何安林，郭 剛，沈東軍，劉建成，史淑廷，范 輝，宋 雷

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京102413）

現(xiàn)代納米集成電路質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究進(jìn)展

何安林，郭 剛，沈東軍，劉建成，史淑廷，范 輝，宋 雷

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京102413）

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究的重要性上升到了一個(gè)新的高度。綜述了國(guó)際上納米集成電路質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究的主要進(jìn)展，如低能質(zhì)子成為納米集成電路單粒子效應(yīng)和軟錯(cuò)誤率的主要貢獻(xiàn)因素，中高能質(zhì)子與新型器件材料（如鎢）核反應(yīng)研究成為質(zhì)子單粒子效應(yīng)新的熱點(diǎn)問(wèn)題，介紹了中國(guó)原子能科學(xué)研究院在納米集成電路低能質(zhì)子實(shí)驗(yàn)方面開(kāi)展的相關(guān)工作。

質(zhì)子；單粒子效應(yīng)；核反應(yīng)；直接電離

空間輻射是影響空間衛(wèi)星、載人飛船和空間站安全的主要因素之一，而質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中含量最多的粒子，如銀河宇宙射線中質(zhì)子占85%、α粒子占14%、重離子占1%；地球俘獲帶內(nèi)帶的主要成分是質(zhì)子和電子；太陽(yáng)宇宙射線中質(zhì)子也是主要組成部分。質(zhì)子通過(guò)與半導(dǎo)體器件材料發(fā)生電磁和核相互作用從而引發(fā)單粒子效應(yīng)，單粒子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致器件工作失?；蛘邠p壞，如器件邏輯狀態(tài)發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致衛(wèi)星或飛船工作異常，嚴(yán)重影響航天器的在軌安全性和可靠性。

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代半導(dǎo)體器件和集成電路向著低特征尺寸、高集成度、低功耗、高性能等特點(diǎn)不斷發(fā)展，使得電路的工作電壓降低、敏感單元面積及間距減小，從而導(dǎo)致敏感節(jié)點(diǎn)的臨界電荷降低，使得質(zhì)子單粒子效應(yīng)越來(lái)越敏感。因此，針對(duì)納米級(jí)先進(jìn)工藝器件的質(zhì)子單粒子效應(yīng)已成為國(guó)內(nèi)外輻射效應(yīng)研究領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

當(dāng)前，國(guó)際上納米集成電路質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究主要有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：1）從傳統(tǒng)的高能質(zhì)子到涵蓋低能質(zhì)子的可靠性評(píng)估要求；2）從傳統(tǒng)的硅材料發(fā)展到涵蓋高Z材料的質(zhì)子核反應(yīng)單粒子效應(yīng)機(jī)制研究。本文主要結(jié)合這兩個(gè)趨勢(shì)對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)的發(fā)展進(jìn)行綜述，然后介紹中國(guó)原子能科學(xué)研究院在HI-13串列加速器上開(kāi)展的相關(guān)工作。

1 低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究進(jìn)展

1.1 實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)高度敏感器件而言，質(zhì)子通過(guò)直接電離可以產(chǎn)生足夠多的電荷，從而引起單粒子翻轉(zhuǎn)。如圖1所示，隨著集成電路工藝的進(jìn)步，單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷迅速減小，如，在65 nm節(jié)點(diǎn)臨界電荷處于1 f C量級(jí)，相當(dāng)于1μm電荷收集深度上線性能量傳輸（linear energy transfer，LET）閾值為0.1 MeV·cm2·mg－1（質(zhì)子布拉格峰對(duì)應(yīng)的LET值為0.5 Me V·cm2·mg－1）。對(duì)此，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、IBM公司、范德比爾特大學(xué)、圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等針對(duì)納米集成電路，尤其是65 nm工藝節(jié)點(diǎn)，開(kāi)展了一系列的低能質(zhì)子加速器輻照實(shí)驗(yàn)、理論分析以及空間預(yù)估等研究工作，其主要的研究結(jié)論見(jiàn)最新發(fā)布的NASA單粒子效應(yīng)評(píng)估指南［1］。

圖1 單粒子效應(yīng)臨界電荷發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 The single event effect critical charges are decreasing with the development of IC

2006年，Heidel等人利用IBM 3 Me V靜電加速器，針對(duì)65 nm工藝存儲(chǔ)器，利用氦離子傾角入射的方式，在大角度入射下發(fā)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)數(shù)異常增多的現(xiàn)象［2］。2007年，Rodbell等人通過(guò)低能質(zhì)子（1.0～1.5 Me V）傾角入射的辦法，觀察到了鎖存器、存儲(chǔ)器單元中質(zhì)子直接電離引起的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)［3］。由于傾角入射可以增加能量沉積，提高入射粒子的有效LET值，因此可以很好地解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)研究還證實(shí)器件工作電壓對(duì)翻轉(zhuǎn)數(shù)的影響，當(dāng)工作電壓從1.6 V減小到0.8 V時(shí)，單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)增加了4倍。

2008年，Heidel等人研究證實(shí)，對(duì)于工藝尺寸為65 nm SOI工藝的存儲(chǔ)器，質(zhì)子直接電離可以引起顯著的單粒子翻轉(zhuǎn)［4］。圖2為質(zhì)子垂直入射引起的單粒子翻轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別來(lái)自美國(guó)NASA戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）、加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）、印第安納大學(xué)（IU）?？梢钥闯觯?dāng)質(zhì)子能量小于1 MeV時(shí)，翻轉(zhuǎn)截面異常增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高能質(zhì)子的飽和截面。2010年，Cannon等人研究了抗輻射加固級(jí)（RHBD cell B、C）與商業(yè)級(jí)90 nm工藝SRAM的重離子、高能質(zhì)子以及低能質(zhì)子的單粒子翻轉(zhuǎn)，如圖3所示，低能質(zhì)子對(duì)商用器件表現(xiàn)出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的翻轉(zhuǎn)增強(qiáng)效應(yīng)，而對(duì)于加固級(jí)的器件，低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)增強(qiáng)趨勢(shì)變?nèi)?，但仍然顯著存在［5］。

圖2質(zhì)子在65 nm工藝SRAM中引起的單粒子翻轉(zhuǎn)Fig.2 Proton single event upsets for a 65 nm SRAM

圖3 加固與商用器件的單粒子翻轉(zhuǎn)Fig.3 Single event upsets for RHBD and commercial cell

1.2 理論研究

為了滿足低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)的研究需要，國(guó)際上主要針對(duì)理論研究方法和模型開(kāi)展了很多工作。Sierawski等人針對(duì)美國(guó)范德比爾特大學(xué)研究的輻射沉積能量模型（MRED），圍繞65 nm體硅CMOS工藝SRAM器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)，在MRED模型中引入了低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)計(jì)算方法，考慮質(zhì)子與器件材料的不同相互作用模式，如圖4所示；同時(shí)結(jié)合單粒子效應(yīng)截面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)從低能質(zhì)子直接電離機(jī)制到高能核反應(yīng)機(jī)制下的單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)以及空間錯(cuò)誤率，如圖5所示，采用MRED計(jì)算得到的截面數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合［6］。

圖4 不同能量下質(zhì)子與器件材料相互作用示意圖Fig.4 Interaction of incident protons with device materials

圖5 模擬和實(shí)驗(yàn)的質(zhì)子截面Fig.5 Simulated and experimental proton cross sections

同時(shí)用MRED還可以分析空間錯(cuò)誤率，圖6為國(guó)際空間站軌道不同粒子種類下單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷與錯(cuò)誤率的關(guān)系。可以看出，在小尺寸器件中，質(zhì)子直接電離是錯(cuò)誤率的主要因素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)空間輻射中含量較多的氦、鐵等重離子的貢獻(xiàn)。

圖6 國(guó)際空間站軌道錯(cuò)誤率與特征電荷關(guān)系的模擬結(jié)果Fig.6 Simulated error rate as a function of critical charges for international space station orbit

歐洲最具代表性的工作是法國(guó)國(guó)家空間中心的MUSCA SEP研究［3］，主要基于蒙特卡羅方法模擬輻射事件，其輸出（通常是電荷）則利用ADDICT進(jìn)行模擬。模擬中考慮了電流傳輸模型、動(dòng)態(tài)輸運(yùn)、收集電荷模型等。用MUSCA SEP不僅可以研究傳統(tǒng)的重離子單粒子效應(yīng)，還可以研究空間、大氣、近地空間中質(zhì)子、中子等通過(guò)核反應(yīng)或直接電離引起的單粒子效應(yīng)。圖7為基于巴黎－洛杉磯平流層氣球飛行實(shí)驗(yàn)中某款65 nm工藝SRAM錯(cuò)誤率（SER）數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)及分析研究結(jié)果，從圖中可以看出，在高度為35 km的平流層環(huán)境，質(zhì)子和中子是單粒子錯(cuò)誤率的主要貢獻(xiàn)因素，其中質(zhì)子直接電離對(duì)單粒子錯(cuò)誤率的貢獻(xiàn)又最為主要［7］。

圖7 65 nm工藝器件錯(cuò)誤率隨高度的變化Fig.7 SER vs.flight duration for a 65 nm SRAM

2 高能質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究進(jìn)展

為減少成本，通常使用重離子進(jìn)行單粒子加固性能考核實(shí)驗(yàn)。如果器件單粒子效應(yīng)的重離子LET閾值足夠高，一般不再進(jìn)行質(zhì)子實(shí)驗(yàn)，但事實(shí)上對(duì)這個(gè)足夠高的LET值沒(méi)有明確定義。通用的實(shí)驗(yàn)指南認(rèn)為該值是15 Me V·cm2·mg－1，這是質(zhì)子和硅發(fā)生核反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生次級(jí)粒子的最大LET值，如果LET閾值高于該值，質(zhì)子實(shí)驗(yàn)可能推遲或者取消，但是這個(gè)假設(shè)的有效性并沒(méi)有得到過(guò)全面驗(yàn)證。對(duì)納米集成電路輻射效應(yīng)的深入研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)值應(yīng)該重新定義，因?yàn)楦吣苜|(zhì)子會(huì)與高原子序數(shù)Z器件材料進(jìn)行核反應(yīng)。

最初，國(guó)外的研究集中在能量相關(guān)性上，國(guó)外早期研究認(rèn)為，低于100 Me V能量質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)顯著低估了器件的敏感性。隨后美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Schwank意識(shí)到質(zhì)子能量對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)有新的重要影響［8］，并明確分析出是高Z材料導(dǎo)致高能質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面增強(qiáng)。Schwank采用了5種不同特征尺寸、加固和非加固型號(hào)的SRAM，同時(shí)利用加拿大TRIUMF質(zhì)子輻照裝置，質(zhì)子能量范圍為20～500 MeV。最后發(fā)現(xiàn)，溫度為85℃，器件D在223 Me V時(shí)發(fā)生了單粒子閂鎖（single event latchup，SEL），器件E在490 MeV時(shí)發(fā)生了SEL，同時(shí)器件D和E的重離子SEL閾值大于16 Me V·cm2·mg－1，顯著大于質(zhì)子與硅核反應(yīng)次級(jí)粒子最大LET值，如圖8所示，其SEL需要?dú)w因于其他因素，或不能歸因于質(zhì)子與硅核反應(yīng)。

質(zhì)子與硅核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子LET值不會(huì)達(dá)到該值，Schwank等人經(jīng)過(guò)對(duì)核反應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算和分析認(rèn)為，高LET值次級(jí)粒子是由質(zhì)子與鎢核反應(yīng)產(chǎn)生的。圖9為質(zhì)子與硅、銅、鎢等發(fā)生核反應(yīng)時(shí)的次級(jí)粒子LET值分布圖。從圖中可以明顯看出，無(wú)論是低能35 Me V還是高能498 MeV，質(zhì)子與硅核反應(yīng)次級(jí)粒子LET值都小于15 Me V·cm2·mg－1，這與傳統(tǒng)研究結(jié)論相符；但是當(dāng)質(zhì)子與高Z材料（如銅、鎢等）核反應(yīng)時(shí)，其次級(jí)粒子LET值達(dá)到30 Me V·cm2·mg－1，該值與器件D的重離子LET閾值相近，結(jié)合對(duì)鎢在互聯(lián)層中的分布及體積估算，鎢引起的SEL截面計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相符。

圖8 單粒子鎖定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.8 Experimental data for single event latch up

圖9 質(zhì)子與器件材料核反應(yīng)次級(jí)粒子LET值分布Fig.9 LET distribution of secondary particles in proton nuclear reaction with device materials

目前集成電路制造工藝中，為滿足高性能、高速度工作要求，廣泛使用Cu互聯(lián)，而非以往的Al互聯(lián)；同時(shí)隨著集成電路制造工藝的發(fā)展，將不斷使用新型高Z材料，如Co（頻繁使用于鈦硅化合物中）、Hf（新型柵介質(zhì)材料）和Ta（先進(jìn)雙金屬柵CMOS工藝）。隨著上述高Z材料在半導(dǎo)體器件中的廣泛使用，核反應(yīng)高LET次級(jí)粒子引起的單粒子效應(yīng)的重要性將增強(qiáng)。上述變化帶來(lái)了傳統(tǒng)的理論分析、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、可靠性指標(biāo)等研究的顯著改變。比如，傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為重離子LET閾值為15 Me V·cm2·mg－1時(shí)不考慮質(zhì)子評(píng)估實(shí)驗(yàn)，但是由于高Z器件材料的廣泛應(yīng)用，重離子LET閾值到30 Me V·cm2·mg－1時(shí)仍需考慮質(zhì)子敏感性問(wèn)題。

質(zhì)子與高Z材料核反應(yīng)對(duì)單粒子效應(yīng)研究帶來(lái)的主要困難在于如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可行、科學(xué)上有效的抗輻射性能評(píng)價(jià)。對(duì)于俘獲帶質(zhì)子，質(zhì)子最大能量是400 MeV，其他環(huán)境質(zhì)子能量會(huì)更高，而目前世界上很少有能量大于500 Me V的質(zhì)子輻射源；另外，高Z材料核反應(yīng)中高LET值截面很小，實(shí)驗(yàn)可能根本測(cè)量不到，這些問(wèn)題都可能給可靠性評(píng)估帶來(lái)嚴(yán)重的困難。文獻(xiàn)［8］提出的一種解決方法是：質(zhì)子輻射源的能量是200 Me V，而環(huán)境質(zhì)子能量是400 Me V，如果200 Me V時(shí)沒(méi)發(fā)生SEL，則可以假設(shè)發(fā)生一次SEL來(lái)估計(jì)200 Me V下的SEL錯(cuò)誤率；對(duì)200～400 Me V，可以假設(shè)質(zhì)子數(shù)為104cm－2發(fā)生一次SEL，然后以此計(jì)算總的SEL錯(cuò)誤率，104cm－2是根據(jù)質(zhì)子與典型器件材料核反應(yīng)截面上限估計(jì)出來(lái)的，在這種情況下，通過(guò)200 Me V實(shí)驗(yàn)仍然可以得到滿意的可靠性評(píng)估結(jié)果。這種方法的核心思想是可靠性合格條件建立在元器件應(yīng)用環(huán)境中的質(zhì)子能量以及可以忍受的SEL錯(cuò)誤率之上，例如，當(dāng)器件SEL閾值能量在環(huán)境最大質(zhì)子能量之下，而這個(gè)SEL錯(cuò)誤率低于可以接受的SEL錯(cuò)誤率，則可以認(rèn)為該器件滿足質(zhì)子SEL可靠性要求。

3 中國(guó)原子能科學(xué)研究院的相關(guān)工作

中國(guó)原子能科學(xué)研究院利用北京HI-13串列加速器開(kāi)展了納米集成電路低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究工作［9］。北京HI-13串列加速器是目前我國(guó)開(kāi)展單粒子效應(yīng)研究的主要加速器之一，主要應(yīng)用于航天關(guān)鍵電子器件空間應(yīng)用考核以及基礎(chǔ)研究。該加速器具備質(zhì)子加速能力，在質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究方面的主要優(yōu)勢(shì)是質(zhì)子能量覆蓋了低能以及部分中能區(qū)域，具備同時(shí)開(kāi)展低能質(zhì)子直接電離以及高能核反應(yīng)機(jī)制單粒子效應(yīng)研究的潛力。此外，該加速器能量單色性好，可以在一定程度上減小質(zhì)子能量離散度，適合開(kāi)展低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

北京HI-13串列加速器“單粒子效應(yīng)專用重離子輻照裝置”主要由束流控制系統(tǒng)（偏轉(zhuǎn)磁鐵、掃描磁鐵、四極透鏡、自動(dòng)可調(diào)狹縫）、實(shí)驗(yàn)靶室系統(tǒng)（束流預(yù)分析靶室T1、束流定位靶室T2、束流診斷靶室T3、樣品輻照靶室T4）和各真空系統(tǒng)等設(shè)備組成，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，加速器產(chǎn)生的束流經(jīng)前端分析磁鐵篩選、引出，通過(guò)開(kāi)關(guān)磁鐵到達(dá)實(shí)驗(yàn)二廳R20管道（Q3D實(shí)驗(yàn)管道），然后通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁鐵將束流偏轉(zhuǎn)41°引至專用輻照管道，器件輻照由管道終端的T4靶室完成。

圖10 微電子器件單粒子效應(yīng)專用重離子輻照裝置Fig.10 Heavy ion irradiation facility for SEE

北京HI-13串列加速器所提供的初始質(zhì)子能量范圍為6～26 MeV，不能滿足低能質(zhì)子直接電離實(shí)驗(yàn)的需要，且R20支線管道主要用來(lái)開(kāi)展重離子輻照實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有開(kāi)展過(guò)質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；同時(shí)低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)質(zhì)子束流要求較高，如當(dāng)質(zhì)子能量在1 Me V以下時(shí)已接近其射程末端，需提高質(zhì)子能量純度以減小質(zhì)子在器件敏感區(qū)沉積能量的歧離，使質(zhì)子能量與翻轉(zhuǎn)截面對(duì)應(yīng)，因此必須開(kāi)展質(zhì)子降能、降束、擴(kuò)束及束流調(diào)試等研究，以獲得可應(yīng)用于低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的1～6 MeV質(zhì)子束。

質(zhì)子降能主要通過(guò)在T3靶室加降能片的方式實(shí)現(xiàn)，降能片的大小和厚度需精確設(shè)計(jì)，使得僅通過(guò)調(diào)節(jié)加速器高壓即可得到合適的質(zhì)子能量。加速器提供的質(zhì)子束流強(qiáng)度為幾納安，不能直接用于單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，借助R20支線管道原有的狹縫儀加掃描磁鐵組合的降束技術(shù)，采用散焦降束辦法獲得原始小束斑，然后采用磁場(chǎng)相互垂直的兩組掃描磁鐵分別加上相同振幅和不同頻率的三角波函數(shù)激磁電流驅(qū)動(dòng)，在樣品輻照靶室獲得均勻的掃描大束斑，目前質(zhì)子輻照裝置的主要參數(shù)如表1所列。

表1 質(zhì)子輻照裝置參數(shù)Tab.1 Proton irradiation facility specifications

實(shí)驗(yàn)中選用的器件為體硅CMOS工藝4 M×18 bit的大容量SRAM，器件特征工藝尺寸為65 nm，6管結(jié)構(gòu)，封裝模式為BGA倒封裝。器件原始襯底厚度約200μm，實(shí)驗(yàn)前減薄至約50μm。實(shí)驗(yàn)中選取如表2所列的質(zhì)子能量進(jìn)行輻照。質(zhì)子初始能量由加速器給出，降能片和覆蓋層的厚度分別為（325.3±2.4）μm和50μm（等效硅厚度），經(jīng)SRIM計(jì)算，敏感區(qū)處的最低有效質(zhì)子能量可達(dá)0.1 Me V，其LET值覆蓋了低能質(zhì)子區(qū)的主要LET值范圍。

表2 實(shí)驗(yàn)中使用的束流參數(shù)Tab.2 Beam parameters used in the experiment

實(shí)驗(yàn)獲得的器件翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子能量的關(guān)系如圖11所示（質(zhì)子能量以穿過(guò)器件覆蓋層的能量為準(zhǔn)），其中翻轉(zhuǎn)截面誤差考慮了翻轉(zhuǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差及注量測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)?？梢钥闯觯?dāng)質(zhì)子能量大于10 Me V時(shí)，隨質(zhì)子能量增加，翻轉(zhuǎn)截面增加；當(dāng)質(zhì)子能量小于10 Me V時(shí)，隨質(zhì)子能量降低，翻轉(zhuǎn)截面急劇上升；當(dāng)質(zhì)子能量降低至1 Me V左右，翻轉(zhuǎn)截面增大了2～3個(gè)量級(jí)；當(dāng)質(zhì)子能量繼續(xù)降低至0.1 Me V，仍能測(cè)試到翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但其翻轉(zhuǎn)截面有所降低。

圖11 質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.11 Experimental data of proton single event upsets

結(jié)合理論分析，得到實(shí)驗(yàn)器件的臨界電荷Qc＝0.97 f C。假設(shè)電荷收集深度為1μm，通過(guò)SRIM計(jì)算可以得到LETth等于0.97 fC·μm－1或0.094 MeV·cm2·mg－1，即能量低于2.5 MeV的質(zhì)子均可通過(guò)直接電離引起單粒子翻轉(zhuǎn)。在空間預(yù)估分析中，采用文獻(xiàn)［9］給出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（太陽(yáng)耀斑質(zhì)子、CREME96模型、2.54 cm鋁屏蔽、最糟糕周），0.1～1.6 MeV質(zhì)子對(duì)應(yīng)的注量率為1.2×106m－2·s－1，大于 15 Me V 的質(zhì)子注量率為7.8×107m－2·s－1，同時(shí)取低能質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面比高能質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，可得到低能質(zhì)子引起的錯(cuò)誤率是高能質(zhì)子的1.5～15倍。

4總結(jié)

隨著納米集成電路的廣泛應(yīng)用，質(zhì)子單粒子效應(yīng)的重要性上升到了一個(gè)新的臺(tái)階，尤其以低能質(zhì)子和新型高Z器件材料核反應(yīng)更為顯著。相關(guān)的研究成果已經(jīng)不再局限于基礎(chǔ)研究階段，而是上升到工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)NASA在2009年提出：90 nm工藝以下的器件需要考慮低能質(zhì)子評(píng)估，重離子LET閾值低于37 Me V·cm2·mg－1需要考慮質(zhì)子評(píng)估。目前北京HI-13串列加速器已經(jīng)具備低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑫r(shí)，北京串列升級(jí)工程100 Me V質(zhì)子回旋加速器于2014年7月成功出束，國(guó)內(nèi)質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究將迎來(lái)重要的發(fā)展機(jī)遇。

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Research Progress of Proton Single-Event-Effects on Nano-ICs

HE An-lin，GUO Gang，SHEN Dong-jun，LIU Jian-cheng，SHI Shu-ting，F(xiàn)AN Hui，SONG Lei
（Department of Nuclear Physics，China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

With the rapid development of semiconductor technology，the importance of proton single event effects（SEEs）research has reached a new height.In this review，the progress of proton SEEs research on nanometer integrated circuits is presented.Low energy proton induced SEEs and Soft Error Rate（SER）can be a significant contribution to total proton SEEs and SER in space，and proton interactions with new device materials like tungsten become a research focus in the field of proton induced SEEs.The research work in low energy proton induced SEEs experiment on nanometer-scale semiconductor devices done in China Institute of Atomic Energy is introduced.

proton；single event effects；nuclear reaction；direct ionization

TN406

A

2095- 6223（2015）02- 118- 07

2014- 09- 30；

2015- 02- 12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11105230）

何安林（1986－ ），男，重慶黔江人，助理研究員，碩士，主要從事宇航器件質(zhì)子輻射實(shí)驗(yàn)技術(shù)及評(píng)估方法研究。

E-mail：anlinhe＠126.com