陳錫鑫，殷亞楠，高熠，郭剛，陳啟明

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2.中國原子能科學(xué)研究院抗輻射應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 102413）

1 引言

2 SRAM 存儲器中能質(zhì)子試驗

空間環(huán)境中存在的質(zhì)子、重離子等能量極高的粒子入射到航天元器件會在元器件中發(fā)生電離，電荷被敏感節(jié)點收集，從而引起單粒子效應(yīng)[1-4]。單粒子效應(yīng)會引起元器件狀態(tài)翻轉(zhuǎn)、功能失效，影響航天器的壽命和可靠性[5]。質(zhì)子是太空中粒子的主要成分，90%以上的輻射粒子為質(zhì)子[6]。隨著航天元器件工藝尺寸縮小至納米級，集成電路性能得到很大提升，但受到的單粒子效應(yīng)影響逐漸增大[7-8]。當(dāng)工藝尺寸進(jìn)入納米級，電路由質(zhì)子入射引起的單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤率會高于重離子引起的錯誤率[9]。質(zhì)子單粒子效應(yīng)產(chǎn)生機理分為2種：一是質(zhì)子直接電離，產(chǎn)生電離電荷[10]；二是質(zhì)子與器件材料產(chǎn)生核反應(yīng)，引起散射，產(chǎn)生電離電荷[10]。直接電離一般由低能質(zhì)子引起，核反應(yīng)則由中能和高能質(zhì)子引起[10]。

為了研究中能質(zhì)子對納米級集成電路的單粒子效應(yīng)的影響，并與重離子試驗做對比，本研究基于一款帶錯誤檢測與糾正（EDAC）功能的65 nm體硅CMOS SRAM，通過對存儲器不同工作模式的選擇，研究中能質(zhì)子單粒子效應(yīng)對納米級器件的影響。本文基于中國原子能科學(xué)研究院抗輻射應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心的HI-13 串列加速器開展試驗，該加速器是目前國內(nèi)開展單粒子效應(yīng)研究的主要加速器之一，主要用于航天元器件空間應(yīng)用考核及基礎(chǔ)研究。

目前國內(nèi)外有很多機構(gòu)都開展了質(zhì)子輻射試驗、理論分析等研究[11-13]，如美國國家航空航天局、IBM 公司、范德堡大學(xué)、美國圣地亞哥國家實驗室、中國原子能科學(xué)研究院等，但尚未見對EDAC 加固的SRAM 器件進(jìn)行不同模式對比分析的報道，本工作也是對之前研究的一個補充。

2.1 試驗器件及試驗系統(tǒng)

該試驗選用了一款采用商用65 nm 工藝、帶EDAC 糾錯的512 000×32 bit 抗輻射SRAM 存儲器。該電路存儲單元為商用SRAM 6T 結(jié)構(gòu)，外圍數(shù)據(jù)采用漢明碼進(jìn)行糾檢錯，通過選擇外部信號，可以控制內(nèi)部糾檢錯模式的切換，由此可以對比有無EDAC 糾錯功能時電路受質(zhì)子輻射的影響。

SRAM 質(zhì)子試驗測試系統(tǒng)如圖1 所示，主要由SRAM 和FPGA 組成。通過FPGA 向SRAM 寫入“55AA”數(shù)據(jù)，寫完后保持地址數(shù)據(jù)不變，然后開始輻照。對SRAM 不停進(jìn)行單次寫、輻照、單次讀操作。

圖1 SRAM 質(zhì)子試驗測試系統(tǒng)

2.2 試驗結(jié)果

試驗在北京中國原子能科學(xué)研究院HI-13 串列加速器上完成，采用常溫試驗環(huán)境及電路最惡劣偏置條件，電路內(nèi)部電壓為1.92 V，端口電壓為3.63 V，SRAM 中能質(zhì)子試驗結(jié)果如表1 所示。其中，初始錯誤數(shù)代表SRAM 內(nèi)部未開啟EDAC 糾錯功能時發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤，糾錯后錯誤數(shù)代表SRAM 內(nèi)部開啟EDAC 糾錯功能后發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤。SRAM重離子試驗結(jié)果如表2 所示，為了更真實地模擬空間環(huán)境對帶EDAC 功能存儲器的影響，在重離子試驗時采用了很低的注量率，但由于輻照時間的限制，總注量未能做到1×107cm-2，數(shù)據(jù)僅供對比參考。

表1 SRAM 中能質(zhì)子試驗結(jié)果

表2 SRAM 重離子試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 單粒子閂鎖現(xiàn)象分析

由于中能質(zhì)子在芯片內(nèi)部以發(fā)生核反應(yīng)為主，與內(nèi)部的Si、Cu、Al、W 等產(chǎn)生彈性碰撞，其電離能量不足以產(chǎn)生單粒子閂鎖效應(yīng)發(fā)生所需要的電荷量，中能質(zhì)子試驗未發(fā)現(xiàn)單粒子閂鎖現(xiàn)象。

同時，由于閂鎖效應(yīng)的發(fā)生與試驗?zāi)芰?、電源電壓、是否使用外延片、N 和P 器件之間間距、器件隔離、接觸孔等因素有關(guān)。此次試驗最高能量為90.4 MeV，器件內(nèi)核電壓為1.92 V，而且采用外延片流片。雖然使用商用設(shè)計規(guī)則，SRAM 單元密度很高，但未觀測到閂鎖現(xiàn)象，與重離子試驗結(jié)果吻合。

3.2 單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象分析

試驗中觀測到上萬次質(zhì)子誘發(fā)存儲單元翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明質(zhì)子的確會誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。開啟EDAC對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行糾一檢二操作后進(jìn)行試驗，仍不能消除個別錯誤，說明采用商用設(shè)計規(guī)則的SRAM 電路會發(fā)生單粒子多位翻轉(zhuǎn)。同樣，重離子采用很低的注量率也會發(fā)生單粒子多位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由此可見，納米級電路單粒子翻轉(zhuǎn)不僅僅是一位的翻轉(zhuǎn)，一個粒子可能造成多個存儲單元發(fā)生錯誤，雖然降低注量率并采用EDAC 進(jìn)行糾錯，還是不能消除錯誤，后續(xù)在應(yīng)用時需要注意增加防護。

3.3 質(zhì)子單粒子錯誤飽和現(xiàn)象

從中能質(zhì)子試驗結(jié)果看出，糾錯后的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)目未發(fā)生明顯的量級變化，趨于飽和。而重離子試驗結(jié)果則發(fā)現(xiàn)不一樣的趨勢，錯誤數(shù)隨著粒子能量的增加而進(jìn)一步增加。這2 種結(jié)果的差異是2 種輻射效應(yīng)影響機理不同導(dǎo)致的。

重離子入射產(chǎn)生“漏斗效應(yīng)”，相同條件下，能量越大，電離的電子-空穴對數(shù)目越多，所以隨著能量的增強錯誤數(shù)不斷增加。質(zhì)子核反應(yīng)屬于彈性散射和裂變反應(yīng)，與芯片內(nèi)部使用的材料有關(guān)。納米級工藝質(zhì)子與Si、Cu、Al、W 原子反應(yīng)，對應(yīng)LET 能量相近，電離出的電荷量相近；雖然質(zhì)子能量發(fā)生變化，但不會導(dǎo)致錯誤量級變化，所以發(fā)生截面飽和。

3.4 重離子翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面比較

質(zhì)子和重離子的翻轉(zhuǎn)截面如圖2 所示，采用Weibull 函數(shù)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，圖2（a）中擬合的質(zhì)子飽和截面約為1.3×10-17cm2/bit，圖2（b）中擬合的重離子飽和截面約為8.1×10-11cm2/bit。

圖2 質(zhì)子和重離子的翻轉(zhuǎn)截面

從質(zhì)子和重離子的飽和截面來看，2 種截面相差6個數(shù)量級。量級上的差別與質(zhì)子發(fā)生核反應(yīng)的概率有關(guān)，一般1×105～1×106個質(zhì)子才會發(fā)生一次核反應(yīng)，所以才會導(dǎo)致質(zhì)子的飽和截面比重離子低6 個數(shù)量級。在計算空間軌道錯誤率時，結(jié)合空間軌道環(huán)境和粒子數(shù)，重離子與質(zhì)子錯誤率相近也證實了這一點。利用ForeCAST 軟件對質(zhì)子和重離子錯誤率進(jìn)行計算（地球同步軌道），質(zhì)子錯誤率為2.766×10-10error/(bit·d)，重離子錯誤率為2.4×10-10error/(bit·d)。該結(jié)果顯示質(zhì)子與重離子空間錯誤率相近。此次試驗很好地探索了中能質(zhì)子對SRAM 電路的影響，明確了質(zhì)子與重離子導(dǎo)致單粒子錯誤的異同，為SRAM 在航天上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究在北京中國原子能科學(xué)研究院HI-13 串列加速器上完成了帶EDAC 功能的65 nm SRAM 存儲器中能質(zhì)子輻射試驗。對SRAM 帶EDAC 和不帶EDAC 的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并將試驗結(jié)果與重離子試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得出了如下結(jié)論：1）試驗未發(fā)現(xiàn)質(zhì)子單粒子閂鎖現(xiàn)象；2）試驗發(fā)現(xiàn)了單粒子多位翻轉(zhuǎn)，器件在航天應(yīng)用中需要做進(jìn)一步的防護；3）中能質(zhì)子導(dǎo)致錯誤數(shù)飽和，這是由質(zhì)子核反應(yīng)后粒子能量相近引起的；4）質(zhì)子飽和截面與重離子飽和截面數(shù)量級的差距是由質(zhì)子核反應(yīng)概率引起的。

本試驗探索了中能質(zhì)子對SRAM 電路的影響，為SRAM 在航天上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)將繼續(xù)開展低能質(zhì)子和高能質(zhì)子試驗，將各種能量的質(zhì)子效應(yīng)機理闡述清楚。