130 nm 7T SOI SRAM总剂量与单粒子协和效应研究.pdf
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1、第5 8 卷第2 期2024年2 月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.2Feb.2024130 nm 7T SOI SRAM 总剂量与单粒子协和效应研究肖舒颜1,郭刚1,*,王林飞,张峰1,陈启明1,高林春王春林,张付强1,赵树勇1,刘建成1(1.中国原子能科学研究院核物理研究所,北京10 2 413;2.中国科学院微电子研究所,北京10 0 0 2 9)摘要:为进一步阐明SOI器件中总剂量效应(TID)与单粒子效应(SEE)间的协和效应,本文基于SOI工艺特征尺寸为130 nm的国产 7 T结构SRAM进行了相关研究。通
2、过对4组SOI SRAM开展了不同TID辐照后的 SEE实验,得到器件单粒子翻转(SEU)截面随 TID的变化规律。SOI SRAM的 SEU截面在TID辐照后呈现明显的降低,最大在7 5 0 krad(Si)剂量辐照后下降8 0.5%。器件的饱和截面呈现随剂量增加而下降的趋势,最大下降19.5%,研究中未发现SEU阈值的明显变化。分析认为,延迟晶体管N5的等效关态电阻因为TID辐照而增加,该现象会造成N5的延迟作用增强,是该款器件SEU截面下降的主要原因。采用这种7 T结构的SOISRAM的抗SEE性能会随其在轨累积剂量的增加而逐渐增强,这为今后电子器件的抗辐射加固提供了启示。关键词:总剂量
3、效应;单粒子效应;协和效应;单粒子翻转;静态随机存储器中图分类号:TL99;0571.1doi:10.7538/yzk.2023.youxian.0347Synergistic Effect of TID and SEE in 130 nm 7T SOI SRAMXIAO Shuyan,GUO Gang*,WANG Linfei?,ZHANG Zheng,CHEN Qiming,GAO Linchun,WANG Chunlin,ZHANG Fuqiang,ZHAO Shuyong,LIU Jiancheng(1.Department of Nuclear Physics,China Insti
4、tute of Atomic Energy,Beijing 102413,China;2.Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)Abstract:The space environment is a very harsh operating environment,and space radi-ation can directly affect the operation of electronic devices causing total ionizing dose(TI
5、D),single event effect(SEE)and displacement damage(DD).For most devicesTID and SEE are the two most dominant effects,the study of TID and SEE mechanismis one of the main tasks in modern spacecraft design.Previous studies show that there isa synergistic effect between TID and SEE.The TID will signifi
6、cantly affect the sensitiv-ity of the SEE,and the effect rules and mechanisms are not consistent due to thedifferent device process sizes and processes.There are few reports about the synergisticeffect of SOI SRAM devices in the world,and the research on SOI SRAM with specialmemory cell structure ha
7、s not been carried out.To further elucidate the synergisticeffect between TID and SEE in SOI SRAM,an experimental study was conducted usinga domestic 130 nm 7T SOI SRAM.The TID and SEE experiments were carried out at文献标志码:A文章编号:10 0 0-6 9 31(2 0 2 4)0 2-0 5 0 6-0 7收稿日期:2 0 2 3-0 5-11;修回日期:2 0 2 3-0
8、7-2 6*通信作者:郭刚第2 期the China Institute of Atomic Energy TID test platform and HI-13 tandem acceleratorSEE test platform.Before the SEE experiment,three groups of SOI SRAMs wereirradiated by total dose of 300,500 and 750 krad,respectively,and finally the change ofthe single event upset(SEU)cross sectio
9、n of the SOI SRAM after different doses TIDirradiation was obtained.The experimental result shows that the SEU cross section ofthe SOI SRAM decreases to 80.5%,66%and 50.5%at three LET values of 13.85,21.8,and 37.4 MeV.cm/mg after TID irradiation.There is no obvious differencefound in the SEU cross s
10、ection under different writing modes,which means that thesynergistic effect of these devices has no data-dependent.The saturation cross section ofthe device also shows a trend of decreasing with increasing dose,up to 19.5%,and nosignificant change in the SEU threshold was found in this study.By anal
11、yzing the SEUcross section of flip-flop type 1-0 flip-flop and 0-1 flip-flop,it is found that the delayefficiency of the delay transistor N5 is the main reason for the influence on the SEUcross section.After the mechanism analysis,it is concluded that the delay transistor N5has an increased equivale
12、nt off-state resistance due to the decrease of carrier mobilitycaused by TID,and this phenomenon is the main reason for the decrease of SEU crosssection.The anti-SEE performance of SOI SRAM with special mechanism will beenhanced gradually with longer in-orbit time,which provides new insight for futu
13、reelectronic devices radiation-hardend.Key words:total ionizing dose;single event effect;synergistic effect;single eventupset;static random access memory空间环境中充满着大量的高能带电粒子,其可直接影响电子器件的运行,进而造成运行异常、输出错误、功能中断、数据崩溃、电脑系统崩溃,甚至部件永久失效等严重后果1。相关的研究表明带电粒子辐射引起的单粒子效应(SEE)和总剂量效应(TID)是导致航天器运行故障的主要原因。因此,对星载电子器件开展TID和
14、 SEE机理研究是现代航天器设计中的主要工作之一 2 。先前的相关研究表明电子器件的TID和SEE之间存在着明显的协和效应。国内外从2 0 世纪8 0 年代开始就陆续开展了对电子器件TID与SEE之间协和效应的研究。随着电子器件工艺尺寸及抗辐射性能评估技术的发展,SRAM器件中TID与单粒子翻转(SEU)协和效应的研究已经从最早的微米器件逐渐拓展到了亚微米器件和纳米器件 3-141。早期对特征尺寸为微米量级SRAM的研究表明,TID辐照会引发器件值电压的漂移,进而会对SEU敏感性有很大影响,最严重时器件的SEU截面在30 0 krad(Si)剂量辐照后增加了3个数量级 3-6 1。对亚微米级S
15、RAM协和效应的肖舒颜等:130 nm7TSOISRAM总剂量与单粒子协和效应研究507研究结果显示,亚微米级SRAM的协和效应小于微米级SRAM,TID辐照后的器件SEU截面最大可以增加1个数量级,且在其中发现了协和效应的数据依赖性,即“印记效应”7-9。随着研究器件特征尺寸的进一步减小,器件的TID影响机制发生了改变,从而导致了TID对SEE的影响也发生了改变。针对纳米器件的研究表明,TID辐照对小尺寸工艺器件SEU截面的影响已几乎不可察觉 10-11,TID辐照只能引起130 nmSRAML121和90 nmSRAM型FPGABlockRAML131模块SEU截面的小幅度增加,这些器件的
16、协和效应远不如微米级和亚微米级器件显著,TID对于小尺寸MOS管的影响主要是在STI结构中形成漏电流,由NMOS漏电和其寄生电阻共同作用使存储单元低电平上拉会引起“印记效应,而PMOS漏电流增长充电使存储单元高电平下降时间延长会引起“反印记效应 14。由于SRAM中TID和SEE协和效应受器件结构和制备工艺的影响较大,因此,目前业界还没有就相关机理达成共识。Zheng等 15 研508究了特征尺寸为130 nm采用PD SOI工艺的6T结构 SRAM中 TID与 SEU间的协和效应,结果显示,TID辐照后器件的SEU截面有所增加,且器件SEU截面与TID辐照期间写人的数据图形间没有明显的依赖关
17、系,TID辐照造成的晶体管阈值漂移会使存储单元的静态噪声容限减小,最终使器件SEU截面增加。除此之外,有关SOISRAM中的TID和SEE协和效应的研究报道相对较少,其相关物理机制也尚未完全明了。本文针对国产130 nm7TSOI SRAM开展 TID与 SEE协和效应研究,通过实验规律结合理论分析阐明效应机理,为未来抗辐射加固工作提供参考。1器件、测试方法与实验装置1.11器件本研究采用一款特殊设计的国产130 nmSOISRAM器件,容量为6 4Kbit,其存储单元为7 T结构,工作时由电压为 3.3 V 和1.5 V的两个电源供电,分别用于输人输出电路和存储单元阵列。如图1所示,存储单元
18、由4个NMOS晶体管(N1、N2、N3、N4)、两个PMOS(P1、P2)晶体管和1个延迟晶体管(N5)组成,存储单元的特征尺寸为3.9m3.4m。当存储单元读取和写人数据时,N5的电阻变得非常低,晶体管被打开。当数据写入后进入保持状态,N5关闭,其电阻将变得非常高,这样可以有效地抑制单粒子瞬态对存储单元的干扰,从而提高SOISRAM的抗辐射性能。图2 a为SOISRAM存储单元中NMOS晶体管和PMOS晶体管的结构,它们是体下源原子能科学技术第5 8 卷场效应晶体管(BUSFET),消除了由埋氧层形成漏电通道的物理条件,因此,漏电通道主要形成区域为浅槽隔离氧化区(STI),这部分结构在捕获陷
19、阱电荷后会在源极和漏极之间开启微弱的漏电通道。图2 b为延迟晶体管N5的结构,它可以被认为是由1个电阻和1个晶体管并联的组合。一N3NID1 160 nmS470mmINV_1P1DS图17 TSRAM存储单元结构示意图Fig.1Schematic of memorycell structure of 7T SRAM1.2测试方法为验证该款器件的协和效应是否存在数据依赖性,特别针对其开发了测试系统,测试系统通用于TID实验和SEE实验,可在TID实验时对待测器件进行偏置并写入特定数据,以便于在辐照后的SEE实验中对协和效应的数据依赖性进行验证。测试系统结构如图3所示。N4DN2N5INV_23
20、.4um435nmP2DS400nm3.9ma接触源极STIP+图2 存储单元中BUSFET结构和延迟晶体管N5结构示意图Fig.2 Schematic of memory cell of BUSFET structure and delay transistor N5 structure栅极接触漏极STI休区埋氧层衬底b接触源极STIP+栅极漏极P+STI体区埋氧层衬底接触第2 期DB9电源USB控制USBE芯片为防止控制电路受到辐射影响,系统主要分为主板和子板两部分,在子板中仅保留待测芯片和必要的通信接口,将主要的控制电路置于主板之上,主板和子板间通过30 m的长线连接,保证了在器件辐照过
21、程中控制系统可以始终处于辐射场外区域。1.3实验装置1)TID 实验TID实验在中国原子能科学研究院总剂量实验平台上开展。实验使用剂量率为2 5 rad(Si)/s,共采用8 个器件,分为4组,每组2 个器件,辐照前对每组器件的其中1个写入数据图形“5 5”并在辐照过程中保持存储状态,另1个仅施加偏置电压。4组器件分别辐照到0、30 0、5 0 0 和750 krad(Si),辐照前后对所有器件均进行电参数测量。为防止TID和SEE实验之间的长时间等待和准备造成器件退火,对TID实验后的器件使用干冰保存,直到SEE实验前半小时取出放置到室温再进行下一步实验。2)SEE实验SOISRAM的SEE
22、实验在TID辐照后2 4h内进行,并在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器重离子SEE实验终端上开展。实验所用离子种类、能量、LET和在硅中射程列于表1,其中重离子射程和LET由 SRIM程序计算得到。实验过程中对器件进行了LET由高到低的辐照,并在辐照过程中同步测量器件的SEU情况,每次辐照前预先写入数据图形“5 5”或“AA”,单次辐照的停止条件为累计10 0 个翻转或达到1X10cm-辐照注量,单次辐照完成后记录辐照注量和相应的翻转次数用于计算SEU截面和后续分析。肖舒颜等:130 nm7TSOISRAM总剂量与单粒子协和效应研究测试主板接口电FPGA平转换ADC电流采集509测试子
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