現(xiàn)代納米集成電路質子單粒子效應研究進展

何安林，郭 剛，沈東軍，劉建成，史淑廷，范 輝，宋 雷

（中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京102413）

現(xiàn)代納米集成電路質子單粒子效應研究進展

何安林，郭 剛，沈東軍，劉建成，史淑廷，范 輝，宋 雷

（中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京102413）

近年來，隨著半導體工藝技術的迅速發(fā)展，質子單粒子效應研究的重要性上升到了一個新的高度。綜述了國際上納米集成電路質子單粒子效應研究的主要進展，如低能質子成為納米集成電路單粒子效應和軟錯誤率的主要貢獻因素，中高能質子與新型器件材料（如鎢）核反應研究成為質子單粒子效應新的熱點問題，介紹了中國原子能科學研究院在納米集成電路低能質子實驗方面開展的相關工作。

質子；單粒子效應；核反應；直接電離

空間輻射是影響空間衛(wèi)星、載人飛船和空間站安全的主要因素之一，而質子是空間輻射環(huán)境中含量最多的粒子，如銀河宇宙射線中質子占85%、α粒子占14%、重離子占1%；地球俘獲帶內帶的主要成分是質子和電子；太陽宇宙射線中質子也是主要組成部分。質子通過與半導體器件材料發(fā)生電磁和核相互作用從而引發(fā)單粒子效應，單粒子效應會導致器件工作失?；蛘邠p壞，如器件邏輯狀態(tài)發(fā)生錯誤導致衛(wèi)星或飛船工作異常，嚴重影響航天器的在軌安全性和可靠性。

近年來，隨著半導體技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代半導體器件和集成電路向著低特征尺寸、高集成度、低功耗、高性能等特點不斷發(fā)展，使得電路的工作電壓降低、敏感單元面積及間距減小，從而導致敏感節(jié)點的臨界電荷降低，使得質子單粒子效應越來越敏感。因此，針對納米級先進工藝器件的質子單粒子效應已成為國內外輻射效應研究領域重點關注的問題。

當前，國際上納米集成電路質子單粒子效應研究主要有兩個發(fā)展趨勢：1）從傳統(tǒng)的高能質子到涵蓋低能質子的可靠性評估要求；2）從傳統(tǒng)的硅材料發(fā)展到涵蓋高Z材料的質子核反應單粒子效應機制研究。本文主要結合這兩個趨勢對質子單粒子效應的發(fā)展進行綜述，然后介紹中國原子能科學研究院在HI-13串列加速器上開展的相關工作。

1 低能質子單粒子效應研究進展

1.1 實驗研究

對高度敏感器件而言，質子通過直接電離可以產生足夠多的電荷，從而引起單粒子翻轉。如圖1所示，隨著集成電路工藝的進步，單粒子翻轉臨界電荷迅速減小，如，在65 nm節(jié)點臨界電荷處于1 f C量級，相當于1μm電荷收集深度上線性能量傳輸（linear energy transfer，LET）閾值為0.1 MeV·cm2·mg－1（質子布拉格峰對應的LET值為0.5 Me V·cm2·mg－1）。對此，美國國家航空航天局（NASA）、IBM公司、范德比爾特大學、圣地亞國家實驗室等針對納米集成電路，尤其是65 nm工藝節(jié)點，開展了一系列的低能質子加速器輻照實驗、理論分析以及空間預估等研究工作，其主要的研究結論見最新發(fā)布的NASA單粒子效應評估指南［1］。

圖1 單粒子效應臨界電荷發(fā)展趨勢Fig.1 The single event effect critical charges are decreasing with the development of IC

2006年，Heidel等人利用IBM 3 Me V靜電加速器，針對65 nm工藝存儲器，利用氦離子傾角入射的方式，在大角度入射下發(fā)現(xiàn)了翻轉數(shù)異常增多的現(xiàn)象［2］。2007年，Rodbell等人通過低能質子（1.0～1.5 Me V）傾角入射的辦法，觀察到了鎖存器、存儲器單元中質子直接電離引起的翻轉效應［3］。由于傾角入射可以增加能量沉積，提高入射粒子的有效LET值，因此可以很好地解釋上述實驗現(xiàn)象。同時研究還證實器件工作電壓對翻轉數(shù)的影響，當工作電壓從1.6 V減小到0.8 V時，單粒子翻轉數(shù)增加了4倍。

2008年，Heidel等人研究證實，對于工藝尺寸為65 nm SOI工藝的存儲器，質子直接電離可以引起顯著的單粒子翻轉［4］。圖2為質子垂直入射引起的單粒子翻轉，實驗數(shù)據(jù)分別來自美國NASA戈達德航天飛行中心（GSFC）、勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）、加州大學戴維斯分校（UC Davis）、印第安納大學（IU）?？梢钥闯觯斮|子能量小于1 MeV時，翻轉截面異常增大，遠遠大于高能質子的飽和截面。2010年，Cannon等人研究了抗輻射加固級（RHBD cell B、C）與商業(yè)級90 nm工藝SRAM的重離子、高能質子以及低能質子的單粒子翻轉，如圖3所示，低能質子對商用器件表現(xiàn)出2～3個數(shù)量級的翻轉增強效應，而對于加固級的器件，低能質子單粒子翻轉增強趨勢變弱，但仍然顯著存在［5］。

圖2質子在65 nm工藝SRAM中引起的單粒子翻轉Fig.2 Proton single event upsets for a 65 nm SRAM

圖3 加固與商用器件的單粒子翻轉Fig.3 Single event upsets for RHBD and commercial cell

1.2 理論研究

為了滿足低能質子單粒子效應的研究需要，國際上主要針對理論研究方法和模型開展了很多工作。Sierawski等人針對美國范德比爾特大學研究的輻射沉積能量模型（MRED），圍繞65 nm體硅CMOS工藝SRAM器件低能質子單粒子翻轉，在MRED模型中引入了低能質子單粒子翻轉計算方法，考慮質子與器件材料的不同相互作用模式，如圖4所示；同時結合單粒子效應截面實驗數(shù)據(jù)，可以準確預測從低能質子直接電離機制到高能核反應機制下的單粒子效應截面數(shù)據(jù)以及空間錯誤率，如圖5所示，采用MRED計算得到的截面數(shù)據(jù)與實驗結果非常吻合［6］。

圖4 不同能量下質子與器件材料相互作用示意圖Fig.4 Interaction of incident protons with device materials

圖5 模擬和實驗的質子截面Fig.5 Simulated and experimental proton cross sections

同時用MRED還可以分析空間錯誤率，圖6為國際空間站軌道不同粒子種類下單粒子翻轉臨界電荷與錯誤率的關系。可以看出，在小尺寸器件中，質子直接電離是錯誤率的主要因素，遠遠超過空間輻射中含量較多的氦、鐵等重離子的貢獻。

圖6 國際空間站軌道錯誤率與特征電荷關系的模擬結果Fig.6 Simulated error rate as a function of critical charges for international space station orbit

歐洲最具代表性的工作是法國國家空間中心的MUSCA SEP研究［3］，主要基于蒙特卡羅方法模擬輻射事件，其輸出（通常是電荷）則利用ADDICT進行模擬。模擬中考慮了電流傳輸模型、動態(tài)輸運、收集電荷模型等。用MUSCA SEP不僅可以研究傳統(tǒng)的重離子單粒子效應，還可以研究空間、大氣、近地空間中質子、中子等通過核反應或直接電離引起的單粒子效應。圖7為基于巴黎－洛杉磯平流層氣球飛行實驗中某款65 nm工藝SRAM錯誤率（SER）數(shù)據(jù)的實測及分析研究結果，從圖中可以看出，在高度為35 km的平流層環(huán)境，質子和中子是單粒子錯誤率的主要貢獻因素，其中質子直接電離對單粒子錯誤率的貢獻又最為主要［7］。

圖7 65 nm工藝器件錯誤率隨高度的變化Fig.7 SER vs.flight duration for a 65 nm SRAM

2 高能質子單粒子效應研究進展

為減少成本，通常使用重離子進行單粒子加固性能考核實驗。如果器件單粒子效應的重離子LET閾值足夠高，一般不再進行質子實驗，但事實上對這個足夠高的LET值沒有明確定義。通用的實驗指南認為該值是15 Me V·cm2·mg－1，這是質子和硅發(fā)生核反應時產生次級粒子的最大LET值，如果LET閾值高于該值，質子實驗可能推遲或者取消，但是這個假設的有效性并沒有得到過全面驗證。對納米集成電路輻射效應的深入研究發(fā)現(xiàn)，這個值應該重新定義，因為高能質子會與高原子序數(shù)Z器件材料進行核反應。

最初，國外的研究集中在能量相關性上，國外早期研究認為，低于100 Me V能量質子單粒子效應實驗顯著低估了器件的敏感性。隨后美國圣地亞國家實驗室的Schwank意識到質子能量對質子單粒子效應有新的重要影響［8］，并明確分析出是高Z材料導致高能質子單粒子效應截面增強。Schwank采用了5種不同特征尺寸、加固和非加固型號的SRAM，同時利用加拿大TRIUMF質子輻照裝置，質子能量范圍為20～500 MeV。最后發(fā)現(xiàn)，溫度為85℃，器件D在223 Me V時發(fā)生了單粒子閂鎖（single event latchup，SEL），器件E在490 MeV時發(fā)生了SEL，同時器件D和E的重離子SEL閾值大于16 Me V·cm2·mg－1，顯著大于質子與硅核反應次級粒子最大LET值，如圖8所示，其SEL需要歸因于其他因素，或不能歸因于質子與硅核反應。

質子與硅核反應產生的次級粒子LET值不會達到該值，Schwank等人經過對核反應數(shù)據(jù)計算和分析認為，高LET值次級粒子是由質子與鎢核反應產生的。圖9為質子與硅、銅、鎢等發(fā)生核反應時的次級粒子LET值分布圖。從圖中可以明顯看出，無論是低能35 Me V還是高能498 MeV，質子與硅核反應次級粒子LET值都小于15 Me V·cm2·mg－1，這與傳統(tǒng)研究結論相符；但是當質子與高Z材料（如銅、鎢等）核反應時，其次級粒子LET值達到30 Me V·cm2·mg－1，該值與器件D的重離子LET閾值相近，結合對鎢在互聯(lián)層中的分布及體積估算，鎢引起的SEL截面計算值與實驗值相符。

圖8 單粒子鎖定實驗數(shù)據(jù)Fig.8 Experimental data for single event latch up

圖9 質子與器件材料核反應次級粒子LET值分布Fig.9 LET distribution of secondary particles in proton nuclear reaction with device materials

目前集成電路制造工藝中，為滿足高性能、高速度工作要求，廣泛使用Cu互聯(lián)，而非以往的Al互聯(lián)；同時隨著集成電路制造工藝的發(fā)展，將不斷使用新型高Z材料，如Co（頻繁使用于鈦硅化合物中）、Hf（新型柵介質材料）和Ta（先進雙金屬柵CMOS工藝）。隨著上述高Z材料在半導體器件中的廣泛使用，核反應高LET次級粒子引起的單粒子效應的重要性將增強。上述變化帶來了傳統(tǒng)的理論分析、試驗標準、可靠性指標等研究的顯著改變。比如，傳統(tǒng)的可靠性評估標準認為重離子LET閾值為15 Me V·cm2·mg－1時不考慮質子評估實驗，但是由于高Z器件材料的廣泛應用，重離子LET閾值到30 Me V·cm2·mg－1時仍需考慮質子敏感性問題。

質子與高Z材料核反應對單粒子效應研究帶來的主要困難在于如何實現(xiàn)經濟上可行、科學上有效的抗輻射性能評價。對于俘獲帶質子，質子最大能量是400 MeV，其他環(huán)境質子能量會更高，而目前世界上很少有能量大于500 Me V的質子輻射源；另外，高Z材料核反應中高LET值截面很小，實驗可能根本測量不到，這些問題都可能給可靠性評估帶來嚴重的困難。文獻［8］提出的一種解決方法是：質子輻射源的能量是200 Me V，而環(huán)境質子能量是400 Me V，如果200 Me V時沒發(fā)生SEL，則可以假設發(fā)生一次SEL來估計200 Me V下的SEL錯誤率；對200～400 Me V，可以假設質子數(shù)為104cm－2發(fā)生一次SEL，然后以此計算總的SEL錯誤率，104cm－2是根據(jù)質子與典型器件材料核反應截面上限估計出來的，在這種情況下，通過200 Me V實驗仍然可以得到滿意的可靠性評估結果。這種方法的核心思想是可靠性合格條件建立在元器件應用環(huán)境中的質子能量以及可以忍受的SEL錯誤率之上，例如，當器件SEL閾值能量在環(huán)境最大質子能量之下，而這個SEL錯誤率低于可以接受的SEL錯誤率，則可以認為該器件滿足質子SEL可靠性要求。

3 中國原子能科學研究院的相關工作

中國原子能科學研究院利用北京HI-13串列加速器開展了納米集成電路低能質子單粒子效應研究工作［9］。北京HI-13串列加速器是目前我國開展單粒子效應研究的主要加速器之一，主要應用于航天關鍵電子器件空間應用考核以及基礎研究。該加速器具備質子加速能力，在質子單粒子效應研究方面的主要優(yōu)勢是質子能量覆蓋了低能以及部分中能區(qū)域，具備同時開展低能質子直接電離以及高能核反應機制單粒子效應研究的潛力。此外，該加速器能量單色性好，可以在一定程度上減小質子能量離散度，適合開展低能質子單粒子效應實驗研究。

北京HI-13串列加速器“單粒子效應專用重離子輻照裝置”主要由束流控制系統(tǒng)（偏轉磁鐵、掃描磁鐵、四極透鏡、自動可調狹縫）、實驗靶室系統(tǒng)（束流預分析靶室T1、束流定位靶室T2、束流診斷靶室T3、樣品輻照靶室T4）和各真空系統(tǒng)等設備組成，如圖10所示。實驗時，加速器產生的束流經前端分析磁鐵篩選、引出，通過開關磁鐵到達實驗二廳R20管道（Q3D實驗管道），然后通過偏轉磁鐵將束流偏轉41°引至專用輻照管道，器件輻照由管道終端的T4靶室完成。

圖10 微電子器件單粒子效應專用重離子輻照裝置Fig.10 Heavy ion irradiation facility for SEE

北京HI-13串列加速器所提供的初始質子能量范圍為6～26 MeV，不能滿足低能質子直接電離實驗的需要，且R20支線管道主要用來開展重離子輻照實驗，沒有開展過質子單粒子效應實驗；同時低能質子單粒子效應實驗對質子束流要求較高，如當質子能量在1 Me V以下時已接近其射程末端，需提高質子能量純度以減小質子在器件敏感區(qū)沉積能量的歧離，使質子能量與翻轉截面對應，因此必須開展質子降能、降束、擴束及束流調試等研究，以獲得可應用于低能質子單粒子效應實驗的1～6 MeV質子束。

質子降能主要通過在T3靶室加降能片的方式實現(xiàn)，降能片的大小和厚度需精確設計，使得僅通過調節(jié)加速器高壓即可得到合適的質子能量。加速器提供的質子束流強度為幾納安，不能直接用于單粒子效應實驗，借助R20支線管道原有的狹縫儀加掃描磁鐵組合的降束技術，采用散焦降束辦法獲得原始小束斑，然后采用磁場相互垂直的兩組掃描磁鐵分別加上相同振幅和不同頻率的三角波函數(shù)激磁電流驅動，在樣品輻照靶室獲得均勻的掃描大束斑，目前質子輻照裝置的主要參數(shù)如表1所列。

表1 質子輻照裝置參數(shù)Tab.1 Proton irradiation facility specifications

實驗中選用的器件為體硅CMOS工藝4 M×18 bit的大容量SRAM，器件特征工藝尺寸為65 nm，6管結構，封裝模式為BGA倒封裝。器件原始襯底厚度約200μm，實驗前減薄至約50μm。實驗中選取如表2所列的質子能量進行輻照。質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±2.4）μm和50μm（等效硅厚度），經SRIM計算，敏感區(qū)處的最低有效質子能量可達0.1 Me V，其LET值覆蓋了低能質子區(qū)的主要LET值范圍。

表2 實驗中使用的束流參數(shù)Tab.2 Beam parameters used in the experiment

實驗獲得的器件翻轉截面與質子能量的關系如圖11所示（質子能量以穿過器件覆蓋層的能量為準），其中翻轉截面誤差考慮了翻轉數(shù)統(tǒng)計誤差及注量測量誤差的貢獻?？梢钥闯?，當質子能量大于10 Me V時，隨質子能量增加，翻轉截面增加；當質子能量小于10 Me V時，隨質子能量降低，翻轉截面急劇上升；當質子能量降低至1 Me V左右，翻轉截面增大了2～3個量級；當質子能量繼續(xù)降低至0.1 Me V，仍能測試到翻轉現(xiàn)象，但其翻轉截面有所降低。

圖11 質子單粒子翻轉實驗數(shù)據(jù)Fig.11 Experimental data of proton single event upsets

結合理論分析，得到實驗器件的臨界電荷Qc＝0.97 f C。假設電荷收集深度為1μm，通過SRIM計算可以得到LETth等于0.97 fC·μm－1或0.094 MeV·cm2·mg－1，即能量低于2.5 MeV的質子均可通過直接電離引起單粒子翻轉。在空間預估分析中，采用文獻［9］給出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（太陽耀斑質子、CREME96模型、2.54 cm鋁屏蔽、最糟糕周），0.1～1.6 MeV質子對應的注量率為1.2×106m－2·s－1，大于 15 Me V 的質子注量率為7.8×107m－2·s－1，同時取低能質子翻轉截面比高能質子翻轉截面大2～3個數(shù)量級，可得到低能質子引起的錯誤率是高能質子的1.5～15倍。

4總結

隨著納米集成電路的廣泛應用，質子單粒子效應的重要性上升到了一個新的臺階，尤其以低能質子和新型高Z器件材料核反應更為顯著。相關的研究成果已經不再局限于基礎研究階段，而是上升到工程評價標準，如美國NASA在2009年提出：90 nm工藝以下的器件需要考慮低能質子評估，重離子LET閾值低于37 Me V·cm2·mg－1需要考慮質子評估。目前北京HI-13串列加速器已經具備低能質子單粒子效應實驗能力，同時，北京串列升級工程100 Me V質子回旋加速器于2014年7月成功出束，國內質子單粒子效應研究將迎來重要的發(fā)展機遇。

［1］LABEL K A.Proton single event effects（SEE）guideline ［EB／OL］.NASA Electronic Parts and Packaging（NEPP）Program Office of Safety and Mission Assurance，2009.http：／／www.nasa.gov.

［2］HEIDEL D F，RODBELL K P，OLDIGES P，et al.Singleevent-upset critical charge measurements and modeling of 65 nm silicon-on-insulator latches and memory cells［J］.IEEE Trans Nucl Sci，2006，53（6）：3 512- 3 517.

［3］RODBELL K P，HEIDEL D F，TANG H H K，et al.Lowenergy proton-induced single-event-upsets in 65 nm node，silicon-on-insulator，latches and memory cells［J］.IEEE Trans Nucl Sci，2007，54（6）：2 474- 2 479.

［4］HEIDEL D F，MARSHALL P W，LABEL K A，et al.Low energy proton single-event-upset test results on 65 nm SOI SRAM［J］.IEEE Trans Nucl Sci，2008，55（6）：3 394-3 400.

［5］CANNON E H，CABANAS-HOLMEN M，WERT J，et al.Heavy ion，high-energy，and low-energy proton SEE sensitivity of 90 nm RHBD SRAMs［J］.IEEE Trans Nucl Sci，2010，57（6）：3 493- 3 499.

［6］SIERAWSKI B D，PELLISH J A，REED R A，et al.Impact of low-energy proton induced upsets on test methods and rate predictions［J］.IEEE Trans Nucl Sci，2009，56（6）：3 085 -3 092.

［7］PERONNARD P，VELAZCO R，HUBERT G.Real-life SEU experiments on 90 nm SRAMs in atmospheric environment：Measures versus predictions done by means of MUSCA SEP3 platform［J］.IEEE Trans Nucl Sci，2009，56（6）：3 450-3 455.

［8］SCHWANK J R，SHANEYFELT M R，BAGGIO J，et al.Effects of particle energy on proton-induced single-event latchup［J］.IEEE Trans Nucl Sci，2005，52（6）：2 622-2 629.

［9］ 何安林，郭剛，陳力，等.65 nm工藝SRAM低能質子單粒子翻轉實驗研究［J］.原子能科學技術，2014，48（12）：2 364-2 369.（HE An-lin，GUO Gang，CHEN Li，et al.Single event upset test of low energy proton on 65nm SRAM［J］.Atomic Energy Science and Technology，2014，48（12）：2 364 -2 369.）

Research Progress of Proton Single-Event-Effects on Nano-ICs

HE An-lin，GUO Gang，SHEN Dong-jun，LIU Jian-cheng，SHI Shu-ting，F(xiàn)AN Hui，SONG Lei
（Department of Nuclear Physics，China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

With the rapid development of semiconductor technology，the importance of proton single event effects（SEEs）research has reached a new height.In this review，the progress of proton SEEs research on nanometer integrated circuits is presented.Low energy proton induced SEEs and Soft Error Rate（SER）can be a significant contribution to total proton SEEs and SER in space，and proton interactions with new device materials like tungsten become a research focus in the field of proton induced SEEs.The research work in low energy proton induced SEEs experiment on nanometer-scale semiconductor devices done in China Institute of Atomic Energy is introduced.

proton；single event effects；nuclear reaction；direct ionization

TN406

A

2095- 6223（2015）02- 118- 07

2014- 09- 30；

2015- 02- 12

國家自然科學基金資助項目（11105230）

何安林（1986－ ），男，重慶黔江人，助理研究員，碩士，主要從事宇航器件質子輻射實驗技術及評估方法研究。

E-mail：anlinhe＠126.com