基于重离子加速器的SOI SRAM器件单粒子翻转实验研究

【摘要】：本文针对当前SOI工艺器件尺寸减下单粒子翻转愈加敏感的问题,以特征尺寸为0.5/0.35/0.18μm的SOI工艺静态随机存储器(SRAM)器件为研究对象,利用兰州重离子加速器(HIRFL)提供的7 Me V/u的C离子、25 Me V/u的Kr离子、3.7 Me V/u的Sn离子、19.5 Me V/u的Xe离子、9.5 Me V/u的Bi离子,以及9.7 Me V的质子开展了SOI工艺SRAM器件单粒子翻转实验研究。主要研究了器件边缘效应、离子核反应以及重离子累积辐照对器件单粒子翻转敏感性的影响规律,提供了多种重离子辐照亚微米SRAM器件单粒子翻转实验数据,同时通过Geant4和CREME-MC计算软件对实验结果进行了深入的分析,从物理机制上分析了影响SOI SRAM器件单粒子翻转敏感性变化的因素。研究结果不仅可以指导单粒子翻转测试方法,而且为SOI器件抗单粒子翻转设计提供了重要参考。本论文获得的主要结论如下:1、器件边缘效应影响单粒子翻转。通过重离子辐照实验发现,对于特征尺寸为亚微米和深亚微米的SOI SRAM器件,相同有效LET的86Kr离子,倾斜入射的单粒子翻转截面始终小于垂直入射的单粒子翻转截面。而且对于相同有效LET,随着器件的特征尺寸从0.5μm减小到0.18μm,倾斜入射的单粒子翻转截面与垂直入射的单粒子翻转截面的相对差异从23%增加到57%;并且随着离子入射角度的增大,倾斜入射与垂直入射的单粒子翻转截面相对差异也在增大。先进SOI工艺的SRAMs器件,通过倾斜入射获得有效LET方法会导致测试器件单粒子翻转截面被低估,特别是特征尺寸减小到深亚微米,有效LET方法显著不适用。计算模拟和几何结构理论分析都表明,倾斜入射相对于垂直入射的单粒子翻转截面降低的原因在于SOI工艺的小尺寸器件存在边缘效应,在离子倾斜入射测试单粒子翻转截面时需要考虑边缘效应的影响,对倾斜入射的单粒子翻转截面进行必要的修正。2、质子和高能重离子核反应产物引起SOI SRAM器件发生单粒子翻转。采用HIRFL提供的多种具有较宽LET范围的离子辐照特征尺寸为亚微米SOI工艺的SRAM器件,实验研究了核反应对单粒子翻转的影响。质子实验结果表明:特征尺寸为亚微米的SOI工艺SRAM器件具有抗单粒子翻转特性,质子主要通过核反应导致单粒子翻转,随着器件的特征尺寸减小,工作电压降低,器件对质子导致的单粒子翻转越来越敏感;不同种类和LET的重离子辐照亚微米SOI工艺SRAM器件实验数据表明:随着器件特征尺寸减小,器件单粒子翻转饱和截面和翻转LET阈值都减小。对于采用低于器件LET阈值的12C离子辐照,随着LET的增大,器件单粒子翻转截面减小,辐照实验发现单粒子翻转截面与入射离子的能量具有依赖关系;对于特征尺寸为0.5μm的SOI SRAM器件,12C离子能量从38.5 Me V增加到81.0 Me V,器件单粒子翻转截面增大了2倍,这与重离子通过直接电离导致单粒子翻转的物理机制相违背。采用Geant4工具模拟计算了81.0 Me V和42.3 Me V的12C离子考虑核反应导致的单粒子翻转截面,与辐照实验获得的该能量下的12C离子单粒子翻转截面吻合的很好,通过实验和计算模拟证实了低LET的12C离子是通过核反应导致单粒子翻转。重离子核反应可能对单粒子效应评估和加固器件抗单粒子效应的能力提高带来潜在的风险,重离子核反应对宇航器件的可靠性影响需要关注。3、重离子累积辐照对单粒子翻转敏感性的实验研究表明重离子累积辐照影响亚微米的SOI SRAM器件单粒子翻转敏感性。单粒子翻转截面随重离子累积辐照剂量的变化关系与器件存储数据格式无关,对于不同特征尺寸的器件,重离子累积辐照对器件单粒子翻转截面的影响趋势是一致的,随重离子累积辐照剂量的增加,器件单粒子翻转截面出现先减小后增大的现象,而且总剂量达到103 krad量级时,器件的静态工作电流也开始急剧的增大。在较低的累积辐照计量情况下,通过对比不同特征尺寸器件的单粒子翻转截面发现重离子累积辐照更容易对小尺寸SOI工艺SRAM的单粒子翻转有影响,即随着特征尺寸的减小,影响器件翻转截面的最低辐照剂量减小。通过定性分析发现器件单粒子翻转截面随重离子累积辐照剂量的变化是由于印记效应和寄生双极放大效应竞争机制共同作用的结果,印记效应是单粒子翻转截面降低的主要贡献,而翻转截面的增大主要归因于寄生双极放大效应。因而,在对SOI SRAM器件进行单粒子翻转评估时,需要考虑重离子累积辐照对单粒子翻转敏感性的影响。