单粒子翻转敏感性与特征尺寸的关系

随着电子器件和集成电路向超大规模和纳米尺度工艺技术方向的发展，器件的特征尺寸变得越来越小，大部分器件和集成电路对单粒子翻转现象也变得越来越敏感。就现代器件工艺技术的发展来看，器件的特征尺寸（沟道长度L）变小对电子器件和集成电路单粒子效应敏感性的影响表现出越来越复杂的趋势。虽然如此，但对传统基于体硅及相关工艺技术制造的电子器件和集成电路而言，单粒子翻转敏感性与特征尺寸的相关性可以从三个方面来进行说明：首先是器件制造工艺的特征尺寸会直接影响电离电荷的特征收集长度；其次是发生单粒子翻转的临界电荷的大小也与特征尺寸大小密切相关；最后，单粒子效应的敏感横截面区域随器件制造工艺特征尺寸的变化而变化。

（一）电荷收集长度对单粒子翻转敏感性的影响

从前面章节的有关论述知道，对传统工艺技术制造的电子器件和集成电路而言，电荷收集长度不但与离子射程有关，也与器件制造工艺的特征尺寸相关，有关试验测试表明，与体硅工艺制造的电子器件或集成电路相比，SOI工艺制造的电子器件或集成电路的单粒子翻转敏感性要低许多，甚至达到一个数量级左右。一般来说，对一个射程较长的离子而言，随着器件制造工艺特征尺寸的减小，电荷收集长度也会变小。我们知道，随着器件工艺特征尺寸的变小，器件功能层厚度不断减小，沟道掺杂浓度也变得较高，诸如此类因素的影响导致了耗尽层区域宽度W变窄，从而产生单粒子翻转的主要电荷收集过程之一的“聚集”收集效果减弱，所以电荷收集长度随器件制造工艺特征尺寸的减小而减小。另外，器件芯片的衬底特性也会影响电荷收集长度，不同工艺制造的电子器件和集成电路，其衬底特性不同。如对采用较薄外延层CMOS工艺制造的器件来说，由于其近乎几微米厚度的外延层可以有效地限制基于衬底区域的电荷收集过程，这类器件的单粒子翻转敏感性较低，如前所述，SOI工艺制造的电子器件或集成电路的单粒子翻转敏感性要比体硅工艺制造的电子器件或集成电路的单粒子翻转敏感性低一个数量级左右，所以器件制造工艺的衬底特性也对电荷收集长度具有比较明显的影响。另外，敏感区域变化对单粒子翻转敏感性也具有一定的影响，随着器件制造工艺特征尺寸的变化，单粒子效应敏感区域大小也发生变化。这主要表现在工艺特征尺寸变小将会导致每个位的总横截面积变小，即使是工艺特征尺寸变小带来的电荷收集长度减小及临界电荷降低将会抵消总横截面积变小的效果，但每位净翻转率大小将随着工艺特征尺寸变小而降低。

（二）临界电荷变化对单粒子翻转敏感性的影响

如上所述，随着器件的特征尺寸变得越来越小，单粒子翻转的敏感性将与制造工艺相关的几个因素之间的相互竞争及影响程度相关联，临界电荷随器件特征尺寸的变化是其中主要因素之一。众所周知，对于存储器件来说，临界电荷是指引起一个存储单元（或者一个功能晶体管）状态发生翻转所需要的最小电荷量，显然，这个最小电荷量将会随特征尺寸变小而变小，但值得注意的是，临界电荷变小引起的这种单粒子翻转敏感性增高也会受到电荷收集长度变小及器件结构影响的抵消，最终器件单粒子翻转敏感性随特征尺寸变小而变化的特性由几个因素之间的竞争程度所决定。现有针对现代电子器件和集成电路的大量单粒子效应试验测试及研究表明，随着电子器件和集成电路向纳米工艺特征尺寸方向的发展，器件对单粒子翻转也变得越来越敏感，并且呈现出一种复杂的机理和过程。

针对传统电子器件和集成电路，开展了许多有关单粒子翻转的试验研究和分析工作。大量试验研究表明，在空间重离子或质子核反应产物的作用下，器件发生单粒子翻转的敏感性与其制造工艺的特征尺寸相关，表3-2给出了一般常见半导体器件和集成电路发生单粒子翻转的临界电荷Qcrit与器件工艺特征尺寸L的变化数据表。从表中可以看出，随着器件特征尺寸（MOS器件为沟道长度L）的降低，发生单粒子翻转的临界电荷也随之降低。

表3-2　常规半导体器件临界电荷Qcrit与特征尺寸

彼特森等人在研究了不同工艺和器件的临界电荷与特征尺寸关系后，对相关试验数据进行拟合分析，给出了描述临界电荷与特征尺寸关系的彼特森定律。彼特森定律是经验定律，具体表达为：Qcrit=0.023L2。

图3-10给出了不同传统工艺和器件临界电荷与特征尺寸的关系，从图中可以看出，主要工艺器件的临界电荷Qcrit大小几乎与特征尺寸L的平方呈线性关系。这说明对大部分常规器件，彼特森定律在描述临界电荷与特征尺寸关系方面是符合实际情况的。虽然如此，但在20世纪80年代，针对一些工艺制作的器件的试验研究表明，临界电荷Qcrit大小并不是与特征尺寸L的平方严格地呈线性关系式。如针对采用CMOS/SOS工艺制作的几组具有不同特征尺寸大小的加固器件开展的试验测试表明，具有较小特征尺寸的存储器件比其他具有较大特征尺寸值的存储器件对单粒子翻转更加敏感，试验研究中测试了不同批次制作的不同特征尺寸存储器件的临界电荷与特征尺寸的相关性，在严格考虑了器件内部存在的边缘晶体管也能收集电离电荷的情况下，Qcrit和特征尺寸L的关系式中的幂指数项为1.6±0.2，而并非严格等于2，因此，在实际测试试验分析中，应用彼特森定律时应该注意到这一点。

图3-10　临界电荷与特征尺寸的关系

虽然彼特森等人的早期研究工作给出了临界电荷与特征尺寸的经验表达式，但实际上，器件发生单粒子翻转的敏感性与器件电路内部结构特性也密切相关，并与器件内部的开关电压幅值（或电源电压）高低有关，这是因为器件内部的开关电压幅值的高低直接决定着临界电荷的大小；虽然说随着特征尺寸的不断变小，器件发生单粒子翻转的临界电荷也随之变小，但器件临界条件的变化是其相关联的多个综合因素作用之表现，如对一些器件来说，这种综合因素作用表现明显，而对另一些器件来说这种表现并不十分明显。就具体电子器件及集成电路来说，如对逻辑电路和静态随机存储器而言，特征尺寸的减小导致相应开关电压幅值的降低，开关电压幅值的降低减小了电压的漂移幅度，这会直接影响到器件临界电荷的特性。但从另一方面看，伴随着器件特征尺寸的减小，器件的开关速度将会增加，这将会和电荷收集长度变小、临界电荷降低的因素进行竞争，其综合结果确定了器件发生单粒子翻转的敏感程度。又例如，对动态随机存储器来说，由于器件内部存在的存取刷新是一种周期性的电荷泄放过程，动态随机存储器的这种电荷泄放过程，随着器件特征尺寸减小，带来的内部电压降低引起的单粒子效应敏感性并不十分明显。另外，应当注意的是，动态随机存储器的单粒子效应敏感性也与其内部结构特征息息相关。我们知道，由于大部分动态随机存储器采用升压式字节线布局，且其噪声余量受到位线电容和单元存储电容比率的影响，但动态随机存储器的“块定向”设计会使位线电容和单元存储电容比率增大，也就是说，动态随机存储器结构和设计特征也决定着其单粒子效应的敏感性。所以动态随机存储器的单粒子效应敏感性随着特征尺寸减小而呈现出复杂现象，很难明确提出其变化特征来。

（三）翻转LET阈值与特征尺寸的关系

在电子器件和集成电路单粒子效应试验测试的研究工作中，针对典型的集成电路，通过大量的地面重离子测试试验，获得了传统典型集成电路发生单粒子翻转的LET阈值与器件特征尺寸之间的关系，其中最具代表性的就是微处理类器件。(www.xing528.com)

在过去的三十多年中，由于航天器电子设备性能及设计技术的不断发展变化，在单粒子效应测试试验方面，针对各种不同工艺制造、不同结构及性能的微处理类器件开展了许多测试试验研究工作。研究工作表明，重离子和高能质子在微处理类器件中将会诱发各功能模块电路产生单粒子效应，一个显著特征就是微处理类器件内部寄存器会产生比较明显的单粒子翻转现象，而随机逻辑功能模块部分的单粒子翻转现象并不十分明显。显而易见，微处理类器件单粒子效应的这种特征可能会随着集成电路制造工艺的不断进步而发生改变。这里值得一提是，跨越20世纪末及21世纪的近三十五年的试验研究工作表明，在NMOS和 CMOS 工艺制造的微处理类器件中，其内部寄存器产生单粒子翻转的LET阈值几乎没有发生明显变化，表3-3和图3-11给出了近三十年来微处理类器件单粒子效应的相关试验测试结果，即从20世纪80年代开始，针对各种不同类型和功能的微处理类器件获得的单粒子翻转LET阈值与器件制造工艺特征尺寸大小的关系。从表3-3可以知道，在近三十年的时间里，微处理类器件制造工艺的特征尺寸几乎减小了约两个数量级以上，但微处理类器件的单粒子翻转LET阈值没有发生多少变化，仍然保持在一个数量级范围内。举例来看，从表3-3中可见，在20世纪末，采用NMOS工艺制造的高性能处理器Power PC750，其单粒子翻转LET阈值在2.0～2.5 MeV·cm2/mg范围内，而在20世纪80年代，采用NMOS工艺制造的处理器8086，其单粒子翻转LET阈值在1.5～2.5 MeV·cm2/mg范围内，但其制造工艺的特征尺寸比Power PC750的高出一个数量级以上。而最新工艺制造的第5代Core™ i3-5005U高性能处理器，其单粒子翻转LET阈值在0.2～1.0 MeV·cm2/mg范围内，但其制造工艺的特征尺寸比Power PC750处理器的低了一个数量级以上。

表3-3　翻转LET阈值与特征尺寸的关系

图3-11　翻转LET阈值与特征尺寸的关系

另外，微处理类器件的质子单粒子翻转特征也是应当注意的一个方面，这方面的完整试验测试数据相对来说比较少一些。图3-12给出了两个先进微处理器内部的寄存器模块的质子单粒子翻转截面随能量的变化情况，翻转截面的大小归一化为每位多少次翻转。从图中可以看出，两个微处理器的质子诱发单粒子翻转能量阈值相差不多，但是新工艺制作的Power PC750微处理器的翻转截面变低，比相对较旧工艺制作的PC603e微处理器的翻转截面几乎低一个数量级以下，两个微处理器的主要制作工艺是相同的，都采用了重掺杂衬底上覆盖一层薄外延层的制作工艺过程。但PC603e微处理器设计的制作工艺特征尺寸为0.35 μm，而Power PC750微处理器设计的制作工艺特征尺寸为0.25 μm；就微处理器器件的质子单粒子翻转来说，两个不同工艺特征尺寸制作的微处理器的翻转能量阈值相近，这与重离子照射测试情况下LET阈值相近的情况相同，但翻转截面几乎相差一个数量级以上。我们知道，由于质子在半导体材料中的核反应产物也会诱发单粒子翻转，如果这些核反应产物的LET值大于LET阈值时，将会诱发单粒子翻转；当器件尺寸变得越小时，与特征尺寸相比而言，这些核反应产生的反冲核的射程将变长，因而更多较低能量的反冲核就可以诱发器件发生翻转，这样一来，就增加了单粒子翻转的频度。

图3-12　质子翻转截面与能量的关系

（同一厂家制造的不同特征尺寸高性能微处理器内部寄存器质子诱发单粒子翻转截面比较）

这些测试结构基本代表了基于外延层衬底工艺制作的主流微处理类器件，Core™ i3-5005U工作频率已达2 GHz以上，航天电子系统通常所采用的Power PC750微处理器的工作频率为700 MHz。就Power PC750微处理器和PC603e微处理器的重离子和高能质子测试结果来看，其内部发生单粒子翻转的模块主要是寄存器单元和缓冲存储单元，但翻转特性也可能受到内部其他单元的单粒子瞬态脉冲的影响。我们知道，随着微处理器工作频率的提高，其对内部逻辑单元或其他内部单元区域产生的瞬态错误的干扰越来越敏感，所以随着特征尺寸的不断变小，微处理器翻转频度会不断提高，针对Power PC750微处理器和PC603e微处理器的重离子和高能质子测试结果也证明了这一点。这种现象对航天器用微处理器的设计选择提出了挑战，即高性能微处理器的LET阈值达到了要求，但翻转频度难以满足工程设计需求。