高能電子單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)研究

許北燕，郭 剛，曾自強(qiáng)，楊京鶴，韓金華

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

在以往的單粒子效應(yīng)研究中，主要以研究質(zhì)子、重離子和中子等高能粒子為主，而電子本身質(zhì)量較小(僅為質(zhì)子的1/1 837)，相對(duì)于質(zhì)子和重離子等對(duì)器件單粒子效應(yīng)的影響較小，因此電子單粒子效應(yīng)的研究較少。但隨器件特征工藝尺寸的不斷降低，工作電壓不斷減小，工作頻率不斷增加，器件的單粒子效應(yīng)敏感性越來(lái)越高，電子單粒子效應(yīng)造成的影響可能變得嚴(yán)重，因此這種現(xiàn)象逐漸受到研究者的重視。King等[1]研究了28 nm和45 nm靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)下電子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)，Gadlage等[2]研究了高能電子引起的45 nm SRAM的軟錯(cuò)誤，Samaras等[3]開(kāi)展了基于45 nm CMOS工藝的電子單粒子翻轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)特性與模擬研究，Trippe等[4]研究了28 nm和45 nm的體硅SRAM電子單粒子翻轉(zhuǎn)，Gadlage等[5]研究了高能電子在FPGA中引起的多位翻轉(zhuǎn)，Samaras等[6]進(jìn)行了45 nm FPGA電子單粒子翻轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)和仿真模擬研究。

SRAM器件作為航天器電子系統(tǒng)常用的芯片類型之一，其抗單粒子效應(yīng)的能力備受關(guān)注。本文基于中國(guó)原子能科學(xué)研究院的2 MeV自屏蔽電子加速器和10 MeV電子直線加速器，利用45 nm工藝的SRAM開(kāi)展電子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

1 電子單粒子效應(yīng)的物理機(jī)制

微電子器件的單粒子效應(yīng)敏感性一直是航天器安全可靠運(yùn)行需考慮的關(guān)鍵因素之一，通常基于重離子加速器或質(zhì)子加速器進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。不同于質(zhì)子或重離子在靶材料中有著確定的射程和路徑，電子在靶物質(zhì)中的射程和路徑是隨機(jī)的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，單能電子入射到材料中的射程歧離可達(dá)10%～15%。電子與硅材料中的相互作用有兩種方式[7-8]：1) 直接電離作用，即與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，從而使物質(zhì)電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)；2) 間接電離作用，即電子與原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，這些次級(jí)粒子在物質(zhì)中電離電子空穴對(duì)進(jìn)而引發(fā)單粒子效應(yīng)。同時(shí)，高能電子還會(huì)與材料相互作用產(chǎn)生韌致輻射，而韌致輻射釋放的高能光子會(huì)導(dǎo)致光核反應(yīng)，光核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子同時(shí)會(huì)引發(fā)單粒子效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本工作中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的2 MeV自屏蔽電子加速器和10 MeV電子直線加速器上進(jìn)行。

2.1 2 MeV自屏蔽電子加速器

2 MeV自屏蔽電子加速器[9]采用高功率微波在加速管內(nèi)為電子加速，提供能量，通過(guò)掃描磁鐵將電子束掃描成電子簾，經(jīng)過(guò)鈦窗射出，對(duì)被照物進(jìn)行輻照。加速器采用自屏蔽設(shè)計(jì)，使得加速器能在普通房間加高壓出束。加速器主要由加速器主體、高壓脈沖調(diào)制器、恒溫水冷機(jī)組、控制臺(tái)和屏蔽5部分組成。其中，加速器主體包括加速管、微波系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、掃描磁鐵、冷卻與排風(fēng)、傳送機(jī)構(gòu)等。加速器基本參數(shù)為：電子束能量，2 MeV；束流功率，1 kW；重復(fù)頻率，50～250 Hz；被處理物品尺寸，<100 mm×500 mm×500 mm；自屏蔽，無(wú)特殊使用環(huán)境要求。

2.2 10 MeV電子直線加速器

10 MeV電子直線加速器[10]采用射頻型加速結(jié)構(gòu)，加速管的高功率微波由磁控管提供，經(jīng)由波導(dǎo)傳輸元件如彎波導(dǎo)、定向耦合器、波導(dǎo)窗等饋入加速管內(nèi)。饋入加速管的功率在加速管內(nèi)建立加速電場(chǎng)，一部分功率被束流負(fù)載吸收，一部分損耗在加速管管壁上。電子槍提供的電子束流在加速管內(nèi)與射頻加速電場(chǎng)相互作用而獲得能量，通過(guò)束流管道進(jìn)行擴(kuò)束和掃描，經(jīng)過(guò)一定距離的漂移空間，照射到實(shí)驗(yàn)體。加速器主體的性能和指標(biāo)為：束流能量，10 MeV；束流平均最大功率，20 kW；束流平均最大流強(qiáng)，2.0 mA；微波工作頻率，(2 856±0.5) MHz；脈沖重復(fù)頻率，50～500 Hz可調(diào)；脈沖寬度，16 μs；掃描寬度，800 mm(鈦窗下500 mm處)；束斑大小，φ50 mm(鈦窗下500 mm處)；束流穩(wěn)定性，≤±5%。

2.3 器件選取

本工作選用ISSI公司生產(chǎn)的45 nm CMOS工藝的SRAM，封裝方式為48管腳BGA封裝，尺寸為6 mm×8 mm。

3 實(shí)驗(yàn)方案

樣品布置于實(shí)驗(yàn)大廳中的位移平臺(tái)上，位移平臺(tái)通過(guò)控制器連接到控制室的上位機(jī)進(jìn)行控制，位移平臺(tái)可調(diào)節(jié)芯片進(jìn)行水平位置的移動(dòng)。加速器出束后，先將自制法拉第筒移到束流出口處，實(shí)時(shí)測(cè)量注量率，并調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)所需注量率，完成加速器束流調(diào)節(jié)后將芯片移至束流中心進(jìn)行輻照，同時(shí)利用SRAM單粒子效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)并記錄。

3.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)難點(diǎn)

1) 弱束流的獲取

文獻(xiàn)[3]表明，在進(jìn)行電子單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)束流強(qiáng)度應(yīng)保持在1×108cm-2·s-1(約為pA量級(jí))，而中國(guó)原子能科學(xué)研究院現(xiàn)有電子直線加速器的束流為1×1013cm-2·s-1(μA量級(jí))或1×1016cm-2·s-1(mA量級(jí))，這可能會(huì)引發(fā)器件的總劑量效應(yīng)。因此，本實(shí)驗(yàn)需完成加速器的降束實(shí)驗(yàn)來(lái)引出弱束流。

加速器預(yù)熱完成后利用法拉第筒對(duì)束流強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量前利用塑料片觀察束斑，確定出電子束流中心位置，在該位置使用法拉第筒進(jìn)行測(cè)量，在電子加速器重復(fù)頻率為5 Hz、脈沖寬度為320 ns、燈絲電壓為4.97 V、法拉第筒開(kāi)口面積為0.255 cm2的條件下，電子束流強(qiáng)度穩(wěn)定在1.1×108cm-2·s-1(4.5 pA)，所得到的注量率符合實(shí)驗(yàn)要求，即達(dá)到了進(jìn)行電子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的要求。

2) 低噪聲法拉第筒的設(shè)計(jì)

對(duì)低至1×108cm-2·s-1(pA量級(jí))的電子束流進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量為本研究的難點(diǎn)，這是確定輻照到器件上的電子注量率的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，關(guān)系到測(cè)量的電子單粒子效應(yīng)截面的準(zhǔn)確性。本文通過(guò)參考文獻(xiàn)[11]自行設(shè)計(jì)制造了pA級(jí)低噪聲法拉第筒，其測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定且準(zhǔn)確，性能良好，并在電子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中投入使用。

設(shè)計(jì)的法拉第筒可測(cè)量到pA量級(jí)的電子束流，其工作原理為：吸收所有反射的電子，增加真二次電子的反射系數(shù)，從而降低電子的逸出量。法拉第筒的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：透射孔直徑、吸收體厚度、內(nèi)筒直徑和長(zhǎng)度，透射孔直徑反映了測(cè)量面積大小。法拉第筒的電流I為：

(1)

式中：A為法拉第筒接收電子的面積；ΔT為入射電子的時(shí)間；N為ΔT時(shí)間內(nèi)入射到法拉第筒的電子數(shù)目；J為電子束流強(qiáng)度；ΔQ為進(jìn)入法拉第筒內(nèi)的電荷量；e為電子電量。

測(cè)量面積較大，則測(cè)量得到的電流也較大，但較大的測(cè)量面積不能反映束流密度局部分布情況，而電流太小會(huì)給測(cè)量帶來(lái)困難，如難以降低本底噪聲等。吸收體厚度取決于電子在吸收體金屬中的射程，與電子能量有關(guān)，可根據(jù)能量與射程的關(guān)系選取。內(nèi)筒直徑無(wú)特殊要求，一般可參照透射孔直徑或按照法拉第筒結(jié)構(gòu)確定。內(nèi)筒長(zhǎng)度與背散射、二次電子抑制方法有關(guān)，若長(zhǎng)度較短，在電子束流測(cè)試中二次電子則會(huì)從法拉第筒逸出，從而使束流密度減小，造成測(cè)量誤差。

考慮電子入射后的反射系數(shù)，在常用的材料中選擇了反射系數(shù)較小的鋁作為法拉第筒吸收體材料，厚度根據(jù)常用的材料電子射程計(jì)算得到，吸收體的結(jié)構(gòu)主要考慮逸出電子的反射。為抑制電子反射，采用多次反射的方法及吸收體底面為斜面的方法使反射電子全部被吸收。

3) SRAM長(zhǎng)距離測(cè)試系統(tǒng)

芯片存儲(chǔ)容量為2×16M，其中可能導(dǎo)致的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)目尚未確定，如何對(duì)其中單粒子翻轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)為本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。單粒子翻轉(zhuǎn)測(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)試板、輻照板和上位機(jī)3部分組成。測(cè)試板包括下位機(jī)微控制器ARM模塊、FPGA、電平轉(zhuǎn)換模塊。ARM模塊負(fù)責(zé)測(cè)試板與上位計(jì)算機(jī)間的通信。存儲(chǔ)器地址信號(hào)發(fā)生和測(cè)試時(shí)序生成電路及效應(yīng)信號(hào)處理電路均通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)。測(cè)試板上的譯碼電路、控制器、數(shù)據(jù)緩沖器、翻轉(zhuǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)電路、電流監(jiān)測(cè)及保護(hù)控制電路均利用FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)PCB極的復(fù)雜性，且使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快，調(diào)試及升級(jí)更加快捷。電平轉(zhuǎn)換模塊可完成1.5、1.8、3.3、5 V等多種接口電平的轉(zhuǎn)換。測(cè)試板與上位機(jī)之間利用網(wǎng)線進(jìn)行連接，測(cè)試板與輻照板之間利用<2 m的扁平線連接。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

輻照過(guò)程中，在束流出口位置放置自制法拉第筒，用于確定電子的注量率。電子入射到法拉第筒中，與收集物質(zhì)發(fā)生電離作用而被阻止時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)電流，通過(guò)計(jì)算則可獲得對(duì)應(yīng)的注量率。

在使用法拉第筒測(cè)量電子注量率時(shí)，部分電子會(huì)發(fā)生散射，對(duì)器件造成影響，因此需從外部關(guān)閉電壓，不對(duì)器件供電。當(dāng)電子加速器的注量率穩(wěn)定后，移走法拉第筒，開(kāi)啟電源，將數(shù)據(jù)填充到器件中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，并觀察器件電流有無(wú)變化。輻照后，將器件由出束口位置移出，再次將法拉第筒移到出束口的位置，重復(fù)測(cè)量電子的注量率，并將兩次結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若兩次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差在5%以內(nèi)，則認(rèn)為通過(guò)法拉第筒測(cè)試的注量率是可靠的。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于電子加速器的電子槍發(fā)射電子時(shí)，需等候較長(zhǎng)時(shí)間，若頻繁啟動(dòng)加速器，會(huì)對(duì)加速器造成影響。關(guān)閉加速器后，再次開(kāi)啟，需重新預(yù)熱，等待束流穩(wěn)定的時(shí)間花費(fèi)過(guò)長(zhǎng)。因此對(duì)兩款輻照的器件均采用遠(yuǎn)程控制動(dòng)態(tài)測(cè)試，即在輻照過(guò)程中，在正常的電源電壓下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)時(shí)讀取器件中的數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則記錄錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本次輻照實(shí)驗(yàn)選用注量率為2×1013cm-2·s-1的2 MeV自屏蔽電子加速器及注量率為2×108cm-2·s-1的10 MeV能量可調(diào)的電子直線加速器，進(jìn)行電子單粒子實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1) 電子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)法拉第筒觀察到電子束流穩(wěn)定后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。分別調(diào)節(jié)電子直線加速器的能量為2、8、10 MeV進(jìn)行輻照。同時(shí)調(diào)整SRAM器件的工作電壓，獲取器件在不同條件下的電子單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線，如圖1所示。

由圖1可看出，SRAM芯片在高能電子輻照條件下可發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，同時(shí)電子單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)截面隨入射電子能量的增大而增大，電子單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨工作電壓的增大而減小。其原因是器件的臨界電荷決定器件的翻轉(zhuǎn)截面大小，而器件的工作電壓越小則器件的臨界電荷越小，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)截面越大。

2) 質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

為探究質(zhì)子單粒子效應(yīng)與電子單粒子效應(yīng)的異同性，選取同款SRAM芯片開(kāi)展了質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究。實(shí)驗(yàn)前對(duì)SRAM分別寫(xiě)入全0和全1的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，輻照后統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)情況，結(jié)果如圖2所示。質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨質(zhì)子能量的增大而增大，該器件的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面約為1×10-15cm2/bit數(shù)量級(jí)，該數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[12]報(bào)道結(jié)果較為吻合。同時(shí)該器件的0-1、1-0翻轉(zhuǎn)截面基本相同，說(shuō)明該器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面與寫(xiě)入模式關(guān)系不大。

圖1 不同工作電壓下45 nm SRAM器件電子單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨能量的變化Fig.1 Electron single event upset cross section of 45 nm SRAM vs energy under different working voltages

圖2 45 nm SRAM器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨能量的變化Fig.2 Proton single event upset cross section for 45 nm SRAM vs energy

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1) 直接電離

通過(guò)SRIM計(jì)算可知，15 MeV質(zhì)子LET值為(dE/dx)質(zhì)子=5.8 keV/μm；根據(jù)文獻(xiàn)[13]的公式計(jì)算可知，2～10 MeV電子的LET值為(dE/dx)e=0.465 keV/μm，即質(zhì)子的LET值為電子的10倍。

假設(shè)耗電層厚度為1 μm，電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)全部被收集，則在2～10 MeV電子的沉積電荷約為0.02 fC，15 MeV質(zhì)子的沉積電荷為0.258 fC，小于45 nm SRAM器件單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷，因此無(wú)法通過(guò)直接電離作用引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)。

另一方面，對(duì)于本次電子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)所選能區(qū)，若引發(fā)單粒子效應(yīng)的機(jī)制是直接電離，那么電子單粒子效應(yīng)截面會(huì)隨能量的增大而減小，因?yàn)殡娮釉诠柚械腖ET值會(huì)隨能量的增大而降低，而本次實(shí)驗(yàn)中，電子單粒子效應(yīng)截面隨能量的增大而增大，因此該器件的單粒子效應(yīng)應(yīng)不是電子的直接電離引發(fā)的。

2) 間接電離

電子核反應(yīng)截面較同能量的質(zhì)子核反應(yīng)截面小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)[2]，本次實(shí)驗(yàn)中的電子單粒子翻轉(zhuǎn)截面較質(zhì)子的約小3個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，電子單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨電子能量的增大而增大，與電子核反應(yīng)和光核反應(yīng)的截面隨電子能量的增大而增大的趨勢(shì)是一致的。從這兩方面來(lái)看，本文中45 nm SRAM器件的電子單粒子效應(yīng)應(yīng)是由核反應(yīng)導(dǎo)致的間接電離引起的。

5 結(jié)論

本文基于2 MeV自屏蔽電子加速器和10 MeV電子直線加速器，利用45 nm SRAM器件開(kāi)展了電子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電子單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨工作電壓的減小而增大，隨入射電子能量的增加而增大，且較同能量的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面約小3個(gè)量級(jí)。該器件發(fā)生電子單粒子效應(yīng)主要是由核反應(yīng)導(dǎo)致的間接電離引起的。