高能電子輻照引起的納米器件翻轉(zhuǎn)效應研究

呂賀，張洪偉，梅 博，李鵬偉，莫日根，孫毅

（1.中國航天宇航元器件工程中心；2.國防科技工業(yè)抗輻照應用技術(shù)創(chuàng)新中心：北京 100029）

0 引言

在空間輻射環(huán)境下，電子器件常常會受到單粒子翻轉(zhuǎn)效應影響，導致系統(tǒng)功能錯誤。隨著電子器件發(fā)展，單粒子翻轉(zhuǎn)效應已經(jīng)成為導致星載計算機出現(xiàn)問題的最常見原因。在以往的電子器件的單粒子效應研究中，主要是以研究重離子、質(zhì)子、大氣中子等粒子為主，而電子由于本身質(zhì)量較小，其單粒子效應相對于質(zhì)子和重離子等對器件的影響較小，所以對于電子單粒子效應的研究較少也較淺。但隨著小容量、小尺寸存儲器件SRAM的應用逐漸廣泛，尤其是航天器上CPU 和FPGA 等核心器件采用14 nm和28 nmCMOS工藝后，其電子單粒子翻轉(zhuǎn)特性或變得不可忽略，所以研究納米器件電子單粒子效應對未來航天技術(shù)和航天裝備的發(fā)展越來越重要。

國外KING等在對納米器件電子單粒子效應的研究中提到了“電子輻照引起的靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）單粒子翻轉(zhuǎn)”[1-4]，但電子單粒子翻轉(zhuǎn)的機理尚未確定。根據(jù)對目前國外相關(guān)研究的分析，電子在CMOS器件中產(chǎn)生單粒子效應的原因有以下幾種可能：電子直接電離，核反應產(chǎn)生次級粒子的間接電離，電子打在材料中產(chǎn)生的X 射線[5-15]。目前國內(nèi)對電子單粒子效應的研究較少，中國原子能科學研究院主要針對能量在2～10 MeV 電子的單粒子效應進行了測試，并研究了器件工作電壓與電子單粒子效應的關(guān)系[16]。但電子在器件中產(chǎn)生單粒子效應的機制依然沒有定論。

為了進一步探究電子單粒子效應的機制，本文基于電子加速器開展了電子單粒子效應實驗研究，獲得電子單粒子效應的實驗數(shù)據(jù)并進行仿真分析研究。

1 電子引起單粒子翻轉(zhuǎn)的物理作用機制

過去認為單粒子效應一般由重離子或者高能質(zhì)子作用產(chǎn)生，但近年有研究表明，高能電子與電子器件的相互作用，也可能誘發(fā)翻轉(zhuǎn)效應。高能電子進入半導體敏感區(qū)后與硅會有以下兩種作用機制[17]：

1）直接電離，即與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，使物質(zhì)直接電離；

2）間接電離，即與電子器件靶發(fā)生核反應產(chǎn)生新的次級粒子（次級電子或光子），次級粒子在靶材料中沉積能量。

高能電子入射電子器件時與半導體器件中的硅原子等發(fā)生原子核反應，可產(chǎn)生高能光子；這些高能光子能使原子核發(fā)生光致衰變和光核裂變，從而產(chǎn)生次級高能粒子；此外，初級電子本身也能產(chǎn)生電致衰變或者電致裂變，且電子核反應和光子核反應的機理基本相同。所有由核反應產(chǎn)生的次級粒子都有可能導致單粒子翻轉(zhuǎn)。

2 電子單粒子效應實驗研究

2.1 實驗設(shè)置

電子單粒子效應實驗在蘭州空間技術(shù)物理研究所的電子加速器上進行，設(shè)備的性能指標為：1）能量0.1～2.0 MeV 連續(xù)可調(diào)；2）注量率6.25×107～6.25×1011e/(cm2·s)連續(xù)可調(diào)。分別采用能量為0.2 MeV 和1.5 MeV 的電子束流作為輻照源，其注量率為5×108～1×109/(cm2·s)。實驗樣品為28 nm的V7型FPGA，將其安裝在樣品臺上，連接好相關(guān)電纜后進行狀態(tài)測試和確認（如圖1所示）。實驗前利用抽氣系統(tǒng)使樣品室內(nèi)的真空度維持在1.0×10-5Pa 或更高；給試樣和測試系統(tǒng)加電，再次檢查確認試樣及測試系統(tǒng)的狀態(tài)無誤；通過電子加速器遠程控制軟件調(diào)節(jié)加速器的各參數(shù)，使其滿足實驗要求。

圖1 安裝在樣品臺上的試樣Fig.1 Thespecimen installed on the sample platform

測試系統(tǒng)由上位機、雙路可調(diào)電源、主控板和被測器件負載板組成（如圖2所示）。Actel 為主控FPGA，主要通過DB9串口實現(xiàn)與上位機的通信、測試命令的發(fā)送以及測試結(jié)果的回傳；K9中存儲V7 配置文件，配置文件通過USB Type-B接口由Actel寫入Flash 芯片，之后每次上電時Actel 從K9 中讀取數(shù)據(jù)配置V7。雙路可調(diào)電源經(jīng)由DB9電源接口分別接入兩個電源轉(zhuǎn)換模塊，其中一個模塊給主控板各部分供電，另一個模塊通過10Pin 雙排針給V7負載板供電。

圖2 單粒子效應測試系統(tǒng)連接示意Fig.2 Schematic diagram of the connection of singleevent effect test system

2.2 實驗內(nèi)容及流程

電子輻照過程中，實時監(jiān)測器件的I/O電壓1.8 V 和內(nèi)核電壓1.0 V 電源的工作電流。當功耗電流突然異常增大（如正常工作電流的1.5倍），且寄存器配置邏輯功能出現(xiàn)異常，重新配置無法使器件恢復正常，需要斷電重啟才能恢復正常，則判斷發(fā)生了單粒子鎖定。器件發(fā)生單粒子鎖定時，要求系統(tǒng)能夠自動切斷器件供電電流。

該器件的翻轉(zhuǎn)測試包括配置存儲器、塊存儲器（BRAM）以及CLB觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)測試。測試系統(tǒng)向被測的納米器件提供運行程序，使其處在工作狀態(tài)，同時還能監(jiān)測被測器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)的次數(shù)。

1）配置存儲器翻轉(zhuǎn)測試

器件的配置存儲器翻轉(zhuǎn)測試采用回讀碼流數(shù)據(jù)與預設(shè)標準數(shù)據(jù)比對的方式進行；采用靜態(tài)測試，覆蓋所有的可編程邏輯資源、數(shù)字時鐘管理器、可編程輸入輸出資源。

(a)開啟束流前，確定配置回讀正確，然后實驗樣品的CCLK 管腳一直配置時鐘，一定程度上避免配置模塊累積錯誤而導致的無法正確讀出位流。

(b)開啟束流輻照，整體靜態(tài)輻照實驗可分割多輪進行，如粒子注量達1×1011/cm2左右后關(guān)閉束流，測試配置模塊是否發(fā)生上電復位寄存器功能中斷（POR SEFI）或者SelectMAP接口寄存器功能中斷（SMAPSEFI）。若發(fā)生則將該輪數(shù)據(jù)剔除并復位芯片，重新配置，不計入總注量；若未發(fā)生則回讀配置位流并計算翻轉(zhuǎn)數(shù)量，繼續(xù)下一輪實驗；直至粒子總注量達1×1012/cm2，或翻轉(zhuǎn)總數(shù)達到規(guī)定值時停止實驗。

2）BRAM翻轉(zhuǎn)測試

器件的塊存儲器（BRAM）翻轉(zhuǎn)測試的方式與配置存儲器翻轉(zhuǎn)測試相同，同樣采用靜態(tài)測試，覆蓋所有的塊存儲器資源。

3）CLB觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)測試

CLB 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)測試時，將XQ7VX690T-2RF1761I 芯片配置成CLB移位寄存器鏈的形式。實驗在常溫、配置狀態(tài)下進行，時鐘頻率設(shè)置為20 MHz。在實驗前需要對測試電路板和實驗樣品進行上電、復位，然后開始下載位流，再進行移位鏈初始值（全0，全1或方波）移入。

CLB 移位寄存器鏈翻轉(zhuǎn)實驗靜態(tài)測試模式是指輻照過程中CLB移位寄存器鏈的時鐘處于靜止狀態(tài)。然后開啟束流進行輻照。整體靜態(tài)輻照實驗可分割多輪進行，如粒子注量達1×1011/cm2左右時關(guān)閉束流，測試配置模塊是否發(fā)生POR SEFI或者Select-MAPSEFI。若發(fā)生SEFI 則該輪數(shù)據(jù)剔除并復位芯片，重新配置，不計入總注量；若未發(fā)生SEFI則輻照結(jié)束后先刷新位流，再將CLB移位寄存器鏈的數(shù)據(jù)移出并統(tǒng)計錯誤數(shù)，繼續(xù)下一輪實驗；直至粒子總注量達1×1012/cm2，或翻轉(zhuǎn)總數(shù)達到規(guī)定值時停止實驗。

電子翻轉(zhuǎn)效應實驗的樣品是從篩選合格的產(chǎn)品中隨機抽取1只，為XILINX 公司生產(chǎn)的V7系列SRAM 型FPGA，器件采用28 nm、CMOS工藝制作。實驗前將樣品開帽，直接焊裝在實驗板上。測試流程見圖3，需滿足以下條件之一方可停止：1）粒子輻照總注量達到1×1012/cm2；2）翻轉(zhuǎn)發(fā)生數(shù)達到100次以上。

圖3 單粒子實驗流程示意Fig.3 Schematic diagram of single particle test process

2.3 實驗結(jié)果

開展電子單粒子效應實驗的注量率為9.95×108/(cm2·s)，電子的能量為0.2 MeV 和1.5 MeV，總注量為0.84×1012/cm2。因0.2MeV 能量的電子不能入射到器件有源區(qū)，所以不發(fā)生單粒子效應。1.5 MeV電子的實驗結(jié)果見表1。

表1 1.5 MeV 電子輻照引起的翻轉(zhuǎn)實驗結(jié)果Table 1 Single particle upset test results of 1.5 MeV electronics

3 不同能量電子在Si 材料中的LET值仿真

為了研究28 nm 器件電子輻照引起的翻轉(zhuǎn)效應的機理，選取典型的28 nm 的SRAM單元作為仿真對象。當SRAM單元存儲節(jié)點Q點電位為高電平時，SRAM單元內(nèi)N1管為敏感節(jié)點，主器件N1管為關(guān)態(tài)，從器件N2管為開態(tài)。使用LET 值為0.11、0.12、0.13 MeV·cm2/mg的粒子垂直入射N1 管漏極中心，由于目前仿真模型缺乏電子輻射的數(shù)據(jù)，考慮到此能量的質(zhì)子也是電離作用，所以用質(zhì)子代替電子作為入射粒子，得到Q點、QN 點的電壓脈沖變化如圖4所示。

圖4 0.11、0.12、0.13 MeV·cm2/mg 粒子轟擊N1管漏極中心后Q點和QN 點電位Fig.4 Point potential Qand QN after bombarded by particles with energies of 0.11,0.12,0.13 MeV·cm2/mg in the center of the drain of the N1 tube

從圖4可以看到，當LET值為0.12 MeV·cm2/mg的粒子轟擊N1管漏極中心時，Q點產(chǎn)生了一個向下的脈沖，但在0.1 ns內(nèi)又恢復了高電平，SRAM單元并未發(fā)生翻轉(zhuǎn)，說明此時N1漏極收集的電荷量并沒有達到翻轉(zhuǎn)的閾值電荷；當粒子LET 值增加到大于0.13 MeV·cm2/mg 后，Q點電位從高電平變?yōu)榈碗娖?，QN 點電位從低電平變?yōu)楦唠娖?，SRAM存儲單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因此對于28 nm 體硅SRAM的N1管，其翻轉(zhuǎn)閾值在0.12～0.13 MeV·cm2/mg之間，沉積能量的有效長度約為0.1μm，對應翻轉(zhuǎn)臨界電荷約為0.45 f C。

通過美國標準局公開的ESTAR 數(shù)據(jù)程序，仿真計算得到電子作用到硅材料的LET 值，如圖5所示。通過仿真數(shù)值可知，電子能量在10 MeV 以內(nèi)以直接電離為主，10 MeV 以上以軔致輻射誘發(fā)產(chǎn)生的光核反應為主。從仿真計算結(jié)果可知，電子作用到硅材料的LET 值最大為0.01～0.1 MeV cm2/mg，電子直接電離的LET 值較小，很難使器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)，除非器件臨界電荷極低，即特別敏感，且粒子能量也要達到100 MeV 以上。

圖5 Si材料對不同能量電子作用的阻止能Fig.5 The blocking energy of Si material for electrons of different energies

4 結(jié)果分析

假設(shè)有源區(qū)的厚度為0.1μm，電子能量全部被收集，1.5 MeV 高能電子經(jīng)過700μm 的Si 襯底后，能量變?yōu)?.2 MeV，根據(jù)上圖計算得出在1.2 MeV下電子沉積的電荷約為0.04 fC。由前面仿真結(jié)果可知，通常28 nm 的CMOS芯片臨界電荷不到0.45 fC。電子沉積的電荷比臨界電荷小，由此可以判斷，翻轉(zhuǎn)是不能通過直接電離產(chǎn)生的。此外，該能量段的電子作用到Si 材料也不能誘發(fā)核反應，因此考慮多個同能量的電子同時作用到某一敏感單元導致FPGA 位翻轉(zhuǎn)。但是，根據(jù)前面LET 值仿真的結(jié)果可知，在0.4 ns之內(nèi)如果有0.45 fC電荷沉積（約10個電子）到同一敏感單元，就可以誘發(fā)敏感單元產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，但本次實驗中電子的注量率為9.95×108/(cm2·s-1)，且束流均勻穩(wěn)定，在0.4 ns內(nèi)不可能同時有10個高能電子作用到器件，因此排除了該可能性。最后考慮認為在注量率為9.95×108/(cm2·s-1)電子輻照下，大量電子會在器件內(nèi)部部分區(qū)域短時間形成電荷積累，當敏感節(jié)點的電荷在0.4 ns之內(nèi)累積到0.45 fC時，便會誘發(fā)存儲單元翻轉(zhuǎn)，但針對該機理的可能性還需進一步驗證。

此外，因為輻照在真空環(huán)境下進行，長時間高注量輻照會導致器件溫度升高。為驗證器件不是由于高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)錯誤，針對相同的測試狀態(tài)，又增加了70℃的高溫實驗。經(jīng)過24 h 高溫實驗，F(xiàn)PGA 并未發(fā)生任何翻轉(zhuǎn)錯誤，因此可以證明輻照過程中溫度升高引起電流增長不會導致器件發(fā)生錯誤。但高注量率下輻照導致的局部高溫與該環(huán)境高溫兩種狀態(tài)是否等效還需進一步驗證。

5 結(jié)束語

利用蘭州空間技術(shù)物理研究所的電子加速器開展了國內(nèi)首次電子引發(fā)的V7型FPGA 器件的翻轉(zhuǎn)效應研究。結(jié)合電子作用硅材料的仿真結(jié)果，經(jīng)分析可知，1.5 MeV 能量的單個電子與器件碰撞既不能發(fā)生核反應，而單個電子也不足以直接電離器件誘發(fā)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，初步推測是由于大注量率電子輻照下器件內(nèi)部電荷積累誘發(fā)的翻轉(zhuǎn)效應。但由于實驗數(shù)據(jù)量較小，且實驗樣品種類單一，該機理還有待進一步驗證。此外，該器件是否受局部高溫、電磁脈沖干擾、電子輻照的位移效應等因素的影響產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)也有待進一步研究驗證。通過本文的研究證實高能電子輻照可以誘發(fā)納米器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)效應，因此，在高能量、高通量的電子輻射環(huán)境下，例如電子通量較大的木星系輻射帶下，應注意電子輻照引起的納米器件翻轉(zhuǎn)效應。