羅尹虹 張鳳祁 郭紅霞 Wojtek Hajdas

1) (西北核技術(shù)研究院, 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室, 西安 710024)

2) (保羅謝勒研究所, 菲林根 5232 瑞士)

為實現(xiàn)對納米 DICE (dual interlocked cell)加固器件抗質(zhì)子單粒子能力的準確評估, 通過對 65 nm雙DICE 加固靜態(tài)隨機存儲器 (static random access memory, SRAM)重離子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)的分析, 獲取了其在重離子垂直和傾角入射時的單粒子翻轉(zhuǎn) (single event upset, SEU)閾值以及離子入射最劣方位角, 并結(jié)合蒙卡仿真獲取不同能量質(zhì)子與器件多層金屬布線層發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子LET(linear energy transfer)值最大值以及角度分布特性, 對器件在不同能量下的質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性進行了預(yù)測, 質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗結(jié)果驗證了預(yù)測方法的有效性以及預(yù)測結(jié)果的準確性, 并提出針對DICE加固類器件在重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗評估中均應(yīng)開展離子最劣方位角下的傾角入射試驗.

1 引 言

空間輻射環(huán)境下, 重離子、質(zhì)子是造成器件單粒子效應(yīng)的主要原因, 由于中高能質(zhì)子主要通過核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子引發(fā)單粒子效應(yīng), 所以質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面通常遠小于重離子直接電離產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)截面, 但在空間低軌環(huán)境下, 高的質(zhì)子通量使得器件單粒子效應(yīng)主要來自于質(zhì)子[1,2].為準確評估器件在軌單粒子錯誤率, 通常對器件應(yīng)開展重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗獲取器件單粒子效應(yīng)截面曲線.相比于質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗帶來的輻射活化和放射性殘留等問題, 以及用于開展單粒子效應(yīng)試驗的中高能質(zhì)子加速器的相對缺乏, 重離子實驗更加易于開展.因此國際上提出了一些基于重離子試驗數(shù)據(jù)獲取質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面的計算模型, 如 Peterson 模型[3]、Profit模型[4]、Edmonds模型[5]以及J.Barak模型[6]等, 這些模型通常做了很多近似假設(shè), 且主要考慮質(zhì)子與硅發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子.隨著器件工藝的不斷發(fā)展, 這些模型結(jié)果由于各自的局限性為空間質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)估帶來極大不確定性[7,8].在重離子試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上基于蒙卡仿真計算質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面也是目前常用的一種手段, 由于器件靈敏體積的建立對于仿真結(jié)果的準確性至關(guān)重要, 通常需結(jié)合重離子試驗數(shù)據(jù)對靈敏體積幾何尺寸、臨界電荷、收集效率等參數(shù)進行確定和校準, 該方法物理過程清晰, 對于非加固器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面的計算結(jié)果精度較高[9?11].但對于采用多節(jié)點冗余加固的器件, 不同敏感節(jié)點對的方向性、距離以及臨界電荷均存在差異, 在靈敏體積構(gòu)建時除考慮重離子試驗數(shù)據(jù), 還需要詳細的器件工藝和幾何信息結(jié)合TCAD (technology computer aided design)或SPICE (simulation program with integrated circuit emphasis)仿真對靈敏體積模型進一步優(yōu)化, 難度和復(fù)雜性明顯增加[12?14].

因此開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗仍然是保障器件空間可靠應(yīng)用最直接有效的手段.但目前國內(nèi)僅有中國原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器可用于開展25 MeV以上質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗.對于一些非加固器件, 通常單粒子效應(yīng)LET閾值低, 質(zhì)子能量100 MeV時器件已經(jīng)達到飽和狀態(tài),基本滿足單粒子效應(yīng)試驗和空間質(zhì)子單粒子錯誤率預(yù)估的需求.而對于加固器件, 通常有高的單粒子效應(yīng)LET閾值[15?18], 則需要進一步開展大于100 MeV的質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗, 歐空局單粒子效應(yīng)實驗方法[19]中規(guī)定的最大質(zhì)子能量為200 MeV.由于質(zhì)子與硅核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子最大LET值不超過15 MeV·cm2/mg時, 因此當(dāng)器件重離子LET閾值大于 15 MeV·cm2/mg 時, 通常認為無需再開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗.但隨著器件技術(shù)的發(fā)展,器件工藝中采用了一些新的金屬材料, 導(dǎo)致質(zhì)子與材料核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子種類、LET值分布更加廣泛, 最大LET值可能超過15 MeV·cm2/mg[20,21].為確?？臻g環(huán)境下關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性, 必須對這類加固器件的抗質(zhì)子單粒子能力進行準確地試驗評估.由于國內(nèi)現(xiàn)有質(zhì)子加速器實驗條件的限制, 能量100 MeV以上的質(zhì)子實驗需要依托國外的質(zhì)子加速器開展, 實驗成本昂貴, 實驗機時難以保障.因此基于重離子實驗數(shù)據(jù), 并結(jié)合蒙卡仿真獲取質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子分布, 對質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性進行先期預(yù)測, 可以對器件是否需要開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗以及是否需開展100 MeV以上質(zhì)子實驗進行判斷和篩選, 從而降低對質(zhì)子試驗機時的需求.

本工作基于65 nm雙DICE加固SRAM器件,依托國內(nèi)兩臺重離子輻照裝置獲取了重離子單粒子效應(yīng)試驗結(jié)果, 結(jié)合質(zhì)子蒙卡仿真獲取不同能量質(zhì)子與器件多層金屬布線層作用產(chǎn)生的次級粒子分布, 預(yù)測了該器件在國內(nèi)現(xiàn)有加速器最大質(zhì)子能量100 MeV時和相關(guān)標準中規(guī)定的最大質(zhì)子能量200 MeV時的單粒子效應(yīng)敏感性, 質(zhì)子試驗結(jié)果驗證了預(yù)測結(jié)果的準確性, 并對開展此類器件重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗提出了建議.

2 試 驗

2.1 試驗樣品

試驗樣品為 128 kbit雙 DICE SRAM, 采用65 nm 體硅 CMOS (complementary metal-oxidesemiconductor transistor)工藝, 圖1 為 DICE 存儲單元電路原理圖.由于DICE器件僅有一個靈敏節(jié)點對的兩個靈敏節(jié)點同時沉積足夠電荷才能引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn), 其抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力依賴于靈敏節(jié)點之間的距離.隨著器件特征尺寸的減小, 靈敏節(jié)點間距也隨之減小, DICE單元抗單粒子翻轉(zhuǎn)有效性降低.因此該SRAM存儲單元設(shè)計時采用了雙DICE單元交叉版圖布局的設(shè)計方式(見圖2), 即在DICE單元每兩個相鄰晶體管之間插入另一個DICE單元相應(yīng)的晶體管, 通過采用交叉布局實現(xiàn)面積共用, 在不犧牲面積和功耗的情況下, 有效增加了DICE單元靈敏節(jié)點對之間的距離.當(dāng)器件存儲數(shù)據(jù)時, 存在四組單粒子翻轉(zhuǎn)靈敏節(jié)點對, 當(dāng)任意一對靈敏節(jié)點收集電荷超過單粒子翻轉(zhuǎn)臨界電荷時, DICE單元發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn).表1列出了當(dāng)DICE存儲單元存儲不同數(shù)據(jù)時的靈敏節(jié)點對情況.圖2中標注了存儲數(shù)據(jù)1時DICE單元的4組靈敏節(jié)點對分布情況.

圖1 DICE 存儲單元電路原理圖Fig.1.Diagram of the DICE memory cell.

2.2 重離子試驗方案

圖2 雙DICE存儲單元交叉布局版圖示意圖以及存儲數(shù)據(jù)1時DICE單元4組靈敏節(jié)點對分布情況Fig.2.Layout diagram of dual DICE cells and the distribution of four sensitive pairs with “1”.

表1 雙DICE存儲單元存儲不同數(shù)據(jù)時的靈敏節(jié)點對Table 1.Sensitive pairs with different data stored in dual DICE cell.

重離子單粒子效應(yīng)試驗在中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器以及蘭州近物所回旋加速器重離子輻照裝置(HIRFL)上開展, 考慮到納米器件多層金屬布線層對重離子能量的衰減會影響有效LET值的表征, 表2列出了試驗中所選用的離子種類信息并結(jié)合器件多層金屬布線層信息計算了入射到器件靈敏區(qū)的重離子有效LET值.

在一些指定離子開展了離子30°, 60°傾角入射試驗, 傾角入射時選用了兩種入射方位角, 分別為沿著器件X軸f= 0°即沿著阱的方向, 以及沿著Y 軸f= 90°即橫跨阱的方向傾角入射, 如圖3所示.為進一步獲取器件單粒子翻轉(zhuǎn)最劣方位角, 根據(jù)四組靈敏節(jié)點對的方向, 在Br離子入射時, 開展了四種方位角下即f= 0°,f= 45°,f= 90°,f=135°的傾角60°單粒子效應(yīng)試驗.試驗中存儲單元填充的測試圖形均為55 H, 陣列工作電壓1.2 V.試驗時采用動態(tài)輻照, 輻照過程中測試系統(tǒng)對存儲數(shù)據(jù)進行連續(xù)回讀, 并對發(fā)生翻轉(zhuǎn)的單元地址和數(shù)據(jù)進行記錄.

表2 試驗離子種類信息Table 2.Ion species in Heavy ion testing.

圖3 重離子沿不同方位角傾斜 60°入射器件示意圖Fig.3.Schematic of heavy ion tilt 60° incidence along different orientational angle.

3 重離子單粒子效應(yīng)試驗結(jié)果及分析

圖4給出了DICE SRAM器件重離子單粒子位翻轉(zhuǎn)截面與有效LET值的關(guān)系曲線, 并對垂直入射條件下器件單粒子翻轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)進行了威布爾擬合.重離子垂直入射時, F離子和Cl離子均未引起 SRAM發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn), 僅當(dāng) LET值23.5 MeV·cm2/mg的Ti離子入射且入射總注量達到1 × 107/cm2時才發(fā)生1次單粒子翻轉(zhuǎn).根據(jù)威布爾擬合結(jié)果可知, 重離子垂直入射時, 器件單粒子翻轉(zhuǎn)閾值可達 22 MeV·cm2/mg, 而通常的非加固6管SRAM器件其單粒子翻轉(zhuǎn)閾值約為0.3 MeV·cm2/mg[22], 重離子試驗結(jié)果表明采用雙DICE交叉布局方法極大提高了SRAM單元SEU閾值.重離子傾角入射時, 當(dāng) LET 值 14 MeV·cm2/mg的Cl離子沿X方向30°傾角入射時就能引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn), 且翻轉(zhuǎn)截面高于Ti離子垂直入射時的SEU截面, 而沿Y方向30°傾角入射卻不能引發(fā)SEU, 這表明相比于離子沿Y方向入射, 沿X方向入射更易引起SEU且明顯降低器件SEU閾值, 此時單粒子翻轉(zhuǎn)閾值約為14 MeV·cm2/mg左右.

圖4 65 nm SRAM 重離子單粒子位翻轉(zhuǎn)截面曲線Fig.4.65 nm dual DICE SRAM heavy ion bit SEU cross section versus the effective LET.

對Br離子在四種方位角下傾角60° 入射時的SEU截面數(shù)據(jù)進行分析可知, 當(dāng)入射方位角f=45°,f= 135°時, SEU 截面基本一致, 位于方位角f= 0°與f= 90°兩者 SEU 截面之間, 可見離子沿X方向傾角入射器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性最高,而沿Y方向傾角入射SEU敏感性最低.當(dāng)沿f=0°和f= 90°兩種方位角入射時, 離子傾斜角度越大SEU截面差異越明顯.在I離子傾角30°時, 離子沿X方向斜入射時的翻轉(zhuǎn)截面比Y方向斜入射時的截面高2倍, 而在傾角60°時, 沿X方向斜入射時的翻轉(zhuǎn)截面比Y方向斜入射時的截面高7倍.另一方面, 當(dāng)離子沿Y方向傾角入射, 有效LET值 57.7 MeV·cm2/mg 以上時, 單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨LET值的增加不再發(fā)生明顯變化, 進入飽和狀態(tài);而離子沿X方向傾角入射時, SEU截面隨LET值持續(xù)增加, 當(dāng)有效 LET 值達到 68 MeV·cm2/mg時, SEU 截面已達 4.4 × 10–8cm2即 4.4 μm2, 高于垂直入射時器件的 SEU 飽和截面 1.4 × 10–8cm2,并遠高于非加固標準6管SRAM存儲單元的面積0.50 或 0.625 μm2.可見, 對于 65 nm 工藝采用雙DICE的版圖設(shè)計增大敏感節(jié)點對之間的距離, 雖增大了器件單粒子翻轉(zhuǎn)閾值, 但高LET值時器件單粒子翻轉(zhuǎn)依然非常嚴重, 特別在沿X方向傾角入射時.

CMOS器件通常采用雙阱工藝, 電荷漂移、擴散和雙極放大是單粒子電荷收集的幾種主要機制.通常雙極放大效應(yīng)主要發(fā)生在N阱PMOS中, 因此為穩(wěn)定阱電勢避免寄生雙極晶體管開啟導(dǎo)致器件發(fā)生SEU, 器件版圖設(shè)計時(見圖2)在N阱中增加了實體N+ 保護環(huán), 而P阱中添加了P+ 間歇式保護環(huán).以存儲數(shù)據(jù)1為例, 當(dāng)離子垂直入射時, 由于 N + 保護環(huán)的存在, 在N阱中沉積的電子僅引起入射晶體管下方阱電勢擾動, 電子將被保護環(huán)快速收集, 抑制電勢擾動的傳播, 因此間距遠的敏感節(jié)點對AP2/AP4難以通過寄生雙極放大效應(yīng)同時收集足量電荷引發(fā)SEU.而空穴遷移率低, 擴散距離有限, 且電荷在從AP2向AP4擴散過程中DICE B的敏感節(jié)點BP2也將收集電荷,擴散電荷量進一步減少, 擴散空穴也難以同時被AP2/AP4敏感節(jié)點對收集引發(fā) SEU.因此, 離子垂直入射時, P阱中電子沿阱的方向擴散引起NMOS敏感節(jié)點對AN1/AN3電荷收集是導(dǎo)致DICE A單元SEU的主要原因.而當(dāng)離子沿X方向傾角入射時, 將使N阱中沿離子入射徑跡多個PMOS下方的阱電勢擾動, 使得敏感節(jié)點對AP2/AP4甚至BP2/BP4觸發(fā)寄生雙極放大效應(yīng); 同時P阱中離子徑跡穿過的多個NMOS下方也會由于電荷擴散導(dǎo)致AN1/AN收集電荷, 二者共同作用, 將導(dǎo)致 DICE A 發(fā)生 SEU, 甚至引發(fā) DICE A/DICE B 發(fā)生兩位多位翻轉(zhuǎn).從分析可知, 當(dāng)離子沿X方向即阱的方向入射時, 會引起最大的電荷共享和阱電勢的調(diào)制, 更易觸發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)和多位翻轉(zhuǎn), 因此離子沿阱的方向傾角入射是DICE器件單粒子效應(yīng)的最劣方位角, 在開展單粒子效應(yīng)試驗時, 必須考慮離子入射方位角對器件SEU的影響.

4 質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子分布計算

在質(zhì)子單粒子效應(yīng)理論研究方面, 通常采用蒙卡方法對入射粒子在器件中的輸運進行模擬, 跟蹤次級粒子, 計算次級粒子在靈敏體積內(nèi)的能量沉積, 判斷沉積能量產(chǎn)生的電荷量是否大于臨界電荷, 統(tǒng)計翻轉(zhuǎn)數(shù), 獲取器件單粒子效應(yīng)截面.由于雙DICE加固設(shè)計器件每個存儲單元涉及多個靈敏節(jié)點對, 每組靈敏節(jié)點對距離不同, 且兩個存儲單元又相互嵌套, 為構(gòu)建雙DICE SRAM靈敏體積陣列帶來了極大的難度.因此這里并不直接計算雙DCIE SRAM的質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面, 而是關(guān)注質(zhì)子與器件上方多層金屬布線層作用產(chǎn)生的次級粒子LET值分布情況, 基于不同能量質(zhì)子與不同互聯(lián)材料發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的次級粒子LET值最大值的差異, 以及次級粒子角度分布特性, 預(yù)測其對65 nm雙DICE SRAM質(zhì)子單粒子敏感性可能帶來的影響, 從而指導(dǎo)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗工作的開展.

由于國內(nèi)現(xiàn)有加速器最大質(zhì)子能量為100 MeV,相關(guān)試驗標準中規(guī)定的最大質(zhì)子能量為200 MeV,因此仿真中質(zhì)子能量點選擇100, 200 MeV兩個能量點.圖5 中給出了 65 nm DICE SRAM 有源區(qū)上方多層金屬布線層的材料和厚度信息, 該器件采用了Cu作為互聯(lián)材料取代了原有的鋁互聯(lián)工藝.由于器件單粒子效應(yīng)靈敏區(qū)厚度通常為1 μm, 因此圖6計算結(jié)果中給出了質(zhì)子穿過多層金屬布線層后在體硅區(qū)表面1 μm厚度范圍內(nèi)的次級粒子LET值分布情況.

圖5 65 nm DICE SRAM 有源區(qū)上方多層金屬布線層Fig.5.Multiple metal-interconnection layers above the active area in 65 nm SRAM.

從圖6(a)中可以看出, 當(dāng)采用鋁互聯(lián)工藝時,100 MeV質(zhì)子和200 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子最大 LET 值分別為 11 和 13.2 MeV·cm2/mg, 與早期所報道的質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子最大LET值小于 15 MeV·cm2/mg 的認知是一致的.重離子單粒子效應(yīng)試驗結(jié)果表明, 重離子垂直入射時65 nm DICE SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值為22 MeV·cm2/mg.由于相關(guān)試驗標準中規(guī)定質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗僅在垂直入射條件下開展即可, 如果基于以前的認識, 則無需進一步開展200 MeV及以下質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗.但由于器件采用了銅互連工藝, 圖6(b)計算結(jié)果表明, 此時100 MeV質(zhì)子和200 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子最大LET值分別為19.8和24.9 MeV·cm2/mg.基于計算結(jié)果和重離子試驗數(shù)據(jù), 可以初步判斷,100 MeV質(zhì)子垂直入射時不能引起器件單粒子翻轉(zhuǎn), 而200 MeV質(zhì)子大注量垂直入射時能夠引起器件單粒子翻轉(zhuǎn), 但截面較小.

圖6 100 MeV 和 200 MeV 質(zhì)子穿過器件多層金屬布線層后在硅中產(chǎn)生的次級粒子LET值分布 (a) 鋁互聯(lián);(b) 銅互聯(lián)Fig.6.LET distribution of secondary particle in silicon with 100 MeV and 200 MeV protons passing through multiple metallization layers: (a) Al interconnection; (b) cu interconnection.

入射質(zhì)子能量不同, 與材料原子反應(yīng)道不同,產(chǎn)生的次級粒子種類和能量也就不同.質(zhì)子能量越高, 反應(yīng)道越多, 產(chǎn)生的次級粒子種類也就越多.當(dāng)質(zhì)子與Cu發(fā)生核反應(yīng)時, 產(chǎn)生的次級粒子包括質(zhì)子、中子、a離子、重離子等, 其中重離子種類覆蓋從原子序數(shù)3到30之間.為了解核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子相比于入射質(zhì)子其出射角的分布情況, 以反應(yīng)截面較高的原子序數(shù)Z= 27的次級粒子為例, 圖7給出了 100 MeV質(zhì)子穿過器件多層Cu金屬布線層產(chǎn)生的Z= 27次級粒子能量角度分布情況, q為次級粒子與入射質(zhì)子方向之間的夾角.從圖中可以看出, 能量越高的次級粒子, 出射角度越小, 最大限度地保持與入射質(zhì)子的方向一致, 更加前向出射從而保存動量.而能量越低的次級粒子則具有更寬的角度分布范圍, 即低LET值、射程短的次級粒子傾向于各向同性.通常質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗認為核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子是各向同性的, 試驗中無需考慮質(zhì)子入射角度對單粒子效應(yīng)截面的影響, 僅采用垂直入射開展效應(yīng)試驗即可.但計算結(jié)果表明, 能量最高、LET最大、射程最長的次級粒子具有優(yōu)先前向出射的特性, 這必然會對靈敏節(jié)點對具有明顯方向性的DICE加固設(shè)計類器件的質(zhì)子單粒子效應(yīng)產(chǎn)生影響.由于100 MeV和200 MeV質(zhì)子穿過多層Cu金屬布線層后產(chǎn)生的最大LET值分別為19.8和24.9 MeV·cm2/mg, 均大于重離子沿最劣方位角傾角入射時65 nm DICE SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值14 MeV·cm2/mg, 因此, 可以判斷當(dāng) 100 MeV 質(zhì)子和200 MeV質(zhì)子沿著器件最劣方位角傾角入射時, 均能引發(fā)器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn).對于LET值14 MeV·cm2/m 以上的次級粒子, 由于 200 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的次級粒子反應(yīng)截面約為100 MeV質(zhì)子的兩倍, 因此200 MeV質(zhì)子傾角入射時的單粒子翻轉(zhuǎn)截面應(yīng)大于100 MeV質(zhì)子.

圖7 65 nm 雙 DICE SRAM 質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面Fig.7.Proton single event upset cross section in 65 nm dual DICE SRAM.

5 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗驗證

5.1 試驗條件

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗在瑞士保羅謝勒研究所質(zhì)子輻照裝置(PIF)上完成, 該裝置最大質(zhì)子能量250 MeV, 基于國內(nèi)現(xiàn)有加速器質(zhì)子能量條件以及相關(guān)標準中規(guī)定的最大質(zhì)子能量, 試驗中質(zhì)子能量點選擇 100 MeV, 200 MeV 兩個能量點.為研究中高能質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子可能引入的單粒子效應(yīng)角度效應(yīng), 在兩個能量點下均進行了垂直和傾角60°試驗, 其中傾角試驗中的方位角設(shè)定為重離子試驗中確定的最劣方位角, 即質(zhì)子沿X方向即阱的方向傾角入射.試驗在空氣中進行,輻照時采用準直器, 束斑面積 3 cm2, 質(zhì)子注量均設(shè)定為 5 × 1010/cm2.

5.2 試驗結(jié)果及分析

圖8給出了雙DICE加固器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗結(jié)果.從圖中可以, 當(dāng)垂直入射時, 100 MeV質(zhì)子沒有產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn), 而在200 MeV時引起1次單粒子翻轉(zhuǎn).當(dāng)質(zhì)子沿最劣方位角傾角60°入射時, 此時 100 MeV 質(zhì)子也能引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn), 同時200 MeV質(zhì)子傾角入射時SEU截面比垂直入射時高8倍, 試驗結(jié)果表現(xiàn)出明顯的質(zhì)子SEU角度效應(yīng).另一方面, 傾角入射時200 MeV質(zhì)子SEU截面是 100 MeV質(zhì)子 SEU截面的 4倍, SEU截面隨能量增加而增加, 沒有達到飽和.質(zhì)子試驗結(jié)果驗證了重離子試驗數(shù)據(jù)結(jié)合質(zhì)子核反應(yīng)次級粒子仿真數(shù)據(jù)預(yù)測質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性結(jié)果的準確性.值得注意的是, 如果僅以 100 MeV 質(zhì)子加速器或質(zhì)子垂直輻照試驗結(jié)果作為空間質(zhì)子翻轉(zhuǎn)率預(yù)估依據(jù), 將會明顯高估器件抗單粒子能力, 為空間應(yīng)用帶來隱患.另一方面, 雖然DICE器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面很低, 相比于非加固6管SRAM器件200 MeV時SEU截面[22]低了一個數(shù)量級左右, 單粒子效應(yīng)閾值也高達 100 MeV, 具有很強的抗質(zhì)子單粒子能力, 但由于這類DICE器件通常應(yīng)用在核心關(guān)鍵系統(tǒng)上, 當(dāng)工作于低軌衛(wèi)星等質(zhì)子通量豐富的空間環(huán)境時, 仍需開展質(zhì)子單粒子試驗考核評估, 且應(yīng)沿著阱的方向進行傾角入射獲取最劣試驗條件下的質(zhì)子SEU截面, 從而保障其空間應(yīng)用的高可靠.

圖8 100 MeV 質(zhì) 子 穿 過 多 層 金 屬 布 線 層 產(chǎn) 生 的 Z =27次級粒子能量角度分布Fig.8.The distribution of energy and angle of secondary particle with Z = 13 induced by interaction with multiple metallization layers by 100 MeV protons.

6 結(jié) 論

本文針對國內(nèi)質(zhì)子加速器現(xiàn)狀, 為準確評價納米DICE加固器件抗質(zhì)子單粒子能力, 實現(xiàn)其空間可靠應(yīng)用, 針對 65 nm雙 DICE加固設(shè)計器件, 在重離子單粒子效應(yīng)試驗研究基礎(chǔ)上, 明確了雙DICE設(shè)計在提高納米器件抗單粒子翻轉(zhuǎn)閾值方面的有效性, 并獲取了器件在重離子垂直和傾角入射時的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值以及離子入射最劣方位角.蒙卡仿真獲取了不同能量質(zhì)子與器件多層金屬布線層發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子LET值最大值以及次級粒子的角度分布特性.通過二者結(jié)合, 對 65 nm DICE SRAM在國內(nèi)現(xiàn)有加速器最大質(zhì)子能量100 MeV時和相關(guān)標準中規(guī)定的最大質(zhì)子能量200 MeV時的單粒子效應(yīng)敏感性進行了先期預(yù)測,質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗結(jié)果驗證了預(yù)測方法的有效性以及預(yù)測結(jié)果的準確性.通過該方法, 可以對器件是否需要開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗以及是否需開展100 MeV以上質(zhì)子試驗進行有效判斷和篩選, 并明確對質(zhì)子加速器最大能量條件的要求, 降低對質(zhì)子試驗機時的需求.另一方面, 研究結(jié)果也表明, DICE類器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)也存在明顯的角度效應(yīng), 因此針對DICE加固類器件在重離子和質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗評估中均應(yīng)開展離子最劣方位角下的傾角入射試驗.