基于青藏高原的14 nm FinFET和28 nm平面CMOS工艺SRAM单粒子效应实时测量试验

张战刚; 杨少华; 林倩; 雷志锋; 彭超; 何玉娟

doi:10.7498/aps.72.20230161

摘要

Abstract

作者及机构信息

Authors and contacts

文章全文

1. 引　言
2. 试验条件
3. 试验结果与分析
3.1 试验结果
3.2 SER计算与分析
3.3 MCU特性
3.4 与太阳活动的关系
3.5 机理分析
4. 结　论

参考文献

施引文献

摘要

本文基于海拔为4300 m的拉萨羊八井国际宇宙射线观测站, 开展了14 nm FinFET和28 nm平面互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)工艺静态随机存取存储器(static random-access memory, SRAM)阵列的大气辐射长期实时测量试验. 试验持续时间为6651 h, 共观测到单粒子翻转(single event upset, SEU)事件56个, 其中单位翻转(single bit upset, SBU) 24个, 多单元翻转(multiple cell upset, MCU) 32个. 结合之前开展的65 nm工艺SRAM结果, 研究发现, 随着工艺尺寸的减小, 器件的整体软错误率(soft error rate, SER)持续降低. 但是, 相比于65和14 nm工艺器件, 28 nm工艺器件的MCU SER最大, 其MCU占比(57%)超过SBU, MCU最大位数为16位. 虽然14 nm FinFET器件的Fin间距仅有35 nm左右, 且临界电荷降至亚fC, 但FinFET结构的引入导致灵敏区电荷收集和共享机制发生变化, 浅沟道隔离致使电荷扩散通道“狭窄化”, 另一方面灵敏区表面积减小至0.0024 μm², 从而导致14 nm工艺器件SBU和MCU的软错误率均明显下降.

关键词:

FinFET /
中子 /
单粒子翻转 /
软错误

Abstract

Based on the Yangbajing International Cosmic Ray Observatory in Lhasa with an altitude of 4300 m, a long-term real-time experiment is carried out in order to measure the atmospheric radiation induced soft errors in 14 nm FinFET and 28 nm planar CMOS SRAM array. The underlying mechanisms are also revealed. Five boards are used in the test, four of which are equipped with 28-nm process devices, and one board is equipped with 14-nm process devices. After removing the unstable bad bits, the actual effective test capacity is 7.1 Gb. During the test, the on-board FPGA reads the stored contents of all the tested devices in real time, reports the error information (occurrence time, board number, column number, device number, error address, error data) and corrects the error. The duration of the test is 6651 h. A total of 56 single event upset (SEU) events are observed, they being 24 single bit upset (SBU) events and 32 Multiple Cell Upset (MCU) events. Based on previous results of 65-nm SRAM, the study finds that SER continues to decrease with the reduction of process size, but the proportion of MCU in 28-nm process devices (57%) exceeds SBU, which is a process “maximum point” of MCU sensitivity, and the maximum size of MCU is 16 bits. Although the Fin spacing of the 14-nm FinFET device is only about 35 nm, and the critical charge decreases to sub-fC, the introduction of the FinFET structure leads to the change of charge collection and the sensitive volume sharing mechanism , and the shallow trench isolation leads to the narrowing of the charge diffusion channel. On the other hand, the surface area of the sensitive volume decreases to 0.0024 μm², resulting in a significant decrease in the soft error rate of both SBU and MCU in the 14-nm process.

Keywords:

作者及机构信息

1.
工业和信息化部电子第五研究所, 广州　511370

2.
电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室, 广州　511370

通信作者: 杨少华, young01@163.com ; 林倩, 523618482@qq.com ;

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 12175045, 12075065)和广东省重点领域研发计划(批准号: 2022B0701180002)资助的课题.

Authors and contacts

1.
China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 511370, China

2.
Science and Technology on Reliability Physics and Application of Electronic Component Laboratory, Guangzhou 511370, China

Corresponding author: Yang Shao-Hua, young01@163.com ; Lin Qian, 523618482@qq.com ;

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12175045, 12075065) and the Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province, China (Grant No. 2022B0701180002).

文章全文

1. 引　言

大气辐射来源于高能宇宙射线与地球大气的相互作用^[1], 其强度依赖于海拔、经纬度、太阳活动等因素. 具有高可靠性、高安全性要求的航空、地面电子系统(包括汽车、通讯、电网等)及其使用的器件在设计、制造和使用过程中必须考虑大气辐射的影响. 根据JESD89A标准^[2], 可通过加速试验或实时测量试验获得大气辐射导致的软错误率(soft error rate, SER). 相比于加速试验, 虽然实时测量试验具有耗时、测试容量大等缺点, 但实时试验是唯一不引入人为干扰因素的试验类型, 可准确获得被测器件的SER“标尺数据”. 为了提高试验效率, 实时SER试验通常在高海拔地区进行. 例如, 位于“世界屋脊”青藏高原的羊八井国际宇宙射线观测站的中子(E > 10 MeV)通量为118.6 cm^–2·h^–1, 相比于北京地面(~7.3 cm^–2·h^–1)高16倍, 是开展实时SER试验的理想地点^[3].

近年来, 国内外开展了一些实时SER试验^[4-20]. 2012年, Intel公司Seifert等^[4]针对45 nm工艺静态随机存取存储器(static random-access memory, SRAM), 在海拔61 m处开展了5000 h的软错误实时测量实验, 观测到27次单粒子翻转(包含单位翻转和多位翻转); 在地下655 m处开展了6000 h的软错误实时测量实验, 观测到1次单位翻转. 艾克斯-马赛大学 Autran等^[5-8]针对0.13 μm, 65 nm和40 nm工艺SRAM, 开展了高海拔(2552 m)和地下软错误实时测量试验. Xilinx公司^[9-11]在其器件可靠性报告中公布了FPGA系列产品的软错误数据, 包括实时测量得到的SER, 测量海拔有0, 1555, 3801和4023 m等, 器件工艺覆盖0.15 μm—7 nm, 但是90 nm以下工艺器件仅公布了SER数值, 未对试验过程和数据进行详细报道和分析. 西北核技术研究所^[12,13]开展了0.5, 0.35和0.18 μm工艺SRAM的高海拔实时测量试验, 数千小时内, 3种器件分别发生195, 181和76次翻转. 总体来看, 已报道的研究工作针对的器件工艺最小为40 nm, 缺少针对更先进工艺器件的实时测量研究和分析工作, 而28 nm及以下工艺集成电路已在航空、电网等电子系统中广泛采用, 实时测量研究工作的缺失不利于其大气中子单粒子效应的评价.

本文基于我国青藏高原开展4300 m海拔处的28 nm平面和14 nm FinFET工艺SRAM阵列大气辐射实时测量试验, 对观测到的单位翻转(single bit upset, SBU)和多单元翻转(multiple cell upset, MCU)进行分析和计算, 并与之前开展的65 nm工艺SRAM器件结果^[3,21]进行对比, 揭示内在机理.

2. 试验条件

高海拔试验在位于拉萨市的羊八井国际宇宙射线观测站^[22]开展. 试验站实景图如图1所示, 海拔为4300 m. 试验站电力供应、网络通讯稳定, 具备试验所需的软硬件设施.

$图 1 羊八井国际宇宙射线观测站\r\nFig. 1. Yangbajing International Cosmic Ray Observatory.$

图 1 羊八井国际宇宙射线观测站

Fig. 1. Yangbajing International Cosmic Ray Observatory.

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被测器件参数列于表1. 选用14 nm FinFET和28 nm平面CMOS两种工艺SRAM开展试验. 其中, 28 nm工艺分为高介电常数金属栅极(high-K metal gate, HKMG)和传统氮氧化硅(silicon oxynitride, SION)两种栅极工艺. 一共有5块测试板, 其中4块板搭载28 nm器件, 1块板搭载14 nm器件. 去除测试不稳定的坏位后, 实际的有效测试容量为7.1 Gbit.

表 1 被测器件参数

Table 1. Parameters of devices under test.

编号	SRAM工艺	型号	容量	核心电压/V	测试板编号	测试数量	封装形式	备注
1#	14 nm FinFET	AG35	128 Mbit (8 M×16 bit)	0.8	4#	18只	倒装BGA	总测试容量: 7.1 Gbit(去除坏位)
2#	28 nm HKMG	AH09F	64 Mbit (4 M×16 bit)	1.05	1#、2#	各19只
3#	28 nm SION	AC81	64 Mbit (4 M×16 bit)	1.05	3#、5#	17只、20只

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测试现场图如图2所示. 5块测试板平铺放置在测试现场, 每块测试板分A, B, C, D四列, 每列最多搭载5只器件. 所在房间为木质屋顶. 上位机软件界面如图3所示. 试验流程图如图4所示, 开始测试前, 位于广州的上位机通过互联网远程连接测试板, 对测试板上所有被测器件写入5555初始图形, 并实时监控各组被测器件的工作电压/电流、测试板电压/电流、测试板温度等参数. 试验过程中, 板载FPGA实时读取所有被测器件的存储内容, 发现错误后, 上报错误信息(发生时间、板号、列号、器件编号、错误地址、错误数据), 并纠正错误. 试验期间, 测试板温度为(15 ± 10) ℃, 温度变化对器件自身的单粒子翻转敏感性影响不大.

$图 2 试验现场图及测试结果\r\nFig. 2. Experimental setup and test results.$

图 2 试验现场图及测试结果

Fig. 2. Experimental setup and test results.

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$图 3 上位机软件测试界面\r\nFig. 3. Software test interface on the computer.$

图 3 上位机软件测试界面

Fig. 3. Software test interface on the computer.

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$图 4 试验流程图\r\nFig. 4. Test flow chart.$

图 4 试验流程图

Fig. 4. Test flow chart.

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为避免器件自身工艺造成的软错误误判, 进行了以下操作:

1) 试验前, 对5块测试板进行高温长期测试(低海拔地区进行), 对发现的少量错误地址进行屏蔽处理;

2) 高海拔地区测试过程中, 对发现的错误进行地址检验, 若发现某一地址出现2次或以上错误, 则判定为“假SEU(single event upset)”, 因为在试验期间同一个存储位的数据被大气辐射影响2次的概率是极低的. 试验期间发现, 3#板C5芯片的0x0D82B0地址出现2次“假SEU”, 均为5555至5545的数据翻转, 重写可以恢复. 后续的深地环境试验中, 该地址也多次出现相同现象, 间隔时间无规律. 分析原因可能为该存储位自身工艺不稳定所导致.

3. 试验结果与分析

3.1 试验结果

试验自2021年10月23日开始, 至2022年7月28日结束, 有效测试时间为6651 h. 表2汇总了所有测量结果信息. 共观测到SEU事件56个, 其中SBU 24个, MCU (指多个位翻转位于不同的字内) 32个, 未发现多位翻转(multiple bit upset, MBU)事件(指单个字中发生多个位翻转). 被测器件在设计中采用了交织架构, 即单个字中的存储位在物理版图上被分开, 因此无MBU事件发生. 试验过程中, 未发现单粒子闩锁事件.

表 2 测量结果汇总

Table 2. Summary of test results

编号	TTF /h	板号	列号	器件编号	错误地址	错误数据	错误类型
	开始测试
1	—	2#	B	1	0x0C7A70	0x5455	SBU
2	109	3#	B	2	0x06DBBC0x06DBCC	0x55D5	MCU2
3	190	5#	B	5	0x02B5890x02B5990x02B5A9	0x55D5	MCU3
4	460	5#	D	2	0x2CB048	0x555D	SBU
5	528	3#	B	1	0x3C2368	0x5D55	SBU
6	861	1#	B	1	0x0B150F	0x5575	SBU
7	—	2#	A	5	0x12ACC90x12ACD9	0x5455	MCU2
8	1128	1#	C	1	0x3C1F74	0x5755	MCU3
					0x3C1F83	0x5755
					0x3C2001	0x5455
9	—	2#	B	4	0x1313530x1313540x1313630x131364	0x7555	MCU4
10	—	2#	A	1	0x040D820x040D830x040D920x040D93	0x5155	MCU4
11	1574	5#	B	3	0x0B5725	0x5551	SBU
12	1583	5#	C	2	0x036145	0x5554	SBU
13	1701	3#	C	4	0x03BBE80x03BBE90x03BBF80x03BBF9	0x5515	MCU4
14	1728	3#	C	4	0x3D4BD80x3D4BE80x3D4BF70x3D4BF8	0x7555	MCU4
15	—	2#	B	3	0x201A550x201A65	0x5755	MCU2
16	—	2#	C	1	0x04931E	0x5551	SBU
17	1821	3#	A	2	0x01F5730x01F5740x01F5830x01F5840x01F5930x01F5940x01F5A30x01F5E6	0x5557	MCU8
18	1896	5#	D	1	0x377B7B	0x5515	SBU
19	—	2#	C	4	0x1371CB0x1371EA0x1371F90x1371FA0x13720A0x13721A0x13722A0x1372370x1372380x1372470x1372480x1372570x1372580x1372670x1372680x137277	0xD555	MCU16
20	—	2#	A	5	0x0203190x020329	0x55D5	MCU2
21	—	2#	B	2	0x1EBD020x1EBD12	0x5545	MCU2
22	—	2#	B	2	0x1AA6E8	0x5557	SBU
23	—	2#	D	2	0x35DC4C0x35DC5C0x35DC6C	0x555D	MCU3
24	2336	5#	C	2	0x0DB484	0x5554	SBU
25	2537	1#	C	1	0x12C6AE0x12C6AF0x12C6BE0x12C6BF	0x5155	MCU4
26	2631	5#	C	5	0x1157DD0x1157ED0x1157EE0x1157FD0x1157FE	0x5575	MCU5
27	2659	5#	B	4	0x27B863	0x4555	SBU
28	2898	5#	D	3	0x22C4A8	0x5575	SBU
29	2909	3#	C	1	0x1FC2CE	0x7555	SBU
30	3003	3#	A	2	0x30B1F30x30B2030x30B213	0x5551	MCU3
31	—	2#	C	1	0x2800CA0x2800D90x2800E9	0x5D55	MCU3
32	—	2#	A	4	0x256BB00x256BB10x256BC00x256BC10x256BD00x256BD10x256BE00x256BE1	0x4555	MCU8
33	3444	1#	A	5	0x28940C0x28941C0x28941D	0x5455	MCU3
34	3577	1#	A	4	0x31B05F	0x5155	SBU
35	3586	1#	B	2	0x1491E70x1491E8	0x5575	MCU2
36	3602	3#	C	1	0x250F890x250F98	0x5554	MCU2
37	3705	5#	B	3	0x3CAAFA0x3CAAFB0x3CAB0A0x3CAB0B0x3CAB1A0x3CAB1B	0x4555	MCU6
38	3775	5#	D	1	0x2CADB4	0x5557	SBU
39	3913	3#	D	1	0x3AC5DD0x3AC5DE	0x5575	MCU2
40	4191	3#	B	5	0x22DEA3	0x5455	SBU
41	4216	3#	D	2	0x3785ED0x3785FD	0x4555	MCU2
42	4407	1#	B	2	0x361165	0x5554	SBU
43	4624	4#	A	3	0x64D7B0	0x5D55	SBU
44	4652	1#	A	2	0x0017630x0017540x001753	0xD555	MCU3
45	4907	5#	C	5	0x1753E9	0x5575	SBU
46	—	2#	B	5	0x1A220A0x1A220B0x1A221A0x1A221B	0x5155	MCU4
47	5370	5#	A	4	0x0AF8C10x0AF8D10x0AF8E10x0AF8F1	0x555D	MCU4
48	5468	5#	B	5	0x1D4987	0x5755	SBU
	—	3#	C	5	0x0D82B0	0x5545	假SEU
	—	3#	C	5	0x0D82B0	0x5545	假SEU
49	6086	4#	D	4	0x1263CA	0x4555	SBU
50	6094	5#	C	5	0x3ECD720x3ECD82	0x5755	MCU2
51	—	2#	D	5	0x27340D0x27341D0x27342D0x27343D	0x5545	MCU4
52	6244	5#	C	3	0x077D9A	0x5545	SBU
53	6244.2	3#	C	3	0x289097	0x5155	SBU
54	—	2#	A	3	0x1736260x173636	0x5554	MCU2
55	6248.2	5#	B	5	0x177AE1	0x5155	SBU
56	6390.2	5#	C	4	0x04619D0x0461BC	0x7555	MCU2
	6651.2	试验结束

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基于EXPACS工具^[23]对高海拔试验点的大气辐射环境进行计算, 结果如图5所示, 辐射粒子包括中子、质子、缪子、电子、光子等^[3]. 根据器件工艺特点, 大气辐射中可能导致单粒子效应的粒子包括中子、质子和缪子, 其中中子的贡献最大. 此外, 器件自身释放的α粒子也有可能诱发单粒子效应.

$图 5 高海拔试验点的大气辐射环境[3]\r\nFig. 5. Atmospheric radiation environment of the high-altitude test site[3].$

图 5 高海拔试验点的大气辐射环境^[3]

Fig. 5. Atmospheric radiation environment of the high-altitude test site^[3].

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表2给出了每个错误发生时的失效时间(time to failure, TTF), 即错误发生时刻与试验开始时刻间隔的小时数. 由于试验过程中2#板的计时功能出现故障, 故表2中2#板发生的SEU没有具体的TTF值, 其编号顺序是根据人工记录的错误发现时间排列的. 图6绘制了试验期间SEU累积计数与TTF的关系曲线. 由图可见, SEU累积计数整体呈线性增长. 值得注意的是, 在2022年7月4日至11日期间, 密集发生了5次SEU事件, 见图中红色虚线圈.

$图 6 SEU累积计数与TTF的关系图\r\nFig. 6. Relationship between SEU cumulative count and TTF$

图 6 SEU累积计数与TTF的关系图

Fig. 6. Relationship between SEU cumulative count and TTF

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3.2 SER计算与分析

对SEU, SBU和MCU的SER进行计算:

${\rm{SER}}=(N_{{\rm{error}}} \times 10^{9})/(T \times C) ,$

其中N_error指各种类型错误的发生次数; T为测试时间(单位为h); C为测试总容量(单位为Mbit).

计算结果如图7所示, 图中65 nm工艺器件的试验结果来自于文献[21]. 由图7可见: 1) 对于SBU, 随着工艺尺寸的减小, SER持续下降. 相比于65 nm工艺, 14 nm FinFET工艺SRAM的SER下降超过1个数量级(图中FIT为failure in time); 2) 对于MCU, 相比于65 nm工艺, 28 nm工艺SRAM的SER上升了近1倍, 而14 nm FinFET工艺SRAM在试验期间未观测到MCU事件, 其SER上限相比于28 nm工艺器件下降3个数量级; 3) 对于SEU, 相比于65 nm工艺, 28 nm工艺处MCU SER的增大, 导致其SEU SER的减小幅度减缓, 而14 nm FinFET的SEU SER迅速下降.

$图 7 SEU, SBU和MCU SER与工艺尺寸的关系\r\nFig. 7. Relationship between SERs of SEU, SBU, MCU and feature size.$

图 7 SEU, SBU和MCU SER与工艺尺寸的关系

Fig. 7. Relationship between SERs of SEU, SBU, MCU and feature size.

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3.3 MCU特性

图8进一步给出了各种工艺尺寸下的SBU和MCU占比. 由图8可见: 1) 28 nm处, MCU占比为57%, 超过了SBU成为主要的翻转类型; 2) MCU中, 两位翻转、三维翻转和四位翻转为主要的翻转类型, 占比分别为21%, 13%和14%; 3) 28 nm处的MCU比例、位数均高于65 nm和14 nm, 观测到的最大MCU为16位.

$图 8 各种工艺尺寸下的SBU和MCU占比\r\nFig. 8. Proportion of SBU and MCU under various feature sizes.$

图 8 各种工艺尺寸下的SBU和MCU占比

Fig. 8. Proportion of SBU and MCU under various feature sizes.

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3.4 与太阳活动的关系

图9给出了芬兰奥卢宇宙射线站监测的大气中子通量变化情况(1965年至今). 可见, 大气中子通量呈现明显的11年周期变化, 与太阳活动反相关, 变化范围基本在±10%内. 本文试验期间大气中子通量处在下降区间.

$图 9 芬兰奥卢宇宙射线站监测的大气中子通量变化情况(1965年至今)[24]\r\nFig. 9. Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland (1965 till now)[24].$

图 9 芬兰奥卢宇宙射线站监测的大气中子通量变化情况(1965年至今)^[24]

Fig. 9. Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland (1965 till now)^[24].

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图10进一步给出了试验期间(2021年10月23日至2022年7月28日)的大气中子通量监测数据(芬兰奥卢宇宙射线站). 由于没有试验地点的中子测量数据, 使用芬兰奥卢宇宙射线站的监测数据作为试验期间太阳活动情况的判断依据. 由图10可见, 在试验前期(2022年2月前)大气中子通量变化不大, 之后大气中子通量整体呈下降趋势. 将图10与图6对应, 可以发现, 图6中试验后期SEU发生速率的降低似乎和图10中中子计数下降有一定的对应关系. 值得注意的是, 图6虚线红框中, 2022年7月初连续发生5次SEU事件, 而图10中7月初发现中子计数的突然增大, 源于太阳短时间的质子爆发. 二者在时间上能对应得上, 但是并不能完全确定图10红框中中子计数的增大就是图6红框中SEU计数率增大的原因, 因为图10中除了红框内, 其他时间段也有中子计数增大的现象, 而图6中并没有发现对应的SEU计数率的增大. 图6红框中SEU计数率的增大也有可能是偶然因素, 或者是器件自身因素(如电压的突变)导致.

$图 10 试验期间芬兰奥卢宇宙射线站监测的大气中子通量变化情况\r\nFig. 10. Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland during the test.$

图 10 试验期间芬兰奥卢宇宙射线站监测的大气中子通量变化情况

Fig. 10. Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland during the test.

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3.5 机理分析

3.5.1 反向分析及讨论

为了进一步理解上述试验结果的内在机理, 对试验对象进行了反向分析, 获得了其存储区图像及对应的尺寸信息. 表3为14 nm FinFET, 28和65 nm SRAM的存储单元尺寸和灵敏区参数, 一般“关”态NMOS的漏区为单粒子翻转灵敏区(sensitive volume, SV). 由表3可知: 1) 随着器件工艺尺寸的缩小, 灵敏区表面积从0.038 μm² (65 nm工艺)减小至0.0024 μm² (14 nm工艺), 降低超过1个数量级, 这是图6中SER随工艺尺寸减小的主要原因之一; 2) 相比于65 nm工艺, 28 nm工艺器件的临界电荷和灵敏区间距缩小, 导致其MCU概率增大; 3) 对于14 nm工艺, FinFET结构的引入, 导致其SBU和MCU发生率均发生明显下降, 具体分析见下一段.

表 3 14 nm FinFET, 28 nm和65 nm SRAM的存储单元尺寸和灵敏区参数

Table 3. Memory cell size and SV parameters for the 14 nm FinFET, 28 nm and 65 nm SRAM devices.

器件工艺	65 nm	28 nm	14 nm FinFET
存储区图像(未按比例)
存储单元尺寸	1000 nm×500 nm	520 nm×240 nm	370 nm×180 nm
SV尺寸	200 nm×190 nm	104 nm×90 nm	80 nm×30 nm
临界电荷/fC	1^[25]	0.18^[26]	0.05^[27]

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图11给出了14 nm FinFET器件的Fin结构图像. 该器件的Fin高为45 nm, Fin宽为14 nm, Fin之间的距离约为35 nm. 观察到“排列式”的浅沟道隔离(shallow trench isolation, STI)存在, 将Fin在物理上隔开, Fin与衬底之间的通道变得非常狭窄. 14 nm FinFET器件SBU截面下降的主要原因为灵敏区尺寸的减小和电荷收集机制发生变化, 电荷收集主要依赖漂移过程, 衬底中产生的电荷扩散至灵敏区的通道变得狭窄, 效率降低. 对于MCU, 虽然14 nm FinFET器件的Fin间距仅有35 nm左右, 且临界电荷降至亚fC, 但STI致使Fin间电荷共享效应被削弱, 这是14 nm FinFET器件MCU占比减小的主要原因.

$图 11 14 nm FinFET器件的Fin结构图像\r\nFig. 11. Fin structure of the 14 nm FinFET device.$

图 11 14 nm FinFET器件的Fin结构图像

Fig. 11. Fin structure of the 14 nm FinFET device.

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3.5.2 器件仿真及讨论

根据14 nm FinFET SRAM器件的反向分析结果进行建模, 器件结构参数如表4所列, FinFET器件的区域掺杂情况如表5所列.

表 4 14 nm FinFET器件建模的结构参数

Table 4. Structural parameters for modeling 14 nm FinFET device.

区域类别	参数
衬底厚度/nm	100
栅极长度/nm	26
栅氧层厚度/nm	1.35
Fin高/nm	45
Fin宽/nm	14

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表 5 14 nm FinFET器件模型掺杂情况

Table 5. Doping parameters of 14 nm FinFET device model.

掺杂类别	区域	掺杂浓度/(10¹⁶ cm^–3)
均匀掺杂	衬底	1.0 (掺硼)
均匀掺杂	沟道	1.0 (掺硼)
高斯掺杂	漏区	10000.0 (掺磷)
高斯掺杂	源区	10000.0 (掺磷)

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按照上述结构参数与掺杂参数, 在SDE模块建立的14 nm FinFET器件模型如图12所示.

$图 12 14 nm FinFET器件模型图\r\nFig. 12. Model of the 14 nm FinFET device.$

图 12 14 nm FinFET器件模型图

Fig. 12. Model of the 14 nm FinFET device.

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根据之前的研究结果^[28], 大气中子在14 nm FinFET器件中产生的二次粒子的LET值低于15 MeV·cm²/mg, 粒子呈多角度入射. 本文根据上述二次粒子特征, 选择的入射粒子LET值为10 MeV·cm²/mg, 入射角从0°至90°, 设置在开始仿真5 ps时, 重离子入射T1管, 同时监测T1和T2管(器件间距为60 nm)的单粒子瞬态脉冲.

图13(a)为改变入射角时, T1漏极产生的瞬态脉冲电流图, 图13(b)为T2漏极产生的瞬态脉冲电流图. 由图13(b)可看出, 改变入射角, T2漏极产生的瞬态脉冲电流是角度越大, 脉冲电流越小, 原因是角度越大越偏, 入射粒子束穿过敏感区的径迹长度越短, 则产生的电子-空穴对也越少. 另外, T2漏极产生的瞬态脉冲峰值出现的时间, 也随着入射角的改变而改变, 这是因为角度越大, 粒子束入射的最终位置越偏向于T2, 因而脉冲电流产生得越早. 脉冲宽度方面, 不同入射角下, T1产生的脉冲宽度相差不大, 大约为4.9 ps; 而T2产生的脉冲宽度随脉冲峰值的增加而增加, 随着入射角从0°增加到90°, 脉冲宽度从7.65 ps减少到3.25 ps.

$图 13 不同入射角下两个器件的单粒子瞬态脉冲图　(a) T1瞬态脉冲; (b) T2瞬态脉冲\r\nFig. 13. Single event transients of two transistors at different incidence angles: (a) T1 transient pulse; (b) T2 transient pulse.$

图 13 不同入射角下两个器件的单粒子瞬态脉冲图　(a) T1瞬态脉冲; (b) T2瞬态脉冲

Fig. 13. Single event transients of two transistors at different incidence angles: (a) T1 transient pulse; (b) T2 transient pulse.

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由于同一衬底的电荷共享效应, 当粒子束入射T1时, T2会不同程度地受到影响而发生较微弱的单粒子瞬态脉冲效应, 且T2脉冲峰值出现的时间比直接被入射的器件晚; T2脉冲峰值与T1产生的脉冲峰值相比减小了2个数量级, 由此可见14 nm FinFET器件的电荷共享效应明显减弱.

4. 结　论

本文基于“世界屋脊”青藏高原, 在4300 m海拔处开展了14 nm FinFET和28 nm平面CMOS工艺SRAM阵列的大气辐射长期实时测量试验. 在6651 h的测量时间内, 共观测到SEU事件56个, 其中SBU 24个, MCU 32个, 最大的MCU为16 bit. 结合之前开展的65 nm工艺SRAM结果, 研究发现, 随着工艺尺寸的减小, 器件的整体SER持续降低. 但是, 相比于65和14 nm工艺器件, 28 nm工艺器件的MCU SER最大, 其MCU占比(57%)超过SBU, MCU最大位数为16 bit. 14 nm工艺处FinFET结构的引入导致SV电荷收集和共享机制发生变化, STI隔离致使电荷扩散通道“狭窄化”, 从而导致14 nm工艺器件SBU和MCU的SER均明显下降.

下一步将继续对试验结果进行分析, 通过散裂中子源试验、“深地”试验等, 确定高海拔试验结果中高能中子、热中子、封装α粒子等的贡献占比, 分析内在物理机制.

感谢羊八井国际宇宙射线观测站工作人员对试验的支持和帮助.

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施引文献

图 1 羊八井国际宇宙射线观测站

Fig. 1. Yangbajing International Cosmic Ray Observatory.

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图 2 试验现场图及测试结果

Fig. 2. Experimental setup and test results.

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图 3 上位机软件测试界面

Fig. 3. Software test interface on the computer.

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图 4 试验流程图

Fig. 4. Test flow chart.

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图 5 高海拔试验点的大气辐射环境^[3]

Fig. 5. Atmospheric radiation environment of the high-altitude test site^[3].

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图 6 SEU累积计数与TTF的关系图

Fig. 6. Relationship between SEU cumulative count and TTF

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图 7 SEU, SBU和MCU SER与工艺尺寸的关系

Fig. 7. Relationship between SERs of SEU, SBU, MCU and feature size.

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图 8 各种工艺尺寸下的SBU和MCU占比

Fig. 8. Proportion of SBU and MCU under various feature sizes.

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图 9 芬兰奥卢宇宙射线站监测的大气中子通量变化情况(1965年至今)^[24]

Fig. 9. Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland (1965 till now)^[24].

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图 10 试验期间芬兰奥卢宇宙射线站监测的大气中子通量变化情况

Fig. 10. Changes of atmospheric neutron flux monitored by Oulu Cosmic Ray Station in Finland during the test.

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图 11 14 nm FinFET器件的Fin结构图像

Fig. 11. Fin structure of the 14 nm FinFET device.

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图 12 14 nm FinFET器件模型图

Fig. 12. Model of the 14 nm FinFET device.

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图 13 不同入射角下两个器件的单粒子瞬态脉冲图　(a) T1瞬态脉冲; (b) T2瞬态脉冲

Fig. 13. Single event transients of two transistors at different incidence angles: (a) T1 transient pulse; (b) T2 transient pulse.

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表 1 被测器件参数

Table 1. Parameters of devices under test.

编号	SRAM工艺	型号	容量	核心电压/V	测试板编号	测试数量	封装形式	备注
1#	14 nm FinFET	AG35	128 Mbit (8 M×16 bit)	0.8	4#	18只	倒装BGA	总测试容量: 7.1 Gbit(去除坏位)
2#	28 nm HKMG	AH09F	64 Mbit (4 M×16 bit)	1.05	1#、2#	各19只
3#	28 nm SION	AC81	64 Mbit (4 M×16 bit)	1.05	3#、5#	17只、20只

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表 2 测量结果汇总

Table 2. Summary of test results

编号	TTF /h	板号	列号	器件编号	错误地址	错误数据	错误类型
	开始测试
1	—	2#	B	1	0x0C7A70	0x5455	SBU
2	109	3#	B	2	0x06DBBC0x06DBCC	0x55D5	MCU2
3	190	5#	B	5	0x02B5890x02B5990x02B5A9	0x55D5	MCU3
4	460	5#	D	2	0x2CB048	0x555D	SBU
5	528	3#	B	1	0x3C2368	0x5D55	SBU
6	861	1#	B	1	0x0B150F	0x5575	SBU
7	—	2#	A	5	0x12ACC90x12ACD9	0x5455	MCU2
8	1128	1#	C	1	0x3C1F74	0x5755	MCU3
					0x3C1F83	0x5755
					0x3C2001	0x5455
9	—	2#	B	4	0x1313530x1313540x1313630x131364	0x7555	MCU4
10	—	2#	A	1	0x040D820x040D830x040D920x040D93	0x5155	MCU4
11	1574	5#	B	3	0x0B5725	0x5551	SBU
12	1583	5#	C	2	0x036145	0x5554	SBU
13	1701	3#	C	4	0x03BBE80x03BBE90x03BBF80x03BBF9	0x5515	MCU4
14	1728	3#	C	4	0x3D4BD80x3D4BE80x3D4BF70x3D4BF8	0x7555	MCU4
15	—	2#	B	3	0x201A550x201A65	0x5755	MCU2
16	—	2#	C	1	0x04931E	0x5551	SBU
17	1821	3#	A	2	0x01F5730x01F5740x01F5830x01F5840x01F5930x01F5940x01F5A30x01F5E6	0x5557	MCU8
18	1896	5#	D	1	0x377B7B	0x5515	SBU
19	—	2#	C	4	0x1371CB0x1371EA0x1371F90x1371FA0x13720A0x13721A0x13722A0x1372370x1372380x1372470x1372480x1372570x1372580x1372670x1372680x137277	0xD555	MCU16
20	—	2#	A	5	0x0203190x020329	0x55D5	MCU2
21	—	2#	B	2	0x1EBD020x1EBD12	0x5545	MCU2
22	—	2#	B	2	0x1AA6E8	0x5557	SBU
23	—	2#	D	2	0x35DC4C0x35DC5C0x35DC6C	0x555D	MCU3
24	2336	5#	C	2	0x0DB484	0x5554	SBU
25	2537	1#	C	1	0x12C6AE0x12C6AF0x12C6BE0x12C6BF	0x5155	MCU4
26	2631	5#	C	5	0x1157DD0x1157ED0x1157EE0x1157FD0x1157FE	0x5575	MCU5
27	2659	5#	B	4	0x27B863	0x4555	SBU
28	2898	5#	D	3	0x22C4A8	0x5575	SBU
29	2909	3#	C	1	0x1FC2CE	0x7555	SBU
30	3003	3#	A	2	0x30B1F30x30B2030x30B213	0x5551	MCU3
31	—	2#	C	1	0x2800CA0x2800D90x2800E9	0x5D55	MCU3
32	—	2#	A	4	0x256BB00x256BB10x256BC00x256BC10x256BD00x256BD10x256BE00x256BE1	0x4555	MCU8
33	3444	1#	A	5	0x28940C0x28941C0x28941D	0x5455	MCU3
34	3577	1#	A	4	0x31B05F	0x5155	SBU
35	3586	1#	B	2	0x1491E70x1491E8	0x5575	MCU2
36	3602	3#	C	1	0x250F890x250F98	0x5554	MCU2
37	3705	5#	B	3	0x3CAAFA0x3CAAFB0x3CAB0A0x3CAB0B0x3CAB1A0x3CAB1B	0x4555	MCU6
38	3775	5#	D	1	0x2CADB4	0x5557	SBU
39	3913	3#	D	1	0x3AC5DD0x3AC5DE	0x5575	MCU2
40	4191	3#	B	5	0x22DEA3	0x5455	SBU
41	4216	3#	D	2	0x3785ED0x3785FD	0x4555	MCU2
42	4407	1#	B	2	0x361165	0x5554	SBU
43	4624	4#	A	3	0x64D7B0	0x5D55	SBU
44	4652	1#	A	2	0x0017630x0017540x001753	0xD555	MCU3
45	4907	5#	C	5	0x1753E9	0x5575	SBU
46	—	2#	B	5	0x1A220A0x1A220B0x1A221A0x1A221B	0x5155	MCU4
47	5370	5#	A	4	0x0AF8C10x0AF8D10x0AF8E10x0AF8F1	0x555D	MCU4
48	5468	5#	B	5	0x1D4987	0x5755	SBU
	—	3#	C	5	0x0D82B0	0x5545	假SEU
	—	3#	C	5	0x0D82B0	0x5545	假SEU
49	6086	4#	D	4	0x1263CA	0x4555	SBU
50	6094	5#	C	5	0x3ECD720x3ECD82	0x5755	MCU2
51	—	2#	D	5	0x27340D0x27341D0x27342D0x27343D	0x5545	MCU4
52	6244	5#	C	3	0x077D9A	0x5545	SBU
53	6244.2	3#	C	3	0x289097	0x5155	SBU
54	—	2#	A	3	0x1736260x173636	0x5554	MCU2
55	6248.2	5#	B	5	0x177AE1	0x5155	SBU
56	6390.2	5#	C	4	0x04619D0x0461BC	0x7555	MCU2
	6651.2	试验结束

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表 3 14 nm FinFET, 28 nm和65 nm SRAM的存储单元尺寸和灵敏区参数

Table 3. Memory cell size and SV parameters for the 14 nm FinFET, 28 nm and 65 nm SRAM devices.

器件工艺	65 nm	28 nm	14 nm FinFET
存储区图像(未按比例)
存储单元尺寸	1000 nm×500 nm	520 nm×240 nm	370 nm×180 nm
SV尺寸	200 nm×190 nm	104 nm×90 nm	80 nm×30 nm
临界电荷/fC	1^[25]	0.18^[26]	0.05^[27]

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表 4 14 nm FinFET器件建模的结构参数

Table 4. Structural parameters for modeling 14 nm FinFET device.

区域类别	参数
衬底厚度/nm	100
栅极长度/nm	26
栅氧层厚度/nm	1.35
Fin高/nm	45
Fin宽/nm	14

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表 5 14 nm FinFET器件模型掺杂情况

Table 5. Doping parameters of 14 nm FinFET device model.

掺杂类别	区域	掺杂浓度/(10¹⁶ cm^–3)
均匀掺杂	衬底	1.0 (掺硼)
均匀掺杂	沟道	1.0 (掺硼)
高斯掺杂	漏区	10000.0 (掺磷)
高斯掺杂	源区	10000.0 (掺磷)

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