高能电子辐照引起的纳米器件翻转效应研究

吕贺，张洪伟，梅 博，李鹏伟，莫日根，孙毅

（1.中国航天宇航元器件工程中心；2.国防科技工业抗辐照应用技术创新中心：北京 100029）

0 引言

在空间辐射环境下，电子器件常常会受到单粒子翻转效应影响，导致系统功能错误。随着电子器件发展，单粒子翻转效应已经成为导致星载计算机出现问题的最常见原因。在以往的电子器件的单粒子效应研究中，主要是以研究重离子、质子、大气中子等粒子为主，而电子由于本身质量较小，其单粒子效应相对于质子和重离子等对器件的影响较小，所以对于电子单粒子效应的研究较少也较浅。但随着小容量、小尺寸存储器件SRAM的应用逐渐广泛，尤其是航天器上CPU 和FPGA 等核心器件采用14 nm和28 nmCMOS工艺后，其电子单粒子翻转特性或变得不可忽略，所以研究纳米器件电子单粒子效应对未来航天技术和航天装备的发展越来越重要。

国外KING等在对纳米器件电子单粒子效应的研究中提到了“电子辐照引起的静态随机存储器（SRAM）单粒子翻转”[1-4]，但电子单粒子翻转的机理尚未确定。根据对目前国外相关研究的分析，电子在CMOS器件中产生单粒子效应的原因有以下几种可能：电子直接电离，核反应产生次级粒子的间接电离，电子打在材料中产生的X 射线[5-15]。目前国内对电子单粒子效应的研究较少，中国原子能科学研究院主要针对能量在2～10 MeV 电子的单粒子效应进行了测试，并研究了器件工作电压与电子单粒子效应的关系[16]。但电子在器件中产生单粒子效应的机制依然没有定论。

为了进一步探究电子单粒子效应的机制，本文基于电子加速器开展了电子单粒子效应实验研究，获得电子单粒子效应的实验数据并进行仿真分析研究。

1 电子引起单粒子翻转的物理作用机制

过去认为单粒子效应一般由重离子或者高能质子作用产生，但近年有研究表明，高能电子与电子器件的相互作用，也可能诱发翻转效应。高能电子进入半导体敏感区后与硅会有以下两种作用机制[17]：

1）直接电离，即与核外电子发生非弹性碰撞，使物质直接电离；

2）间接电离，即与电子器件靶发生核反应产生新的次级粒子（次级电子或光子），次级粒子在靶材料中沉积能量。

高能电子入射电子器件时与半导体器件中的硅原子等发生原子核反应，可产生高能光子；这些高能光子能使原子核发生光致衰变和光核裂变，从而产生次级高能粒子；此外，初级电子本身也能产生电致衰变或者电致裂变，且电子核反应和光子核反应的机理基本相同。所有由核反应产生的次级粒子都有可能导致单粒子翻转。

2 电子单粒子效应实验研究

2.1 实验设置

电子单粒子效应实验在兰州空间技术物理研究所的电子加速器上进行，设备的性能指标为：1）能量0.1～2.0 MeV 连续可调；2）注量率6.25×107～6.25×1011e/(cm2·s)连续可调。分别采用能量为0.2 MeV 和1.5 MeV 的电子束流作为辐照源，其注量率为5×108～1×109/(cm2·s)。实验样品为28 nm的V7型FPGA，将其安装在样品台上，连接好相关电缆后进行状态测试和确认（如图1所示）。实验前利用抽气系统使样品室内的真空度维持在1.0×10-5Pa 或更高；给试样和测试系统加电，再次检查确认试样及测试系统的状态无误；通过电子加速器远程控制软件调节加速器的各参数，使其满足实验要求。

图1 安装在样品台上的试样Fig.1 Thespecimen installed on the sample platform

测试系统由上位机、双路可调电源、主控板和被测器件负载板组成（如图2所示）。Actel 为主控FPGA，主要通过DB9串口实现与上位机的通信、测试命令的发送以及测试结果的回传；K9中存储V7 配置文件，配置文件通过USB Type-B接口由Actel写入Flash 芯片，之后每次上电时Actel 从K9 中读取数据配置V7。双路可调电源经由DB9电源接口分别接入两个电源转换模块，其中一个模块给主控板各部分供电，另一个模块通过10Pin 双排针给V7负载板供电。

图2 单粒子效应测试系统连接示意Fig.2 Schematic diagram of the connection of singleevent effect test system

2.2 实验内容及流程

电子辐照过程中，实时监测器件的I/O电压1.8 V 和内核电压1.0 V 电源的工作电流。当功耗电流突然异常增大（如正常工作电流的1.5倍），且寄存器配置逻辑功能出现异常，重新配置无法使器件恢复正常，需要断电重启才能恢复正常，则判断发生了单粒子锁定。器件发生单粒子锁定时，要求系统能够自动切断器件供电电流。

该器件的翻转测试包括配置存储器、块存储器（BRAM）以及CLB触发器的翻转测试。测试系统向被测的纳米器件提供运行程序，使其处在工作状态，同时还能监测被测器件发生翻转的次数。

1）配置存储器翻转测试

器件的配置存储器翻转测试采用回读码流数据与预设标准数据比对的方式进行；采用静态测试，覆盖所有的可编程逻辑资源、数字时钟管理器、可编程输入输出资源。

(a)开启束流前，确定配置回读正确，然后实验样品的CCLK 管脚一直配置时钟，一定程度上避免配置模块累积错误而导致的无法正确读出位流。

(b)开启束流辐照，整体静态辐照实验可分割多轮进行，如粒子注量达1×1011/cm2左右后关闭束流，测试配置模块是否发生上电复位寄存器功能中断（POR SEFI）或者SelectMAP接口寄存器功能中断（SMAPSEFI）。若发生则将该轮数据剔除并复位芯片，重新配置，不计入总注量；若未发生则回读配置位流并计算翻转数量，继续下一轮实验；直至粒子总注量达1×1012/cm2，或翻转总数达到规定值时停止实验。

2）BRAM翻转测试

器件的块存储器（BRAM）翻转测试的方式与配置存储器翻转测试相同，同样采用静态测试，覆盖所有的块存储器资源。

3）CLB触发器翻转测试

CLB 触发器翻转测试时，将XQ7VX690T-2RF1761I 芯片配置成CLB移位寄存器链的形式。实验在常温、配置状态下进行，时钟频率设置为20 MHz。在实验前需要对测试电路板和实验样品进行上电、复位，然后开始下载位流，再进行移位链初始值（全0，全1或方波）移入。

CLB 移位寄存器链翻转实验静态测试模式是指辐照过程中CLB移位寄存器链的时钟处于静止状态。然后开启束流进行辐照。整体静态辐照实验可分割多轮进行，如粒子注量达1×1011/cm2左右时关闭束流，测试配置模块是否发生POR SEFI或者Select-MAPSEFI。若发生SEFI 则该轮数据剔除并复位芯片，重新配置，不计入总注量；若未发生SEFI则辐照结束后先刷新位流，再将CLB移位寄存器链的数据移出并统计错误数，继续下一轮实验；直至粒子总注量达1×1012/cm2，或翻转总数达到规定值时停止实验。

电子翻转效应实验的样品是从筛选合格的产品中随机抽取1只，为XILINX 公司生产的V7系列SRAM 型FPGA，器件采用28 nm、CMOS工艺制作。实验前将样品开帽，直接焊装在实验板上。测试流程见图3，需满足以下条件之一方可停止：1）粒子辐照总注量达到1×1012/cm2；2）翻转发生数达到100次以上。

图3 单粒子实验流程示意Fig.3 Schematic diagram of single particle test process

2.3 实验结果

开展电子单粒子效应实验的注量率为9.95×108/(cm2·s)，电子的能量为0.2 MeV 和1.5 MeV，总注量为0.84×1012/cm2。因0.2MeV 能量的电子不能入射到器件有源区，所以不发生单粒子效应。1.5 MeV电子的实验结果见表1。

表1 1.5 MeV 电子辐照引起的翻转实验结果Table 1 Single particle upset test results of 1.5 MeV electronics

3 不同能量电子在Si 材料中的LET值仿真

为了研究28 nm 器件电子辐照引起的翻转效应的机理，选取典型的28 nm 的SRAM单元作为仿真对象。当SRAM单元存储节点Q点电位为高电平时，SRAM单元内N1管为敏感节点，主器件N1管为关态，从器件N2管为开态。使用LET 值为0.11、0.12、0.13 MeV·cm2/mg的粒子垂直入射N1 管漏极中心，由于目前仿真模型缺乏电子辐射的数据，考虑到此能量的质子也是电离作用，所以用质子代替电子作为入射粒子，得到Q点、QN 点的电压脉冲变化如图4所示。

图4 0.11、0.12、0.13 MeV·cm2/mg 粒子轰击N1管漏极中心后Q点和QN 点电位Fig.4 Point potential Qand QN after bombarded by particles with energies of 0.11,0.12,0.13 MeV·cm2/mg in the center of the drain of the N1 tube

从图4可以看到，当LET值为0.12 MeV·cm2/mg的粒子轰击N1管漏极中心时，Q点产生了一个向下的脉冲，但在0.1 ns内又恢复了高电平，SRAM单元并未发生翻转，说明此时N1漏极收集的电荷量并没有达到翻转的阈值电荷；当粒子LET 值增加到大于0.13 MeV·cm2/mg 后，Q点电位从高电平变为低电平，QN 点电位从低电平变为高电平，SRAM存储单元发生翻转。因此对于28 nm 体硅SRAM的N1管，其翻转阈值在0.12～0.13 MeV·cm2/mg之间，沉积能量的有效长度约为0.1μm，对应翻转临界电荷约为0.45 f C。

通过美国标准局公开的ESTAR 数据程序，仿真计算得到电子作用到硅材料的LET 值，如图5所示。通过仿真数值可知，电子能量在10 MeV 以内以直接电离为主，10 MeV 以上以轫致辐射诱发产生的光核反应为主。从仿真计算结果可知，电子作用到硅材料的LET 值最大为0.01～0.1 MeV cm2/mg，电子直接电离的LET 值较小，很难使器件发生翻转，除非器件临界电荷极低，即特别敏感，且粒子能量也要达到100 MeV 以上。

图5 Si材料对不同能量电子作用的阻止能Fig.5 The blocking energy of Si material for electrons of different energies

4 结果分析

假设有源区的厚度为0.1μm，电子能量全部被收集，1.5 MeV 高能电子经过700μm 的Si 衬底后，能量变为1.2 MeV，根据上图计算得出在1.2 MeV下电子沉积的电荷约为0.04 fC。由前面仿真结果可知，通常28 nm 的CMOS芯片临界电荷不到0.45 fC。电子沉积的电荷比临界电荷小，由此可以判断，翻转是不能通过直接电离产生的。此外，该能量段的电子作用到Si 材料也不能诱发核反应，因此考虑多个同能量的电子同时作用到某一敏感单元导致FPGA 位翻转。但是，根据前面LET 值仿真的结果可知，在0.4 ns之内如果有0.45 fC电荷沉积（约10个电子）到同一敏感单元，就可以诱发敏感单元产生翻转，但本次实验中电子的注量率为9.95×108/(cm2·s-1)，且束流均匀稳定，在0.4 ns内不可能同时有10个高能电子作用到器件，因此排除了该可能性。最后考虑认为在注量率为9.95×108/(cm2·s-1)电子辐照下，大量电子会在器件内部部分区域短时间形成电荷积累，当敏感节点的电荷在0.4 ns之内累积到0.45 fC时，便会诱发存储单元翻转，但针对该机理的可能性还需进一步验证。

此外，因为辐照在真空环境下进行，长时间高注量辐照会导致器件温度升高。为验证器件不是由于高温状态下产生的翻转错误，针对相同的测试状态，又增加了70℃的高温实验。经过24 h 高温实验，FPGA 并未发生任何翻转错误，因此可以证明辐照过程中温度升高引起电流增长不会导致器件发生错误。但高注量率下辐照导致的局部高温与该环境高温两种状态是否等效还需进一步验证。

5 结束语

利用兰州空间技术物理研究所的电子加速器开展了国内首次电子引发的V7型FPGA 器件的翻转效应研究。结合电子作用硅材料的仿真结果，经分析可知，1.5 MeV 能量的单个电子与器件碰撞既不能发生核反应，而单个电子也不足以直接电离器件诱发产生翻转，初步推测是由于大注量率电子辐照下器件内部电荷积累诱发的翻转效应。但由于实验数据量较小，且实验样品种类单一，该机理还有待进一步验证。此外，该器件是否受局部高温、电磁脉冲干扰、电子辐照的位移效应等因素的影响产生翻转也有待进一步研究验证。通过本文的研究证实高能电子辐照可以诱发纳米器件发生翻转效应，因此，在高能量、高通量的电子辐射环境下，例如电子通量较大的木星系辐射带下，应注意电子辐照引起的纳米器件翻转效应。