何安林，郭 剛，沈東軍，劉建成，史淑廷

(中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

空間輻射環(huán)境中的高能粒子入射到航天器元器件或集成電路會(huì)引起單粒子效應(yīng)。單粒子效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響航天器的在軌安全性、可靠性。質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中的主要成分[1]，且隨著半導(dǎo)體技術(shù)及航天事業(yè)的迅速發(fā)展，超深亞μm、nm級(jí)元器件或集成電路將在航天電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用，使空間質(zhì)子單粒子效應(yīng)的敏感性顯著提升[2-4]。質(zhì)子單粒子效應(yīng)主要是通過質(zhì)子與器件材料的核反應(yīng)引起，但質(zhì)子通過直接電離也可產(chǎn)生足夠多的電荷在低閾值元器件中引起單粒子翻轉(zhuǎn)。隨著集成電路工藝的發(fā)展，單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷迅速減小，如在65 nm節(jié)點(diǎn)臨界電荷處于1 fC量級(jí)，相當(dāng)于1 μm電荷收集深度上線性能量轉(zhuǎn)移(LET)閾值為0.1 MeV·cm2/mg(質(zhì)子布拉格峰對(duì)應(yīng)的LET值為0.5 MeV·cm2/mg)。

美國國家航空航天局、IBM公司、范德比爾特大學(xué)、圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室等針對(duì)nm集成電路，尤其是65 nm工藝節(jié)點(diǎn)，開展了一系列的低能質(zhì)子加速器輻照實(shí)驗(yàn)、理論分析、空間預(yù)估等研究工作[5-10]。2007年，Rodbell等[6]通過低能(1.0～1.5 MeV)質(zhì)子傾角入射的方法，觀察到了鎖存器、存儲(chǔ)器單元中質(zhì)子直接電離引起的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。2008年，Heidel等[7]利用IBM 3 MeV靜電加速器，針對(duì)65 nm工藝存儲(chǔ)器，利用氦離子傾角入射方式發(fā)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)數(shù)異常增多的現(xiàn)象。2009年，Heidel等[8]研究證實(shí)，對(duì)于工藝尺寸為65 nm SOI工藝的存儲(chǔ)器，質(zhì)子直接電離可引起顯著的單粒子翻轉(zhuǎn)。2010年，Cannon等[10]研究了加固級(jí)與非加固級(jí)90 nm工藝隨機(jī)靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)的重離子、中能質(zhì)子及低能質(zhì)子的單粒子翻轉(zhuǎn)，結(jié)果表明低能質(zhì)子在商用器件中表現(xiàn)出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的翻轉(zhuǎn)增強(qiáng)效應(yīng)，而對(duì)于加固級(jí)的器件，低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)增強(qiáng)趨勢(shì)變?nèi)醯燥@著存在。

北京HI-13串列加速器是目前國內(nèi)開展單粒子效應(yīng)研究的主要加速器之一，主要應(yīng)用于航天元器件空間應(yīng)用考核及基礎(chǔ)研究。該加速器具備質(zhì)子加速能力，其主要優(yōu)勢(shì)在于質(zhì)子能量覆蓋了低能及部分中能區(qū)域，具備同時(shí)開展低能質(zhì)子直接電離及高能核反應(yīng)機(jī)制單粒子效應(yīng)研究的潛力。同時(shí)該加速器能量單色性好，可在一定程度上減小質(zhì)子能量離散度，適合開展低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。本文利用北京HI-13串列加速器提供的2～15 MeV低能質(zhì)子束流，針對(duì)商業(yè)級(jí)65 nm工藝4 M×18 bit SRAM開展質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)其空間錯(cuò)誤率進(jìn)行預(yù)估分析。

1 65 nm工藝SRAM質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)器件

實(shí)驗(yàn)選用的器件為體硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝4 M×18 bit SRAM，器件特征工藝尺寸為65 nm，6管結(jié)構(gòu)，封裝模式為球形網(wǎng)格排列倒封裝。器件原始襯底厚度約為200 μm，實(shí)驗(yàn)前減薄至約50 μm。實(shí)驗(yàn)在中國原子能科學(xué)研究院北京HI-13串列加速器單粒子效應(yīng)專用輻照裝置完成[11-13]。

單粒子翻轉(zhuǎn)測(cè)試系統(tǒng)主要由1塊現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)完成，測(cè)試開始時(shí)通過FPGA向SRAM寫入測(cè)試碼，然后開始輻照，輻照過程中循環(huán)檢測(cè)翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)及地址，單次檢測(cè)完成后，重新寫入測(cè)試碼繼續(xù)檢測(cè)，輻照過程中需注意質(zhì)子入射注量率和系統(tǒng)檢測(cè)速度的匹配。圖1為實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖，靶室內(nèi)為輻照器件及測(cè)試板，器件電源及測(cè)試信號(hào)通過專用輻照裝置輻照靶室壁的真空密封轉(zhuǎn)接頭引出。實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)試硬件設(shè)備安裝在輻照靶室附近，并通過測(cè)量廳的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制并完成效應(yīng)測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of test system

1.2 實(shí)驗(yàn)束流參數(shù)

實(shí)驗(yàn)束流參數(shù)列于表1。質(zhì)子初始能量由加速器給出，降能片和覆蓋層的厚度分別為325.3 μm和50 μm(等效硅厚度)，經(jīng)計(jì)算，通過覆蓋層后的質(zhì)子能量符合實(shí)驗(yàn)要求，其LET值逐漸增加，覆蓋了低能質(zhì)子區(qū)的主要LET值范圍。降能片的實(shí)際厚度由稱重法得到，其厚度為(325.3±2.4) μm(僅考慮B類不確定度)，經(jīng)SRIM計(jì)算，最低有效質(zhì)子能量可達(dá)0.1 MeV。

表1 實(shí)驗(yàn)束流參數(shù)Table 1 Experimental beam parameter

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 65 nm工藝SRAM低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.2 Experimental data for low energy proton induced single event upset on 65 nm process SRAM

按照上述實(shí)驗(yàn)設(shè)置及方法，完成了器件輻照實(shí)驗(yàn)。圖2為65 nm工藝SRAM低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(質(zhì)子能量以通過器件覆蓋層的能量為準(zhǔn))，其中截面誤差考慮了翻轉(zhuǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差及注量測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)。當(dāng)質(zhì)子能量大于10 MeV時(shí)，由于直接電離LET值很小(小于0.5 MeV·cm2/mg)，此時(shí)質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)主要是質(zhì)子核反應(yīng)的貢獻(xiàn)，因此截面相對(duì)較?。浑S質(zhì)子能量降低到1 MeV左右，由于直接電離LET值隨能量減少而快速上升，因此翻轉(zhuǎn)截面也隨之急劇上升。圖3為65 nm工藝SRAM重離子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將重離子和質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了Weibull擬合，可看出，兩者在Weibull曲線上是相互吻合的。根據(jù)Weibull擬合，得到器件翻轉(zhuǎn)LET閾值為0.09 MeV·cm2/mg，該閾值對(duì)應(yīng)的質(zhì)子能量為2.5 MeV，即能量低于2.5 MeV的質(zhì)子均可通過直接電離引起單粒子翻轉(zhuǎn)。

圖3 65 nm工藝SRAM重離子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Experimental data for heavy ion induced single event upset on 65 nm process SRAM

2 在軌錯(cuò)誤率預(yù)估及分析

2.1 低能質(zhì)子、高能質(zhì)子和重離子錯(cuò)誤率分析

利用實(shí)驗(yàn)得到的65 nm工藝4 M×18 bit SRAM質(zhì)子及重離子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)地球同步軌道、低地球軌道，使用Space Radiation 7.0程序，應(yīng)用軌道質(zhì)子能譜數(shù)據(jù)與低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)積分，預(yù)估低能質(zhì)子、高能質(zhì)子和重離子引起的錯(cuò)誤率。低地球軌道參數(shù)為800 km×600 km×60°，輻射環(huán)境模型分別考慮1972年8月太陽質(zhì)子事件模型(L-SPE)、銀河宇宙射線CRME 96-M3模型(L-M3)和M1模型(L-M1)、地球俘獲帶AP8MIN模型(L-TRP)。地球同步軌道考慮1972年8月太陽質(zhì)子事件模型(G-SPE)、銀河宇宙射線CRME 96-M3模型(G-M3)和M1模型(G-M1)，屏蔽均采用3 mm Al。圖4為7種模型下單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率的計(jì)算結(jié)果(已歸一化處理)，可看出，其中4種模型以低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率占主要因素，其余3種模型以重離子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率占主要因素。

圖4 低能質(zhì)子、高能質(zhì)子和重離子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率Fig.4 Error rate for low energy proton, high energy proton and heavy ion induced single event upset

低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率占總錯(cuò)誤率的比例范圍為1%～86%，其中地球同步軌道爆發(fā)太陽質(zhì)子事件時(shí)低能質(zhì)子對(duì)總錯(cuò)誤率的貢獻(xiàn)最大(86%)，低地球軌道僅考慮銀河宇宙射線時(shí)低能質(zhì)子對(duì)錯(cuò)誤率的貢獻(xiàn)最小(1%)?？偟貋碚f，太陽質(zhì)子事件、地球俘獲帶是低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率的主要誘因，尤其是高軌道(如地球同步軌道)、中高傾角的近地球軌道(如太陽同步軌道、極地軌道)等需重點(diǎn)考慮低能質(zhì)子的問題。從總錯(cuò)誤率的角度分析，地球同步軌道太陽質(zhì)子事件時(shí)錯(cuò)誤率最大，為2.0×10-3upset/d；低軌道太陽質(zhì)子事件時(shí)次之，為4.9×10-5upset/d，其他幾種模式錯(cuò)誤率均低至少1個(gè)數(shù)量級(jí)。從上述分析可見，由于太陽質(zhì)子事件、地球俘獲帶的影響，低能質(zhì)子會(huì)導(dǎo)致總錯(cuò)誤率的顯著增加，因此對(duì)于空間應(yīng)用的元器件必須要求其對(duì)低能質(zhì)子不敏感，在器件選型、加固設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)考核等方面必須對(duì)低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)問題予以重點(diǎn)考慮，在此基礎(chǔ)上需考慮高能質(zhì)子和重離子引起單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率的嚴(yán)重程度[14-18]。

圖5為高能質(zhì)子和重離子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率對(duì)比，對(duì)于銀河宇宙射線，無論在高軌還是低軌，重離子單粒子翻轉(zhuǎn)是錯(cuò)誤率的主要貢獻(xiàn)因素，高能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)的貢獻(xiàn)較之小1個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于太陽宇宙射線，高能質(zhì)子對(duì)錯(cuò)誤率的貢獻(xiàn)超過重離子的貢獻(xiàn)。

圖5 高能質(zhì)子和重離子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率對(duì)比Fig.5 Comparison of error rate for high energy proton and heavy ion induced single event upset

總地來說，由于太陽質(zhì)子事件、地球俘獲帶質(zhì)子貢獻(xiàn)，低能質(zhì)子敏感型元器件錯(cuò)誤率會(huì)顯著增加，空間應(yīng)用的元器件需具備抗低能質(zhì)子輻照的能力；對(duì)于加固元器件，需在太陽活動(dòng)劇烈時(shí)和地球俘獲帶范圍內(nèi)考慮高能質(zhì)子貢獻(xiàn)，其他情形需重點(diǎn)考慮重離子的貢獻(xiàn)。

2.2 不同軌道及環(huán)境模型對(duì)錯(cuò)誤率的影響

在不考慮低能質(zhì)子貢獻(xiàn)的條件下，表2列出了不同軌道及環(huán)境模型下的質(zhì)子和重離子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率。可看出，無論是地球同步軌道還是低地球軌道，發(fā)生如1972年8月大型太陽質(zhì)子事件時(shí)，太陽質(zhì)子事件引起的錯(cuò)誤率均要顯著高于其他情形2～6個(gè)數(shù)量級(jí)，盡管太陽質(zhì)子事件中主要成分是質(zhì)子，但是重離子與質(zhì)子引起的錯(cuò)誤率處于同一數(shù)量級(jí)；對(duì)于低地球軌道，銀河宇宙射線的貢獻(xiàn)小于地球俘獲帶的貢獻(xiàn)；對(duì)于地球同步軌道，質(zhì)子的貢獻(xiàn)顯著小于重離子的貢獻(xiàn)。太陽活動(dòng)會(huì)使地球俘獲帶錯(cuò)誤率有數(shù)量級(jí)的減小，但相較于太陽活動(dòng)引起的錯(cuò)誤率增加是微不足道的。

表2 不同軌道及環(huán)境模型下的質(zhì)子和重離子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率Table 2 Error rate for proton and heavy ion induced single event upset in different orbits and environmental modes

2.3 地球緯度對(duì)錯(cuò)誤率的影響

圖6 不同緯度下的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率對(duì)比Fig.6 Comparison of error rate for proton induced single event upset at different latitudes

地球緯度對(duì)錯(cuò)誤率的影響可看作是地球磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)。地球磁場(chǎng)一方面屏蔽銀河宇宙射線和太陽宇宙射線，顯著降低其引起的錯(cuò)誤率，另一方面俘獲外來射線形成地球俘獲帶，且在南大西洋異常區(qū)形成質(zhì)子聚集區(qū)，是近地軌道最嚴(yán)重的錯(cuò)誤率發(fā)生區(qū)域。圖6為不同緯度下的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率對(duì)比?？煽闯觯l(fā)生太陽質(zhì)子事件時(shí)，兩極的錯(cuò)誤率最高，這是由于地球磁場(chǎng)在兩極弱，所以太陽宇宙射線可從兩極到達(dá)近地軌道，從而引起錯(cuò)誤率的增加，隨緯度減小，地球磁場(chǎng)增強(qiáng)，太陽質(zhì)子事件引起的錯(cuò)誤率會(huì)急劇下降，到50°左右，即低于地球俘獲帶質(zhì)子的貢獻(xiàn)。對(duì)于地球俘獲帶，由于南大西洋異常區(qū)的貢獻(xiàn)，中緯度區(qū)域的錯(cuò)誤率明顯高于高低緯度兩側(cè)的錯(cuò)誤率。

2.4 閾值、飽和截面對(duì)錯(cuò)誤率的影響

單粒子效應(yīng)閾值、飽和截面作為輻照實(shí)驗(yàn)中得到的兩個(gè)最重要數(shù)據(jù)，對(duì)錯(cuò)誤率有直接的影響。在Weibull擬合函數(shù)中，飽和截面與錯(cuò)誤率呈正比變化。閾值與錯(cuò)誤率關(guān)系稍顯復(fù)雜，其與截面曲線形狀、輻射環(huán)境LET譜/能譜等都有相關(guān)性。

圖7為65 nm工藝4 M×18 bit SRAM在地球同步軌道及低地球軌道不同質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)閾值下錯(cuò)誤率的對(duì)比。可看出，隨質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)閾值增加，錯(cuò)誤率減小，當(dāng)閾值從0.1 MeV增加到15 MeV，低地球軌道-AP8MIN模型和太陽質(zhì)子事件兩種環(huán)境下錯(cuò)誤率減小不足1倍；地球俘獲帶質(zhì)子能譜較軟，閾值變化對(duì)錯(cuò)誤率影響不及太陽質(zhì)子事件明顯。

圖7 不同質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)閾值下的錯(cuò)誤率對(duì)比Fig.7 Comparison of error rate for proton induced single event upsetunder different proton energy thresholds

重離子單粒子翻轉(zhuǎn)閾值、飽和截面對(duì)錯(cuò)誤率的影響與質(zhì)子類似。采用地球同步軌道、CRME 96-M3環(huán)境模型、3 mm Al屏蔽，重離子單粒子翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)采用65 nm工藝4 M×18 bit SRAM重離子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖8所示，可看出，飽和截面與錯(cuò)誤率呈線性變化；LET閾值和錯(cuò)誤率的關(guān)系與環(huán)境LET譜形狀密切相關(guān)，LET閾值從10 MeV·cm2/mg增大至30 MeV·cm2/mg，錯(cuò)誤率減小了4個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8 不同重離子單粒子翻轉(zhuǎn)閾值及飽和截面下的錯(cuò)誤率對(duì)比Fig.8 Comparison of error rate for heavy ion induced single event upset under different LET thresholds and saturated sections

3 結(jié)論

利用北京HI-13串列加速器2～15 MeV低能質(zhì)子束流，對(duì)商業(yè)級(jí)65 nm工藝4 M×18 bit SRAM開展了質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低能質(zhì)子通過直接電離機(jī)制可在存儲(chǔ)器中引起顯著的單粒子翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)截面較核反應(yīng)機(jī)制引起的翻轉(zhuǎn)截面大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。完成了低能質(zhì)子、高能質(zhì)子和重離子單粒子效應(yīng)錯(cuò)誤率的預(yù)估及對(duì)比，不同軌道及環(huán)境下低能質(zhì)子錯(cuò)誤率占總錯(cuò)誤率的比例范圍為1%～86%，其中太陽質(zhì)子事件、地球俘獲帶中低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)引起的錯(cuò)誤率占主導(dǎo)，建議對(duì)空間應(yīng)用的元器件要求其對(duì)低能質(zhì)子不敏感。