总剂量对 SOI SRAMs 单粒子翻转截面的影响研究

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(资料图)

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空间环境中存在着大量高能辐射粒子，例如：μ 子、π 介子、电子、质子、重离子等，这些高能重离子入射到电子器件会与器件材料靶原子作用，通过强电子激发效应使靶原子电离和激发，迅速将其动能转移给晶格原子或原子的外层轨道电子，沿着入射粒子路径空间产生位移损伤或离化电子空穴对。因此，高能粒子辐射会直接影响电子器件载流子的注入、传输与存储等电学特性，进而使微电子器件的宏观电学状态发生改变、退化甚至失效，其中单粒子效应和总剂量效应是造成航天器及卫星在轨故障的关键原因之一。因此，航天元器件必须进行抗辐照加固设计，才能确保航天器在轨运行可靠性。

研究内容与结果

基于 130 nm SOI 工艺平台，作者设计了两种不同版图结构的 SRAM。图1 (a) 所示为 6T SRAM 存储单元版图结构及尺寸示意图；图1 (b) 所示为加固设计后的 7T SRAM 存储单元版图结构及尺寸示意图。其中 N5 为特殊设计结构的延迟加固晶体管，当进行读写操作时，N5 处于低电阻态；当进入数据保持状态后，N5 将处于高电阻态，该设计在不影响器件工作速度的同时显著提高了锁存单元的稳定性。

图1.存储单元结构及尺寸示意图(a) 6T SRAM 和(b)7T SRAM。

作者首先在 60Co γ-ray 辐照装置上进行了总剂量预辐照实验。实验使用的剂量率为 200 rad (Si)/s，目标累积剂量点分别为 200 krad (Si)、400 krad (Si) 和 800 krad (Si)。然后在离子加速器上进行单粒子辐照实验。6T SRAM 实验结果显示 (图2)，预辐照总剂量将使 6T SRAM 的单粒子翻转截面出现上升的趋势，且数据图形对预辐照总剂量后的 6T SRAM 的单粒子翻转截面影响较小。主要原因有两个：130 nm SOI 晶体管的栅电极氧化层厚度只有 1.5 nm，因此器件总剂量辐照损伤主要敏感区由栅电极氧化区转移到了浅槽隔离氧化区 (Shallow Trench Isolation, STI) 和埋氧化层区（Buried Oxide, BOX）；其次，晶体管采用了 BUSFET (Body Under Source, FET) 结构，消除了由埋氧化层漏电通道形成的物理条件。因此，漏电通道主要形成区域为浅槽隔离氧化区 (STI) 捕获陷阱电荷后在源电极和漏电极之间开启了微弱的漏电通道。

图2. (a) 不同 LET 值参数条件下和 (b)不同数据图形参数条件下，预辐照总剂量对 6T SRAM 单粒子翻转截面变化的影响。

7T SRAM 实验结果显示 (图3)，同样没有观察到单粒子翻转截面与数据图形之间存在明显的依赖性。但特别值得注意的是，7T SRAM 的单粒子翻转截面预辐照总剂量之后出现了显著的下降。通过进一步分析了预辐照总剂量对 7T SRAM 两种翻转类型的影响规律发现，翻转类型的截面下降幅度高达 67%，是 7T SRAM 单粒子翻转截面下降的主要原因。其背后的物理机制为，预辐照总剂量后在延迟加固晶体管N5的浅槽隔离氧化区 (STI) 和埋氧化层区 (BOX) 中产生大量的陷阱电荷，因此在沟道区内产生垂直电场。其次，陷阱电荷累积导致载流子声子散射率与表面散射率增强。最后使得延迟滤波管 N5 的载流子迁移速率下降，沟道等效电阻值增大，最终使 7T SRAM 的单粒子翻转截面下降。

图3.预辐照总剂量后 7T SRAM 和 6T SRAM 单粒子翻转截面对比。(a)数据图形 55h 条件下总翻转截面；(b)数据图形 AAh 条件下总翻转截面；(c) 数据图形 55h 条件下两种不同类型翻转截面；(d) 数据图形 AAh 条件下两种不同类型翻转截面。

研究总结

自然空间辐射环境即存在能够引起累积总剂量效应的质子和电子，同时也存在能够引起瞬态单粒子效应的重离子，因此集成电路在轨运行时将受到多种辐照效应的耦合影响。本文实验结果表明，采用主动延迟加固技术进行特殊的加固设计之后，总剂量导致延迟加固晶体管性能的变化可以达到抑制单粒子翻转的目的。该设计技术既不影响纳米器件的工作速度，同时也提高了锁存单元的稳定性，此外还可以进一步利用累积总剂量效应来抑制瞬态单粒子效应，实现综合辐射环境下纳米集成电路抗辐照性能的自优化设计加固。因此，该研究为纳米集成电路抗辐照加固技术的发展提供了一种新的思路。

文章链接：https://www.mdpi.com/1867226

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