65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转错误率预估

何安林，郭 刚，沈东军，刘建成，史淑廷

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

空间辐射环境中的高能粒子入射到航天器元器件或集成电路会引起单粒子效应。单粒子效应会严重影响航天器的在轨安全性、可靠性。质子是空间辐射环境中的主要成分[1]，且随着半导体技术及航天事业的迅速发展，超深亚μm、nm级元器件或集成电路将在航天电子设备中广泛应用，使空间质子单粒子效应的敏感性显著提升[2-4]。质子单粒子效应主要是通过质子与器件材料的核反应引起，但质子通过直接电离也可产生足够多的电荷在低阈值元器件中引起单粒子翻转。随着集成电路工艺的发展，单粒子翻转临界电荷迅速减小，如在65 nm节点临界电荷处于1 fC量级，相当于1 μm电荷收集深度上线性能量转移(LET)阈值为0.1 MeV·cm2/mg(质子布拉格峰对应的LET值为0.5 MeV·cm2/mg)。

美国国家航空航天局、IBM公司、范德比尔特大学、圣地亚国家实验室等针对nm集成电路，尤其是65 nm工艺节点，开展了一系列的低能质子加速器辐照实验、理论分析、空间预估等研究工作[5-10]。2007年，Rodbell等[6]通过低能(1.0～1.5 MeV)质子倾角入射的方法，观察到了锁存器、存储器单元中质子直接电离引起的翻转效应。2008年，Heidel等[7]利用IBM 3 MeV静电加速器，针对65 nm工艺存储器，利用氦离子倾角入射方式发现了翻转数异常增多的现象。2009年，Heidel等[8]研究证实，对于工艺尺寸为65 nm SOI工艺的存储器，质子直接电离可引起显著的单粒子翻转。2010年，Cannon等[10]研究了加固级与非加固级90 nm工艺随机静态存储器(SRAM)的重离子、中能质子及低能质子的单粒子翻转，结果表明低能质子在商用器件中表现出2～3个数量级的翻转增强效应，而对于加固级的器件，低能质子单粒子翻转增强趋势变弱但仍显著存在。

北京HI-13串列加速器是目前国内开展单粒子效应研究的主要加速器之一，主要应用于航天元器件空间应用考核及基础研究。该加速器具备质子加速能力，其主要优势在于质子能量覆盖了低能及部分中能区域，具备同时开展低能质子直接电离及高能核反应机制单粒子效应研究的潜力。同时该加速器能量单色性好，可在一定程度上减小质子能量离散度，适合开展低能质子单粒子效应实验研究。本文利用北京HI-13串列加速器提供的2～15 MeV低能质子束流，针对商业级65 nm工艺4 M×18 bit SRAM开展质子单粒子翻转实验研究，并对其空间错误率进行预估分析。

1 65 nm工艺SRAM质子单粒子效应实验

1.1 实验器件

实验选用的器件为体硅互补金属氧化物半导体工艺4 M×18 bit SRAM，器件特征工艺尺寸为65 nm，6管结构，封装模式为球形网格排列倒封装。器件原始衬底厚度约为200 μm，实验前减薄至约50 μm。实验在中国原子能科学研究院北京HI-13串列加速器单粒子效应专用辐照装置完成[11-13]。

单粒子翻转测试系统主要由1块现场可编程门阵列(FPGA)完成，测试开始时通过FPGA向SRAM写入测试码，然后开始辐照，辐照过程中循环检测翻转数据及地址，单次检测完成后，重新写入测试码继续检测，辐照过程中需注意质子入射注量率和系统检测速度的匹配。图1为实验测试系统示意图，靶室内为辐照器件及测试板，器件电源及测试信号通过专用辐照装置辐照靶室壁的真空密封转接头引出。实验时，测试硬件设备安装在辐照靶室附近，并通过测量厅的计算机远程控制并完成效应测试。

图1 实验测试系统示意图Fig.1 Schematic of test system

1.2 实验束流参数

实验束流参数列于表1。质子初始能量由加速器给出，降能片和覆盖层的厚度分别为325.3 μm和50 μm(等效硅厚度)，经计算，通过覆盖层后的质子能量符合实验要求，其LET值逐渐增加，覆盖了低能质子区的主要LET值范围。降能片的实际厚度由称重法得到，其厚度为(325.3±2.4) μm(仅考虑B类不确定度)，经SRIM计算，最低有效质子能量可达0.1 MeV。

表1 实验束流参数Table 1 Experimental beam parameter

1.3 实验结果

图2 65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转实验数据Fig.2 Experimental data for low energy proton induced single event upset on 65 nm process SRAM

按照上述实验设置及方法，完成了器件辐照实验。图2为65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转实验数据(质子能量以通过器件覆盖层的能量为准)，其中截面误差考虑了翻转数统计误差及注量测量误差的贡献。当质子能量大于10 MeV时，由于直接电离LET值很小(小于0.5 MeV·cm2/mg)，此时质子单粒子翻转主要是质子核反应的贡献，因此截面相对较小；随质子能量降低到1 MeV左右，由于直接电离LET值随能量减少而快速上升，因此翻转截面也随之急剧上升。图3为65 nm工艺SRAM重离子单粒子翻转实验数据，并将重离子和质子单粒子翻转实验数据进行了Weibull拟合，可看出，两者在Weibull曲线上是相互吻合的。根据Weibull拟合，得到器件翻转LET阈值为0.09 MeV·cm2/mg，该阈值对应的质子能量为2.5 MeV，即能量低于2.5 MeV的质子均可通过直接电离引起单粒子翻转。

图3 65 nm工艺SRAM重离子单粒子翻转实验数据Fig.3 Experimental data for heavy ion induced single event upset on 65 nm process SRAM

2 在轨错误率预估及分析

2.1 低能质子、高能质子和重离子错误率分析

利用实验得到的65 nm工艺4 M×18 bit SRAM质子及重离子单粒子翻转实验数据，针对地球同步轨道、低地球轨道，使用Space Radiation 7.0程序，应用轨道质子能谱数据与低能质子单粒子效应截面数据积分，预估低能质子、高能质子和重离子引起的错误率。低地球轨道参数为800 km×600 km×60°，辐射环境模型分别考虑1972年8月太阳质子事件模型(L-SPE)、银河宇宙射线CRME 96-M3模型(L-M3)和M1模型(L-M1)、地球俘获带AP8MIN模型(L-TRP)。地球同步轨道考虑1972年8月太阳质子事件模型(G-SPE)、银河宇宙射线CRME 96-M3模型(G-M3)和M1模型(G-M1)，屏蔽均采用3 mm Al。图4为7种模型下单粒子翻转错误率的计算结果(已归一化处理)，可看出，其中4种模型以低能质子单粒子翻转错误率占主要因素，其余3种模型以重离子单粒子翻转错误率占主要因素。

图4 低能质子、高能质子和重离子引起的单粒子翻转错误率Fig.4 Error rate for low energy proton, high energy proton and heavy ion induced single event upset

低能质子单粒子翻转错误率占总错误率的比例范围为1%～86%，其中地球同步轨道爆发太阳质子事件时低能质子对总错误率的贡献最大(86%)，低地球轨道仅考虑银河宇宙射线时低能质子对错误率的贡献最小(1%)。总地来说，太阳质子事件、地球俘获带是低能质子单粒子翻转错误率的主要诱因，尤其是高轨道(如地球同步轨道)、中高倾角的近地球轨道(如太阳同步轨道、极地轨道)等需重点考虑低能质子的问题。从总错误率的角度分析，地球同步轨道太阳质子事件时错误率最大，为2.0×10-3upset/d；低轨道太阳质子事件时次之，为4.9×10-5upset/d，其他几种模式错误率均低至少1个数量级。从上述分析可见，由于太阳质子事件、地球俘获带的影响，低能质子会导致总错误率的显著增加，因此对于空间应用的元器件必须要求其对低能质子不敏感，在器件选型、加固设计、实验考核等方面必须对低能质子单粒子翻转问题予以重点考虑，在此基础上需考虑高能质子和重离子引起单粒子翻转错误率的严重程度[14-18]。

图5为高能质子和重离子单粒子翻转错误率对比，对于银河宇宙射线，无论在高轨还是低轨，重离子单粒子翻转是错误率的主要贡献因素，高能质子单粒子翻转的贡献较之小1个数量级。对于太阳宇宙射线，高能质子对错误率的贡献超过重离子的贡献。

图5 高能质子和重离子引起的单粒子翻转错误率对比Fig.5 Comparison of error rate for high energy proton and heavy ion induced single event upset

总地来说，由于太阳质子事件、地球俘获带质子贡献，低能质子敏感型元器件错误率会显著增加，空间应用的元器件需具备抗低能质子辐照的能力；对于加固元器件，需在太阳活动剧烈时和地球俘获带范围内考虑高能质子贡献，其他情形需重点考虑重离子的贡献。

2.2 不同轨道及环境模型对错误率的影响

在不考虑低能质子贡献的条件下，表2列出了不同轨道及环境模型下的质子和重离子单粒子翻转错误率。可看出，无论是地球同步轨道还是低地球轨道，发生如1972年8月大型太阳质子事件时，太阳质子事件引起的错误率均要显著高于其他情形2～6个数量级，尽管太阳质子事件中主要成分是质子，但是重离子与质子引起的错误率处于同一数量级；对于低地球轨道，银河宇宙射线的贡献小于地球俘获带的贡献；对于地球同步轨道，质子的贡献显著小于重离子的贡献。太阳活动会使地球俘获带错误率有数量级的减小，但相较于太阳活动引起的错误率增加是微不足道的。

表2 不同轨道及环境模型下的质子和重离子单粒子翻转错误率Table 2 Error rate for proton and heavy ion induced single event upset in different orbits and environmental modes

2.3 地球纬度对错误率的影响

图6 不同纬度下的质子单粒子翻转错误率对比Fig.6 Comparison of error rate for proton induced single event upset at different latitudes

地球纬度对错误率的影响可看作是地球磁场的贡献。地球磁场一方面屏蔽银河宇宙射线和太阳宇宙射线，显著降低其引起的错误率，另一方面俘获外来射线形成地球俘获带，且在南大西洋异常区形成质子聚集区，是近地轨道最严重的错误率发生区域。图6为不同纬度下的质子单粒子翻转错误率对比。可看出，发生太阳质子事件时，两极的错误率最高，这是由于地球磁场在两极弱，所以太阳宇宙射线可从两极到达近地轨道，从而引起错误率的增加，随纬度减小，地球磁场增强，太阳质子事件引起的错误率会急剧下降，到50°左右，即低于地球俘获带质子的贡献。对于地球俘获带，由于南大西洋异常区的贡献，中纬度区域的错误率明显高于高低纬度两侧的错误率。

2.4 阈值、饱和截面对错误率的影响

单粒子效应阈值、饱和截面作为辐照实验中得到的两个最重要数据，对错误率有直接的影响。在Weibull拟合函数中，饱和截面与错误率呈正比变化。阈值与错误率关系稍显复杂，其与截面曲线形状、辐射环境LET谱/能谱等都有相关性。

图7为65 nm工艺4 M×18 bit SRAM在地球同步轨道及低地球轨道不同质子单粒子翻转阈值下错误率的对比。可看出，随质子单粒子翻转阈值增加，错误率减小，当阈值从0.1 MeV增加到15 MeV，低地球轨道-AP8MIN模型和太阳质子事件两种环境下错误率减小不足1倍；地球俘获带质子能谱较软，阈值变化对错误率影响不及太阳质子事件明显。

图7 不同质子单粒子翻转阈值下的错误率对比Fig.7 Comparison of error rate for proton induced single event upsetunder different proton energy thresholds

重离子单粒子翻转阈值、饱和截面对错误率的影响与质子类似。采用地球同步轨道、CRME 96-M3环境模型、3 mm Al屏蔽，重离子单粒子翻转截面数据采用65 nm工艺4 M×18 bit SRAM重离子实验数据，计算结果如图8所示，可看出，饱和截面与错误率呈线性变化；LET阈值和错误率的关系与环境LET谱形状密切相关，LET阈值从10 MeV·cm2/mg增大至30 MeV·cm2/mg，错误率减小了4个数量级。

图8 不同重离子单粒子翻转阈值及饱和截面下的错误率对比Fig.8 Comparison of error rate for heavy ion induced single event upset under different LET thresholds and saturated sections

3 结论

利用北京HI-13串列加速器2～15 MeV低能质子束流，对商业级65 nm工艺4 M×18 bit SRAM开展了质子单粒子翻转实验研究。实验结果表明，低能质子通过直接电离机制可在存储器中引起显著的单粒子翻转，其翻转截面较核反应机制引起的翻转截面大2～3个数量级。完成了低能质子、高能质子和重离子单粒子效应错误率的预估及对比，不同轨道及环境下低能质子错误率占总错误率的比例范围为1%～86%，其中太阳质子事件、地球俘获带中低能质子单粒子翻转引起的错误率占主导，建议对空间应用的元器件要求其对低能质子不敏感。