基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測納米加固靜態(tài)隨機(jī)存儲器質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性*

羅尹虹 張鳳祁 郭紅霞 Wojtek Hajdas

1) (西北核技術(shù)研究院, 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710024)

2) (保羅謝勒研究所, 菲林根 5232 瑞士)

為實(shí)現(xiàn)對納米 DICE (dual interlocked cell)加固器件抗質(zhì)子單粒子能力的準(zhǔn)確評估, 通過對 65 nm雙DICE 加固靜態(tài)隨機(jī)存儲器 (static random access memory, SRAM)重離子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析, 獲取了其在重離子垂直和傾角入射時(shí)的單粒子翻轉(zhuǎn) (single event upset, SEU)閾值以及離子入射最劣方位角, 并結(jié)合蒙卡仿真獲取不同能量質(zhì)子與器件多層金屬布線層發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子LET(linear energy transfer)值最大值以及角度分布特性, 對器件在不同能量下的質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性進(jìn)行了預(yù)測, 質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測方法的有效性以及預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性, 并提出針對DICE加固類器件在重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)評估中均應(yīng)開展離子最劣方位角下的傾角入射試驗(yàn).

1 引 言

空間輻射環(huán)境下, 重離子、質(zhì)子是造成器件單粒子效應(yīng)的主要原因, 由于中高能質(zhì)子主要通過核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子引發(fā)單粒子效應(yīng), 所以質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面通常遠(yuǎn)小于重離子直接電離產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)截面, 但在空間低軌環(huán)境下, 高的質(zhì)子通量使得器件單粒子效應(yīng)主要來自于質(zhì)子[1,2].為準(zhǔn)確評估器件在軌單粒子錯誤率, 通常對器件應(yīng)開展重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)獲取器件單粒子效應(yīng)截面曲線.相比于質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)帶來的輻射活化和放射性殘留等問題, 以及用于開展單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的中高能質(zhì)子加速器的相對缺乏, 重離子實(shí)驗(yàn)更加易于開展.因此國際上提出了一些基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面的計(jì)算模型, 如 Peterson 模型[3]、Profit模型[4]、Edmonds模型[5]以及J.Barak模型[6]等, 這些模型通常做了很多近似假設(shè), 且主要考慮質(zhì)子與硅發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子.隨著器件工藝的不斷發(fā)展, 這些模型結(jié)果由于各自的局限性為空間質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)估帶來極大不確定性[7,8].在重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上基于蒙卡仿真計(jì)算質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面也是目前常用的一種手段, 由于器件靈敏體積的建立對于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要, 通常需結(jié)合重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)對靈敏體積幾何尺寸、臨界電荷、收集效率等參數(shù)進(jìn)行確定和校準(zhǔn), 該方法物理過程清晰, 對于非加固器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面的計(jì)算結(jié)果精度較高[9?11].但對于采用多節(jié)點(diǎn)冗余加固的器件, 不同敏感節(jié)點(diǎn)對的方向性、距離以及臨界電荷均存在差異, 在靈敏體積構(gòu)建時(shí)除考慮重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù), 還需要詳細(xì)的器件工藝和幾何信息結(jié)合TCAD (technology computer aided design)或SPICE (simulation program with integrated circuit emphasis)仿真對靈敏體積模型進(jìn)一步優(yōu)化, 難度和復(fù)雜性明顯增加[12?14].

因此開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)仍然是保障器件空間可靠應(yīng)用最直接有效的手段.但目前國內(nèi)僅有中國原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器可用于開展25 MeV以上質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn).對于一些非加固器件, 通常單粒子效應(yīng)LET閾值低, 質(zhì)子能量100 MeV時(shí)器件已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài),基本滿足單粒子效應(yīng)試驗(yàn)和空間質(zhì)子單粒子錯誤率預(yù)估的需求.而對于加固器件, 通常有高的單粒子效應(yīng)LET閾值[15?18], 則需要進(jìn)一步開展大于100 MeV的質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn), 歐空局單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法[19]中規(guī)定的最大質(zhì)子能量為200 MeV.由于質(zhì)子與硅核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子最大LET值不超過15 MeV·cm2/mg時(shí), 因此當(dāng)器件重離子LET閾值大于 15 MeV·cm2/mg 時(shí), 通常認(rèn)為無需再開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn).但隨著器件技術(shù)的發(fā)展,器件工藝中采用了一些新的金屬材料, 導(dǎo)致質(zhì)子與材料核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子種類、LET值分布更加廣泛, 最大LET值可能超過15 MeV·cm2/mg[20,21].為確保空間環(huán)境下關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性, 必須對這類加固器件的抗質(zhì)子單粒子能力進(jìn)行準(zhǔn)確地試驗(yàn)評估.由于國內(nèi)現(xiàn)有質(zhì)子加速器實(shí)驗(yàn)條件的限制, 能量100 MeV以上的質(zhì)子實(shí)驗(yàn)需要依托國外的質(zhì)子加速器開展, 實(shí)驗(yàn)成本昂貴, 實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)難以保障.因此基于重離子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 并結(jié)合蒙卡仿真獲取質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子分布, 對質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性進(jìn)行先期預(yù)測, 可以對器件是否需要開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)以及是否需開展100 MeV以上質(zhì)子實(shí)驗(yàn)進(jìn)行判斷和篩選, 從而降低對質(zhì)子試驗(yàn)機(jī)時(shí)的需求.

本工作基于65 nm雙DICE加固SRAM器件,依托國內(nèi)兩臺重離子輻照裝置獲取了重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果, 結(jié)合質(zhì)子蒙卡仿真獲取不同能量質(zhì)子與器件多層金屬布線層作用產(chǎn)生的次級粒子分布, 預(yù)測了該器件在國內(nèi)現(xiàn)有加速器最大質(zhì)子能量100 MeV時(shí)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大質(zhì)子能量200 MeV時(shí)的單粒子效應(yīng)敏感性, 質(zhì)子試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性, 并對開展此類器件重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)提出了建議.

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為 128 kbit雙 DICE SRAM, 采用65 nm 體硅 CMOS (complementary metal-oxidesemiconductor transistor)工藝, 圖1 為 DICE 存儲單元電路原理圖.由于DICE器件僅有一個(gè)靈敏節(jié)點(diǎn)對的兩個(gè)靈敏節(jié)點(diǎn)同時(shí)沉積足夠電荷才能引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn), 其抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力依賴于靈敏節(jié)點(diǎn)之間的距離.隨著器件特征尺寸的減小, 靈敏節(jié)點(diǎn)間距也隨之減小, DICE單元抗單粒子翻轉(zhuǎn)有效性降低.因此該SRAM存儲單元設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙DICE單元交叉版圖布局的設(shè)計(jì)方式(見圖2), 即在DICE單元每兩個(gè)相鄰晶體管之間插入另一個(gè)DICE單元相應(yīng)的晶體管, 通過采用交叉布局實(shí)現(xiàn)面積共用, 在不犧牲面積和功耗的情況下, 有效增加了DICE單元靈敏節(jié)點(diǎn)對之間的距離.當(dāng)器件存儲數(shù)據(jù)時(shí), 存在四組單粒子翻轉(zhuǎn)靈敏節(jié)點(diǎn)對, 當(dāng)任意一對靈敏節(jié)點(diǎn)收集電荷超過單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷時(shí), DICE單元發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn).表1列出了當(dāng)DICE存儲單元存儲不同數(shù)據(jù)時(shí)的靈敏節(jié)點(diǎn)對情況.圖2中標(biāo)注了存儲數(shù)據(jù)1時(shí)DICE單元的4組靈敏節(jié)點(diǎn)對分布情況.

圖1 DICE 存儲單元電路原理圖Fig.1.Diagram of the DICE memory cell.

2.2 重離子試驗(yàn)方案

圖2 雙DICE存儲單元交叉布局版圖示意圖以及存儲數(shù)據(jù)1時(shí)DICE單元4組靈敏節(jié)點(diǎn)對分布情況Fig.2.Layout diagram of dual DICE cells and the distribution of four sensitive pairs with “1”.

表1 雙DICE存儲單元存儲不同數(shù)據(jù)時(shí)的靈敏節(jié)點(diǎn)對Table 1.Sensitive pairs with different data stored in dual DICE cell.

重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)在中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器以及蘭州近物所回旋加速器重離子輻照裝置(HIRFL)上開展, 考慮到納米器件多層金屬布線層對重離子能量的衰減會影響有效LET值的表征, 表2列出了試驗(yàn)中所選用的離子種類信息并結(jié)合器件多層金屬布線層信息計(jì)算了入射到器件靈敏區(qū)的重離子有效LET值.

在一些指定離子開展了離子30°, 60°傾角入射試驗(yàn), 傾角入射時(shí)選用了兩種入射方位角, 分別為沿著器件X軸f= 0°即沿著阱的方向, 以及沿著Y 軸f= 90°即橫跨阱的方向傾角入射, 如圖3所示.為進(jìn)一步獲取器件單粒子翻轉(zhuǎn)最劣方位角, 根據(jù)四組靈敏節(jié)點(diǎn)對的方向, 在Br離子入射時(shí), 開展了四種方位角下即f= 0°,f= 45°,f= 90°,f=135°的傾角60°單粒子效應(yīng)試驗(yàn).試驗(yàn)中存儲單元填充的測試圖形均為55 H, 陣列工作電壓1.2 V.試驗(yàn)時(shí)采用動態(tài)輻照, 輻照過程中測試系統(tǒng)對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)回讀, 并對發(fā)生翻轉(zhuǎn)的單元地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄.

表2 試驗(yàn)離子種類信息Table 2.Ion species in Heavy ion testing.

圖3 重離子沿不同方位角傾斜 60°入射器件示意圖Fig.3.Schematic of heavy ion tilt 60° incidence along different orientational angle.

3 重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4給出了DICE SRAM器件重離子單粒子位翻轉(zhuǎn)截面與有效LET值的關(guān)系曲線, 并對垂直入射條件下器件單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了威布爾擬合.重離子垂直入射時(shí), F離子和Cl離子均未引起 SRAM發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn), 僅當(dāng) LET值23.5 MeV·cm2/mg的Ti離子入射且入射總注量達(dá)到1 × 107/cm2時(shí)才發(fā)生1次單粒子翻轉(zhuǎn).根據(jù)威布爾擬合結(jié)果可知, 重離子垂直入射時(shí), 器件單粒子翻轉(zhuǎn)閾值可達(dá) 22 MeV·cm2/mg, 而通常的非加固6管SRAM器件其單粒子翻轉(zhuǎn)閾值約為0.3 MeV·cm2/mg[22], 重離子試驗(yàn)結(jié)果表明采用雙DICE交叉布局方法極大提高了SRAM單元SEU閾值.重離子傾角入射時(shí), 當(dāng) LET 值 14 MeV·cm2/mg的Cl離子沿X方向30°傾角入射時(shí)就能引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn), 且翻轉(zhuǎn)截面高于Ti離子垂直入射時(shí)的SEU截面, 而沿Y方向30°傾角入射卻不能引發(fā)SEU, 這表明相比于離子沿Y方向入射, 沿X方向入射更易引起SEU且明顯降低器件SEU閾值, 此時(shí)單粒子翻轉(zhuǎn)閾值約為14 MeV·cm2/mg左右.

圖4 65 nm SRAM 重離子單粒子位翻轉(zhuǎn)截面曲線Fig.4.65 nm dual DICE SRAM heavy ion bit SEU cross section versus the effective LET.

對Br離子在四種方位角下傾角60° 入射時(shí)的SEU截面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知, 當(dāng)入射方位角f=45°,f= 135°時(shí), SEU 截面基本一致, 位于方位角f= 0°與f= 90°兩者 SEU 截面之間, 可見離子沿X方向傾角入射器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性最高,而沿Y方向傾角入射SEU敏感性最低.當(dāng)沿f=0°和f= 90°兩種方位角入射時(shí), 離子傾斜角度越大SEU截面差異越明顯.在I離子傾角30°時(shí), 離子沿X方向斜入射時(shí)的翻轉(zhuǎn)截面比Y方向斜入射時(shí)的截面高2倍, 而在傾角60°時(shí), 沿X方向斜入射時(shí)的翻轉(zhuǎn)截面比Y方向斜入射時(shí)的截面高7倍.另一方面, 當(dāng)離子沿Y方向傾角入射, 有效LET值 57.7 MeV·cm2/mg 以上時(shí), 單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨LET值的增加不再發(fā)生明顯變化, 進(jìn)入飽和狀態(tài);而離子沿X方向傾角入射時(shí), SEU截面隨LET值持續(xù)增加, 當(dāng)有效 LET 值達(dá)到 68 MeV·cm2/mg時(shí), SEU 截面已達(dá) 4.4 × 10–8cm2即 4.4 μm2, 高于垂直入射時(shí)器件的 SEU 飽和截面 1.4 × 10–8cm2,并遠(yuǎn)高于非加固標(biāo)準(zhǔn)6管SRAM存儲單元的面積0.50 或 0.625 μm2.可見, 對于 65 nm 工藝采用雙DICE的版圖設(shè)計(jì)增大敏感節(jié)點(diǎn)對之間的距離, 雖增大了器件單粒子翻轉(zhuǎn)閾值, 但高LET值時(shí)器件單粒子翻轉(zhuǎn)依然非常嚴(yán)重, 特別在沿X方向傾角入射時(shí).

CMOS器件通常采用雙阱工藝, 電荷漂移、擴(kuò)散和雙極放大是單粒子電荷收集的幾種主要機(jī)制.通常雙極放大效應(yīng)主要發(fā)生在N阱PMOS中, 因此為穩(wěn)定阱電勢避免寄生雙極晶體管開啟導(dǎo)致器件發(fā)生SEU, 器件版圖設(shè)計(jì)時(shí)(見圖2)在N阱中增加了實(shí)體N+ 保護(hù)環(huán), 而P阱中添加了P+ 間歇式保護(hù)環(huán).以存儲數(shù)據(jù)1為例, 當(dāng)離子垂直入射時(shí), 由于 N + 保護(hù)環(huán)的存在, 在N阱中沉積的電子僅引起入射晶體管下方阱電勢擾動, 電子將被保護(hù)環(huán)快速收集, 抑制電勢擾動的傳播, 因此間距遠(yuǎn)的敏感節(jié)點(diǎn)對AP2/AP4難以通過寄生雙極放大效應(yīng)同時(shí)收集足量電荷引發(fā)SEU.而空穴遷移率低, 擴(kuò)散距離有限, 且電荷在從AP2向AP4擴(kuò)散過程中DICE B的敏感節(jié)點(diǎn)BP2也將收集電荷,擴(kuò)散電荷量進(jìn)一步減少, 擴(kuò)散空穴也難以同時(shí)被AP2/AP4敏感節(jié)點(diǎn)對收集引發(fā) SEU.因此, 離子垂直入射時(shí), P阱中電子沿阱的方向擴(kuò)散引起NMOS敏感節(jié)點(diǎn)對AN1/AN3電荷收集是導(dǎo)致DICE A單元SEU的主要原因.而當(dāng)離子沿X方向傾角入射時(shí), 將使N阱中沿離子入射徑跡多個(gè)PMOS下方的阱電勢擾動, 使得敏感節(jié)點(diǎn)對AP2/AP4甚至BP2/BP4觸發(fā)寄生雙極放大效應(yīng); 同時(shí)P阱中離子徑跡穿過的多個(gè)NMOS下方也會由于電荷擴(kuò)散導(dǎo)致AN1/AN收集電荷, 二者共同作用, 將導(dǎo)致 DICE A 發(fā)生 SEU, 甚至引發(fā) DICE A/DICE B 發(fā)生兩位多位翻轉(zhuǎn).從分析可知, 當(dāng)離子沿X方向即阱的方向入射時(shí), 會引起最大的電荷共享和阱電勢的調(diào)制, 更易觸發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)和多位翻轉(zhuǎn), 因此離子沿阱的方向傾角入射是DICE器件單粒子效應(yīng)的最劣方位角, 在開展單粒子效應(yīng)試驗(yàn)時(shí), 必須考慮離子入射方位角對器件SEU的影響.

4 質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子分布計(jì)算

在質(zhì)子單粒子效應(yīng)理論研究方面, 通常采用蒙卡方法對入射粒子在器件中的輸運(yùn)進(jìn)行模擬, 跟蹤次級粒子, 計(jì)算次級粒子在靈敏體積內(nèi)的能量沉積, 判斷沉積能量產(chǎn)生的電荷量是否大于臨界電荷, 統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)數(shù), 獲取器件單粒子效應(yīng)截面.由于雙DICE加固設(shè)計(jì)器件每個(gè)存儲單元涉及多個(gè)靈敏節(jié)點(diǎn)對, 每組靈敏節(jié)點(diǎn)對距離不同, 且兩個(gè)存儲單元又相互嵌套, 為構(gòu)建雙DICE SRAM靈敏體積陣列帶來了極大的難度.因此這里并不直接計(jì)算雙DCIE SRAM的質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面, 而是關(guān)注質(zhì)子與器件上方多層金屬布線層作用產(chǎn)生的次級粒子LET值分布情況, 基于不同能量質(zhì)子與不同互聯(lián)材料發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的次級粒子LET值最大值的差異, 以及次級粒子角度分布特性, 預(yù)測其對65 nm雙DICE SRAM質(zhì)子單粒子敏感性可能帶來的影響, 從而指導(dǎo)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)工作的開展.

由于國內(nèi)現(xiàn)有加速器最大質(zhì)子能量為100 MeV,相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大質(zhì)子能量為200 MeV,因此仿真中質(zhì)子能量點(diǎn)選擇100, 200 MeV兩個(gè)能量點(diǎn).圖5 中給出了 65 nm DICE SRAM 有源區(qū)上方多層金屬布線層的材料和厚度信息, 該器件采用了Cu作為互聯(lián)材料取代了原有的鋁互聯(lián)工藝.由于器件單粒子效應(yīng)靈敏區(qū)厚度通常為1 μm, 因此圖6計(jì)算結(jié)果中給出了質(zhì)子穿過多層金屬布線層后在體硅區(qū)表面1 μm厚度范圍內(nèi)的次級粒子LET值分布情況.

圖5 65 nm DICE SRAM 有源區(qū)上方多層金屬布線層Fig.5.Multiple metal-interconnection layers above the active area in 65 nm SRAM.

從圖6(a)中可以看出, 當(dāng)采用鋁互聯(lián)工藝時(shí),100 MeV質(zhì)子和200 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子最大 LET 值分別為 11 和 13.2 MeV·cm2/mg, 與早期所報(bào)道的質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子最大LET值小于 15 MeV·cm2/mg 的認(rèn)知是一致的.重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明, 重離子垂直入射時(shí)65 nm DICE SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值為22 MeV·cm2/mg.由于相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)僅在垂直入射條件下開展即可, 如果基于以前的認(rèn)識, 則無需進(jìn)一步開展200 MeV及以下質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn).但由于器件采用了銅互連工藝, 圖6(b)計(jì)算結(jié)果表明, 此時(shí)100 MeV質(zhì)子和200 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子最大LET值分別為19.8和24.9 MeV·cm2/mg.基于計(jì)算結(jié)果和重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù), 可以初步判斷,100 MeV質(zhì)子垂直入射時(shí)不能引起器件單粒子翻轉(zhuǎn), 而200 MeV質(zhì)子大注量垂直入射時(shí)能夠引起器件單粒子翻轉(zhuǎn), 但截面較小.

圖6 100 MeV 和 200 MeV 質(zhì)子穿過器件多層金屬布線層后在硅中產(chǎn)生的次級粒子LET值分布 (a) 鋁互聯(lián);(b) 銅互聯(lián)Fig.6.LET distribution of secondary particle in silicon with 100 MeV and 200 MeV protons passing through multiple metallization layers: (a) Al interconnection; (b) cu interconnection.

入射質(zhì)子能量不同, 與材料原子反應(yīng)道不同,產(chǎn)生的次級粒子種類和能量也就不同.質(zhì)子能量越高, 反應(yīng)道越多, 產(chǎn)生的次級粒子種類也就越多.當(dāng)質(zhì)子與Cu發(fā)生核反應(yīng)時(shí), 產(chǎn)生的次級粒子包括質(zhì)子、中子、a離子、重離子等, 其中重離子種類覆蓋從原子序數(shù)3到30之間.為了解核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子相比于入射質(zhì)子其出射角的分布情況, 以反應(yīng)截面較高的原子序數(shù)Z= 27的次級粒子為例, 圖7給出了 100 MeV質(zhì)子穿過器件多層Cu金屬布線層產(chǎn)生的Z= 27次級粒子能量角度分布情況, q為次級粒子與入射質(zhì)子方向之間的夾角.從圖中可以看出, 能量越高的次級粒子, 出射角度越小, 最大限度地保持與入射質(zhì)子的方向一致, 更加前向出射從而保存動量.而能量越低的次級粒子則具有更寬的角度分布范圍, 即低LET值、射程短的次級粒子傾向于各向同性.通常質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)認(rèn)為核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子是各向同性的, 試驗(yàn)中無需考慮質(zhì)子入射角度對單粒子效應(yīng)截面的影響, 僅采用垂直入射開展效應(yīng)試驗(yàn)即可.但計(jì)算結(jié)果表明, 能量最高、LET最大、射程最長的次級粒子具有優(yōu)先前向出射的特性, 這必然會對靈敏節(jié)點(diǎn)對具有明顯方向性的DICE加固設(shè)計(jì)類器件的質(zhì)子單粒子效應(yīng)產(chǎn)生影響.由于100 MeV和200 MeV質(zhì)子穿過多層Cu金屬布線層后產(chǎn)生的最大LET值分別為19.8和24.9 MeV·cm2/mg, 均大于重離子沿最劣方位角傾角入射時(shí)65 nm DICE SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值14 MeV·cm2/mg, 因此, 可以判斷當(dāng) 100 MeV 質(zhì)子和200 MeV質(zhì)子沿著器件最劣方位角傾角入射時(shí), 均能引發(fā)器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn).對于LET值14 MeV·cm2/m 以上的次級粒子, 由于 200 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子反應(yīng)截面約為100 MeV質(zhì)子的兩倍, 因此200 MeV質(zhì)子傾角入射時(shí)的單粒子翻轉(zhuǎn)截面應(yīng)大于100 MeV質(zhì)子.

圖7 65 nm 雙 DICE SRAM 質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面Fig.7.Proton single event upset cross section in 65 nm dual DICE SRAM.

5 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)條件

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)在瑞士保羅謝勒研究所質(zhì)子輻照裝置(PIF)上完成, 該裝置最大質(zhì)子能量250 MeV, 基于國內(nèi)現(xiàn)有加速器質(zhì)子能量條件以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大質(zhì)子能量, 試驗(yàn)中質(zhì)子能量點(diǎn)選擇 100 MeV, 200 MeV 兩個(gè)能量點(diǎn).為研究中高能質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子可能引入的單粒子效應(yīng)角度效應(yīng), 在兩個(gè)能量點(diǎn)下均進(jìn)行了垂直和傾角60°試驗(yàn), 其中傾角試驗(yàn)中的方位角設(shè)定為重離子試驗(yàn)中確定的最劣方位角, 即質(zhì)子沿X方向即阱的方向傾角入射.試驗(yàn)在空氣中進(jìn)行,輻照時(shí)采用準(zhǔn)直器, 束斑面積 3 cm2, 質(zhì)子注量均設(shè)定為 5 × 1010/cm2.

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖8給出了雙DICE加固器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果.從圖中可以, 當(dāng)垂直入射時(shí), 100 MeV質(zhì)子沒有產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn), 而在200 MeV時(shí)引起1次單粒子翻轉(zhuǎn).當(dāng)質(zhì)子沿最劣方位角傾角60°入射時(shí), 此時(shí) 100 MeV 質(zhì)子也能引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn), 同時(shí)200 MeV質(zhì)子傾角入射時(shí)SEU截面比垂直入射時(shí)高8倍, 試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出明顯的質(zhì)子SEU角度效應(yīng).另一方面, 傾角入射時(shí)200 MeV質(zhì)子SEU截面是 100 MeV質(zhì)子 SEU截面的 4倍, SEU截面隨能量增加而增加, 沒有達(dá)到飽和.質(zhì)子試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合質(zhì)子核反應(yīng)次級粒子仿真數(shù)據(jù)預(yù)測質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性結(jié)果的準(zhǔn)確性.值得注意的是, 如果僅以 100 MeV 質(zhì)子加速器或質(zhì)子垂直輻照試驗(yàn)結(jié)果作為空間質(zhì)子翻轉(zhuǎn)率預(yù)估依據(jù), 將會明顯高估器件抗單粒子能力, 為空間應(yīng)用帶來隱患.另一方面, 雖然DICE器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面很低, 相比于非加固6管SRAM器件200 MeV時(shí)SEU截面[22]低了一個(gè)數(shù)量級左右, 單粒子效應(yīng)閾值也高達(dá) 100 MeV, 具有很強(qiáng)的抗質(zhì)子單粒子能力, 但由于這類DICE器件通常應(yīng)用在核心關(guān)鍵系統(tǒng)上, 當(dāng)工作于低軌衛(wèi)星等質(zhì)子通量豐富的空間環(huán)境時(shí), 仍需開展質(zhì)子單粒子試驗(yàn)考核評估, 且應(yīng)沿著阱的方向進(jìn)行傾角入射獲取最劣試驗(yàn)條件下的質(zhì)子SEU截面, 從而保障其空間應(yīng)用的高可靠.

圖8 100 MeV 質(zhì) 子 穿 過 多 層 金 屬 布 線 層 產(chǎn) 生 的 Z =27次級粒子能量角度分布Fig.8.The distribution of energy and angle of secondary particle with Z = 13 induced by interaction with multiple metallization layers by 100 MeV protons.

6 結(jié) 論

本文針對國內(nèi)質(zhì)子加速器現(xiàn)狀, 為準(zhǔn)確評價(jià)納米DICE加固器件抗質(zhì)子單粒子能力, 實(shí)現(xiàn)其空間可靠應(yīng)用, 針對 65 nm雙 DICE加固設(shè)計(jì)器件, 在重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上, 明確了雙DICE設(shè)計(jì)在提高納米器件抗單粒子翻轉(zhuǎn)閾值方面的有效性, 并獲取了器件在重離子垂直和傾角入射時(shí)的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值以及離子入射最劣方位角.蒙卡仿真獲取了不同能量質(zhì)子與器件多層金屬布線層發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子LET值最大值以及次級粒子的角度分布特性.通過二者結(jié)合, 對 65 nm DICE SRAM在國內(nèi)現(xiàn)有加速器最大質(zhì)子能量100 MeV時(shí)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大質(zhì)子能量200 MeV時(shí)的單粒子效應(yīng)敏感性進(jìn)行了先期預(yù)測,質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測方法的有效性以及預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性.通過該方法, 可以對器件是否需要開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)以及是否需開展100 MeV以上質(zhì)子試驗(yàn)進(jìn)行有效判斷和篩選, 并明確對質(zhì)子加速器最大能量條件的要求, 降低對質(zhì)子試驗(yàn)機(jī)時(shí)的需求.另一方面, 研究結(jié)果也表明, DICE類器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)也存在明顯的角度效應(yīng), 因此針對DICE加固類器件在重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)評估中均應(yīng)開展離子最劣方位角下的傾角入射試驗(yàn).