55 nm工艺静态随机存储器的软错误率预测.pdf

1引言随着工艺尺寸的不断缩小，高能粒子轰击所诱发的单粒子效应已经成为现代纳米级 CMOS 集成电路的重要威胁1-2。入射粒子轰击会改变时序逻辑电路中存储状态，从而引发单粒子翻转3。特别是由于器件临界电荷的减小以及晶体管间距的降低，会使粒子轰击产生的沉积电荷被 SRAM 多个相邻单元所收集，进而引发单粒子多单元翻转。实际上，以往在大尺寸工艺中被忽略的低能质子甚至 滋 子，也都已成为先进工艺下单粒子效应的重要诱因4-5。通常，由于重离子入射器件后在其径迹上沉积的电荷比其它粒子更多，因此重离子所导致的软错误敏感性评估被认为是必需的6。重离子所诱导的 SRAM单粒子翻转截面的评估通常采用经典 RPP 模型，该模型在微米级与深亚微米级工艺下具有较高的准确性。然而，当工艺尺寸减小到纳米级时，经典 RPP 模型随着晶体管尺寸与间距的不断降低，表现出一定的不准确性7。鉴于此，本研究采用 TCAD 与 SPICE联合仿真分别建立了 55nm SRAM 中敏感 PMOS 和NMOS 晶体管的复合敏感体模型。利用 Geant4 蒙特卡洛仿真评估经典 RPP 模型与嵌套敏感体模型的单粒子翻转截面,并研究粒子入射角度的增加对MCU 产生比例的影响。最终尝试在考虑 ISS 轨道最55nm 工艺静态随机存储器的软错误率预测曹雪兵，刘淼，李倩（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）摘要:针对重离子诱导的 55nm 工艺静态随机存储器中的单粒子翻转现象，采用 Geant4 蒙特卡洛仿真方法对其软错误率展开研究与预测。仿真采用不同种类和能量的重离子，评估 SRAM 的翻转截面及多单元翻转的概率。通过分析不同能量、不同入射角度的重离子轰击所诱导的单粒子单个单元翻转与多单元翻转的比例，推导出粒子入射角度对翻转发生概率的影响规律。特别针对空间环境中的宇宙射线模型，建立一种对粒子辐射影响下的 55nm 工艺 SRAM 的软错误率的预测方法。通过与辐照试验的结果对比，证明经过校准的嵌套敏感体模型能够更准确地评估 SRAM 的翻转截面。关键词：静态随机存储器；单粒子翻转；多单元翻转；蒙特卡洛仿真；软错误率预测DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.002中图分类号:TP391；TN47文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）04-0004-04Method for Predicting Soft Error Rate of 55nm SRAMsCAO Xuebing,LIU Miao,LI Qian(The 47th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110000,China)Abstract:Aiming at the phenomenon of Single Event Upset induced by heavy ions in SRAM of 55nmprocess,the soft error rate is studied and predicted by Geant4 Monte Carlo simulation method.The simu-lation uses different kinds and energies of heavy ions to evaluate SEU cross section of SRAM and the pro-bability of Multiple Cell Upset.By analyzing the ratio of single particle Single Cell Upset to MCU inducedby heavy ion bombardment with different energy and different incident angles,the influence law of particleincident angle on SEU probability is deduced.Especially for the cosmic ray model in space environment,aprediction method of soft error rate of 55nm SRAM under the influence of particle radiation is established.Compared with the results of irradiation test,it is proved that the calibrated nested sensitive body modelcan evaluate the SEU cross section of SRAM more accurately.Key words:SRAM;Single event upset;Multiple cell upset;Monte Carlo simulation;Soft error rateprediction作者简介：曹雪兵（1984），男，辽宁省沈阳市人，博士，工程师，主研方向：集成电路抗辐照加固设计。收稿日期：2023-01-18微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.，20234 期坏情况下的差分粒子流量谱下计算粒子诱导的SRAM 软错误率。2建立敏感体一个普通的六管 SRAM 单元依据其不同的存储状态，在内部存在两个敏感节点。为了分析敏感晶体管的敏感区域，建立 SRAM 中的敏感晶体管的TCAD 模型并对其进行校准。依据 55nm SRAM IP 单元库中典型的六管单元的尺寸，敏感 PMOS 晶体管的宽、长分别为 77nm 和66nm；敏感 NMOS 晶体管的宽、长分别为 136nm 和66nm。校准的 PMOS 与 NMOS 晶体管电学特性仿真曲线如图 1、图 2 所示。嵌套敏感体的大小与位置采用 TCAD 与 SPICE联合仿真获得。仿真过程中，敏感晶体管采用校准的 TCAD 模型建立，其他晶体管采用 SPICE 模型。入射重离子的线性能量传输值 LET（Linear EnergyTransfer）被设置为 5MeV cm2/mg、10MeV cm2/mg 和15MeV cm2/mg。重离子沿其入射径迹呈高斯公布，半径为 50nm，深度为 10滋m。仿真得到粒子轰击位置与电荷收集的关系，如图 3 所示。可见，在距离漏极中心 0.2滋m 内的区域中，电荷收集量变化较为明显，嵌套敏感体据此可在图中划分出来。各个嵌套子敏感体的深度采用下式计算：其中，Qi,collected为第 i 个敏感体的电荷收集量；i=1,2,5；LET 为入射粒子的每单位轨迹长度上沉积的电荷数。电荷收集系数采用下式计算：其中，QSVi,collected为第 i 个嵌套敏感体的电荷收集量；QD,collected为粒子轰击敏感晶体管漏极中心时所收集的电荷量。3蒙特卡洛仿真为 SRAM 仿真所构建的蒙特卡洛模型如图 4所示。仿真过程采用 Geant4 蒙特卡洛程序包，用于模拟粒子与器件材料的相互作用过程。为了反映入射粒子与器件相互作用的实际物理过程，离子化、弹性碰撞与非弹性碰撞的核反应、库伦散射等8物理过程都被考虑进来。表 1 中列出了仿真中所采用的重离子相关参数信息。图 1PMOS 晶体管校准曲线图 2NMOS 晶体管校准曲线电压/V电压/V(a)PMOS(b)NMOS图 3粒子轰击漏极不同区域电荷收集情况轰击部位/滋m轰击部位/滋m,collected/LETiiLQ(1)(2)SV,collectedD,collectediiQQ曹雪兵等：55nm 工艺静态随机存储器的软错误率预测窑5窑微处理机2023 年仿真过程中，粒子枪射出的重离子随机入射到仿真模型的表面，敏感体收集到的总能量采用如下公式进行计算：其中，m 为敏感体数目；ESens,N和 ESens,P为敏感 NMOS与 PMOS 晶体管收集的总能量；ESVi,N和 ESVi,P分别为敏感 NMOS 与 PMOS 晶体管的第 i 个敏感体所收集的能量。由于每产生一个电子空穴对需要消耗3.6eV 的能量，据此最终可以求得各个敏感晶体管所收集的电荷量。临界电荷是造成一个 SRAM 存储单元发生翻转所需要的最小电荷量。通过 TCAD 仿真，得到敏感 PMOS 晶体管和敏感 NMOS 晶体管的临界电荷分别为 4.2fC 和 1.5fC。当粒子轰击存储单元而使其敏感晶体管收集电荷量超过临界电荷时，则判断发生单比特翻转（SBU）；若一次粒子轰击导致多个SBU 发生，则判断为多单元翻转（MCU）发生。最终翻转截面可以采用如下公式求得：其中，ni为第 i 次粒子入射所引起的 SEU 次数；F 为粒子的流量；Nb为 SRAM 单元的容量，兹 为粒子的入射角度。4仿真结果与探讨4.1SRAM 单粒子翻转截面图 5 中给出了不同 LET 下，经典 RPP 模型、嵌套敏感体模型的仿真结果以及辐照试验 SRAM 翻转截面的测试结果9。通过对比分析可以发现，经典RPP 模型相比于辐照试验以及嵌套敏感体模型的仿真结果，会低估 SRAM 的翻转截面，而嵌套敏感体的结果则更接近于辐照试验结果。4.2单粒子多单元翻转MCU 的发生概率是指粒子轰击所引起的 MCU的数目与所引起的 SEU 的数目的比例10。具有不同LET 值的 Bi 离子所引起的 MCU 发生概率如图 6 所示。对于能量为 71.77 MeV/u 的 Bi 离子，在入射角度为 30毅时，MCU 发生概率为 1.37%；在入射角度增加到 60毅时，MCU 的发生概率达到 66.24%。不同能量的 Bi 离子在不同入射角度下所引起的 MCU 的发生比例情况如图 7 具体给出。可见，随着入射角度的增加，出现了三位甚至四位翻转发生的情况。MCU 发生概率的增加主要有两方面原因，首先原因是入射粒子的有效 LET 随着入射角度的增加而增加，这也相应地增加了粒子入射径迹单位图 4构建的 SRAM 蒙特卡洛仿真模型有效 LET/(MeV cm2 mg-1)范围/滋m64.96350.66离子能量/(MeV u-1)40Ar209Bi30.482.0154.2697.20842.1958.574570867.28260.161080464.6396.1535.9016.6771.7738.28132Xe15.632390106.0668.1820.95119034.0932.62423.34表 1仿真中所采用的重离子及其参数(3)(4)Sens,NMOSSV,NMOS1Sens,PMOSSV,PMOS1miiimiiiEEEEtierjcrit1bcos()NiinQFN(5)图 5不同 LET 下 SRAM 的翻转截面LET/(MeV cm2/mg)图 6不同入射角度粒子引起的 MCU 发生概率入射角度/(毅)窑6窑4 期图 8ISS 轨道的差分粒子流SEULET(LET)(LET)(LET)Rd(6)图 7不同能量 Bi 离子对 MCU 比例的影响(a)71.77MeV/u(b)38.28MeV/u(c)30.48MeV/u(d)20.57MeV/u长度上的沉积电荷量，从而引起敏感体收集额外的电荷，而引发翻转的发生；另外一个原因是粒子以一定的入射角度穿过敏感体，增加了入射粒子与敏感体间的反应概率，最终导致收集电荷的敏感体数量增加，从而引起了 MCU 的发生。4.3SER 预测为了计算辐射粒子诱导单粒子翻转而导致的SRAM 软错误率，采用 Weibull 函数对仿真得到的不同 LET 值下的翻转截面进行拟合。空间环境选择ISS 轨道的宇宙射线模型。ISS 轨道在最坏情况、带有 3mil Al 屏蔽的情况下，原子序数从 2 至 92 的粒子差分流谱如图 8 所示。最终，软错误率可以按照以下公式计算：其中 椎（LET）为粒子流量；滓（LET）为翻转截面。计算得到粒子诱导的 55nm 工艺 SRAM 的软错误率为1.02伊10-5upsets/(day bit)。5结束语采用 Geant4 蒙特卡洛仿真方法研究了重离子诱导的 55nm SRAM 单粒子翻转现象。通过与辐照试验中的结果对比表明嵌套敏感体相比于传统的RPP 敏感体模型更具优势，而传统 RPP 模型会低估翻转截面。此外，仿真结果还表明，MCU 的发生概率随粒子入射角度的增加而增加。通过计算，获得了ISS 轨道最坏情况下 55nm SRAM 的软错误率数值，结论符合理论预期。参考文献：1BARTH J L,DYER C S,STASSINOPOULOS E G.Space,atmospheric,and terrestrial radiation environmentsJ.IEEETransactions on Nuclear Science,2003,50(3):466-482.2PETERSEN E L,KOGA R,SHOGA M A,et al.The singleevent revolutionJ.IEEE Transactions on Nuclear Science,2013,60(3):1824-1835.3RAINE M,HUBERT G,GAILLARDAIN M,et al.Impact ofthe radial ionization profile on SEE prediction for SOI tran-sistors and SRAMs beyound the 32-nm technological nodeJ.IEEE Transactions on Nuclear Science,2011,58(3):840-847.4GENG Chao,XI Kai,LIU Tianqi,et al.Simulation of 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