李光遠，唐 翌, 胡志良, 梁天驕

(1．湘潭大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411105；2．散裂中子源中子科學(xué)中心, 廣東 東莞 523803；3．中國科學(xué)院高能物理研究所， 北京 100049)

0 引言

隨著半導(dǎo)體工藝提升，電子器件向著小尺度、低電壓、高集成方向邁進,大氣中子誘發(fā)的航空及地面電子系統(tǒng)單粒子效應(yīng)越來越顯著，由此引發(fā)的可靠性問題備受關(guān)注[1-6].近年來，見諸報道的超算數(shù)據(jù)故障、飛機失事等現(xiàn)象屢見不鮮，在近地空間, 中子是主要的輻射粒子, 惡劣的大氣中子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)已從偶發(fā)事件逐漸演變成為潛在的嚴(yán)重安全威脅，開展大氣中子單粒子效應(yīng)相關(guān)研究具有重大的現(xiàn)實意義與應(yīng)用價值.

中子不帶電，但其與物質(zhì)作用可誘發(fā)器件產(chǎn)生一些效應(yīng)[7]，如中子可導(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.中子誘發(fā)單粒子效應(yīng)分兩種模式：一、熱中子與10B反應(yīng)[9]產(chǎn)生α粒子和重離子；二、中高能中子[10-12](En>1 MeV)與硅等半導(dǎo)體材料發(fā)生核反應(yīng)或散裂反應(yīng)產(chǎn)生如質(zhì)子、反沖重核等.當(dāng)上述兩種產(chǎn)生次級帶電粒子的機制發(fā)生在器件敏感體積內(nèi)或附近時，帶電粒子通過電離等方式沉積能量，一旦在敏感體積內(nèi)收集到的電荷超過其臨界電荷時，就會導(dǎo)致單粒子效應(yīng)發(fā)生.

靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)是芯片或電子系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，也是對單粒子效應(yīng)最敏感器件之一，本文從注量率效應(yīng)角度著手，在中國散裂中子源BL06測試束線開展了不同工藝SRAM器件的白光中子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗，對比了器件的平均位翻轉(zhuǎn)截面在同一白光中子能譜不同注量率(注量率為107n/(cm2·s)量級)下的差異，并分析了可能的原因.

1 實驗參數(shù)

1.1 測試設(shè)備及輻射源

被測SRAM器件參數(shù)如表1所示.白光中子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗在中國散裂中子源BL06測試終端開展，圖1給出了BL06引出口處中子能譜.該束流從退耦合水慢化器引出，沿束流輸運至距離慢化器表面8.5 m處，中子能量覆蓋meV到近100 MeV，引出口處中子通量分布近似均勻，垂直作用于被測芯片.圖中所示中子能譜為蒙特卡洛粒子輸運程序計算所得，其全能譜與采用中子飛行時間法測量能譜基本一致[13]，其中因測量距離有限，飛行時間法測量中子能量上限為5 MeV.

表1 被測SRAM器件參數(shù)

圖1 CSNS BL06測試終端中子能譜Fig.1 Neutron spectrum of the experiments at CSNS BL06 port

近期實驗表明[14-15]，考慮到器件工藝差異，部分深亞微米器件對熱中子靈敏，而部分不靈敏.為便于比較，白光中子不同注量率下單粒子翻轉(zhuǎn)實驗測試條件分為兩種：測試器件前放置2 mm 厚鎘片(En>0.5 eV鎘上中子)和未放置鎘片.圖1為測試終端的中子全能譜，歸一到每個入射質(zhì)子，有鎘片時，中子通量值為1.71×10-7n/(cm2·p)，無鎘片時為2.37×10-7n/(cm2·p).

1.2 白光中子單粒子效應(yīng)實驗

單粒子測試系統(tǒng)具備對測試器件進行上電、讀寫等功能.輻照前，通過激光定位及位置調(diào)節(jié)，將測試板安裝在中子引出口處，使被測芯片中心位置與束流中心線處于同一水平，操作人員在控制大廳通過數(shù)據(jù)傳輸線實時監(jiān)測受照器件運行狀態(tài)，如圖2所示，中子從退耦合水慢化器(DWM)表面開始，經(jīng)8.5 m遠距離傳輸，從孔徑為6 cm的孔洞中引出，白光中子穿過2 mm厚鎘板后，垂直轟擊待測芯片.

圖2 實驗測試示意圖Fig.2 The sketch of the test work site

測試動態(tài)進行，打開中子開關(guān)后,對器件存儲單元連續(xù)地執(zhí)行寫、讀以及對比操作，發(fā)現(xiàn)錯誤時, 給出錯誤地址、錯誤數(shù)據(jù)等信息.實驗分五輪進行，使用兩組同款測試板及芯片，利用同一個測試系統(tǒng)在室溫和額定電壓下完成.五輪實驗對應(yīng)的束流功率分別為20 kW、50 kW、70 kW、80 kW和100 kW，具體如表2所示，如HM628128和IS61WV5128BLL-10TLI兩款器件分別完成了五種和四種束流功率下的實驗.測試時，以實測翻轉(zhuǎn)次數(shù)大于100作為終止條件；數(shù)據(jù)處理時，每輪測得位翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)取同類兩組結(jié)果的平均值，其中打靶質(zhì)子數(shù)為加速器每分鐘到靶上質(zhì)子的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中子注量根據(jù)CSNS靶站工程模型采用PHITS[16]計算所得，翻轉(zhuǎn)次數(shù)為實測數(shù)據(jù).

表2 SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)實驗匯總表

CSNS自建成運行以來，束流監(jiān)視器顯示升功率過程中，慢化器輸出的中子譜型未變，測試時注量率正比于靶站運行功率.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗指標(biāo)

文中以單粒子翻轉(zhuǎn)截面作為評估注量率效應(yīng)影響的指標(biāo).中子誘發(fā)的單粒子位翻轉(zhuǎn)截面通過下式計算得到：

(1)

式中:N為翻轉(zhuǎn)次數(shù)；φ為中子注量.誤差評估考慮了翻轉(zhuǎn)次數(shù)的統(tǒng)計誤差、打靶質(zhì)子數(shù)統(tǒng)計誤差、實驗統(tǒng)計時間誤差以及中子注量計算誤差.

2.2 實驗可重復(fù)性測試

以130 nm、型號為IS61WV5128BLL-10TLI為例，為理清實驗中不確定性因素，在80 kW功率水平下，開展了同款、同批次SRAM中子單粒子效應(yīng)實驗及同個器件，在無鎘板情況下，照射不同時間的效應(yīng)測試實驗(兩次實驗間隔24小時)，表3列出了實驗條件及測試數(shù)據(jù).

表3 130 nm SRAM中子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗測試數(shù)據(jù)

對于同款不同器件，近似相同輻照時間內(nèi)，其平均位翻轉(zhuǎn)截面分別為1.95×10-16cm2.bit-1和2.01×10-16cm2.bit-1.而同一器件，不同輻照時間下，平均位翻轉(zhuǎn)截面基本相同，分別為2.01×10-16cm2.bit-1和1.90×10-16cm2.bit-1.也就是說，如果器件工藝確定，同批次器件的個體差異不影響其中子單粒子位翻轉(zhuǎn)截面，且實驗具有很好的可重復(fù)性.

2.3 不同工藝尺寸器件鎘上中子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗

為排除熱中子影響，圖3給出了被測器件前放置2 mm鎘板，130 nm、350 nm、500 nm、800 nm工藝尺寸的SRAM在不同功率水平下的平均位翻轉(zhuǎn)截面對比圖.從圖中可知，隨著注量率的提升，中子誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)的平均位翻轉(zhuǎn)截面在誤差范圍內(nèi)無明顯變化，即在當(dāng)前注量率水平下，平均位翻轉(zhuǎn)截面與入射鎘上中子的注量率無關(guān).同時，從被測器件工藝尺寸來看，上述結(jié)論適用于所考察器件.

圖3 不同工藝尺寸SRAM在不同功率水平下的平均位翻轉(zhuǎn)截面(En>0.5 eV)Fig.3 Comparison of neutron SEU cross section for four SRAM devices at different beam power(En>0.5 eV)

2.4 不同工藝尺寸器件全能譜中子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗

在全能譜中子輻照條件下，不同工藝SRAM在不同功率水平下的平均位翻轉(zhuǎn)截面對比圖如圖4所示，對于不同工藝尺寸器件，中子誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)的平均位翻轉(zhuǎn)截面在誤差范圍內(nèi)無明顯變化，即當(dāng)前注量率水平下，平均位翻轉(zhuǎn)截面與入射白光中子的注量率無關(guān).同時，圖4中相應(yīng)器件的平均位翻轉(zhuǎn)截面均在一定程度上大于圖3中的值，此部分為鎘下中子(En<0.5 eV)帶來的影響，即當(dāng)前測試器件的硅基材料或封裝材料中含有一定濃度的雜質(zhì)10B.

圖4 不同工藝尺寸SRAM在不同功率水平下的平均位翻轉(zhuǎn)截面Fig.4 Comparison of neutron SEU cross section for four SRAM devices at different beam power

2.5 結(jié)果與分析

如圖3、圖4所示，在當(dāng)前考察注量率范圍內(nèi)，白光中子誘發(fā)的中子單粒子平均位翻轉(zhuǎn)截面變化不顯著，即當(dāng)前注量率范圍內(nèi)，中子單粒子翻轉(zhuǎn)基本不考慮注量率效應(yīng).為探討當(dāng)前注量水平下平均位翻轉(zhuǎn)截面變化不顯著的原因，選擇表1器件參數(shù)HM628128 SRAM工藝尺寸最大，存取時間最長，圖3(d)表明，在20 kW、50 kW、70 kW、80 kW、100 kW五種束流條件下，該SRAM器件的SEU截面數(shù)據(jù)在1.65×10-16～1.85×10-16范圍.

文獻[17]給出了800 nm工藝SRAM器件的單粒子飽和翻轉(zhuǎn)截面，一般認為飽和翻轉(zhuǎn)截面基本等于入射粒子與敏感體積作用的面積，因此白光中子與HM628128 SRAM敏感體積的作用面積為31.5 μm2.就本文研究的單粒子翻轉(zhuǎn)而言，只有當(dāng)入射中子作用于器件敏感單元，且在其體積內(nèi)沉積的能量大于誘發(fā)翻轉(zhuǎn)所需閾值能量時，才會導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)，也就是說，要區(qū)分是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從時間尺度上來說，必須有寫和讀兩個時間周期.假定每個作用于敏感體積上的中子其沉積的能量均大于閾值能量，如果每個時間周期要有一個事件發(fā)生，那么只有當(dāng)入射中子注量率達到3.17×1013n/(cm2·s)才有可能.根據(jù)測算，100 kW功率水平下，CSNS BL06引出口的中子注量率為6.68×107n/(cm2·s)，遠小于該值，而引出口中子注量率正比于CSNS靶站運行功率，其他功率水平下，中子注量率更低.基于此，我們認為當(dāng)前作用于器件的中子注量率遠低于相應(yīng)器件的極限值，器件的中子單粒子平均位翻轉(zhuǎn)截面基本不隨注量率改變而變化，即當(dāng)前注量率范圍內(nèi)，中子單粒子翻轉(zhuǎn)基本不考慮注量率效應(yīng).后續(xù)，我們將開展大氣中子效應(yīng)測試，探索更大中子注量率及小注量率長時間輻照條件下單粒子翻轉(zhuǎn)是否存在注量率效應(yīng).

3 結(jié)論

本文基于四款不同工藝SRAM器件，在中國散裂中子源BL06測試終端開展了不同注量率(107量級)下白光中子單粒子翻轉(zhuǎn)實驗研究，結(jié)果分析表明：當(dāng)前考察能譜及注量率范圍內(nèi)，四款SRAM器件的中子單粒子翻轉(zhuǎn)，可不考慮注量率效應(yīng)，且與入射中子能譜無關(guān)；同時也發(fā)現(xiàn)，硅基材料或封裝過程是否引入10B、器件工藝尺寸等是均是影響器件可靠性的關(guān)鍵因素.