65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转实验研究

何安林，郭 刚，陈 力，沈东军，任 义，刘建成，张志超，蔡 莉，史淑廷，王 惠，范 辉，高丽娟，孔福全

(1.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413；2.萨斯喀彻温大学 电子与计算机工程学院，加拿大 萨斯卡通 S7N 5A2)

空间辐射环境中的高能带电粒子(如重离子、质子)入射到航天器微电子器件或集成电路中会引起单粒子效应[1]，导致器件工作失常或损坏，严重影响航天器的在轨安全和可靠性。质子是空间辐射环境中的主要成分，且随着半导体技术的不断发展，现代大规模集成电路向低特征尺寸、高集成度等趋势不断发展，这些因素使电路敏感节点尺寸减小、工作电压降低，从而导致敏感节点的临界电荷降低，对单粒子效应越来越敏感，因此针对纳米级先进工艺器件的低能质子单粒子效应研究成为目前国内外抗辐射加固领域重点关注的空间可靠性问题。

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，但对于高度敏感的器件，质子通过直接电离可产生足够的电荷，从而引起单粒子翻转[2-3]。文献[4]研究了65 nm体硅CMOS工艺SRAM器件的低能质子单粒子翻转机制，并建立了相应的理论研究模型。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，主要应用于航天关键电子器件空间应用考核及基础研究[5]。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质子核反应机制单粒子效应研究的潜力。另外，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。

本工作通过质子降能、降束及防散射等技术改进，在北京HI-13串列加速器R20支线管道微电子器件单粒子效应专用重离子辐照装置上获得适用于质子单粒子效应实验研究的低能质子束，并针对65 nm工艺4M×18 bit大容量SRAM开展质子单粒子翻转实验，证实质子可通过直接电离引起显著的单粒子翻转，同时结合翻转机制和空间预估分析，获得器件单粒子翻转临界电荷、空间软错误率等。

1 实验

1.1 实验装置

北京HI-13串列加速器微电子器件单粒子效应专用重离子辐照装置如图1所示。装置主要由束流控制系统(偏转磁铁、扫描磁铁SM、四极透镜Q、自动可调狭缝S)，靶室系统(束流预分析靶室T1、束流定位靶室T2、束流诊断靶室T3、样品辐照靶室T4)，阀门V，法拉第筒FC等组成。实验时，加速器产生的束流经前端分析磁铁筛选、引出，通过开关磁铁到达实验二厅R20管道(Q3D实验管道)，然后通过偏转磁铁将束流偏转41°引至专用辐照管道，器件辐照由位于管道终端的T4完成。

1.2 技术改进

先前北京HI-13串列加速器所提供的初始质子能量范围为6～26 MeV，不能满足低能质子直接电离实验的需求，且R20支线管道主要用来开展重离子辐照实验，未开展过质子单粒子效应实验；同时低能质子单粒子效应实验对质子束流要求较高，如当质子能量在1 MeV以下时已接近其射程末端，需提高质子能量纯度以减小质子在器件敏感区沉积能量的歧离，使质子能量与翻转截面对应，因此必须开展质子降能、降束、扩束及束流调试等研究，获得可应用于低能质子单粒子效应实验的1～6 MeV质子束。

图1 单粒子效应专用重离子辐照装置

质子降能主要通过在T3加降能片的方式实现，为了避免实验过程中破坏T3，同时考虑靶室空间有限性，降能片的大小和厚度需精确设计，使得仅通过调节加速器高压即可得到合适的质子能量。实验中选择的降能片材料为厚325.3 μm的铝，器件覆盖层厚度为50 μm，经SRIM[6]计算，加速器初始束流能量在7～8 MeV时，即可在器件敏感区获得低于1 MeV的有效质子能量。

加速器提供的质子束流强度为几nA，不能直接用于单粒子效应实验，需做大范围的降束处理。本文借助R20支线管道原有的狭缝仪加扫描磁铁组合的降束技术，采用散焦降束办法获得原始小束斑，然后采用磁场相互垂直的两组扫描磁铁分别加上相同振幅和不同频率(频率差固定)的三角波函数激磁电流驱动，在T4获得均匀的扫描大束斑，图2为扫描束斑分布示意图。

图2 扫描束斑示意图

加速器束流的束斑尺寸约5 mm，而辐照器件尺寸在cm量级，因此需采取扩束技术来获得均匀分布的大束斑束流。本文主要利用两种扩束技术：1) 扫描扩束，通过扫描磁铁完成，主要应用于不加降能片时扩束；2) 降能片扩束，通过质子与降能片材料发生散射作用，使束斑面积增大，这是目前质子单粒子效应辐照装置中应用较多的方法。

由于中子也可引起单粒子效应，因此应尽可能避免中子等次级粒子的产生，实验中在T2和T3入口分别设计并安装防散射光阑，尽量减少质子与管道壁材料散射或核反应产生次级粒子引起的实验干扰。另外，实验中还通过狭缝仪与其他束流调试元件的配合使用，实现束流强度在多个量级之间的快速调节；在偏转磁铁前的T1增加荧光屏及CCD，以便在实验中观察束流，从而方便束流引出。

1.3 实验器件

实验中选用的器件为体硅CMOS工艺4M×18 bit的大容量SRAM，器件特征工艺尺寸为65 nm，6管结构，封装模式为BGA倒封装。器件原始衬底厚度约200 μm，实验前减薄至约50 μm。

单粒子翻转测试系统主要由一块现场可编程门陈列(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，辐照过程中要注意粒子入射注量率和系统检测速度的匹配。图3所示为实验测试系统示意图，靶室内为辐照器件及测试版，电源及测试信号通过T4壁的真空密封转接头引出。实验时，测试硬件设备安装在T4附近，通过测量厅的计算机远程控制并完成效应测试。

图3 实验测试系统示意图

1.4 实验束流

实验中选取表1所列的质子能量进行辐照。质子初始能量由加速器提供，根据降能片和覆盖层的厚度分别为(325.3±2.4) μm(由称重法得到)和50 μm(等效硅厚度)，经SRIM计算，最低有效质子能量可达0.1 MeV，其线性能量转移(LET)值覆盖了低能质子区的主要LET值范围，满足实验要求。

实验中15 MeV及8 MeV质子的束流注量测量由法拉第筒完成，其余能量点采用T4金硅面垒半导体探测器和T3闪烁体探测器共同完成。图4所示为金硅面垒探测器所测得的质子能谱(已剔除噪声计数)，图中3.37 MeV的质子能谱是8 MeV质子经降能后的能谱，可看出，由于低能质子直接电离能力强，3.37 MeV能谱的道数大于8 MeV能谱的道数。

表1 实验中使用的质子能量

图4 质子能谱

2 实验结果

图5 翻转截面与质子能量的关系

实验获得的器件翻转截面与质子能量的关系如图5所示(质子能量以穿过器件覆盖层的能量为准)，其中翻转截面误差考虑了翻转数统计误差及注量测量误差的贡献。可看出，当质子能量大于10 MeV时，随质子能量增加，翻转截面增加；当质子能量小于10 MeV时，随质子能量降低，翻转截面急剧上升；当质子能量降低至1 MeV左右，翻转截面增大了2～3个数量级；当质子能量继续降低至0.1 MeV，仍能测试到翻转现象，但其翻转截面有所降低。

3 分析与讨论

3.1 翻转机制

质子单粒子翻转截面显著变化的原因在于翻转机制的改变：在高能区，通过质子与器件材料的核反应引起翻转，而核反应截面相对较低(约0.4×10-24cm2)，使得翻转截面也较低；在低能区，质子可通过直接电离直接引起翻转，其截面值仅与器件敏感单元尺寸及敏感程度有关。

图6为质子直接电离LET值及射程与能量的关系(由SRIM计算获得)。可看出，当质子能量大于10 MeV时，其直接电离LET值很小(不足0.05 MeV·cm2/mg)，此时翻转主要是核反应的贡献；当质子能量小于10 MeV时，其直接电离LET值快速上升，直至布拉格峰值(LET值约为0.55 MeV·cm2/mg，射程约为0.5 μm)。结合图5可知，当质子能量从2.35 MeV减小至1 MeV，直接电离LET值和单粒子翻转截面均增大，符合直接电离机制下单粒子效应的一般规律。

图6 质子直接电离LET值及射程与能量的关系

3.2 临界电荷

引起质子直接电离单粒子翻转的主要原因为：随着器件工艺尺寸降低，单粒子翻转临界电荷减小，本文利用敏感区长方体近似模型(RPP模型)来分析此原因。该模型认为，当入射粒子沉积的电荷Q引起的电压差大于翻转电压ΔV时，将发生单粒子翻转。此时，沉积电荷称为临界电荷Qc，临界电荷所对应的LET值称为LET阈值LETth(fC/μm)，则有：

LETth·d≈Qc=ΔVC

(1)

Qc=ΔVεxy/d

(2)

式中：d为电荷收集深度；C为长方体上下平板间的电容；ε为介电常数；x、y为敏感区横向和纵向尺寸。仅讨论临界电荷与工艺尺寸的大致关系时，可近似认为ΔV和d为常数，x和y等于器件特征工艺尺寸L，因此可得到：

Qc～L2

(3)

文献[7]在结合模型和大量实验数据的基础上，认为Qc=0.023L2。经计算，本文使用的65 nm工艺SRAM的Qc=0.97 fC。假设电荷收集深度为1 μm，通过SRIM计算可得到LETth等于0.97 fC/μm或0.094 MeV·cm2/mg，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。由此分析图5中的实验数据，当质子能量大于2.5 MeV时，直接电离LET值小于阈值，翻转主要由质子与硅的弹性散射和核反应相互作用引起；当质子能量为2.5 MeV时，质子直接电离LET值大于阈值，直接电离开始发挥作用；当质子能量低于2.5 MeV时，随着质子能量减小，LET值增加，翻转截面增大。

相同特征尺寸下不同工艺线生产的器件，临界电荷会不同，如文献[4]基于数值模拟，得到某65 nm工艺中NMOS和PMOS晶体管临界电荷分别为1.4 fC和1.8 fC，文献[8]给出65 nm工艺器件临界电荷为0.8 fC，与本文分析得到的0.97 fC基本相当。临界电荷会随工艺尺寸的减小而减小，如文献[8]给出目前最新的22 nm工艺器件临界电荷为0.1 fC，相当于能量在50 MeV以下的质子均可通过直接电离引起翻转。

3.3 布拉格峰与截面峰值

理论上临界电荷为0.97 fC时，诱发单粒子翻转的质子能量范围为0.05～2 MeV，且质子能量为0.05 MeV时(布拉格峰处)翻转截面应最大，但如图5所示，实验所得的截面最大值出现在质子能量1 MeV附近，文献[7]也给出了类似的结果；文献[2-4]中得到的直接电离翻转发生区间为质子能量0.5～2 MeV，但也未获得理论上的翻转截面最大值；由图5中的实验结果还可看出，在非常接近布拉格峰值的附近(质子能量0.1 MeV)，翻转存在，但翻转截面较小。

上述现象主要由以下3种因素造成：1) 器件敏感区上的覆盖层厚底无法确切知道，且实验中加速器及降能片均会使质子能量展宽；2) 1 MeV质子在硅中1 μm入射深度上的沉积能量为0.04 MeV，而布拉格峰值对应的0.05 MeV质子能量全部沉积也只有0.05 MeV，且在布拉格峰值处，质子能量和射程歧离严重，造成沉积电荷分布范围增大，敏感节点实际收集电荷减小，使0.05 MeV质子引起的翻转不会比1 MeV质子显著增大；3) 在实际器件中，尤其是65 nm工艺尺寸下，后端工艺(BEOL)会引入复杂的金属互联层和隔离层结构和材料，由于0.05 MeV质子的射程仅0.47 μm(图6)，BEOL层的存在对0.05 MeV质子影响很大，质子入射路径的细微改变，会使布拉格峰显著偏离敏感区[9]，导致0.05 MeV质子对应的布拉格峰引起的翻转截面减小，而能量大于1 MeV的质子，其射程较长(>16 μm)，不同BEOL层入射路径对敏感区处的质子能量影响相对较小，从而呈现图5的实验结果。

3.4 空间软错误率分析

65 nm及其他更先进工艺器件对极低LET值的高度敏感性及其空间应用带来很大挑战，因为在空间环境中，对于翻转阈值很低的器件，超过其LET阈值的粒子注量率很高，而这些粒子主要由低能质子组成。式(4)为质子软错误率(SER)的标准计算公式和FOM半经验计算公式：

(4)

式中：σ(Ep)为翻转截面曲线；φ(Ep)为器件实际运行空间的质子微分能谱；c为φ(Ep)相关的轨道质子分布参数。FOM参数正比于质子翻转饱和截面，本文仅分析低能和高能质子软错误率的相对大小，可近似得到：

(5)

空间质子分布较为复杂，同时受多种因素影响，这里为简化分析，结合文献[10]给出的统计数据(太阳耀斑质子、CREME96模型、2.54 cm铝屏蔽、最糟糕周)，0.1～1.6 MeV质子对应的注量率为1.2×106m-2·s-1，能量大于15 MeV的质子注量率为7.8×107m-2·s-1，同时取低能质子翻转截面比高能质子翻转截面大2～3个数量级，结合式(5)可得到低、高能质子软错误率的比值为：

SERLow/SERHigh≈1.5～15

(6)

文献[11]针对90 nm商业级SRAM，在极地轨道、最糟糕天、2.54 cm铝屏蔽，得到的低、高能质子软错误率比值为：

SERLow/SERHigh≈4

(7)

由上述结果可看出，低能质子引起的软错误率明显高于高能质子软错误率，因此，在商业级纳米工艺器件中，低能质子已成为质子软错误率的主要因素，针对纳米工艺器件的空间应用，需关注低能质子单粒子翻转带来的可靠性风险，并采取针对性的抗辐射加固措施，以确保其空间应用安全。

4 总结

基于北京HI-13串列加速器单粒子效应专用重离子辐照装置，通过质子降能、降束、扩束及防散射等技术改进，获得了适用于质子单粒子效应实验研究的低能质子束，并针对65 nm工艺4M×18 bit 大容量SRAM开展了质子单粒子翻转实验，实验证实质子可通过直接电离引起显著的单粒子翻转，其翻转截面较间接电离引起的单粒子翻转截面大2～3个数量级，该结果与国际上同类工艺器件实验数据基本一致。实验器件单粒子翻转临界电荷约为0.97 fC，2.5 MeV以下质子可通过直接电离引起翻转；65 nm工艺下低能质子空间软错误率为高能质子软错误率的1.5～15倍，低能质子成为空间质子软错误率的主要因素，随着未来半导体器件工艺特征尺寸持续缩减，单粒子效应敏感性显著增强，低能质子将成为现代纳米级工艺器件空间应用的重要难题。

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