65 nm工艺SRAM中能质子单粒子效应研究.pdf

电子与封装第2 3 卷，第7 期Vol.23,No.7材料65nm工艺SRAM中能质子单粒子效应研究总第2 43 期ELECTRONICS&PACKAGING2023年7 月艺陈锡鑫，殷亚楠，高熠，郭刚，陈启明（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡2 140 3 5；2.中国原子能科学研究院抗辐射应用技术创新中心，北京10 2 413）摘要：基于一款带错误检测与纠正（EDAC）功能的6 5nm体硅CMOSSRAM，开展了中能质子对纳米级集成电路单粒子效应影响的研究。在SRAM本征工作模式和EDAC模式下，得到了2 组试验结果。分析试验数据发现：在重离子与中能质子试验中，采用商用6 T设计规则的电路均未发生单粒子门锁现象，但都发生了单粒子多位翻转现象；质子单粒子效应引起的错误数已饱和，而重离子单粒子效应引起的错误数则随能量不断增加，该现象与2 种粒子引起单粒子效应的机理有关。质子与重离子饱和截面的差异是由质子核反应的概率导致的，但空间错误率相近。此次试验很好地探索了中能质子对SRAM电路的影响，明确了质子与重离子导致单粒子错误的异同，为SRAM在航天上的应用奠定了基础。关键词：辐射效应；单粒子效应；中能质子；SRAM中图分类号：TN406D0I:10.16257/ki.1681-1070.2023.0094中文引用格式：陈锡鑫，殷亚楠，高熠，等.6 5nm工艺SRAM中能质子单粒子效应研究.电子与封装，2023,23(7):070403.英文引用格式:CHEN Xixin,YING Yanan,GAO Yi,et al.Research of intermediate energy proton induce single eventeffect for 65 nm SRAMJ.Electronics&Packaging,2023,23(7):070403.Research of Intermediate Energy Proton Induce Single Event Effect for 65 nm SRAM(1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China;2.InnovativeCenter of Radiation Hardening Applied Technology,China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)Abstract:Based on a 65 nm bulk silicon CMOS SRAM with error detection and correction(EDAC),aresearch of the effect of intermediate energy proton on single event effect of nanoscale integrated circuits isconducted.Two sets of experimental results are obtained in SRAM intrinsic operation mode and EDAC mode.Analyzing the experimental data,it is found that in both the heavy ion and medium energy proton tests,nosingle event latch-up occurs with the 6T cell in commercial design rules,but the single-particle multi-bitflip-flop occurs in experiments.The number of errors caused by the proton single event effect is saturated,while the number of errors caused by the heavy ion single event effect is increasing with energy,and thisphenomenon is related to the mechanism of the single event effect caused by the two particles.The differencebetween the saturation cross sections for protons and heavy ions is due to probability of atomic nucleusreaction,but the error rate is similar to each other.This experiment has well explored the effect of收稿日期：2 0 2 3-0 2-14E-mail:陈锡鑫文献标志码：ACHEN Xixin,YING Yanan,GAO Yi,GUO Gang,CHEN Qiming?070403-1文章编号：16 8 1-10 7 0（2 0 2 3）0 7-0 7 0 40 3第2 3 卷第7 期intermediate energy protons on SRAM circuits,the similarities and differences between protons and heavyions leading to single-particle errors are clarified,and the foundation for SRAM applications in space is laid.Keywords:radiation effect;single event effect;intermediate energy proton;SRAM电子与封装1引言2SRAM存储器中能质子试验空间环境中存在的质子、重离子等能量极高的粒子入射到航天元器件会在元器件中发生电离，电荷被敏感节点收集，从而引起单粒子效应1-4。单粒子效应会引起元器件状态翻转、功能失效，影响航天器的寿命和可靠性5。质子是太空中粒子的主要成分，9 0%以上的辐射粒子为质子。随着航天元器件工艺尺寸缩小至纳米级，集成电路性能得到很大提升，但受到的单粒子效应影响逐渐增大7-8 。当工艺尺寸进人纳米级，电路由质子入射引起的单粒子翻转错误率会高于重离子引起的错误率9。质子单粒子效应产生机理分为2种：一是质子直接电离,产生电离电荷10 ,二是质子与器件材料产生核反应，引起散射，产生电离电荷。直接电离一般由低能质子引起，核反应则由中能和高能质子引起。为了研究中能质子对纳米级集成电路的单粒子效应的影响，并与重离子试验做对比，本研究基于一款带错误检测与纠正（EDAC）功能的6 5nm体硅CMOSSRAM，通过对存储器不同工作模式的选择，研究中能质子单粒子效应对纳米级器件的影响。本文基于中国原子能科学研究院抗辐射应用技术创新中心的HI-13串列加速器开展试验，该加速器是目前国内开展单粒子效应研究的主要加速器之一，主要用于航天元器件空间应用考核及基础研究。目前国内外有很多机构都开展了质子辐射试验、理论分析等研究1-13 ,如美国国家航空航天局、IBM公司、范德堡大学、美国圣地亚哥国家实验室、中国原子能科学研究院等，但尚未见对EDAC加固的SRAM器件进行不同模式对比分析的报道，本工作也是对之前研究的一个补充。初始能量/MeV经降能片后的能量/MeV45.030.560.049.170.759.890.579.899.489.42.1试验器件及试验系统该试验选用了一款采用商用6 5nm工艺、带EDAC纠错的512 0 0 0 x32bit抗辐射SRAM存储器。该电路存储单元为商用SRAM6T结构，外围数据采用汉明码进行纠检错，通过选择外部信号，可以控制内部纠检错模式的切换，由此可以对比有无EDAC纠错功能时电路受质子辐射的影响。SRAM质子试验测试系统如图1所示，主要由SRAM和FPGA组成。通过FPGA向SRAM写人“55AA”数据，写完后保持地址数据不变，然后开始辐照。对SRAM不停进行单次写、辐照、单次读操作。A0-A18DQO-DQ31nWEnOESRAMnCEnEDAC_ENMBESBE图1SRAM质子试验测试系统2.2试验结果试验在北京中国原子能科学研究院HI-13串列加速器上完成，采用常温试验环境及电路最恶劣偏置条件，电路内部电压为1.9 2 V，端口电压为3.6 3 V，SRAM中能质子试验结果如表1所示。其中，初始错误数代表SRAM内部未开启EDAC纠错功能时发生的单粒子翻转错误，纠错后错误数代表SRAM内部开启EDAC纠错功能后发生的单粒子翻转错误。SRAM重离子试验结果如表2 所示，为了更真实地模拟空间环境对带EDAC功能存储器的影响，在重离子试验时采用了很低的注量率，但由于辐照时间的限制，总注量未能做到110 7 cm,数据仅供对比参考。表1SRAM中能质子试验结果注量率/(cm-.s-)1.081081.10 x1081.601087.001071.00108070403-2RXDKFPGAMAX232TXD总注量/cm-2初始错误数纠错后错误数6.2101089 8411.0101l91 1235.2108104 6971.0 x10111562611.01011293 728614141621第2 3 卷第7 期表2 SRAM重离子试验结果辐照LET值/粒子(MeV cm?mgl)F4.33CI13.00Ti22.00Ge37.30Bi99.003试验结果分析3.1单单粒子门锁现象分析由于中能质子在芯片内部以发生核反应为主，与内部的Si、Cu、A l、W等产生弹性碰撞，其电离能量不足以产生单粒子门锁效应发生所需要的电荷量，中能质子试验未发现单粒子门锁现象。同时，由于门锁效应的发生与试验能量、电源电压、是否使用外延片、N和P器件之间间距、器件隔离、接触孔等因素有关。此次试验最高能量为9 0.4MeV，器件内核电压为1.9 2 V,而且采用外延片流片。虽然使用商用设计规则，SRAM单元密度很高，但未观测到门锁现象，与重离子试验结果吻合。3.2单粒子翻转现象分析试验中观测到上万次质子诱发存储单元翻转现象，说明质子的确会诱发单粒子翻转效应。开启EDAC110-16E110-17陈锡鑫，殷亚楠，高熠，等：6 5nm工艺SRAM中能质子单粒子效应研究注量率/总注量/丝纠错后(cm s-1)cm2错误数1 4002.001061 0002.3910610002.011068001.171061 0003.001061726对存储数据进行纠一检二操作后进行试验，仍不能消除个别错误，说明采用商用设计规则的SRAM电路会发生单粒子多位翻转。同样，重离子采用很低的注量4率也会发生单粒子多位翻转现象。由此可见，纳米级40电路单粒子翻转不仅仅是一位的翻转，一个粒子可能造成多个存储单元发生错误，虽然降低注量率并采用100EDAC进行纠错，还是不能消除错误，后续在应用时需143要注意增加防护。3.3质子单粒子错误饱和现象从中能质子试验结果看出，纠错后的质子单粒子翻转数目未发生明显的量级变化,趋于饱和。而重离子试验结果则发现不一样的趋势，错误数随着粒子能量的增加而进一步增加。这2 种结果的差异是2 种辐射效应影响机理不同导致的。重离子人射产生“漏斗效应”，相同条件下，能量越大，电离的电子-空穴对数目越多,所以随着能量的增强错误数不断增加。质子核反应属于弹性散射和裂变反应，与芯片内部使用的材料有关。纳米级工艺质子与Si、Cu、A l、W原子反应，对应LET能量相近，电离出的电荷量相近；虽然