SRAM白光中子单粒子翻转注量率(107量级)效应研究*

李光远，唐 翌, 胡志良, 梁天骄

(1．湘潭大学 物理与光电工程学院, 湖南 湘潭 411105；2．散裂中子源中子科学中心, 广东 东莞 523803；3．中国科学院高能物理研究所， 北京 100049)

0 引言

随着半导体工艺提升，电子器件向着小尺度、低电压、高集成方向迈进,大气中子诱发的航空及地面电子系统单粒子效应越来越显著，由此引发的可靠性问题备受关注[1-6].近年来，见诸报道的超算数据故障、飞机失事等现象屡见不鲜，在近地空间, 中子是主要的辐射粒子, 恶劣的大气中子诱发的单粒子效应已从偶发事件逐渐演变成为潜在的严重安全威胁，开展大气中子单粒子效应相关研究具有重大的现实意义与应用价值.

中子不带电，但其与物质作用可诱发器件产生一些效应[7]，如中子可导致位移损伤效应、总剂量效应和单粒子效应(SEE)[8]等.中子诱发单粒子效应分两种模式：一、热中子与10B反应[9]产生α粒子和重离子；二、中高能中子[10-12](En>1 MeV)与硅等半导体材料发生核反应或散裂反应产生如质子、反冲重核等.当上述两种产生次级带电粒子的机制发生在器件敏感体积内或附近时，带电粒子通过电离等方式沉积能量，一旦在敏感体积内收集到的电荷超过其临界电荷时，就会导致单粒子效应发生.

静态随机存储器(SRAM)是芯片或电子系统的关键器件，也是对单粒子效应最敏感器件之一，本文从注量率效应角度着手，在中国散裂中子源BL06测试束线开展了不同工艺SRAM器件的白光中子单粒子翻转实验，对比了器件的平均位翻转截面在同一白光中子能谱不同注量率(注量率为107n/(cm2·s)量级)下的差异，并分析了可能的原因.

1 实验参数

1.1 测试设备及辐射源

被测SRAM器件参数如表1所示.白光中子单粒子翻转实验在中国散裂中子源BL06测试终端开展，图1给出了BL06引出口处中子能谱.该束流从退耦合水慢化器引出，沿束流输运至距离慢化器表面8.5 m处，中子能量覆盖meV到近100 MeV，引出口处中子通量分布近似均匀，垂直作用于被测芯片.图中所示中子能谱为蒙特卡洛粒子输运程序计算所得，其全能谱与采用中子飞行时间法测量能谱基本一致[13]，其中因测量距离有限，飞行时间法测量中子能量上限为5 MeV.

表1 被测SRAM器件参数

图1 CSNS BL06测试终端中子能谱Fig.1 Neutron spectrum of the experiments at CSNS BL06 port

近期实验表明[14-15]，考虑到器件工艺差异，部分深亚微米器件对热中子灵敏，而部分不灵敏.为便于比较，白光中子不同注量率下单粒子翻转实验测试条件分为两种：测试器件前放置2 mm 厚镉片(En>0.5 eV镉上中子)和未放置镉片.图1为测试终端的中子全能谱，归一到每个入射质子，有镉片时，中子通量值为1.71×10-7n/(cm2·p)，无镉片时为2.37×10-7n/(cm2·p).

1.2 白光中子单粒子效应实验

单粒子测试系统具备对测试器件进行上电、读写等功能.辐照前，通过激光定位及位置调节，将测试板安装在中子引出口处，使被测芯片中心位置与束流中心线处于同一水平，操作人员在控制大厅通过数据传输线实时监测受照器件运行状态，如图2所示，中子从退耦合水慢化器(DWM)表面开始，经8.5 m远距离传输，从孔径为6 cm的孔洞中引出，白光中子穿过2 mm厚镉板后，垂直轰击待测芯片.

图2 实验测试示意图Fig.2 The sketch of the test work site

测试动态进行，打开中子开关后,对器件存储单元连续地执行写、读以及对比操作，发现错误时, 给出错误地址、错误数据等信息.实验分五轮进行，使用两组同款测试板及芯片，利用同一个测试系统在室温和额定电压下完成.五轮实验对应的束流功率分别为20 kW、50 kW、70 kW、80 kW和100 kW，具体如表2所示，如HM628128和IS61WV5128BLL-10TLI两款器件分别完成了五种和四种束流功率下的实验.测试时，以实测翻转次数大于100作为终止条件；数据处理时，每轮测得位翻转截面数据取同类两组结果的平均值，其中打靶质子数为加速器每分钟到靶上质子的实际统计数据，中子注量根据CSNS靶站工程模型采用PHITS[16]计算所得，翻转次数为实测数据.

表2 SRAM单粒子翻转实验汇总表

CSNS自建成运行以来，束流监视器显示升功率过程中，慢化器输出的中子谱型未变，测试时注量率正比于靶站运行功率.

2 实验结果与分析

2.1 实验指标

文中以单粒子翻转截面作为评估注量率效应影响的指标.中子诱发的单粒子位翻转截面通过下式计算得到：

(1)

式中:N为翻转次数；φ为中子注量.误差评估考虑了翻转次数的统计误差、打靶质子数统计误差、实验统计时间误差以及中子注量计算误差.

2.2 实验可重复性测试

以130 nm、型号为IS61WV5128BLL-10TLI为例，为理清实验中不确定性因素，在80 kW功率水平下，开展了同款、同批次SRAM中子单粒子效应实验及同个器件，在无镉板情况下，照射不同时间的效应测试实验(两次实验间隔24小时)，表3列出了实验条件及测试数据.

表3 130 nm SRAM中子单粒子翻转实验测试数据

对于同款不同器件，近似相同辐照时间内，其平均位翻转截面分别为1.95×10-16cm2.bit-1和2.01×10-16cm2.bit-1.而同一器件，不同辐照时间下，平均位翻转截面基本相同，分别为2.01×10-16cm2.bit-1和1.90×10-16cm2.bit-1.也就是说，如果器件工艺确定，同批次器件的个体差异不影响其中子单粒子位翻转截面，且实验具有很好的可重复性.

2.3 不同工艺尺寸器件镉上中子单粒子翻转实验

为排除热中子影响，图3给出了被测器件前放置2 mm镉板，130 nm、350 nm、500 nm、800 nm工艺尺寸的SRAM在不同功率水平下的平均位翻转截面对比图.从图中可知，随着注量率的提升，中子诱发单粒子翻转的平均位翻转截面在误差范围内无明显变化，即在当前注量率水平下，平均位翻转截面与入射镉上中子的注量率无关.同时，从被测器件工艺尺寸来看，上述结论适用于所考察器件.

图3 不同工艺尺寸SRAM在不同功率水平下的平均位翻转截面(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 不同工艺尺寸器件全能谱中子单粒子翻转实验

在全能谱中子辐照条件下，不同工艺SRAM在不同功率水平下的平均位翻转截面对比图如图4所示，对于不同工艺尺寸器件，中子诱发单粒子翻转的平均位翻转截面在误差范围内无明显变化，即当前注量率水平下，平均位翻转截面与入射白光中子的注量率无关.同时，图4中相应器件的平均位翻转截面均在一定程度上大于图3中的值，此部分为镉下中子(En<0.5 eV)带来的影响，即当前测试器件的硅基材料或封装材料中含有一定浓度的杂质10B.

图4 不同工艺尺寸SRAM在不同功率水平下的平均位翻转截面Fig.4 Comparison of neutron SEU cross section for four SRAM devices at different beam power

2.5 结果与分析

如图3、图4所示，在当前考察注量率范围内，白光中子诱发的中子单粒子平均位翻转截面变化不显著，即当前注量率范围内，中子单粒子翻转基本不考虑注量率效应.为探讨当前注量水平下平均位翻转截面变化不显著的原因，选择表1器件参数HM628128 SRAM工艺尺寸最大，存取时间最长，图3(d)表明，在20 kW、50 kW、70 kW、80 kW、100 kW五种束流条件下，该SRAM器件的SEU截面数据在1.65×10-16～1.85×10-16范围.

文献[17]给出了800 nm工艺SRAM器件的单粒子饱和翻转截面，一般认为饱和翻转截面基本等于入射粒子与敏感体积作用的面积，因此白光中子与HM628128 SRAM敏感体积的作用面积为31.5 μm2.就本文研究的单粒子翻转而言，只有当入射中子作用于器件敏感单元，且在其体积内沉积的能量大于诱发翻转所需阈值能量时，才会导致单粒子翻转，也就是说，要区分是否发生翻转，从时间尺度上来说，必须有写和读两个时间周期.假定每个作用于敏感体积上的中子其沉积的能量均大于阈值能量，如果每个时间周期要有一个事件发生，那么只有当入射中子注量率达到3.17×1013n/(cm2·s)才有可能.根据测算，100 kW功率水平下，CSNS BL06引出口的中子注量率为6.68×107n/(cm2·s)，远小于该值，而引出口中子注量率正比于CSNS靶站运行功率，其他功率水平下，中子注量率更低.基于此，我们认为当前作用于器件的中子注量率远低于相应器件的极限值，器件的中子单粒子平均位翻转截面基本不随注量率改变而变化，即当前注量率范围内，中子单粒子翻转基本不考虑注量率效应.后续，我们将开展大气中子效应测试，探索更大中子注量率及小注量率长时间辐照条件下单粒子翻转是否存在注量率效应.

3 结论

本文基于四款不同工艺SRAM器件，在中国散裂中子源BL06测试终端开展了不同注量率(107量级)下白光中子单粒子翻转实验研究，结果分析表明：当前考察能谱及注量率范围内，四款SRAM器件的中子单粒子翻转，可不考虑注量率效应，且与入射中子能谱无关；同时也发现，硅基材料或封装过程是否引入10B、器件工艺尺寸等是均是影响器件可靠性的关键因素.