蔡 莉，劉建成，范 輝，郭 剛，史淑廷，惠 寧，王 惠，王貴良，沈東軍，何安林

（中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所，北京 102413）

加速器單粒子效應(yīng)樣品溫度測控系統(tǒng)研制及實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

蔡 莉，劉建成，范 輝，郭 剛＊，史淑廷，惠 寧，王 惠，王貴良，沈東軍，何安林

（中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所，北京 102413）

為滿足國內(nèi)半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)（SEE）截面與溫度的關(guān)系研究需求，本文基于北京HI－13串列加速器SEE輻照實(shí)驗(yàn)終端研制了樣品溫度測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了90～450 K范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品溫度的測量和控制，系統(tǒng)控制精度好于±1 K。為驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性，使用該系統(tǒng)研究了SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）截面隨溫度的變化關(guān)系，在215～353 K范圍內(nèi)測量了SRAM翻轉(zhuǎn)截面隨溫度的變化曲線。結(jié)果表明，SRAM SEU截面隨溫度的升高而增加，與理論預(yù)期結(jié)果一致。

低溫；高溫；重離子；單粒子效應(yīng)；單粒子翻轉(zhuǎn)

Key words：low temperature；elevated－temperature；heavy ion；single event effect；single event upset

空間輻射環(huán)境中存在大量高能粒子，可引起半導(dǎo)體器件（特別是存儲器）發(fā)生單粒子效應(yīng)（SEE），嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命。同時(shí)，空間中存在極端溫度環(huán)境，如月球陽光直射溫度可達(dá)400 K，夜晚溫度則低至90 K。嫦娥三號巡視器玉兔號在月球上即面臨極端溫度環(huán)境的挑戰(zhàn)。在未來的深空探測中，類似的極端溫度環(huán)境更為常見。在如此寬的溫度范圍內(nèi)，必須考慮溫度對星載半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)的影響。

控制器件電學(xué)性能（漂移、擴(kuò)散、雙極效應(yīng)等）的許多參數(shù)均是溫度的強(qiáng)函數(shù)，因此，器件的單粒子效應(yīng)必然受溫度影響。研究顯示，溫度對半導(dǎo)體器件的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）及單粒子閂鎖（SEL）均存在影響［1－4］。許多重離子實(shí)驗(yàn)和TCAD模擬結(jié)果均顯示單粒子瞬態(tài)脈沖寬度隨溫度的升高而顯著增加［5－11］，測得的瞬態(tài)脈沖數(shù)也隨溫度的升高而增加。130 nm CMOS工藝器件電荷共享的TCAD模擬結(jié)果顯示，在200～420 K溫度范圍內(nèi)，電荷共享收集隨溫度的升高而增加［12］。溫度對宇航用半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)的影響是單粒子效應(yīng)研究領(lǐng)域的重要課題之一，但目前國內(nèi)由于缺乏與單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)配套的溫度控制和測量設(shè)備，絕大多數(shù)單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

本文基于北京HI－13串列加速器單粒子效應(yīng)專用實(shí)驗(yàn)終端，研制適用于單粒子效應(yīng)研究的樣品溫度測控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)90～450 K范圍內(nèi)樣品溫度可測控，系統(tǒng)控制精度好于±1 K，并使用該系統(tǒng)開展SRAM翻轉(zhuǎn)截面隨溫度變化的研究，擬得到SRAM翻轉(zhuǎn)截面隨溫度變化的曲線。

1 樣品溫度測控系統(tǒng)研制

樣品溫度測控系統(tǒng)應(yīng)用于真空、輻射環(huán)境下，使待測器件（DUT）處于某一穩(wěn)定溫度，且樣品溫度可測控。在高于室溫和低于室溫時(shí)需采用不同方式實(shí)現(xiàn)溫度測控，因此將系統(tǒng)分為低溫（90～300 K）和高溫（300～450 K）兩個(gè)溫度段分別研制。

1.1 高溫測控系統(tǒng)研制

高溫測控系統(tǒng)主要由電阻加熱器、紅外測溫儀、PID控制器和繼電器等組成，圖1為高溫測控系統(tǒng)框圖。電阻加熱器固定在待測芯片背部，通過熱傳導(dǎo)加熱芯片，采用紅外測溫儀直接測量芯片表面溫度，將測得的樣品表面溫度轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號反饋給PID控制器，PID控制器根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)輸出，發(fā)出開關(guān)信號控制繼電器通斷從而控制電阻加熱器工作狀態(tài)，使器件保持在設(shè)定溫度。

溫度對象的特點(diǎn)是時(shí)間常數(shù)大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，反映在控制系統(tǒng)上，就是被控溫度的變化滯后于調(diào)節(jié)器的輸出。溫度上升的快慢與其熱容量有關(guān)，通常溫度上升和下降與時(shí)間的關(guān)系是一指數(shù)曲線關(guān)系。因此須采取一定措施克服滯后現(xiàn)象。同時(shí)由于本系統(tǒng)應(yīng)用于真空環(huán)境，真空下對流效應(yīng)很弱，故保溫效果較好，因此要求系統(tǒng)超調(diào)量盡可能小。

圖1 高溫測控系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of elevated－temperature measurement and control system

1.2 低溫測控系統(tǒng)研制

低溫測控系統(tǒng)采用液氮作為制冷劑，系統(tǒng)主要由自增壓液氮杜瓦、Lakeshore340溫控儀、液氮傳輸管道、電阻加熱器、硅二極管溫度計(jì)等組成。圖2為低溫測控系統(tǒng)框圖。其工作原理為：液氮從自增壓式液氮杜瓦流出，從液氮管道經(jīng)真空法蘭流入靶室內(nèi)無氧銅樣品座，冷卻樣品座上的器件，使用硅二極管溫度計(jì)測量樣品座處溫度，將測得的溫度反饋給Lakeshore340溫控儀，當(dāng)溫度降到設(shè)定溫度時(shí)，由于管道的導(dǎo)熱、液氮的流動等因素，樣品座處溫度繼續(xù)降低，溫控儀驅(qū)動電阻加熱器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使樣品座溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度。為提高系統(tǒng)控制精度，需使液氮杜瓦內(nèi)壓強(qiáng)保持在一較穩(wěn)定的水平，但隨杜瓦內(nèi)液氮的揮發(fā)，壓強(qiáng)會降低。因此，采用氮?dú)馄颗浜蠝p壓閥為液氮杜瓦內(nèi)充氣保持壓強(qiáng)穩(wěn)定。

圖2 低溫測控系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of low temperature measurement and control system

2 系統(tǒng)性能測試

2.1 高溫測控系統(tǒng)性能測試

對系統(tǒng)真空下性能進(jìn)行反復(fù)測試，具體測量結(jié)果列于表1。從表1可看出，系統(tǒng)控制精度好于±1 K。

表1 300～450 K樣品溫度測控系統(tǒng)控制結(jié)果Table 1 Control results of 300－450 K DUT temperature measurement and control system

圖3為設(shè)定值為393 K（120℃）、真空下持續(xù)測量40 min多的系統(tǒng)記錄的測量結(jié)果。從圖3可看出，系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)定后，控制溫度的極差（測得的最高溫度和最低溫度與設(shè)定值之間的差值）小于±1 K，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為±0.1 K，且可長時(shí)間保持穩(wěn)定，完全滿足單粒子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)要求（每個(gè)器件測量時(shí)間通常為幾 min到30 min）。圖4為系統(tǒng)升溫極限溫度測試結(jié)果，從圖可看出，系統(tǒng)可達(dá)的極限溫度約為450 K（177℃）。

圖3 高溫測控系統(tǒng)測控結(jié)果Fig.3 Control results of elevated－temperature measurement and control system

圖4 極限溫度測量結(jié)果Fig.4 Limited high temperature measurement result

2.2 低溫系統(tǒng)性能測試

對真空下低溫測控系統(tǒng)控制精度進(jìn)行多次測量，每設(shè)定一溫度，系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)定后觀察20 min，隨機(jī)記錄30個(gè)溫度點(diǎn)，具體測量結(jié)果列于表2。從表2可看出，系統(tǒng)控制精度好于±1 K。經(jīng)測量，系統(tǒng)可達(dá)極限溫度約為88 K。圖5為低溫測控系統(tǒng)測量曲線。

表2 90～300 K樣品溫度測控系統(tǒng)控制結(jié)果Table 2 Control results of 90－300 K DUT temperature measurement and control system

紅外測溫儀具有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，可直接測量芯片表面溫度，但低溫通常只能測到213 K（－60℃）或233 K（－40℃），無法滿足低溫測控系統(tǒng)的測量要求，本系統(tǒng)只能使用硅二極管或鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行測量?，F(xiàn)代工藝芯片尺寸不斷減小，很難將溫度計(jì)貼在芯片表面，本實(shí)驗(yàn)中將溫度計(jì)固定在無氧銅樣品座上，因此實(shí)驗(yàn)前使用兩只硅二極管溫度計(jì)測量樣品座處與芯片表面處的溫差。

圖5 低溫測控系統(tǒng)溫度測量曲線Fig.5 Measurement curve of low temperature measurement and control system

兩只硅二極管溫度計(jì)A、B，溫度計(jì)A經(jīng)校準(zhǔn)，溫度計(jì)B未經(jīng)校準(zhǔn)。選取塑料封裝和陶瓷封裝的芯片，芯片表面經(jīng)開帽處理，將溫度計(jì)B固定在芯片表面，溫度計(jì)A固定在無氧銅樣品座靠近電阻加熱器的位置。溫度計(jì)A的測量結(jié)果作為系統(tǒng)控制的溫度反饋，測量兩個(gè)溫度計(jì)之間的溫差。塑料封裝芯片表面與樣品座處溫差列于表3，陶瓷封裝芯片表面與樣品座處溫差列于表4。

表3 不同設(shè)定溫度下塑料封裝芯片表面與樣品座溫差Table 3 Temperature difference between plastic package chip surface and sample holder at different set temperatures

表4 不同設(shè)定溫度下陶瓷封裝芯片表面與樣品座溫差Table 4 Temperature difference between ceramic package chip surface and sample holder at different set temperatures

從表3、4可看出，對于塑料封裝的芯片，設(shè)定溫度高于180 K時(shí)，芯片表面與樣品座處的溫差小于3 K，從單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，溫度變化3 K時(shí)，芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)截面變化不大。對于陶瓷封裝的芯片，芯片表面與樣品座的溫差較大，180 K時(shí)溫差達(dá)6.58 K。當(dāng)溫度降至140 K時(shí)，兩種封裝芯片表面與樣品座處的溫差均急劇增大。

3 溫度測控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

選取4M 150 nm CMOS TFT（thin film transistor）工藝SRAM作為待測芯片，在北京HI－13串列加速器上開展不同溫度下SRAM寬束輻照實(shí)驗(yàn)，測量SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨溫度的變化。實(shí)驗(yàn)選取157 Me V Cl離子輻照芯片，芯片在實(shí)驗(yàn)前經(jīng)開帽處理，離子垂直入射，實(shí)驗(yàn)時(shí)芯片寫入AA，相同條件下測量2、3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。為取得理想的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)累積錯誤數(shù)大于100或離子總注量達(dá)107cm－2時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出，隨著溫度的升高，單粒子翻轉(zhuǎn)截面增大，且可看出截面的變化明顯超出實(shí)驗(yàn)誤差。溫度從215 K增加到353 K，每個(gè)器件的截面從1.21×10－3cm2增加到4.32×10－3cm2，增加了2.57倍。

由于該SRAM為薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，不考慮雙極放大效應(yīng)帶來的影響，溫度對SRAM SEU截面的影響主要是器件電學(xué)性能隨溫度的變化導(dǎo)致的。Truyen等［2］指出，SRAM發(fā)生翻轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)電壓隨溫度的升高而降低，變化約為－0.2 m V／K，SRAM的SEU敏感性隨溫度的升高而增加，這導(dǎo)致器件的SEU截面隨溫度的升高而增加。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與國外已發(fā)表的理論研究結(jié)果一致。

圖6 157 Me V Cl離子入射SRAM SEU截面隨溫度的變化Fig.6 SRAM SEU cross－section at different temperatures for 157 MeV Cl ion incidence

4 小結(jié)

本文研究了真空輻照環(huán)境下樣品高、低溫測控方法，特別是低溫（90～300 K）的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，成功建立了適用于單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的樣品溫度測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了90～450 K范圍內(nèi)測溫控溫，系統(tǒng)溫度控制精度好于±1 K。應(yīng)用該系統(tǒng)開展了不同溫度下SRAM寬束輻照實(shí)驗(yàn)研究，測量了SRAM SEU截面隨溫度的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期結(jié)果一致。

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Development and Experimental Application of Sample Temperature Measurement and Control System for Accelerator－based Single Event Effect

CAI Li，LIU Jian－cheng，F(xiàn)AN Hui，GUO Gang＊，SHI Shu－ting，HUI Ning，WANG Hui，WANG Gui－liang，SHEN Dong－jun，HE An－lin
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box 275－18，Beijing 102413，China）

In order to meet domestic demands of studying the relationship between temperature and single event effect（SEE）cross－section，a device under test（DUT）temperature measurement and control system was developed based on Beijing HI－13 tandem accelerator SEE irradiation facility.The DUT temperature could be measured and controlled within the range of 90－450 K，and its control accuracy is better than±1 K.To verify the reliability of this system，the relationship between temperature and single event upset（SEU）cross－section was investigated in 150 nm thin film transistor（TFT）technology SRAM in the temperature range of 215－353 K.The results show that the SEU cross－section increases with temperature，and it is consistent with the theoretical expected result.

O571.33

：A

：1000－6931（2015）12－2261－05

10.7538／yzk.2015.49.12.2261

2014－10－31；

：2014－12－19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11405275）

蔡 莉（1983—），女，甘肅蘭州人，助理研究員，碩士，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

＊通信作者：郭 剛，E－mail：ggg＠ciae.ac.cn