黃澤棋， 敬罕濤， 張玉亮， 金大鵬

(1. 散裂中子源科學(xué)中心， 廣東東莞 523803； 2. 中國科學(xué)院高物理研究所， 北京 100049； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100039)

單粒子效應(yīng)(single event effect，SEE)是指由單個(gè)高能粒子與微電子器件或電路的敏感區(qū)域相互作用引起器件異常的現(xiàn)象[1]。根據(jù)聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)測試標(biāo)準(zhǔn)JESD89A中的定義[2]，單粒子效應(yīng)會造成微電子設(shè)備、組件及子系統(tǒng)發(fā)生可測量或可觀察的變化。隨著對單粒子效應(yīng)研究的不斷深入及半導(dǎo)體器件集成度的不斷提高，新的現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)。單粒子效應(yīng)可細(xì)分為單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)、單粒子閉鎖、單粒子燒毀、單粒子功能中斷、單粒子?xùn)糯┖蛦瘟Ｗ游灰茡p傷等10余種效應(yīng)。

1962年，Wallmark等[3]首次提出單粒子翻轉(zhuǎn)的假設(shè)。1975年，Binder等[4]提出通信衛(wèi)星設(shè)備中數(shù)字電路的錯(cuò)誤是由宇宙射線中的單個(gè)重離子與設(shè)備相互作用引起的，且計(jì)算出每個(gè)晶體管每年發(fā)生單粒子事件的次數(shù)是3.1×10-3，與觀測到的事件發(fā)生率相符。1978年，研究人員發(fā)現(xiàn)陶瓷管殼中存在的放射性同位素釷和鈾產(chǎn)生的粒子會引起動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(dynamic random access memory，DRAM)的瞬時(shí)擾動(dòng)[5]。1986年，Waskiewicz等[6]發(fā)現(xiàn)252Cf重離子輻照MOSFET時(shí)發(fā)生了單粒子燒毀效應(yīng)。隨后單粒子效應(yīng)引起了更多的關(guān)注，研究范圍也越來越廣。2003年，Dodd等[7]總結(jié)了單粒子效應(yīng)的基本物理機(jī)制，提出單粒子效應(yīng)包括能量沉積、電荷輸運(yùn)及電荷收集3個(gè)過程。能量沉積過程是指入射粒子通過直接電離或間接電離的方式與器件材料發(fā)生相互作用，會有能量沉積在靶材料中，產(chǎn)生大量的電荷，被迅速輸運(yùn)和收集。電荷輸運(yùn)包括漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2種方式。在器件中輸運(yùn)的電荷會被器件敏感區(qū)收集，產(chǎn)生瞬態(tài)電流，干擾器件和相關(guān)電路。

1 大氣中子單粒子效應(yīng)

1.1 中子單粒子效應(yīng)相關(guān)理論及模擬軟件

王長河[8]在文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)，1971-1986年發(fā)射的同步衛(wèi)星，由空間輻射造成的故障有1 129次，其中單粒子效應(yīng)引起的故障621次，占比為55%。在臨近空間中，高能中子注量率遠(yuǎn)高于其他粒子，大氣中子單粒子效應(yīng)引起的器件故障更多[9]。此外，在大氣層內(nèi)，由于宇宙射線內(nèi)的質(zhì)子與大氣分子發(fā)生核反應(yīng)，生成大量中子，直接影響航空飛行器上的電子學(xué)器件及系統(tǒng)。自20世紀(jì)90年代，大氣中子造成的單粒子效應(yīng)引起廣泛關(guān)注，大氣中子導(dǎo)致的錯(cuò)誤模式被廣泛研究[10]。

中子不與介質(zhì)原子的電子直接發(fā)生相互作用，而是與原子核直接發(fā)生相互作用，作用機(jī)制有勢散射、形成復(fù)合核及直接作用[11]。勢散射不會引起核內(nèi)部狀態(tài)的變化，而是入射中子的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)移給靶核，使靶核獲得動(dòng)能，形成反沖核。復(fù)合核的形成包括共振彈性散射、非彈性散射、放出帶電粒子的核反應(yīng)、輻射俘獲、發(fā)射多粒子反應(yīng)及裂變。直接作用包括拾取反應(yīng)、直接非彈性散射、敲出反應(yīng)、電荷交換反應(yīng)及直接俘獲5種反應(yīng)類型。

基于中子核反應(yīng)原理，中子輻照半導(dǎo)體器件和材料時(shí)會產(chǎn)生能量沉積[12]。產(chǎn)生能量沉積的方式為：(1)中子與核子碰撞，使核子達(dá)到激發(fā)態(tài)，然后核子退激釋放光子；(2)高能中子與晶格相互作用，產(chǎn)生反沖原子或離子；(3)中子發(fā)生非彈性散射，釋放出帶電粒子；(4)中子與芯片封裝材料中的微量天然放射性元素鈾和釷等作用發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生裂變碎片。中子引起的單粒子效應(yīng)與質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)類似，存儲器的主要錯(cuò)誤類型如表1所列。

表1 大氣中子導(dǎo)致存儲器的錯(cuò)誤模式Tab.1 Error patterns of memorizer induced by atmospheric neutrons

中子通過電離能量沉積和非電離能量沉積對器件材料造成影響。隨著器件制造工藝水平的快速發(fā)展，新材料和新工藝的不斷應(yīng)用，中子通過電離能量沉積造成的器件單粒子效應(yīng)也在不斷變化。

針對中子單粒子效應(yīng)，可利用地面裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)M、航天器運(yùn)載實(shí)測及理論仿真開展研究。但無論是地面實(shí)驗(yàn)還是飛行實(shí)驗(yàn)，都存在實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高及設(shè)計(jì)周期長的特點(diǎn)，而理論仿真能更好地觀測輻射過程中器件內(nèi)部參數(shù)的變化，分析單粒子效應(yīng)的物理機(jī)制，建立物理模型。

針對物理級、器件級、電路級及系統(tǒng)級的單粒子效應(yīng)模擬都有相應(yīng)的模擬軟件。在物理層面，可使用蒙特卡羅方法，確定入射粒子與靶材料原子發(fā)生相互作用時(shí)的核反應(yīng)和沉積能量等參數(shù)，模擬核反應(yīng)過程及粒子輸運(yùn)的軟件主要有歐洲核子研究中心開發(fā)的免費(fèi)開源程序包Geant4[13]和計(jì)算材料阻止本領(lǐng)及粒子在材料中運(yùn)動(dòng)過程的SRIM程序[14]。在器件層面，通常利用TCAD (technology computer aided design)器件仿真軟件對單粒子效應(yīng)進(jìn)行模擬，不同公司會根據(jù)自身的特殊需求進(jìn)行二次開發(fā)，如Synopsys 公司開發(fā)了Sentaurus TCAD 軟件[15]。在電路層面，可利用Cadence公司開發(fā)Spectre[15]和Synopsys公司開發(fā)的 HSPICE 等電路仿真軟件開展研究[16]。

國內(nèi)，在物理層面，同樣利用基于蒙特卡羅方法的Geant4和FLUKA等軟件對中子單粒子效應(yīng)進(jìn)行模擬，或基于這些軟件進(jìn)行二次開發(fā)；在器件層面，蘇州Cogenda公司開發(fā)了VisualTCAD軟件[15]，采用了快速TCAD算法，并以 Geant4 為內(nèi)核開發(fā)了與VisualTCAD配套的GSEAT 粒子仿真軟件，形成了一套輻射效應(yīng)模擬解決方案，但GSEAT在物理模型方面仍存在問題，缺乏對缺陷的準(zhǔn)確表征，無法實(shí)現(xiàn)對總劑量效應(yīng)的準(zhǔn)確仿真[17]。

1.2 國內(nèi)外中子單粒子效應(yīng)理論研究現(xiàn)狀

在單粒子效應(yīng)研究中，單粒子失效機(jī)理是最關(guān)鍵的。由于單粒子效應(yīng)具有隨機(jī)性和可恢復(fù)性，很難通過傳統(tǒng)分析手段進(jìn)行研究。同時(shí)，產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境苛刻，且天然環(huán)境下實(shí)驗(yàn)周期較長。因此，采用數(shù)值仿真模擬的方法研究單粒子效應(yīng)是重要的研究手段[18]。研究人員利用第1.1節(jié)提到的軟件進(jìn)行仿真模擬，不斷提出新的模擬方法和理論。

在半導(dǎo)體器件層面，利用半導(dǎo)體物理的基本方程，給出邊界條件，求解器件內(nèi)部各物理量，從而實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體器件電學(xué)特性的模擬。當(dāng)前廣泛使用的物理模型為漂移擴(kuò)散模型，包括泊松方程、電子-空穴連續(xù)性方程及電流密度方程[19]。當(dāng)器件尺寸降低到亞微米級別時(shí)，漂移擴(kuò)散模型不能很好地反映載流子的輸運(yùn)過程，Blotekjaer[20]假設(shè)載流子在器件中的輸運(yùn)過程為電子氣在電場作用下的流動(dòng)，將Boltzmann方程簡化為由自由粒子數(shù)量、動(dòng)量和能量守恒方程及泊松方程組成的方程組，可使用流體動(dòng)力學(xué)模型較精確地描述載流子的速度。當(dāng)器件尺寸降低到納米量級時(shí)，載流子輸運(yùn)需要使用薛定諤方程進(jìn)行描述，當(dāng)前模擬軟件僅能支持薛定諤方程的1維求解。因此，當(dāng)前采用量子模型描述載流子的輸運(yùn)還不成熟。

在單粒子效應(yīng)物理層面，描述中子與材料原子發(fā)生核反應(yīng)通常采用二體碰撞近似(binary collision approximation，BCA)理論[21]，只考慮運(yùn)動(dòng)粒子與最近的靶原子碰撞發(fā)生核反應(yīng)。由于BCA理論沒有考慮原子與其他原子之間的相互作用，因此級聯(lián)反應(yīng)就會被忽略，影響低能部分的判斷，因此需要利用多體碰撞理論。多體碰撞理論利用勢函數(shù)描述粒子間的相互作用，對于硅材料來說，當(dāng)前較為常用的勢函數(shù)包括Stillinger-Weber(SW)勢函數(shù)[22]、Tersoff勢函數(shù)[23]、Modified Embedded Atom Method(MEAM)勢函數(shù)[24]及Highly Optimized Empirical Potential(HOEP)勢函數(shù)[25]等。

國內(nèi)，謝紅剛等[26]利用Geant4軟件模擬了中子在半導(dǎo)體靜態(tài)隨機(jī)存儲器(static random access memory,SRAM)中的輸運(yùn)過程,根據(jù)中子不同的能量，選擇不同的核反應(yīng)物理過程模型。當(dāng)中子能量超過100 MeV時(shí)，采用Bertini核內(nèi)級聯(lián)模型；當(dāng)中子能量在14MeV左右時(shí)，采用Geant4預(yù)復(fù)合模型。該研究利用Geant4模擬400 MeV中子入射材料，發(fā)現(xiàn)多位翻轉(zhuǎn)截面明顯比單粒子翻轉(zhuǎn)截面小，且隨著臨界能量的增加，多位翻轉(zhuǎn)截面下降得更快。這主要是由于引起存儲單元發(fā)生變化的粒子射程較短，不能再引起另外的存儲單元靈敏區(qū)發(fā)生較大的能量沉積。同時(shí)，該研究利用Geant4模擬了14 MeV中子對不同的SRAM器件產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)截面，并將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較，符合較好。

由于核反應(yīng)過程通常為較高能量過程，電子和空穴在材料中的遷移過程是非常低能的過程。這2種過程不僅能量差異大，且處在學(xué)科的交叉邊界，因此，目前能直接完整模擬核反應(yīng)到電子遷移過程的損傷機(jī)制尚未見報(bào)道。同時(shí)，在研究單粒子效應(yīng)中，核反應(yīng)過程忽略材料分子結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)，生成能量較高的電子在材料中輸運(yùn)和慢化時(shí)，也忽略了分子結(jié)構(gòu)的影響。這些更細(xì)致的損傷機(jī)制研究還有待進(jìn)一步完善。

2 國內(nèi)外研究中子單粒子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置

由于初級宇宙射線能譜較寬，產(chǎn)生的大氣中子能譜也非常寬，所以大氣中子場被稱為白光中子場。在中子單粒子效應(yīng)截面的能量依賴關(guān)系實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射中子能量大于1 MeV時(shí)，單粒子效應(yīng)較顯著[27]。根據(jù)測量和理論研究，利用在地面和航空環(huán)境中獲取的數(shù)據(jù)，國際上形成了2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的中子能譜，分別為JEDEC的JESD89A標(biāo)準(zhǔn)和國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)給出的中子能譜。JESD89A以紐約市中等太陽活動(dòng)條件下的海平面高度為基準(zhǔn)，給出10 MeV 以上中子的注量率為3.6×10-3cm-2·s-1[2]。IEC則依據(jù)1974年NASA Ames在航空電子環(huán)境中的飛行數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)的中子能譜[28]。JEDEC給出的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)大氣中子能譜可表示為[2]

ΦJEDEC(E)=1.006×10-6·e-0.35(ln E)2+2.145 1ln E

+1.011×10-3·e-0.410 6(ln E)2-0.667ln E

(1)

其中：ΦJEDEC為中子注量；E為中子能量。

IEC的經(jīng)驗(yàn)公式為[28]

(2)

其中，ψIEC(E)為中子能注量率。

根據(jù)中子能譜，中子輻射實(shí)驗(yàn)的中子源可分為[29]：(1) 單能和準(zhǔn)單能的加速器中子源；(2) 高能加速器驅(qū)動(dòng)的散裂中子源，具有很寬范圍的連續(xù)中子能譜；(3) 反應(yīng)堆中子源，具有較窄范圍的連續(xù)中子能譜，以熱中子為主。

散裂中子源能提供能量范圍很寬的中子束，可很好地模擬大氣中子環(huán)境。當(dāng)前，用于中子單粒子效應(yīng)研究的散裂中子源主要有美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室中子科學(xué)中心(LANSCE)的中子輻射裝置[30]、加拿大粒子與核物理國家實(shí)驗(yàn)室(TRIUMF)的介子裝置[31]、日本大阪大學(xué)的核物理研究中心的散裂中子束[32]及中國東莞的中國散裂中子源(CSNS)等。這些中子源裝置的相關(guān)性能參數(shù)如表2所列。

表2 用于SEE研究的中子源裝置及相關(guān)參數(shù)[28,35]Tab.2 Neutron source devices and related parameters for SEE

準(zhǔn)單能中子源主要采用7Li(p，n)7Be核反應(yīng)獲得單能中子，可用于校準(zhǔn)和測量高能量中子的單粒子效應(yīng)，優(yōu)點(diǎn)為：(1)7Be的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間能量相差較小，只會產(chǎn)生較少的不同能量的中子，中子的單色性更好；(2)質(zhì)子的質(zhì)量較小，在材料中的能量損失??；(3)Li材料熱學(xué)性質(zhì)較好，易做成自支撐靶[33]。

無論是散裂中子源還是準(zhǔn)單能中子源，中子能譜在不同能區(qū)都會存在一些差異，圖1為主要開展芯片輻照研究的各個(gè)中子源能譜與 JEDEC 和 IEC標(biāo)準(zhǔn)能譜的對比[34]。

當(dāng)前，中子源的數(shù)量和作用還比較有限，更多的是用于低能區(qū)的中子單粒子效應(yīng)模擬研究。未來的裝置將會傾向產(chǎn)生高束流強(qiáng)度、高中子能量和大束斑的中子束流，同時(shí)，對單粒子效應(yīng)的研究也會有系統(tǒng)級的測試研究平臺。

3 大氣中子單粒子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

3.1 國外大氣中子單粒子效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

為滿足宇宙射線輻照效應(yīng)研究需要，Hess等[35]系統(tǒng)地計(jì)算了大氣中的中子能譜，能譜范圍從熱中子到BeV的高能中子，平均中子注量率為4.6 cm-2·s-1，且發(fā)現(xiàn)低于100 keV的熱中子數(shù)目最多，高于800 MeV的中子數(shù)較少。1999年，Normand[36]證明了大氣中子是誘發(fā)航空電子系統(tǒng)單粒子翻轉(zhuǎn)的主要原因，驗(yàn)證了中子單粒子效應(yīng)對隨機(jī)存儲存取器(random access memory，RAM)、SRAM及DRAM的影響。大氣中子單粒子效應(yīng)對臨近空間飛行器影響很大，IBM和波音公司曾聯(lián)合開展飛行試驗(yàn)，獲得了不同飛行高度對飛行器單粒子效應(yīng)的影響[28]。2009年，Heidel等[37]研究了45 nm SOI SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和多位翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)，隨著特征尺寸的減小，SRAM電路的單粒子翻轉(zhuǎn)截面為一個(gè)常數(shù)，而多位翻轉(zhuǎn)截面卻呈不斷增加的趨勢。Johansson等[38]對9種商用SRAM的中子單粒子效應(yīng)進(jìn)行了研究，選取中子能量為11～160 MeV之間的8個(gè)點(diǎn)，分別為11，14，22，35，45，75，96，160 MeV，發(fā)現(xiàn)中子能量越高，對器件的影響越大。2010年，Loveless等[39]對商用45 nm CMOS SOI SRAM 單元進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究，指出在特征尺寸減小的情況下，能量累積具有不確定性。隨著半導(dǎo)體器件的進(jìn)一步發(fā)展，很快提出了28 nm 工藝器件，2013年，Roche等[40]首次研究了 28 nm 工藝FDSOI器件抗單粒子性能，并與體硅MOS器件和FinFET器件進(jìn)行了對比，指出，當(dāng)特征尺寸減小到納米量級時(shí)，隨著臨界電荷的減少、單比特電離截面的減小、電荷累積體積的減小、版圖上單粒子敏感區(qū)域的增加和寄生晶體管的放大等，小尺寸器件的單粒子效應(yīng)更加嚴(yán)重。Warren等[41]利用Geant4模擬研究了熱中子輻射CMOS SRAM的單粒子效應(yīng)截面，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)一致。上述研究結(jié)果表明，可利用模擬的方式研究單粒子效應(yīng)的物理機(jī)制。

3.2 國內(nèi)大氣中子單粒子效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

王勛等[42]利用中國散裂中子源的反角白光中子束流對不同商用SRAM進(jìn)行了中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究了測試圖形、特征尺寸及版圖工藝對單粒子效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，測試圖形和特征尺寸對單粒子翻轉(zhuǎn)截面影響不大，對多位翻轉(zhuǎn)截面有較大的影響；版圖工藝對二者均會有較大的影響。通過上述研究結(jié)果，說明改變器件的接觸面積、晶體管的放置位置和方向及布局布線等均會影響器件單粒子效應(yīng)的敏感性。Zhang[43]等利用Geant4模擬了1～14 MeV能量的中子對CMOS器件的單粒子效應(yīng)，計(jì)算了單粒子效應(yīng)截面。結(jié)果表明，當(dāng)中子能量小于4 MeV時(shí)，含有鎢材料的器件會出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

4 大氣中子單粒子效應(yīng)研究應(yīng)用趨勢

大氣層內(nèi)，距地面20～100 km臨近空間中的大氣中子是誘發(fā)單粒子效應(yīng)最主要的原因，因此研究大氣中子單粒子效應(yīng)物理機(jī)制對臨近空間飛行器的可靠性也有至關(guān)重要的作用。由于半導(dǎo)體器件集成度越來越高，特征尺寸越來越小，單粒子效應(yīng)越來越顯著，因此，需建立單粒子效應(yīng)對飛行器內(nèi)部半導(dǎo)體器件影響的系統(tǒng)性評估方案，這也是當(dāng)前大氣中子單粒子效應(yīng)研究的重要應(yīng)用方向。

在手機(jī)通信領(lǐng)域，美國Renesas公司曾在不同的海拔高度對手機(jī)低功耗SRAM進(jìn)行了實(shí)時(shí)軟錯(cuò)誤率的實(shí)驗(yàn)研究[9]，研究結(jié)果表明，大氣中子單粒子效應(yīng)研究在通信方面也有著很大的應(yīng)用潛力。

由于大飛機(jī)及大型計(jì)算集群等重要產(chǎn)業(yè)及研究領(lǐng)域需求，空客和波音等航空公司及IBM等對單粒子效應(yīng)的研究較早些。Roffe等[44]研究了中子單粒子效應(yīng)對航空飛行器視覺相機(jī)的影響，測試了傳感器在廣譜中子作用下的輻射損傷及不同角度入射時(shí)，中子輻照對輸出信噪比的影響，研究結(jié)果表明：視覺相機(jī)能在信噪比為3.355的空間輻射環(huán)境中工作；輻照誘導(dǎo)的噪聲不會影響事件級的計(jì)算。隨著大氣中子單粒子效應(yīng)越來越受到關(guān)注，國外在理論和實(shí)驗(yàn)層面都取得了很大的進(jìn)展，且很多研究成果都已應(yīng)用到航空電子系統(tǒng)中，被證明是可行有效的。隨著大飛機(jī)及相關(guān)高端電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)對大氣中子單粒子效應(yīng)的研究也越來越重視。

大氣中子單粒子效應(yīng)還會對自動(dòng)駕駛汽車、高原地區(qū)輸電網(wǎng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)及大型太陽能發(fā)電設(shè)備等產(chǎn)生影響。未來大氣中子單粒子效應(yīng)研究在機(jī)制上更趨于基礎(chǔ)機(jī)制和機(jī)理方面的研究，在實(shí)驗(yàn)上更趨于實(shí)驗(yàn)廣度方面的研究，以滿足器件集成程度不斷提高及規(guī)模不斷增加的需求。

當(dāng)前，大氣中子單粒子效應(yīng)研究在宇航器件空間輻射防護(hù)方面有重要意義，因此建立國家大氣中子輻射評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是未來一項(xiàng)重要的工作。這個(gè)規(guī)范體系的研究涉及核科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)學(xué)科專業(yè)[45]，將會成為電子工業(yè)體系中重要部分。