空间质子直接和非直接电离引发单粒子效应的地面等效评估试验方法

于庆奎，王贺，曹爽，孙毅，罗磊，吕贺，梅 博，莫日根，张洪伟，唐民，刘淑芬，韩金华，郭 刚，罗尹虹

（1.中国航天宇航元器件工程中心，北京 100029；2.北京控制工程研究所，北京 100080；3.中国原子能科学研究院，北京 102413；4.西北核技术研究所，西安 710024；5.国防科技工业抗辐照应用技术创新中心，北京 100029）

0 引言

航天器工作在空间辐射环境中，其使用的半导体器件性能会因辐射效应发生瞬时或永久性改变，给航天器长期稳定可靠工作带来隐患。因此，半导体器件在宇航应用前必须进行辐射效应评估，以便进行针对性加固设计。

器件空间辐射效应包括单粒子效应、电离总剂量效应和位移损伤效应。可引发单粒子效应的空间带电粒子覆盖从原子序数1（氢）到92（铀）的自然界所有元素，且为连续能谱，最高能量可达TeV。带电粒子的线性能量传输（linear energy transfer,LET）决定了其引起单粒子效应的能力。针对空间重离子（原子序数≥2）直接电离引起的单粒子效应，国内外研究建立了基于LET 等效的模拟试验方法[1-4]，在加速器上采用5种左右不同LET 值的离子进行试验，测量出器件单粒子效应截面随入射离子LET值的变化，再结合空间带电粒子LET谱，可预计空间轨道中连续能谱的多种带电粒子直接电离引起的单粒子效应发生率[5]。空间带电粒子大部分是质子——银河宇宙线中85%为质子；太阳宇宙线中质子占90%以上；在地球辐射带中，空间带电粒子的主要成分是质子和电子[6]。随着特征尺寸的减小，新型器件对单粒子效应趋向敏感，质子引起的单粒子效应不可忽视。航天器在轨测量数据表明，有器件单粒子效应是由质子引起的。例如，对0.15/0.12 μm CMOS工艺制造的300万门SRAM 型FPGA 进行在轨单粒子翻转测量，其卫星轨道参数为650 km/98°（轨道半长轴/轨道倾角，下同），结果在1个月内FPGA 配置区共发生单粒子翻转92次，且绝大部分发生在南大西洋异常区。由于南大西洋异常区的带电粒子中质子占绝大部分，故判断南大西洋异常区发生的单粒子翻转是由质子引起的。

质子的LET值与其能量有关，在Si中最大约为0.5 MeV·cm2/mg，对应的质子能量在55 keV 左右，该能量范围的质子通常被称为低能质子。随质子能量继续增加其LET值逐渐减小，如100 MeV 质子的LET值约为0.1 MeV·cm2/mg，而高能量质子与Si 和W 核反应产物的LET 值分别可达15 MeV·cm2/mg和35 MeV·cm2/mg[7]，故对于单粒子效应敏感器件而言，可发生由低能质子直接电离引起的单粒子效应和由高能质子核反应产物（非直接电离）引起的单粒子效应[8-12]。先进纳米工艺器件的单粒子翻转阈值较低（≤0.5 MeV·cm2/mg），质子直接和非直接电离都可能导致此类器件的单粒子翻转。然而，目前缺乏针对空间连续能谱质子引起器件单粒子效应的评估试验方法，为了满足航天器用器件抗辐射保证的需求，有必要建立空间连续能谱质子引起单粒子效应的地面等效评估试验方法。

本文以40 nm 和65 nm CMOS 工艺SRAM为样品，进行低能质子、高能质子以及重离子辐照的单粒子效应试验，并在分析讨论后提出空间连续能谱质子引起的单粒子效应的地面模拟试验方法，包括质子直接和非直接电离引起单粒子效应的等效试验方法，可实现器件在轨单粒子效应的预计评估。

1 低能质子直接电离、高能质子非直接电离和重离子直接电离引起的单粒子效应试验

1.1 试验样品和试验条件

1.1.1 试验样品

试验样品为2款SRAM器件，一款为40 nm CMOS工艺制造的容量为20 Mbit 的SRAM，另一款为65 nm CMOS工艺制造的SRAM，以下分别简称40 nm SRAM 和65 nm SRAM。

试验前，样品开帽，露出芯片。

1.1.2 试验用粒子

1）低能质子直接电离试验用质子

在北京大学串列静电加速器上进行低能质子试验。用SRIM2003软件计算质子LET值随能量的变化，结果见图1。

图1 质子在Si中LET值随其能量的变化Fig.1 The LET value of protonsin Si against the energy

由图1可以看出，随质子能量的增加其LET值先增加后降低，质子能量为55 keV 左右时，LET值达到最大，约为0.54 MeV·cm2/mg，然后质子LET值随着质子能量的增加而降低。LET 值大的质子更容易通过直接电离引起单粒子效应，因此需要测量到达器件敏感区的能量为55 keV 质子引起的单粒子效应。而静电加速器提供的质子初始能量为2 MeV，故需用降能片由高能量质子降能获得低能量质子。Al是常用降能材料之一，图2 给出了不同能量质子在Al中的射程。根据图2数据可计算出由2 MeV 质子降能获得55 keV 质子需要厚度为41.13μm 的Al膜降能片。

图2 质子在Al 和空气中的射程随其能量的变化Fig.2 The range of a proton in Al and in air against the energy

芯片表面存在金属化层和钝化层，且不同器件的芯片表面金属化层和钝化层厚度不同，这里假设芯片表面金属化层和钝化层厚度等效于10 μm 铝，则考虑它们的存在后需要的降能片厚度为31.13μm。加工制作这样厚度的降能片虽然理论上是可行的，但实际操作比较困难且费用较高。另外，为了进行在轨单粒子翻转率预计，须试验给出单粒子翻转截面随质子能量变化曲线，这就需要在多个不同LET值下进行单粒子翻转测量。假设要测量LET值为0.4 MeV·cm2/mg的质子直接电离引起的单粒子翻转，根据图1计算出到达器件敏感区的质子能量应为200 keV 或者17 keV；而由2 MeV 质子降能获得200 keV 和17 keV 质子，所需Al膜降能片的厚度分别为29.90μm 和31.43μm，且为了覆盖整个芯片，降能片横向尺寸至少在2 mm×2 mm 以上，但制作长、宽和厚度约为2 mm×2 mm×31.43μm 的Al膜降能片是比较困难的，工程操作上不可行。综上，采用Al膜降能片来由高能质子降能获得所需低能质子的方法并不可取，故本研究决定采用空气作为降能材料。图2中亦给出了不同能量质子在空气中的射程。仍以上述需求为例，暂不考虑芯片表面金属化层和钝化层厚度，根据图2数据可计算出，由2 MeV 质子降能获得17、55、200 keV 质子需要的空气层厚度分别为63.0、66.3、68.4 mm。这样的空气层厚度是完全可以精确控制的，具有工程可操作性。

2）高能质子非直接电离试验用质子

理论上，地面试验用质子的能量应覆盖空间质子能量范围。用ForeCAST软件[13]计算低地球轨道（650 km/98°）和地球同步轨道（35 786 km/0°）的质子微分能谱，计算条件为：太阳活动最小时的辐射带质子模型AP8MIN 及CREAME86银河宇宙线模型，无太阳耀斑发生，3 mm(Al)屏蔽。计算结果见图3。可以看出，低地球轨道质子能量范围在0.01～105MeV 之间，基本是连续能谱。

图3 低地球轨道和地球同步轨道质子微分能谱Fig.3 Proton differential energy spectra of the minimum solar activity shielded by 3 mm aluminum in LEO(650 km/98°)and GEO(35 786 km/0°)

质子非直接电离引起单粒子效应的能力直接与质子核反应产物的LET 值有关，为了解决地面加速器所能提供的质子源很难覆盖空间质子能量范围的问题，需分析质子核反应产物最大LET 值与质子能量的关系。采用蒙特卡罗法计算能量从1 MeV到1 GeV 的质子与Si核反应产物的最大LET值，结果见图4。可以看出，质子与Si核反应产物的最大LET值随入射质子能量的增加而增加，在质子能量为200 MeV 左右基本达到最大值，因此，选择0～200 MeV 质子进行辐照试验可基本实现对空间质子非直接电离效应的覆盖。本研究的高能质子单粒子效应试验在中国原子能科学研究院100 MeV 质子回旋加速器和瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute,PSI）质子加速器上进行。

图4 蒙特卡罗法计算不同能量质子与Si核反应产物的最大LET 值Fig.4 The maximum LET value of the reaction products of protons of different energies and Si nucleuses calculated by Monte Carlo method

将本研究用于低能质子直接电离和高能质子非直接电离引起单粒子效应试验所用质子源汇总于表1。

表1 试验用质子源Table 1 The proton sourcesused in thetest

3）试验用重离子

在中国原子能科学研究院串列静电加速器上进行重离子单粒子效应试验。试验用重离子见表2。

表2 试验用重离子Table 2 The heavy ionsused in the test

1.1.3 单粒子翻转测量和数据处理方法

试验中，质子和重离子束垂直入射芯片表面，实时检测器件发生的单粒子翻转。根据单粒子翻转数n(E)、n(LET)以及质子注量Φ(E)、重离子注量Φ(LET)，利用式(1)计算由质子辐照引起的单粒子翻转截面σ(E)，利用式(2)计算由重离子辐照引起的单粒子翻转截面σ(LET)：

式中N为SRAM 容量。

1.2 试验结果

1.2.1 低能质子直接电离引起的单粒子翻转试验结果

2只40 nm SRAM样品的低能质子辐照单粒子翻转试验结果见图5。图中入射质子能量为根据初始质子能量和空气层厚度计算出的到达芯片表面的质子能量，可以看出，在质子能量为1 MeV 左右时器件的单粒子翻转截面达到峰值，而1 MeV 质子经过表面金属化层和氧化层进入器件敏感区的能量达到55 keV 左右，因此，判断这是由质子直接电离引起的翻转。

图5 40 nm SRAM 的低能质子辐照单粒子翻转截面测量结果Fig.5 Measurement results of low energy proton irradiated SEU crosssection for 40 nm SRAM

1.2.2 高能质子非直接电离引起的单粒子翻转试验结果

2只40 nm SRAM样品的高能质子辐照单粒子翻转试验结果见图6，为便于比较，图中同时给出图5中的低能质子辐照试验数据（以红色虚线框出），可以看出，40 nm SRAM由高能质子核反应引起的单粒子翻转饱和截面在10-14cm2·bit-1量级，而由低能质子直接电离引起的单粒子翻转截面峰值在10-10cm2·bit-1量级。这说明不能忽视由低能质子直接电离引起的单粒子效应。

65 nm SRAM的高能质子辐照单粒子翻转试验结果见图7，由高能质子核反应引起的单粒子翻转截面随入射质子能量的变化规律基本符合威布尔分布：拟合的翻转饱和截面σ(E)=3.8×10-14(cm2/bit)；翻转能量阈值E0=1.3 MeV；拟合曲线形状参数d=0.962 65和k=0.114 92。

图6 40 nm SRAM 的高能质子辐照单粒子翻转截面测量结果Fig.6 Measurement results of high energy proton irradiated SEU crosssection for 40 nm SRAM

图7 65 nm SRAM 的高能质子辐照单粒子翻转截面测量结果Fig.7 Measurement results of high energy proton irradiated SEU crosssection for 65 nm SRAM

1.2.3 重离子直接电离引起的单粒子翻转试验结果

65 nm SRAM的重离子辐照单粒子翻转试验结果见图8，重离子直接电离引起的单粒子翻转截面随入射重离子LET 值的变化规律基本符合威布尔分布：拟合的翻转饱和截面σ(LET)=6.1×10-9(cm2/bit)；翻转LET阈值Xc=0.31(MeV·cm2·mg-1)；拟合曲线形状参数d=2.21和k=1.409 76。

图8 65 nm SRAM 的重离子辐照单粒子翻转截面测量结果Fig.8 Measurement results of heavy ion irradiated SEU cross section for 65 nm SRAM

1.3 在轨单粒子翻转率预计

1.3.1 由质子核反应引起的在轨单粒子翻转率预计

根据图7的威布尔拟合数据，得到65 nm SRAM由质子核反应引起的单粒子翻转饱和截面和翻转能量阈值，根据地面试验数据，结合空间轨道质子能谱，可计算出

式中：Rp为由质子核反应引起的在轨单粒子翻转率，(bit-1·d-1)；Emax为空间质子最大能量，MeV；E0为器件单粒子翻转能量阈值，MeV；ϕ(E)为空间轨道质子微分能谱，(cm-2·MeV-1·d-1)。

利用ForeCAST软件计算65 nm SRAM 由质子核反应引起的在轨单粒子翻转率，结果见表3，表中数据为器件在3 mm(Al)屏蔽下的计算结果，下同。

表3 65 nm SRAM由质子核反应引起的在轨单粒子翻转率Table 3 In-orbit SEU rate of 65 nm SRAM induced by proton nuclear reactions

1.3.2 质子直接电离引起的在轨单粒子翻转率预计

根据图8的威布尔拟合数据，得到65 nm SRAM由重离子直接电离引起的单粒子翻转饱和截面为6.1×10-9cm2·bit-1，翻转LET阈值为0.31 MeV·cm2/mg；根据地面试验数据，结合空间轨道质子LET 谱，可计算出

式中：R电离为由空间质子直接电离引起的在轨单粒子翻转率，(bit-1·d-1)；LETmax为空间质子最大LET值，(MeV·cm2·mg-1)；Xc为器件单粒子翻转LET阈值，(MeV·cm2·mg-1)；ϕ(LET)为空间轨道质子微分LET 谱，[cm-2·(MeV·cm2·mg-1)-1·d-1]；f(LET)为路径概率分布函数。

利用ForeCAST 软件计算出65 nm SRAM由质子直接电离引起的在轨单粒子翻转率，结果见表4。65 nm SRAM 的单粒子翻转LET 阈值（0.31 MeV·cm2/mg）低于质子在Si 中的最大LET值（0.5 MeV·cm2/mg），表明低能质子直接电离会引起该器件的单粒子翻转。但在北京大学串列静电加速器上，用初始能量为2 MeV 的质子，通过空气层降能获得不同能量的质子进行辐照试验，并未测试到明显的由低能质子引起的单粒子翻转。其原因可能是，LET 值最大的质子在Si 中的射程亦仅0.7μm，到达器件敏感区的质子能量并未调整到LET 值最大，导致直接用低能质子进行直接电离引起的单粒子效应测量在操作上有一定的难度。而具有相近LET值的重离子，在Si 中的射程比质子的射程长很多，如表2给出的Li离子，其在Si中LET值为0.44 MeV·cm2/mg，射程为260μm，因此，基于LET等效试验原理，可用具有相同LET值的重离子代替低能质子进行由直接电离引起的单粒子效应的等效评估，且具有比较好的工程可操作性。

表4 65 nm SRAM由质子直接电离引起的在轨单粒子翻转率Table 4 In-orbit SEU rate of 65 nm SRAM induced by direct proton radiation

2 空间质子引起器件单粒子效应的地面等效模拟试验方法

空间质子引起器件单粒子效应包括由低能质子直接电离和高能质子核反应引起的单粒子效应。在地面实验室，考虑科学性和工程可操作性，对于低能质子直接电离引起的单粒子翻转，可基于LET等效试验原理，利用具有相同LET值的重离子进行等效模拟试验；对于由高能质子核反应引起的单粒子翻转，可直接采用0～200 MeV 质子进行单粒子效应评估。许多新工艺器件的金属化采用高原子序数金属，如Cu、W 等，其与能量达到400～500 MeV 的高能量质子发生核反应产物的LET 值可达35 MeV·cm2/mg[7]左右。对于单粒子锁定、单粒子烧毁和单粒子栅击穿等，要求使用能量不低于500 MeV 的质子进行试验，若无法获得满足需要的高能量质子，则需要用LET 值不低于35 MeV·cm2/mg的重离子进行等效评估试验。

根据测量得到的由重离子直接电离引起的单粒子效应截面随入射离子LET 值变化数据，采用威布尔拟合得到器件的单粒子效应饱和截面σ(LET)和LET 阈值，再结合空间辐射环境模型，可预示器件在空间环境中由所有带电粒子（含质子）直接电离引起的单粒子效应发生率。

根据测量得到的由质子核反应引起的单粒子效应截面随入射质子能量变化数据，采用威布尔拟合得到器件的单粒子效应饱和截面σ(E)和能量阈值，再结合空间辐射环境模型，可预示器件在空间环境中由质子非直接电离引起的单粒子效应发生率。

以上两者之和即为空间带电粒子引起的单粒子效应发生率。

3 结束语

本文通过低能量质子、高能量质子和重离子单粒子效应试验研究，给出了地面实验室进行空间质子引起单粒子效应的等效模拟试验方法：对由低能质子直接电离引起的单粒子效应，基于LET 等效原理，用重离子进行等效模拟试验；对由高能质子核反应引起的单粒子效应，可直接用质子进行单粒子效应模拟试验。根据地面试验数据，得到器件的单粒子效应饱和截面和能量（或LET）阈值，再结合空间辐射带电粒子能谱或LET谱，可进行器件的在轨单粒子错误率预估。

本文给出的试验方法可用于空间用器件单粒子效应试验评估，为航天器抗辐射加固设计提供支持。