微纳级SRAM器件单粒子效应理论模拟研究.doc

微纳级SRAM器件单粒子效应理论模拟研究随着国家航天事业的发展和战略需求的增加，半导体器件的抗辐射性能问题受到了广泛的研究，而单粒子效应作为影响宇航器件可靠性的关键因素已引起了越来越多关注。当今主流工艺的半导体器件均为微纳级尺寸，其对单粒子效应的敏感性也随之增加。而传统的单粒子效应抗辐射可靠性工程中的多种因素在一定程度上受到了质疑且需要进一步考察，尤其是经典模型中微纳级器件由于集成度原因带来的新问题(比如：边缘效应变得严重等)，以及粒子特性和器件特性与单粒子效应相互依赖关系。本文基于理论模拟的研究和微纳级器件的新特点，对微纳级SRAM器件单粒子效应的微观机理及其多种影响因素展开了深入而系统的研究。主要的研究内容与成果如下：(1)构建了适用于不同特征尺寸SRAM器件单粒子效应评估的多功能程序MUFPSA(Multi-FunctionalPackageforSEEsAnalysis)。基于MonteCarlo模拟的开源软件GEANT4，给出了对粒子特性、器件特性、作用过程等可变参量的单粒子效应分析工具。其主要功能特点在于结合了经典RPP模型、粒子入射器件几何单元后电荷扩散与收集模型、器件几何结构灵活性与多变性、SRAM阵列单元多样性和单粒子多位翻转的探测与图形记录等。运用MUFPSA程序可实现对航天元器件抗辐照特性部分功能的预评估以及对测试结果的分析和理论指导。(2)量化了微纳级SRAM器件中灵敏单元尺寸对单粒子翻转效应的影响与其边缘效应引起的能量沉积差异性。研究了灵敏单元尺寸与单粒子翻转效应预估模型的关系，计算并分析了粒子入射后的电荷产生、漂移和扩散等过程，探讨了由漏斗效应衍生出的‘漏斗长度’是否应当作为一个关键的修正参数引入经典模型。另外，对沿器件横纵方向上尺寸变量下的边缘效应引起的能量沉积信息差异性进行了定量研究与定性分析。研究结果表明，a）宇航半导体器件的在轨翻转率计算对器件灵敏区体积尺寸参数具有较为强烈的依赖性。采用RPP模型计算器件在轨翻转率时，应考虑灵敏体积尺寸参数P的大小。在耗尽层厚度0<h≤4μm前提下，为减少灵敏区LET值变化引起的系列误差，选取P≥1时的RPP模型能获得更加合理和准确的计算结果，而漏斗深度在仿真计算过程中应如何取舍和选用，则更大程度上取决于特定器件的结构以及掺杂浓度等因素；b）9.5MeV/u209Bi和20MeV/u132Xe入射引起的能量沉积在表面积和厚度参量变化时的规律基本一致。同时，相比较而言，能量沉积对表面积比对厚度参量更加敏感，且随着入射角度的增加，能量沉积更加依赖于表面积。相反，受有限的电荷密度和几何临界角度的限制，随着厚度参量的变化，能量沉积的差值最终趋向于饱和值。(3)研究了粒子特性与微纳级SRAM器件单粒子翻转效应的敏感性。一方面，通过对影响SEU/MBU敏感性的因素的分析（包括临界电荷大小、临近单元间距、布线层结构等），探究了倾角入射时单粒子多位翻转效应的空间特性，。另一方面，基于离子径迹径向特征的分析，对常用的抗辐射考核指标LET的适用性进行了定量研究。具体说来，分别以单一单元与阵列单元为研究对象，对相同LET值不同粒子特性的辐射环境诱发单位与多位翻转效应的异同性进行了深入分析。研究结果表明，a）随着临界电荷量和临近单元间距的减小，单粒子多位翻转事件率和翻转图形多样性均有所增加，同时入射角度的增大也可产生同样的效果；b）器件尺寸与单粒子多位翻转效应的敏感性更加依赖于测试器件的结构，尤其是布线层；c)多位翻转率在相同LET值下的异同使得单独使用LET参量作为单粒子效应考核量尚欠妥当。并且，离子径迹特征体现了径迹半径与粒子速度，二者在一定程度上反映了单粒子多位翻转发生的概率。此研究中粒子触发多位翻转的能力依次为：185.08MeV132Xe>140.63MeV209Bi>1231.33MeV132Xe>7625.26MeV209Bi，这主要源于低速粒子引起径迹芯周围电子空穴对密度相对较高，从而在单位面积内电荷收集较多。(4)研究了由质子与重离子诱发的单粒子效应，重点探讨了低能质子引起45nmSRAM器件的单粒子翻转效应。从辐射损伤机理的角度分析了质子与重离子引起单粒子效应的异同性；结合在轨翻转率模型的桥梁作用，建立了质子与重离子入射的等效性关系；应用MUFPSA对低能质子引起45nmSRAM器件单粒子翻转效应的新现象进行了阐述和剖析。研究结果表明，a)基于单粒子效应发生机制的一致性，质子与重离子引起的单粒子翻转截面表现了一定的关联性，主要体现在了低能质子直接电离的高饱和截面曲线与低能重离子核反应的低饱和截面曲线;b)基于单粒子在轨翻转率预测模型，重离子加速器试验结果可作为支撑数据用来计算质子引起单粒子效应的翻转截面；c)在45nmSRAM器件中低能质