65 nm 工藝SRAM 中能質子單粒子效應研究

陳錫鑫，殷亞楠，高熠，郭剛，陳啟明

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2.中國原子能科學研究院抗輻射應用技術創(chuàng)新中心，北京 102413）

1 引言

2 SRAM 存儲器中能質子試驗

空間環(huán)境中存在的質子、重離子等能量極高的粒子入射到航天元器件會在元器件中發(fā)生電離，電荷被敏感節(jié)點收集，從而引起單粒子效應[1-4]。單粒子效應會引起元器件狀態(tài)翻轉、功能失效，影響航天器的壽命和可靠性[5]。質子是太空中粒子的主要成分，90%以上的輻射粒子為質子[6]。隨著航天元器件工藝尺寸縮小至納米級，集成電路性能得到很大提升，但受到的單粒子效應影響逐漸增大[7-8]。當工藝尺寸進入納米級，電路由質子入射引起的單粒子翻轉錯誤率會高于重離子引起的錯誤率[9]。質子單粒子效應產生機理分為2種：一是質子直接電離，產生電離電荷[10]；二是質子與器件材料產生核反應，引起散射，產生電離電荷[10]。直接電離一般由低能質子引起，核反應則由中能和高能質子引起[10]。

為了研究中能質子對納米級集成電路的單粒子效應的影響，并與重離子試驗做對比，本研究基于一款帶錯誤檢測與糾正（EDAC）功能的65 nm體硅CMOS SRAM，通過對存儲器不同工作模式的選擇，研究中能質子單粒子效應對納米級器件的影響。本文基于中國原子能科學研究院抗輻射應用技術創(chuàng)新中心的HI-13 串列加速器開展試驗，該加速器是目前國內開展單粒子效應研究的主要加速器之一，主要用于航天元器件空間應用考核及基礎研究。

目前國內外有很多機構都開展了質子輻射試驗、理論分析等研究[11-13]，如美國國家航空航天局、IBM 公司、范德堡大學、美國圣地亞哥國家實驗室、中國原子能科學研究院等，但尚未見對EDAC 加固的SRAM 器件進行不同模式對比分析的報道，本工作也是對之前研究的一個補充。

2.1 試驗器件及試驗系統(tǒng)

該試驗選用了一款采用商用65 nm 工藝、帶EDAC 糾錯的512 000×32 bit 抗輻射SRAM 存儲器。該電路存儲單元為商用SRAM 6T 結構，外圍數據采用漢明碼進行糾檢錯，通過選擇外部信號，可以控制內部糾檢錯模式的切換，由此可以對比有無EDAC 糾錯功能時電路受質子輻射的影響。

SRAM 質子試驗測試系統(tǒng)如圖1 所示，主要由SRAM 和FPGA 組成。通過FPGA 向SRAM 寫入“55AA”數據，寫完后保持地址數據不變，然后開始輻照。對SRAM 不停進行單次寫、輻照、單次讀操作。

圖1 SRAM 質子試驗測試系統(tǒng)

2.2 試驗結果

試驗在北京中國原子能科學研究院HI-13 串列加速器上完成，采用常溫試驗環(huán)境及電路最惡劣偏置條件，電路內部電壓為1.92 V，端口電壓為3.63 V，SRAM 中能質子試驗結果如表1 所示。其中，初始錯誤數代表SRAM 內部未開啟EDAC 糾錯功能時發(fā)生的單粒子翻轉錯誤，糾錯后錯誤數代表SRAM 內部開啟EDAC 糾錯功能后發(fā)生的單粒子翻轉錯誤。SRAM重離子試驗結果如表2 所示，為了更真實地模擬空間環(huán)境對帶EDAC 功能存儲器的影響，在重離子試驗時采用了很低的注量率，但由于輻照時間的限制，總注量未能做到1×107cm-2，數據僅供對比參考。

表1 SRAM 中能質子試驗結果

表2 SRAM 重離子試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 單粒子閂鎖現象分析

由于中能質子在芯片內部以發(fā)生核反應為主，與內部的Si、Cu、Al、W 等產生彈性碰撞，其電離能量不足以產生單粒子閂鎖效應發(fā)生所需要的電荷量，中能質子試驗未發(fā)現單粒子閂鎖現象。

同時，由于閂鎖效應的發(fā)生與試驗能量、電源電壓、是否使用外延片、N 和P 器件之間間距、器件隔離、接觸孔等因素有關。此次試驗最高能量為90.4 MeV，器件內核電壓為1.92 V，而且采用外延片流片。雖然使用商用設計規(guī)則，SRAM 單元密度很高，但未觀測到閂鎖現象，與重離子試驗結果吻合。

3.2 單粒子翻轉現象分析

試驗中觀測到上萬次質子誘發(fā)存儲單元翻轉現象，說明質子的確會誘發(fā)單粒子翻轉效應。開啟EDAC對存儲數據進行糾一檢二操作后進行試驗，仍不能消除個別錯誤，說明采用商用設計規(guī)則的SRAM 電路會發(fā)生單粒子多位翻轉。同樣，重離子采用很低的注量率也會發(fā)生單粒子多位翻轉現象。由此可見，納米級電路單粒子翻轉不僅僅是一位的翻轉，一個粒子可能造成多個存儲單元發(fā)生錯誤，雖然降低注量率并采用EDAC 進行糾錯，還是不能消除錯誤，后續(xù)在應用時需要注意增加防護。

3.3 質子單粒子錯誤飽和現象

從中能質子試驗結果看出，糾錯后的質子單粒子翻轉數目未發(fā)生明顯的量級變化，趨于飽和。而重離子試驗結果則發(fā)現不一樣的趨勢，錯誤數隨著粒子能量的增加而進一步增加。這2 種結果的差異是2 種輻射效應影響機理不同導致的。

重離子入射產生“漏斗效應”，相同條件下，能量越大，電離的電子-空穴對數目越多，所以隨著能量的增強錯誤數不斷增加。質子核反應屬于彈性散射和裂變反應，與芯片內部使用的材料有關。納米級工藝質子與Si、Cu、Al、W 原子反應，對應LET 能量相近，電離出的電荷量相近；雖然質子能量發(fā)生變化，但不會導致錯誤量級變化，所以發(fā)生截面飽和。

3.4 重離子翻轉截面與質子翻轉截面比較

質子和重離子的翻轉截面如圖2 所示，采用Weibull 函數對試驗數據進行擬合，圖2（a）中擬合的質子飽和截面約為1.3×10-17cm2/bit，圖2（b）中擬合的重離子飽和截面約為8.1×10-11cm2/bit。

圖2 質子和重離子的翻轉截面

從質子和重離子的飽和截面來看，2 種截面相差6個數量級。量級上的差別與質子發(fā)生核反應的概率有關，一般1×105～1×106個質子才會發(fā)生一次核反應，所以才會導致質子的飽和截面比重離子低6 個數量級。在計算空間軌道錯誤率時，結合空間軌道環(huán)境和粒子數，重離子與質子錯誤率相近也證實了這一點。利用ForeCAST 軟件對質子和重離子錯誤率進行計算（地球同步軌道），質子錯誤率為2.766×10-10error/(bit·d)，重離子錯誤率為2.4×10-10error/(bit·d)。該結果顯示質子與重離子空間錯誤率相近。此次試驗很好地探索了中能質子對SRAM 電路的影響，明確了質子與重離子導致單粒子錯誤的異同，為SRAM 在航天上的應用奠定了基礎。

4 結論

本研究在北京中國原子能科學研究院HI-13 串列加速器上完成了帶EDAC 功能的65 nm SRAM 存儲器中能質子輻射試驗。對SRAM 帶EDAC 和不帶EDAC 的數據進行了比較，并將試驗結果與重離子試驗結果進行了對比分析，得出了如下結論：1）試驗未發(fā)現質子單粒子閂鎖現象；2）試驗發(fā)現了單粒子多位翻轉，器件在航天應用中需要做進一步的防護；3）中能質子導致錯誤數飽和，這是由質子核反應后粒子能量相近引起的；4）質子飽和截面與重離子飽和截面數量級的差距是由質子核反應概率引起的。

本試驗探索了中能質子對SRAM 電路的影響，為SRAM 在航天上的應用奠定了基礎。后續(xù)將繼續(xù)開展低能質子和高能質子試驗，將各種能量的質子效應機理闡述清楚。