胡志良 楊衛(wèi)濤 李永宏? 李洋 賀朝會 王松林 周斌 于全芝 何歡 謝飛 白雨蓉 梁天驕?

1) (西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710049)

2) (散裂中子源科學(xué)中心,東莞 523803)

3) (中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

4) (中國科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

采用設(shè)置和不設(shè)置鎘中子吸收體兩種方式,利用中國散裂中子源9號束線(CSNS-BL09)對65 nm微控制器進行了大氣中子單粒子效應(yīng)輻照測試.測試中探測到的效應(yīng)主要為單位翻轉(zhuǎn).測試結(jié)果表明,對于該款微控制器,熱中子引起的中子單粒子翻轉(zhuǎn)占比約65%；進一步分析表明,熱中子與10B反應(yīng)產(chǎn)生的0.84 MeV 7Li可能是誘發(fā)微控制器單粒子翻轉(zhuǎn)的主要因素.

1 引 言

近年來,隨著制造工藝的提升,大氣中子輻照導(dǎo)致的先進電子系統(tǒng)可靠性問題正在引發(fā)關(guān)注[1-5],而先進微控制器(MCU)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、消防和安全系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等領(lǐng)域,其在大氣中子環(huán)境下的可靠性問題亟待研究[6].

中子雖不帶電,但其與物質(zhì)作用可引發(fā)一些效應(yīng)[7],如中子入射電子系統(tǒng)會導(dǎo)致位移損傷效應(yīng)、總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)(SEE)[8]等.對于納米級MCU,需重點關(guān)注SEE[9].中子之所以能夠?qū)е码娮酉到y(tǒng)發(fā)生SEE,是因為其會與半導(dǎo)體中硅原子等發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生次級帶電粒子,如質(zhì)子、α粒子、反沖重核等,這些帶電粒子可通過電離等方式沉積能量(α粒子、反沖重核等),一旦敏感體積內(nèi)沉積的能量超過其閾值,就會導(dǎo)致效應(yīng)發(fā)生.

對于硅基電子系統(tǒng),中子誘發(fā)單粒子效應(yīng)的次級粒子主要分為兩類：一類為熱中子與10B發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子,另一類為高能中子(中子能量En≥ 1 MeV)與硅原子核發(fā)生核反應(yīng)或散裂反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子.圖1為B,Si等核素的中子反應(yīng)截面.其中圖1(a)為硼、硅同位素的中子截面,中子能量范圍為10—11—1 MeV.圖1(b)為28Si,27Al,184W等的中子截面(本文所研究的MCU襯底為Si,鈍化層,互聯(lián)層中亦存在N,O,Al,W),對應(yīng)中子能量范圍為1—150 MeV[10].由圖1可知,熱中子與10B的反應(yīng)截面遠高于其他核素,同時也比高能中子與28Si,27Al,184W等的反應(yīng)截面要高三個數(shù)量級以上[11],這意味著對于納米級工藝電子系統(tǒng),即使其中含有微量10B,熱中子對其可靠性影響也應(yīng)引起重視.

圖1 半導(dǎo)體中各核素的中子反應(yīng)截面 (a)與-B,Si的同位素的反應(yīng)截面,對應(yīng)中子能量范圍10—11-1 MeV；(b)與14N,16O,27Al,28Si,184W的反應(yīng)截面,對應(yīng)中子能量范圍1150 MeVFig.1.Cross sections of different energy neutrons interacting with various nuclear atoms in semiconductor：(a) Cross sections of B and Si isotopes,the neutron energy interval is 10—11-1 MeV；(b) cross sections of 14N,16O,27Al,28Si and 184W,the neutron energy interval is 1-150 MeV.

對于180 nm以上工藝電子系統(tǒng),一般認為與熱中子發(fā)生反應(yīng)的10B主要來自于電子系統(tǒng)封裝中的硼磷硅玻璃(BPSG)[12].對于更小工藝的納米級電子系統(tǒng),其已不再使用含BPSG封裝.但是,近年來有研究表明半導(dǎo)體阱中、互聯(lián)層以及半導(dǎo)體制造和刻蝕過程中引入的10B造成納米級電子系統(tǒng)SEE效應(yīng)有可能超過高能重離子[13,14].

當(dāng)前,納米級工藝MCU主要應(yīng)用于對可靠性要求較高的各類地面工況中(如醫(yī)療設(shè)備、工藝控制設(shè)備等),影響其可靠性的一個重要因素就是大氣中子.大氣中子能譜很寬,從meV到GeV,既包含熱中子亦包含高能中子,因此,其誘發(fā)SEE的測試和分析較為復(fù)雜[15].對于大氣環(huán)境下高能中子誘發(fā)的SEE,一種認為是由10 MeV以上高能中子導(dǎo)致[16],另一種則認為1—10 MeV中子貢獻不可忽略,特別是對于納米級電子系統(tǒng),更應(yīng)考慮1 MeV以上中子的貢獻[17].對于中子源,IEC62396-2規(guī)定可用于輻照試驗的中子源有：散裂中子源、準單能中子源、單能14 MeV D-T中子源[18].其中,散裂中子源因其中子能譜最接近大氣中子能譜,是研究大氣中子SEE的最佳選擇.中國散裂中子源(CSNS)的建成與運行使得在我國利用散裂中子源開展大氣中子SEE研究成為現(xiàn)實.

本文利用中國散裂中子源9號束線(CSNSBL09)對65 nm工藝商用MCU進行了大氣中子SEE測試研究.與此同時,比較并分析了不同能段中子導(dǎo)致的65 nm MCU單粒子效應(yīng)差異.

2 MCU輻照實驗

2.1 測試硬件

測試對象為德州儀器公司(TI)的Tiva C系列微控制,型號為TM4 C1294 NCPDT,其具有以下特征[6]：

1) 65 nm互補金屬氧化物半導(dǎo)體制造工藝；

2)芯片內(nèi)集成ARM Cortex-M4內(nèi)核,1 MB閃存、6 kB電可擦可編程只讀存儲器和256 kB片上靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)；

3)芯片外集成豐富的外設(shè)及網(wǎng)絡(luò)通訊接口.

本次測試的輻照區(qū)域為測試板主芯片部分(DUT),測試負載為256 kB片上SRAM中的64 kB.為了排除芯片封裝中元素對研究結(jié)果的影響,實驗前對芯片進行了開蓋處理.為了進一步明確該MCU縱向結(jié)構(gòu)信息,實驗前對同批次芯片進行了聚焦離子束分析,結(jié)果表明該款65 nm MCU為5層銅質(zhì)結(jié)構(gòu),從鈍化層到硅襯底表面厚度約為7 μm.

2.2 輻照源

CSNS是利用加速器加速質(zhì)子轟擊鎢靶產(chǎn)生并利用中子的大科學(xué)裝置,其設(shè)計功率為100 kW,入射質(zhì)子最高能量為1.6 GeV[19-21].本次實驗在9號束線(BL-09)上進行,束流從質(zhì)子入射方向46°角處經(jīng)退耦合窄化液氫慢化器引出,可垂直作用于待測芯片,所引出中子近似均勻分布.圖2為兩組實驗條件下的中子能譜,為蒙特卡羅粒子輸運程序計算所得.其中未放置鎘吸收體(對照組)的中子能譜,采用中子飛行時間法測量了5 MeV以下能區(qū)中子能譜,理論結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本一致.

圖2 實驗束線中子能譜Fig.2.Neutron spectrum of the experiments.

2.3 測試實驗

通過位置調(diào)節(jié),使主芯片中心與孔中心處于同一水平,如圖3(a)所示.中子從距離慢化器表面8.95 m、孔徑為2 cm的孔洞中引出轟擊待測芯片.

大氣中子中熱中子部分易于屏蔽,通過設(shè)置2 mm厚鎘中子吸收體即可改變中子能譜,對比不同輻照條件下誘發(fā)的SEE差異即可分析熱中子對65 nm MCU SEE的影響.具體實施如下：

1)測試組,不包含熱中子,即在出射孔處設(shè)置2 mm厚鎘吸收體以吸收熱中子,其可有效阻擋0.5 eV以下中子；

2)對照組,包含熱中子,即引出中子直接轟擊DUT.

圖3(b)和圖3(c)分別為兩組實驗現(xiàn)場,其中圖3(b)中設(shè)置了鎘中子吸收體(藍色虛線區(qū)域),圖3(c)中未設(shè)置.測試采用動態(tài)形式,即對64 kB的存儲單元連續(xù)地執(zhí)行寫、讀以及對比操作,寫入數(shù)據(jù)為0 xA5 A5 A5 A5[22].兩組實驗針對同一個測試板,利用同一個測試系統(tǒng)在室溫和正常供壓(5 V)下進行,每組輻照時間約3 h,測試時間間隔為10 h.

3 結(jié)果與討論

兩組實驗均只探測到了單位翻轉(zhuǎn)(SBU),未探測到其他效應(yīng).其中,測試組共探測到SBU 16次,對照組共探測到SBU 63次.根據(jù)圖2給出的測試組和對照組中子能譜,從譜型上看0.5 eV以上能區(qū),中子通量基本一致,0.5 eV以下能區(qū),通量相差至少一個量級,表明2 mm厚鎘中子吸收體可有效吸收中子.后續(xù)討論中,將0.5 eV以下能區(qū)中子視為熱中子,0.5 eV以上中子稱為鎘上中子.

圖3 65 nm MCU散裂中子輻照測試現(xiàn)場圖 (a) DUT與出射孔相對位置圖；(b)含2 mm厚鎘屏蔽體測試現(xiàn)場圖；(c)無鎘屏蔽測試現(xiàn)場圖Fig.3.65 nm MCU neutron test site：(a) The device under test and the 2 cm ejection hole；(b) with 2 mm cadmium shielding；(c) without cadmium shielding.

3.1 測試結(jié)果

表1給出了兩組實驗條件下中子單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)及中子注量數(shù)據(jù),其中中子單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)為實驗值,中子注量數(shù)據(jù)則是歸一到單個入射質(zhì)子的蒙特卡羅計算值與總質(zhì)子數(shù)的乘積,總質(zhì)子數(shù)是CSNS運行時,相應(yīng)時間段內(nèi)的打靶質(zhì)子數(shù).為對比方便,對照組中引入了一組質(zhì)子數(shù)歸一值,該值為總質(zhì)子數(shù)從7.21×1017降至5.33×1017時所得.

由表1可得,同一總質(zhì)子束流條件下,測試組發(fā)生了16次SBU,對照組為46次.兩組實驗中,鎘上中子能譜完全一致.表1中歸一化處理后,測試組與對照組推導(dǎo)值中鎘上中子注量相差僅為2.73%,因此同一器件同等中子注量條件下測試組與對照組中鎘上中子引起的SBU次數(shù)相等,即對照組推導(dǎo)值中46次SBU,最多有16次是鎘上中子引起,至少有30次是由熱中子引起.由此可知,對于此款65 nm MCU,熱中子導(dǎo)致的單粒子翻轉(zhuǎn)占比達65%,高能中子與大量元素的反應(yīng)產(chǎn)物引起的單粒子效應(yīng)占35%.如只考慮鎘上中子的貢獻,其SEU敏感性至少被低估了約65%.

文獻[23]指出中,半導(dǎo)體阱中,互聯(lián)層中以及半導(dǎo)體刻蝕過程中引入的10B能夠顯著影響納米級電子系統(tǒng)可靠性.文獻[24]通過對納米級半導(dǎo)體進行二次離子質(zhì)譜分析指出,相對于半導(dǎo)體中的Cu,O,N等核素,10B正好處于納米級工藝半導(dǎo)體晶體管正上方,其與晶體管敏感區(qū)域的緊密性是熱中子影響較大的一個關(guān)鍵因素.

表1 兩組輻照下的實驗數(shù)據(jù)Table 1.The experiment data in two irradiations.

3.2 結(jié)果分析

中子能否誘發(fā)納米級電子系統(tǒng)SEE主要取決于所產(chǎn)生的次級粒子,而中子能量決定了次級粒子種類和能量.從表1兩組結(jié)果可得差異主要來自熱中子.

熱中子(nth)與10B主要發(fā)生如(1),(2)式所述的反應(yīng),其中前者發(fā)生概率為6.3%,后者發(fā)生概率為93.7%[25].隨著電子系統(tǒng)工藝尺寸的減小,臨界電荷的降低,上述反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子如果在敏感體積中沉積少許能量,就有可能導(dǎo)致65 nm MCU發(fā)生SBU.

由(1)和(2)式可知,熱中子與10B反應(yīng)的次級粒子主要是7Li和4He.圖4所示為不同能量7Li和α粒子的線性能量轉(zhuǎn)移(LET)值和硅中射程[26].由圖4可知0.84 MeV的7Li硅中射程約為2.5 μm,1.47 MeV的α粒子硅中射程約為5 μm.因為對于該MCU,從鈍化層到硅襯底表面厚度約為7 μm,由此可知這兩種次級粒子的硅中射程小于芯片厚度,從而驗證與熱中子發(fā)生反應(yīng)的10B的確并非來自于封裝結(jié)構(gòu),而是來自于半導(dǎo)體內(nèi)部阱摻雜或者互聯(lián)層等.

圖4 熱中子與10B反應(yīng)產(chǎn)生次級粒子在不同能量下的LET與硅中射程Fig.4.The LET values and ranges of secondary particles from thermal neutrons interacting with 10B.

當(dāng)7Li和α粒子產(chǎn)生于芯片內(nèi)部時,其完全有可能穿過敏感體積(SV),通過直接電離沉積能量并導(dǎo)致SBU.圖5所示,為65 nm MCU內(nèi)部熱中子與鎢互聯(lián)層中10B發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生次級粒子沉積能量示意圖.圖中,綠色與紫色橢圓區(qū)域為兩種次級粒子可能沉積能量的區(qū)域示意圖,如果敏感體積位于這一區(qū)域內(nèi),就有可能導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU).

圖5 65 nm MCU內(nèi)部熱中子與10B反應(yīng)次級粒子沉積能量示意圖Fig.5.The sketch of thermal neutron interacting with 10B in 65 nm MCU.

文獻[27]通過模擬給出了同類工藝下65 nm SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)截面與LET的威布爾擬合結(jié)果,該擬合中對應(yīng)LET閾值(LETth)約為1.15 MeV·cm2·mg—1,飽和截面(σ∞)約為4.70×10—9cm2·bit—1.熱中子與10B反應(yīng)生成的0.84 MeV7Li,其LET為2.10 MeV·cm2·mg—1大于閾值1.15 MeV·cm2·mg—1,且其在硅中射程為2.46 μm,在末端布拉格峰附近,沉積能量可以達到最大,易導(dǎo)致SEU.而1.47 MeV α粒子,其LET為1.15 MeV·cm2·mg—1,接近65 nm SRAM 單粒子效應(yīng)截面LETth.由于閾值附近相比于較高LET處誘發(fā)SEU的概率低,因此推斷熱中子與10B反應(yīng)生成的0.84 MeV7Li可能是導(dǎo)致65 nm MCU發(fā)生SEE的主要原因.

由于大氣中子能譜從meV到GeV,在利用散裂中子源BL09束線評估65 nm MCU大氣中子環(huán)境下的SEE敏感性時,采用不設(shè)置鎘吸收體的輻照更合理.同時,對于大氣環(huán)境下可靠性要求較高的65 nm MCU應(yīng)用環(huán)境,如設(shè)計2 mm厚鎘屏蔽層,可將器件可靠性提高.對于更小工藝電子系統(tǒng)大氣中子SEE,在研究其大氣中單粒子效應(yīng)時,熱中子影響應(yīng)引起重視.

4 結(jié) 論

針對65 nm MCU中的片上存儲器,利用中國散裂中子源9號束線進行了大氣中子單粒子效應(yīng)敏感性初步測試.測試結(jié)果表明,對于65 nm MCU的大氣中子單粒子效應(yīng),第一：測試束線應(yīng)含熱中子,否則其單粒子效應(yīng)敏感性可能被低估約65%.第二：熱中子與10B反應(yīng)生成的0.84 MeV7Li可能是熱中子誘發(fā)65 nm MCU單粒子效應(yīng)的主要原因.