总剂量对 SOI SRAMs 单粒子翻转截面的影响研究 | MDPI Electronics

图1. 存储单元结构及尺寸示意图 (a) 6T SRAM 和 (b) 7T SRAM。

作者首先在 ⁶⁰Co γ-ray 辐照装置上进行了总剂量预辐照实验。实验使用的剂量率为 200 rad (Si)/s，目标累积剂量点分别为 200 krad (Si)、400 krad (Si) 和 800 krad (Si)。然后在离子加速器上进行单粒子辐照实验。6T SRAM 实验结果显示 (图2)，预辐照总剂量将使 6T SRAM 的单粒子翻转截面出现上升的趋势，且数据图形对预辐照总剂量后的 6T SRAM 的单粒子翻转截面影响较小。主要原因有两个：130 nm SOI 晶体管的栅电极氧化层厚度只有 1.5 nm，因此器件总剂量辐照损伤主要敏感区由栅电极氧化区转移到了浅槽隔离氧化区 (Shallow Trench Isolation, STI) 和埋氧化层区（Buried Oxide, BOX）；其次，晶体管采用了 BUSFET (Body Under Source, FET) 结构，消除了由埋氧化层漏电通道形成的物理条件。因此，漏电通道主要形成区域为浅槽隔离氧化区 (STI) 捕获陷阱电荷后在源电极和漏电极之间开启了微弱的漏电通道。

图2. (a) 不同 LET 值参数条件下和 (b) 不同数据图形参数条件下，预辐照总剂量对 6T SRAM 单粒子翻转截面变化的影响。

7T SRAM 实验结果显示 (图3)，同样没有观察到单粒子翻转截面与数据图形之间存在明显的依赖性。但特别值得注意的是，7T SRAM 的单粒子翻转截面预辐照总剂量之后出现了显著的下降。通过进一步分析了预辐照总剂量对 7T SRAM 两种翻转类型的影响规律发现，翻转类型的截面下降幅度高达 67%，是 7T SRAM 单粒子翻转截面下降的主要原因。其背后的物理机制为，预辐照总剂量后在延迟加固晶体管N5的浅槽隔离氧化区 (STI) 和埋氧化层区 (BOX) 中产生大量的陷阱电荷，因此在沟道区内产生垂直电场。其次，陷阱电荷累积导致载流子声子散射率与表面散射率增强。最后使得延迟滤波管 N5 的载流子迁移速率下降，沟道等效电阻值增大，最终使 7T SRAM 的单粒子翻转截面下降。

图3. 预辐照总剂量后 7T SRAM 和 6T SRAM 单粒子翻转截面对比。(a) 数据图形 55h 条件下总翻转截面；(b) 数据图形 AAh 条件下总翻转截面；(c) 数据图形 55h 条件下两种不同类型翻转截面； (d) 数据图形 AAh 条件下两种不同类型翻转截面。