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1、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开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( 比方：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
2、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： 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-Functional Package for SEEsAnalysis)。基于Monte Carlo模拟的开源软件GEANT，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莫型、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 MUFPS程序可实现对航天元器件抗辐照特 性局部功能的预评估以
3、及对测试结果的分析和理论指导。(2)量化了微纳级SRAh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。研究结果说明，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莫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
4、 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， 那么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外表积和 厚度参量变化时的规律根本一致。同时，相比拟而言， 能量沉积对外表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外表积。 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SRAMS件单粒子翻转效应的敏感性。一方面， 通过对影响SEU/MB敏感性的因素的分析包括临
5、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。研究结果说明，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
6、作为 单粒子效应考核量尚欠妥当。并且，离子径迹特征表达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>7625.26MeV209B i ，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45nmSRA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
7、用，建立了质子与重离子入射的等效性关系；应用 MUFPS对低能质子引起45nm SRAMS件单粒子翻转效应的新现象进行了阐述和 剖析。研究结果说明，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， 主要表达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响的低饱和截面曲线 ; 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45nm SRAM#件中低能质子可引起单粒子效应，且能量低于 1MeV下引起的单粒子多位翻转效应与质子能量损失、能量沉积和单元尺寸特性 均有关系。(5) 建立
8、了系统的单粒子效应微观机理分析方法。基于单粒子效应中存在的 多种问题和普遍采用的分析手段，运用 MUFPS对能量离散特性、离子径迹径向 特征、粒子入射瞬态特性及边缘效应误差分析等进行了系统地阐述， 并讨论了它 们在单粒子效应微观机理分析中的适用对象与范围研究结果说明， a) 能量离散特性与粒子种类、 能量有着密切的关系， 它能够 为粒子特性在单粒子效应分析中引起的误差提供一定的数据和支撑； b) 离子径迹 径向特性对单粒子多位翻转效应的翻转率与翻转图形分析起着重要作用， 尤其是 研究对象为小尺寸器件时； c) 粒子入射瞬态特性是对粒子入射到器件后时间和脉 冲特性的描述，它能够对能量沉积与微观输运过程的关系进行定量与定性分析； d) 边缘效应误差分析方法是以能量沉积为载体， 针对微纳级器件单粒子效应中出 现翻转截面异常现象的补充和支撑。