Simulation study on the synergistic effect of TID and SEE on SEU sensitivity of SRAM
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摘要: 静态随机存储器（SRAM）在空间环境中可能会受到总电离剂量（TID）效应和单粒子效应（SEE）协合作用的影响，导致器件单粒子翻转（SEU）的敏感性发生改变。文章针对90 nm的SRAM器件，通过器件级和电路级的综合仿真手段，利用计算机辅助设计（TCAD）和集成电路模拟程序（SPICE）软件研究TID和SEE的协合作用对SRAM器件SEU敏感性的影响机制。发现：当TID和SEE作用在器件相反工作阶段（即存储相反数据）时，SEU敏感性随着总剂量的增加而增强；当TID和SEE作用在器件相同工作阶段（即存储相同数据）时，SEU敏感性随着总剂量的增加而减弱。其原因主要是SRAM的一个下拉NMOS管受到总剂量辐照发生损伤后，引起电路恢复时间和反馈时间的改变，并且恢复过程和反馈过程对SEU敏感性的贡献程度不同。以上模拟结果可为存储器件的抗辐射加固设计提供参考。Abstract: Static random access memory (SRAM) may be subjected to the synergistic effect of total ionizing dose (TID) effect and single event effect (SEE) in space, resulting in the sensitivity change of single event upset (SEU) in the device. In this paper, the influencing mechanism of synergistic effect of TID and SEE on sensitivity of SEU in 90 nm SRAM was studied through integrated simulation at device level and circuit level by using technology computer aided design (TCAD) and simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE). It was found that the SEU sensitivity increased with the increase of total dose when TID and SEE acted on the device at opposite working status, i.e., when the opposite data was stored. Whereas, the SEU sensitivity decreased with the increase of total dose when TID and SEE acted on the device at the same working status, i.e., when the same data was stored. The main reason was that after the damage of one of the pull-down NMOSes in SRAM by total dose radiation, the circuit recovery time and feedback time changed, and the recovery process and feedback process had different contributions to SEU sensitivity. This work may provide some reference for the radiation resistance design of memory devices.
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Keywords:
- SRAM /
- TID /
- SEE /
- SEU /
- synergistic effect /
- simulation study
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0. 引言
静态随机存储器（Static Random Access Memory, SRAM）是集成电路中最主要的存储器之一[1]，具有速度快、功耗低、集成度高以及与CMOS工艺兼容性好的优点，在存储、通信、数字信息处理、控制系统等产品中有着广泛应用。SRAM在空间环境中所经受的电离辐射效应主要表现为总电离剂量（Total Ionizing Dose, TID）效应和单粒子效应（Single Event Effect, SEE）。TID效应主要是带电粒子或γ射线入射到半导体器件氧化物中，通过电离作用产生氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷，随着辐照剂量的增加，累积电荷随之增加，导致半导体器件性能发生变化，如电参数漂移、漏电流增大以及1/f噪声变化等，严重影响器件的正常应用，甚至导致器件的失效[2]。SEE是单个高能质子或重离子由于其本身较强的电离能力，入射到器件的敏感节点，通过电离作用产生“电子–空穴”对，电荷通过扩散和漂移被器件的敏感节点收集，产生瞬态脉冲，从而影响器件的正常工作[3]。
然而，空间环境是多种粒子并存的综合辐射环境，SRAM同时受到不同粒子的辐照，可能出现TID和SEE同时存在并产生协合作用[4]的情况。有研究表明，总剂量辐照会降低SRAM器件的抗单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）能力，使翻转截面随辐射剂量的增加而增大[5]；也有部分SRAM表现出“印记效应”，即单粒子敏感性对存储数据图形有一定的依赖性[6]；此外有研究表明，在总剂量辐照与单粒子作用期间，当SRAM中存储相反数值时，SEU敏感性会增强[7-8]；但是，也有部分研究呈现相反的变化趋势，即总剂量辐照与单粒子作用期间，当SRAM中存储相同数值时，SEU敏感性才会增强[9-10]。针对SRAM器件TID和SEE的协合作用，国内外较多研究机构主要开展试验研究，且电路层面对协合作用的机理解释不够详尽[11]。虽然实验是研究器件TID和SEE协合作用的常用手段，可以较为精准地评估器件受协合作用的影响，但是通常辐照试验资源较紧张、成本较高且辐照条件有限，然而仿真研究仍旧占比较少[12]。使用计算机辅助设计（Technology Computer Aided Design, TCAD）结合集成电路模拟程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, SPICE）的综合仿真手段可以灵活调节辐照条件和线性能量转移（Linear Energy Transfer, LET）等参数，从器件内部的微观参数变化角度分析SRAM器件中TID和SEE对SEU敏感性的影响规律。本文通过器件级和电路级综合仿真手段研究了TID和SEE的协合作用对90 nm SRAM器件SEU敏感性的影响，并分析了这种协合效应的规律与机理。
1. MOS器件模型构建及仿真参数设置
参考与文献[13]具有相同工艺的实验数据，利用TCAD仿真平台对MOS器件结构进行建模。电学仿真时所使用的元胞结构如图1所示，横向宽度为0.25 μm，纵向高度为0.2 μm，厚度为0.1 μm，结深厚度为0.04 μm，栅氧化层的厚度为0.002 μm，沟道宽度为0.09 μm，其余各区域的尺寸及掺杂浓度范围等信息如图。
本文仿真所用到的物理模型主要包括“载流子产生–复合模型”、“迁移率模型”和“载流子统计模型”。其中“载流子产生–复合模型”调用了SRH（Shockley-Read-Hall）复合模型[14]和Auger复合模型[15]；“迁移率模型”调用了温度依赖迁移率模型（Analytic）[16]和浓度依赖迁移率模型（Conmob）[17]；“载流子统计模型”调用了Fermi-Dirac模型[18]和能带变窄（BGN）模型[19]。这些均为MOS器件仿真用的典型物理模型。
根据上述典型物理模型和器件电学模型，对器件进行电学特性仿真。器件偏置条件选取器件特性测量中的典型数值；NMOS管和PMOS管的转移特性曲线均通过加0.05 V的漏极电压获得，输出特性曲线通过加1 V的栅极电压获得。在获得转移和输出特性曲线后，提取TCAD器件的SPICE参数并构建SPICE模型。图2和图3分别为两种MOS器件的转移特性和输出特性曲线，从图中可见，TCAD数据和SPICE数据具有较高的符合度，表明已建立的器件SPICE模型较为准确，可用于进一步的SRAM电路级仿真。
在器件电学模型基础上，利用TCAD的器件仿真器定义重离子入射器件后因碰撞离化产生的“电子–空穴”对的空间和时间分布信息，构建器件单粒子模型。碰撞离化模型采用的是常用的Selberherr模型[20]，粒子的径迹半径为0.02 μm，深度为贯穿器件，角度为垂直入射，生成电荷脉冲的峰值时间为4 ps，电荷脉冲的特征时间为2 ps，仿真温度为室温（300 K）。对MOS管的不同位置进行SEE仿真，对得到的瞬态时间–电流曲线进行积分并排序，定义其最大值对应的位置为MOS管敏感位置，即SEE入射位置。在不加总剂量辐照的情况下，对器件进行不同LET值的SEE仿真，图4所示为不同LET值对应的漏极瞬态电流值。由图可知，漏极瞬态电流随着LET值的增加而增大。对漏极瞬态电流曲线进行积分，可以得到对应的电荷量。将不同LET值得到的瞬态电流注入SRAM电路中，通过SRAM的翻转情况得到临界LET值和对应的临界翻转电荷。
将TCAD构建的器件模型引入SRAM的电路级模型中，根据TCAD器件仿真结果得到存储单元的敏感节点在关断的MOS管漏区，因此在SPICE电路模型中，在关断的MOS管漏区自定义电流源来模拟瞬态电流注入。
在器件电学模型基础上，利用TCAD的器件仿真器构建器件总剂量模型。通过INTTRAP语句在半导体带隙内的离散能级上激活界面缺陷陷阱，并设置陷阱类别为受主型、内部材料为氧化物/硅，确定离散陷阱水平的能量（E.LEVEL）和陷阱级别的最大状态密度（DENSITY）等参数，模拟电离辐射在Si/SiO2界面产生的陷阱电荷密度。INTERFACE用于定义氧化物/硅面上的固定电荷密度，模拟电离辐射在SiO2中产生的氧化层陷阱电荷密度。参考与文献中具有相同工艺的MOS器件在不同剂量下的漏电流偏移量[21]和阈值电压漂移量[22]，在数值模拟中加入上述TID模型进行仿真，分析器件在300、600 、800 krad(Si)的辐照剂量下的电学曲线退化情况，得到MOS器件的转移特性随不同总剂量水平的变化，如图5所示。从图中可以看出，NMOS管的关态漏电流随剂量的增加而增大，而PMOS管的关态漏电流随总剂量的增加变化不大。
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图 5 MOS管的转移特性随不同总剂量水平的变化Figure 5. Transfer characteristics of MOS transistor varied with total doses为研究TID和SEE协合效应对器件SEU的影响，在上述构建的总剂量模型中加入单粒子仿真模块进行模拟，分析器件在300、600、800 krad(Si)的辐照剂量下的SEE特性。图6所示为辐照不同剂量后，LET值为10 MeV·cm2·mg-1时所对应的漏极瞬态电流值。由图可知，NMOS管漏极瞬态电流峰值随总剂量水平的增加而增大，而PMOS管漏极瞬态电流峰值随总剂量的增加变化不大，这与图5(b)中PMOS关态漏电流对总剂量不敏感的表现相符合。
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图 6 不同总剂量辐照后的MOS漏极瞬态电流值Figure 6. Drain transient currents of MOS after radiation of different total doses2. TID与SEE协合效应对SRAM存储单元SEU敏感性的影响
典型的SRAM 六管存储单元结构如图7所示，主要由4个NMOS管和2个PMOS管组成。通常，M1和M3被称为下拉NMOS管，M2和M4被称为上拉PMOS管或者负载PMOS管，M5和M6被称为导通NMOS管。其中，M1和M2、M3和M4分别构成2个反相器，存储逻辑相反的信息。协合效应对传输管M5和M6的影响可以忽略。
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图 7 MOS器件存储单元结构示意图Figure 7. Structure schematic diagram of a storage cell of MOS device2.1 TID与SEE协合效应仿真结果
SRAM的中心单管M1、M2、M3和M4均使用前文所构建的单管器件模型，提取其SPICE参数进行电路仿真。若重离子作用在工作状态1，即存储节点BC =“1”，BCN=“0”，则M2和M3为导通状态，M1和M4为断开状态，此时对单粒子敏感的区域为关态M1的漏极和M4的漏极。若重离子作用在工作状态2，即存储节点BC =“0”，BCN=“1”，则M1和M4为导通状态，M2和M3为断开状态，此时对单粒子敏感的区域为关态M2的漏极和M3的漏极。当累计总剂量辐照阶段为工作状态1时，M1和M4为断开状态，M2和M3为导通状态，受损伤的单管主要为M2和M3，且由于M2栅极为高电平，故其损伤最为严重[23]；当累计总剂量辐照阶段为工作状态2时，M2和M3为断开状态，M1和M4为导通状态，受损伤的单管主要为M1和M4，由于M1栅极为高电平，故其损伤最为严重。
为方便研究，固定累计总剂量辐照阶段为工作状态2，即存储节点BC=“0”，BCN=“1”，仿真重离子分别入射4个中心单管（M1~M4）的漏极，分析TID对SRAM的SEU敏感性影响。由上述分析可知，此时M1总剂量损伤最为严重，且当器件尺寸减小达到深亚微米尺度（特征尺寸≤0.25 µm）时，可以忽略TID对PMOS单管的影响[7]，仅将电路模型中的M1管替换为受到总剂量辐照后的SPICE模型进行仿真。本文使用临界电荷来表征TID对器件SEU敏感性的影响，临界电荷是指导致SRAM存储单元敏感节点发生SEU效应时收集到的最小累积电荷量，其大小决定了SRAM存储单元抗SEU效应的能力[24]。通过对具有临界LET值的单粒子入射SRAM得到的瞬态电流–时间曲线进行积分，可以得到对应的临界电荷。SRAM的翻转LET阈值和临界翻转电荷如表1和表2所示。
表 1 SRAM的翻转LET阈值Table 1. LET threshold of SEU in SRAM单位： (MeV·cm2·mg-1) 入射位置 辐照剂量/krad(Si) 0 300 600 800 M1 0.43 0.42 0.42 0.42 M2 0.65 0.72 0.76 0.82 M3 0.43 0.44 0.44 0.44 M4 0.65 0.62 0.56 0.53 表 2 SRAM的临界翻转电荷Table 2. Critical charge of SEU in SRAM单位：fC 入射位置 辐照剂量/krad(Si) 0 300 600 800 M1 1.04 1.04 1.04 1.00 M2 1.23 1.39 1.47 1.60 M3 1.04 1.07 1.07 1.07 M4 1.23 1.19 1.07 1.02 图8为重离子分别入射4个关态MOS管漏极敏感位置得到的临界翻转电荷。如图所示，随着累计总剂量的增加，SRAM的SEU敏感性发生不同的变化趋势。当单粒子入射关态M1和M4的漏极，即重离子作用在工作状态1时，重离子和总剂量辐照作用在相反工作状态，SRAM发生SEU的临界电荷变小，即SEU敏感性随着总剂量值的增加而增大，且重离子入射关态PMOS管时，翻转敏感性增大幅度较明显，如图8中绿色M4线所示；入射关态NMOS管时，变化较小，如图8中红色M1线所示。
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图 8 重离子入射关态MOS管漏极敏感位置的SEU临界电荷Figure 8. Critical charge of SEU induced by heavy ion incidence at sensitive positions of the drain of off-state MOS当单粒子入射关态M2和M3的漏极，即重离子作用在工作状态2时，重离子和总剂量辐照作用在相同工作状态，SRAM发生SEU的临界电荷变大，即SEU敏感性随着总剂量值的增加而减小，且重离子入射关态PMOS管时，敏感性减小幅度较明显，如图8中蓝色M2线所示；入射关态NMOS管时，变化较小，如图8中黑色M3线所示。
2.2 TID与SEE协合效应对SEU敏感性影响机理分析
若重离子入射M1的漏极，引起的瞬态电流使漏极电位降低。当漏极电位由高电平降到低电平，但M2管仍然导通时，存储单元的状态是不稳定的。这时电路存在两个相互竞争的过程，即恢复过程和反馈过程。其中，恢复过程为电源VDD通过M2管给M3管栅电容充电，使M1管漏极电位上升，电路恢复初始状态，恢复时间记为tr，如图9(a)所示，红色路线示意重离子入射M1的漏极后恢复过程的等效电路。反馈过程为M1漏极电位降低，耦合到M3和M4的栅极，使得M3截止，同时M4导通，M3漏极电位升高，反馈到M1和M2的栅极，使M1导通，同时M2截止，这时存储状态由“1”变为“0”，反馈时间tf为M1和M4管从截止到导通与M2和M3管从导通到截止的状态转换时间之和。反馈时间与恢复时间的差值(tf – tr)越大，SRAM越不容易翻转。M1从截止到导通的转换时间[25]为
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图 9 离子入射M1或M4后恢复过程等效电路Figure 9. Equivalent circuit of recovery process after ion incidence to M1 or M4$$\begin{split} {t_{{\text{on}}}} = & \frac{{{C_{{\text{g2}}}}({V_{{\text{OH}}}} - {V_{{\text{DD}}}} + {V_{{\text{Tn1}}}})}}{{{K_{{\text{n1}}}}{{({V_{{\text{DD}}}} - {V_{{\text{Tn1}}}})}^2}}} + \\ & \frac{{{C_{{\text{g2}}}}}}{{2{K_{{\text{n1}}}}({V_{{\text{DD}}}} - {V_{{\text{Tn1}}}})}}\ln \left[\frac{{2({V_{{\text{DD}}}} - {V_{{\text{Tn1}}}}) - {V_{{\text{OL}}}}}}{{{V_{{\text{OL}}}}}}\right] {\text{，}}\end{split}$$ (1) 式中：Cg2为M3的栅电容；Kn1为M1的跨导参数；VTn1为M1的阈值电压。显然，ton受到VTn1的影响，考虑到VDD远大于VTn1，式(1)可简化为
$$ {t_{{\text{on}}}} = \frac{{{C_{{\text{g2}}}}\ln \left[\dfrac{{2({V_{{\text{DD}}}} - {V_{{\text{Tn1}}}}) - {V_{{\text{OL}}}}}}{{{V_{{\text{OL}}}}}}\right]}}{{2{K_{{\text{n1}}}}({V_{{\text{DD}}}} - {V_{{\text{Tn1}}}})}} {\text{。}}$$ (2) 由于M1受到总剂量损伤，其阈值电压减小，同时跨导参数Kn1的值保持不变[26]，则M1从截止到导通的转换时间ton缩短，反馈时间tf缩短即(tf – tr)减小，此时反馈过程对电路的贡献更大，器件逻辑更容易翻转， SRAM翻转敏感性增大。若重离子入射M4的漏极，如图9(b)所示，红色路线示意重离子入射后恢复过程的等效电路，与M1类似，(tf – tr)减小，器件逻辑更容易翻转，SRAM翻转敏感性增大。
若重离子入射M2的漏极，使漏极电位升高。这时恢复过程为电源VDD通过M1管给M4管栅电容充电，使M2管漏极电位下降，电路恢复初始状态，恢复时间为tr，如图10(a)所示，红色路线示意重离子入射M2的漏极后恢复过程的等效电路；反馈过程为M2漏极电位上升，耦合到M3和M4的栅极，使得M4截止，M3导通，M3管漏极电位下降，反馈到M1和M2的栅极，使M2导通，M1截止，这时存储状态由“0”变为“1”，反馈时间tf为M2和M3管从截止到导通与M1和M4管从导通到截止的状态转换时间之和。恢复时间[25]为
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图 10 离子入射M2或M3后恢复过程等效电路Figure 10. Equivalent circuit of recovery process after ion incidence to M2 or M3$$ {t_{\text{r}}} = R_{\text{on}} \times {C_{{\text{m4}}}} \times \ln \frac{{{V_{{\text{DD}}}}}}{{{V_{{\text{OH}}}}}} {\text{，}}$$ (3) 式中Ron为M1的导通电阻，
$$ {R_{{\text{on}}}} = \frac{1}{{\beta ({V_{{\text{GS}}}} - {V_{{\text{Tn1}}}})}} {\text{，}}$$ (4) 其中β为M1的放大倍数。显然，tr也受到 VTn1的影响。由于M1受到总剂量损伤，其阈值电压减小，M1导通电阻Ron 减小，恢复时间tr缩短，即(tf – tr)增大，此时恢复过程对电路的贡献更大，器件逻辑不容易翻转，SRAM翻转敏感性减小。若单粒子入射M3的漏极，如图10(b)所示，红色路线示意重离子入射后恢复过程的等效电路，与M2类似，(tf – tr)增大，器件逻辑更不容易翻转，SRAM翻转敏感性减小。
由上述分析可知，当TID和SEE作用在器件相反工作状态时，SRAM单元SEU敏感性将随着总剂量值的增大而更敏感；TID和SEE作用在器件相同工作状态时，SRAM单元SEU敏感性将随着总剂量值的增大而减弱。并且，当重离子分别入射关态N管和关态P管时，TID对SEU的敏感性是不一样的，表现为关态P管对TID与SEE的协合作用更加敏感。
不同关态器件TID对SEU敏感性影响的差异性可解释如下：当重离子入射关态P管M4漏极时，反馈过程对电路贡献更大。反馈过程中M1的栅压增大，使M1由截止转为导通状态，此时M1漏极电位下降，导致M3截止和M4导通，存储状态发生翻转，整个过程受M1的参数影响较大。由于M1为总剂量损伤最为严重的单管，辐照后其阈值电压和电路SPICE模型均发生了明显改变，因此关态P管M4对TID与SEE的协合作用更加敏感。
当重离子入射关态P管M2漏极时，恢复过程对电路贡献更大。该过程中，电源VDD通过M1管给M4管栅电容充电，使M2管漏极电位下降，电路恢复初始状态，M1的导通电阻对恢复时间影响较大。相比之下，当重离子入射关态N管M3漏极时，在恢复过程中，M1的栅电容对恢复时间影响较大，由TID引起的氧化物陷阱电荷使C-V曲线负向漂移[27]，M1的栅电容会减小。但当MOS器件的特征尺寸不断缩小至90 nm及以下时，为了改善短沟道效应，沟道的掺杂浓度不断提高。为了调节阈值电压，栅氧化层的厚度也不断减小，如典型值2 nm，此时辐照在栅氧化层引入的缺陷变小，故栅电容的变化量很小。因此，关态P管M2对TID与SEE的协合作用更加敏感。
3. 结束语
本文利用TCAD和SPICE模拟仿真TID和SEE的协合作用对90 nm SRAM器件SEU敏感性的影响机制，研究发现：当TID和SEE作用在相反工作阶段时，SRAM单元SEU敏感性随着总剂量值的增加而增大，当剂量从0增至800 krad(Si)时，若重离子入射关态P管，SRAM发生SEU的临界电荷由1.23 fC减小至1.02 fC；入射关态N管时，临界电荷由1.04 fC减小至1.00 fC。当TID和SEE作用在相同工作阶段时，SRAM单元SEU敏感性随着总剂量值的增加而减弱，入射关态P管时，临界电荷由1.23 fC增大至1.60 fC；入射关态N管时，临界电荷由1.04 fC增大至1.07 fC。这一规律与西北核技术研究所丁李利研究结果[7]相一致。另外，研究结果还表明，与关态N管相比，关态P管对TID与SEE的协合作用更加敏感，表现为重离子入射关态P管后临界电荷变化量更大。文中对此给出了电路层面的解释：由于SRAM的下拉NMOS管M1受到总剂量辐照损伤，电学参数发生退化，使得电路恢复过程和反馈过程的时间发生改变，并且重离子入射关态P管和关态N管时，电路恢复过程和反馈过程贡献程度不同，从而导致SEU敏感性出现不同的趋势。本文结果为SRAM器件在空间辐射环境下的辐射效应研究提供了理论基础，后续将针对SRAM器件的抗辐射加固进行更深入的研究。
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图 5 MOS管的转移特性随不同总剂量水平的变化
Figure 5. Transfer characteristics of MOS transistor varied with total doses
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图 6 不同总剂量辐照后的MOS漏极瞬态电流值
Figure 6. Drain transient currents of MOS after radiation of different total doses
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图 7 MOS器件存储单元结构示意图
Figure 7. Structure schematic diagram of a storage cell of MOS device
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图 8 重离子入射关态MOS管漏极敏感位置的SEU临界电荷
Figure 8. Critical charge of SEU induced by heavy ion incidence at sensitive positions of the drain of off-state MOS
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图 9 离子入射M1或M4后恢复过程等效电路
Figure 9. Equivalent circuit of recovery process after ion incidence to M1 or M4
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图 10 离子入射M2或M3后恢复过程等效电路
Figure 10. Equivalent circuit of recovery process after ion incidence to M2 or M3
表 1 SRAM的翻转LET阈值
Table 1 LET threshold of SEU in SRAM
单位： (MeV·cm2·mg-1) 入射位置 辐照剂量/krad(Si) 0 300 600 800 M1 0.43 0.42 0.42 0.42 M2 0.65 0.72 0.76 0.82 M3 0.43 0.44 0.44 0.44 M4 0.65 0.62 0.56 0.53 
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表 2 SRAM的临界翻转电荷
Table 2 Critical charge of SEU in SRAM
单位：fC 入射位置 辐照剂量/krad(Si) 0 300 600 800 M1 1.04 1.04 1.04 1.00 M2 1.23 1.39 1.47 1.60 M3 1.04 1.07 1.07 1.07 M4 1.23 1.19 1.07 1.02
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期刊类型引用(1)
1. 王玉才，刘艳，曹荣幸，李红霞，刘洋，郑澍，韩丹，薛玉雄. SRAM单元的单粒子效应三维敏感区形状参数模拟仿真方法. 航天器环境工程. 2023(06): 622-629 . 
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