通，M1 截止，这时存储状态由“0”变为“1”，反馈时间tf为M2 和M3 管从截止到导通与M1 和M4 管从导通到截止的状态转换时间之和。恢复时间[25]为

式中Ron为M1 的导通电阻，

其中β为M1 的放大倍数。显然，tr也受到VTn1的影响。由于M1 受到总剂量损伤，其阈值电压减小，M1 导通电阻Ron减小，恢复时间tr缩短，即(tf–tr)增大，此时恢复过程对电路的贡献更大，器件逻辑不容易翻转，SRAM 翻转敏感性减小。若单粒子入射M3 的漏极，如图10(b)所示，红色路线示意重离子入射后恢复过程的等效电路，与M2 类似，(tf–tr)增大，器件逻辑更不容易翻转，SRAM 翻转敏感性减小。

图10 离子入射M2 或M3 后恢复过程等效电路Fig.10 Equivalent circuit of recovery process after ion incidence to M2 or M3

由上述分析可知，当TID 和SEE 作用在器件相反工作状态时，SRAM 单元SEU 敏感性将随着总剂量值的增大而更敏感；TID 和SEE 作用在器件相同工作状态时，SRAM 单元SEU 敏感性将随着总剂量值的增大而减弱。并且，当重离子分别入射关态N 管和关态P 管时，TID 对SEU 的敏感性是不一样的，表现为关态P 管对TID 与SEE 的协合作用更加敏感。

不同关态器件TID 对SEU 敏感性影响的差异性可解释如下：当重离子入射关态P 管M4 漏极时，反馈过程对电路贡献更大。反馈过程中M1 的栅压增大，使M1 由截止转为导通状态，此时M1漏极电位下降，导致M3 截止和M4 导通，存储状态发生翻转，整个过程受M1 的参数影响较大。由于M1 为总剂量损伤最为严重的单管，辐照后其阈值电压和电路SPICE 模型均发生了明显改变，因此关态P 管M4 对TID 与SEE 的协合作用更加敏感。

当重离子入射关态P 管M2 漏极时，恢复过程对电路贡献更大。该过程中，电源VDD通过M1 管给M4 管栅电容充电，使M2 管漏极电位下降，电路恢复初始状态，M1 的导通电阻对恢复时间影响较大。相比之下，当重离子入射关态N 管M3 漏极时，在恢复过程中，M1 的栅电容对恢复时间影响较大，由TID 引起的氧化物陷阱电荷使C-V 曲线负向漂移[27]，M1 的栅电容会减小。但当MOS 器件的特征尺寸不断缩小至90 nm 及以下时，为了改善短沟道效应，沟道的掺杂浓度不断提高。为了调节阈值电压，栅氧化层的厚度也不断减小，如典型值2 nm，此时辐照在栅氧化层引入的缺陷变小，故栅电容的变化量很小。因此，关态P 管M2 对TID 与SEE 的协合作用更加敏感。

3 结束语

本文利用TCAD 和SPICE 模拟仿真TID 和SEE 的协合作用对90 nm SRAM 器件SEU 敏感性的影响机制，研究发现：当TID 和SEE 作用在相反工作阶段时，SRAM 单元SEU 敏感性随着总剂量值的增加而增大，当剂量从0 增至800 krad(Si)时，若重离子入射关态P 管，SRAM 发生SEU 的临界电荷由1.23 fC 减小至1.02 fC；入射关态N 管时，临界电荷由1.04 fC 减小至1.00 fC。当TID 和SEE 作用在相同工作阶段时，SRAM 单元SEU 敏感性随着总剂量值的增加而减弱，入射关态P 管时，临界电荷由1.23 fC 增大至1.60 fC；入射关态N 管时，临界电荷由1.04 fC 增大至1.07 fC。这一规律与西北核技术研究所丁李利研究结果[7]相一致。另外，研究结果还表明，与关态N 管相比，关态P 管对TID与SEE 的协合作用更加敏感，表现为重离子入射关态P 管后临界电荷变化量更大。文中对此给出了电路层面的解释：由于SRAM 的下拉NMOS 管M1受到总剂量辐照损伤，电学参数发生退化，使得电路恢复过程和反馈过程的时间发生改变，并且重离子入射关态P 管和关态N 管时，电路恢复过程和反馈过程贡献程度不同，从而导致SEU 敏感性出现不同的趋势。本文结果为SRAM 器件在空间辐射环境下的辐射效应研究提供了理论基础，后续将针对SRAM 器件的抗辐射加固进行更深入的研究。