空间混合辐射环境器件单粒子在轨错误率预估及不确定度分析方法

张付强,张 峥,肖舒颜,龚毅豪,韩金华,陈启明,曾传滨,郭 刚

(1.中国原子能科学研究院,北京 102413;2.中国科学院 微电子研究所,北京 100029)

航天器运行于空间环境中将会面临严苛的宇宙辐射环境,宇宙辐射环境中的重离子、质子、电子、光子等将会穿过航天器的舱壁入射到微电子器件中产生各类空间辐射效应[1]。空间辐射效应主要包含单粒子效应(single event effect, SEE)、总剂量效应(total ionizing dose, TID)和位移损伤效应(displacement damage, DD)。其中,单粒子效应主要是指粒子入射到器件灵敏区中产生电子-空穴对被收集导致出现存储数据发生变化甚至是损毁的现象,总剂量效应主要是指粒子入射到器件SiO2层中产生电子-空穴对被收集导致出现工作性能退化的现象,位移损伤效应主要发生在成像器件中,主要是指粒子入射导致半导体材料晶格损伤使得成像质量下降的现象[2-4]。针对这些辐射效应,目前,国内外已开展了诸多研究,覆盖了模拟试验、机理分析、性能评估等关键环节并有效指导了器件抗辐射加固及工程化应用[5-7]。然而,目前的研究主要针对这3类效应开展独立研究,真实的宇宙空间各种粒子入射到器件中通过共同作用,相互影响产生协合效应[8]。值得注意的是,针对协合效应的研究起步较晚且报道较少,目前主要集中在γ总剂量效应与重离子/质子单粒子效应之间暨人工辐射场与天然辐射场之间的协合效应研究[9-10]。其主要原因在于,关于协合效应的研究与空间核动力的发展趋势是一致的,前苏联解体后,国际上关于空间核动力相关技术的研究进入了较长时间的沉寂期。

进入新世纪以来,深空探索、外星移民任务的出现以及航天器对高功率电源的需求使得空间核动力重新进入快速发展阶段,针对协合效应的研究日趋重要[11]。空间核动力通过将反应堆搭载于航天器中提供动力,相比于传统化学能、太阳能航天器,其具有比功率高、结构紧凑、不依赖太阳全天候工作特点,是未来开展深空探测、外星球探测最有潜力的能源动力之一,是航天技术发展的必然选择[12-13]。空间堆会产生中子和γ辐射,其中中子由裂变反应产生,γ射线是由裂变反应和同位素衰变产生。为减轻空间核动力的总体质量和降低建造成本,空间堆不可能像地面的反应堆那样构筑全方位的辐射屏蔽,而只能构造影子屏蔽,用于保护反应堆阴影区内的有效载荷或宇航员。空间堆产生的中子和γ为中性粒子,穿透能力很强,影子屏蔽并不能将辐射完全屏蔽,仍然会有一部分中子和γ最终会到达航天器载荷平面的设备舱中,与此同时,宇宙空间中的各类天然粒子也会入射到设备舱中,共同作用到电子器件及系统上产生协合效应,严重干扰电子设备性能评估、选用和任务执行。

因此,本研究基于中国原子能科学研究院同时拥有HI-13重离子串列加速器和60Co总剂量辐照试验装置的优势条件,利用典型器件开展总剂量效应与单粒子效应之间暨人工辐射场与天然辐射场之间的协合效应相关研究,以进一步揭示协合效应的规律。

1 实验

1.1 测试器件与测试系统

测试器件为SOI SRAM存储器,特征尺寸130 nm,存储容量为64 kbit。为方便开展重离子单粒子效应试验,对器件进行开帽。测试系统主要由测试版、测试软硬件、上位机和供电电源组成(图1)。试验时器件安装在测试子板上并与测试母版相连。测试母板通过2路48P排线与单粒子测试系统连接,测试系统通过USB数据线与上位机连接。该款SOI SRAM器件采用双电源供电,单粒子效应测试系统工作电压5.0 V,器件存储核心单元工作电压1.5 V。

图1 单粒子效应测试系统布局图

1.2 测试装置与测试方法

总剂量效应实验基于中国原子能科学研究院60Co辐照试验装置开展。该装置器件辐照实验区域分为两部分,一部分是以放射源为中心的辐照室内部及内通道口区域,γ射线直接辐照构成高剂量率区域,一部分是迷道及外通道口构成的区域,γ射线通过散射构成低剂量率区域。本试验将器件置于高剂量率区域进行辐照,如图2a所示。为保证辐照剂量率测量的准确性,采用化学剂量计和标准电离室搭配的测量方式进行离线和在线测量。

图2 总剂量效应辐照试验(a)和单粒子效应辐照试验(b)布局

单粒子效应实验基于中国原子能科学研究院HI-13重离子串列加速器单粒子辐照试验装置开展。为保证粒子辐照注量率测量的准确性,真空辐照靶室束流入口处安装有金硅面垒探测器,作为监督器监督束流注量率,真空辐照靶室后端器件安装样品架上安装有塑料闪烁体探测器对束流注量率进行测量。器件辐照前,监督器和闪烁体探测器的注量率比值记为K。器件辐照过程中通过监督器和K反推得到器件实际辐照注量率,如图2b所示。

器件总剂量辐照和单粒子辐照过程中保持SRAM存储单元处于正常偏置条件,工作电压1.5 V,总剂量辐照前未写入数据。器件协合效应实验主要分两步进行:首先开展器件总剂量辐照实验,辐照剂量率90 krad(Si)/h,辐照总剂量分别选取为300、500、750 krad(Si)。达到辐照剂量点后将器件取出,置于干冰桶中保存,防止退火效应出现。完成全部器件总剂量辐照后,迅速将器件安装于重离子串列加速器单粒子辐照试验装置上,进行单粒子效应辐照实验,这也是国际上通用的协合效应测试方法。单粒子实验前通过测试系统对器件写入数据,单轮辐照结束后读取器件数据与写入前进行对比,得到器件单粒子翻转数。同时测量没有总剂量辐照的器件重离子单粒子翻转数作为对比。单粒子效应实验过程中依次改变重离子束流能量及种类,最后得到4个不同能量下的单粒子翻转截面。

2 实验结果及分析

2.1 总剂量辐照实验

器件总剂量辐照过程中的不确定度主要来源于剂量测量的不确定度。在总剂量辐照过程中,采用PTW公司标准电离室和剂量计对辐照剂量进行测量,多次剂量测量结果的算术平均值为:

(1)

剂量测量A类不确定度[14]为:

(2)

剂量测量B类不确定度从仪器的鉴定证书中获得,其中电离室的不确定度为1.1%,计量计的不确定度≤0.2%。

合成标准不确定度[14]为:

(3)

剂量多次测量结果列于表1。

表1 总剂量辐照实验中的A类不确定度

根据式(3)可知总剂量实验剂量测量合成不确定度为1.12%。

2.2 单粒子辐照实验

器件单粒子翻转截面随辐照总剂量、重离子能量的变化趋势如图3所示。从图3可看出,未受到总剂量辐照的器件呈随粒子能量增加而单粒子翻转截面逐渐增加最后饱和的趋势。而当器件受总剂量辐照后,单粒子翻转截面相比于未辐照前均出现了下降,且未出现饱和的趋势。此时,器件的单粒子翻转截面虽呈现整体上升的趋势,但会在低LET入射粒子下出现先下降后上升的波动。分析认为,受到总剂量辐照后,器件的单粒子翻转截面曲线相比于未辐照前出现了向右下移动的趋势,导致器件的单粒子翻转截面下降和饱和截面位置后移。其中器件单粒子翻转截面根据式(4)进行计算得到:

图3 器件单粒子翻转截面与重离子能量和辐照总剂量之间的关系

σ=N/ΦH

(4)

式中:σ为器件单粒子翻转截面,cm2/bit;N为器件单粒子翻转的数量;Φ为器件受辐照的总注量, cm-2;H为器件存储容量,bit。

从式(4)可知,器件单粒子翻转截面测量中的不确定度主要来源单粒子翻转数量测量不确定度和器件辐照总注量测量不确定度两个方面。

以一次典型单粒子翻转截面测量为例,根据标准公式计算可知单粒子翻转数量A类不确定度:

(5)

式中,n为单粒子翻转数量。辐照结束时,有时会出现最后1个粒子造成单粒子翻转数加1或再有1个粒子辐照导致翻转数加1的情况,这些情况属于未定系统误差,服从均匀分布,根据标准公式可知B类不确定度[14]为:

(6)

因此单粒子翻转数造成的合成不确定度为:

(7)

器件辐照总注量的测量不确定度主要来源于探测器前准直孔面积不确定度和束流监督比例系数测量不确定度。探测器前准直孔直径通常使用游标卡尺测量(精度Δ=0.02 mm),测量10次可获得准直孔直径平均为:

(8)

根据贝塞尔公式计算,准直孔直径测量A类不确定度为:

(9)

准直孔直径B类不确定度为:

uB(d)=uB(n)Δ=0.001 2 cm

(10)

准直孔直径合成不确定度为:

(11)

因此准直孔面积合成不确定度为:

(12)

实验中,两次的闪烁体探测器计数Ns分别为9 249、9 633,监督器计数Nm分别为16 343、16 662。

K根据式(13)计算,其中S为准直孔的面积,有:

(13)

K平均值为:

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

器件辐照总注量的测量不确定度为:

u(K1)=

0.028 cm-2

(19)

u(K2)=

0.027 cm-2

(20)

合成不确定度为:

(21)

最终器件单粒子翻转截面相对不确定度为:

(22)

2.3 混合辐射环境错误率预估及不确定度

计算得到器件单粒子翻转截面测量中的相对不确定度后,将器件单粒子翻转截面进行归一化可以得到表2数据。其中,将未经过总剂量辐照的器件单粒子翻转截面定为系数1,其他器件截面按比例进行表示。

表2 归一化后的单粒子翻转截面随总剂量和重离子能量变化关系

调研数据显示,国外典型空间堆型号在其设计寿命内载荷平面的中子通量为1012～1013cm-2,γ剂量0.1～1 Mrad(Si),本文选取空间堆设计寿命3 a,γ总剂量1 Mrad(Si)作为典型指标进行计算。将表2所得的器件单粒子翻转截面进行外推,得到上述典型空间堆总剂量辐照条件下的器件单粒子翻转截面在LET=5.0、13.9、21.9、37.4 MeV·cm2/mg下分别为3.70×10-11、2.62×10-11、5.92×10-11、1.11×10-10cm2/bit。

采用Weibull拟合对上述单粒子翻转截面进行拟合,得到的单粒子翻转截面曲线如图4所示,其中给出了误差棒,拟合公式如下:

图4 设计寿命3 a空间堆典型器件单粒子翻转截面曲线

y=A(1-exp(-(x-xc)/W)d))

(23)

式中:A为拟合得到的饱和翻转截面;xc为翻转截面曲线的阈值;W为宽度参数;d为无量纲的指数。通常器件的在轨错误率与A即器件单粒子翻转饱和截面呈强相互关系,因此在进行Weibull拟合过程中将A设定为变量进行拟合。拟合结果显示A=(1.690±0.123)×10-10cm2/bit,xc=1 MeV·cm2/mg,d=0.913,W=52.63 MeV·cm2/mg。图4中数据点的误差棒主要来源于将表2单粒子翻转截面与总剂量关系从0～750 krad(Si)拟合外推得到1 Mrad(Si)总剂量影响下的单粒子翻转截面所产生的误差。

器件在轨错误率计算将基于上述拟合得到的器件单粒子翻转截面相关数据进行。Space Radiation 软件是由美国Space Radiation Associates开发的空间辐射效应计算软件,得到了美国众多航天研究机构的认可和使用,并已成功为国外多种型号的航天器在轨运行提供了数据保障,本研究也选取该软件开展相关研究。器件在轨错误率计算的通常步骤为:1) 选定航天器的轨道参数及任务周期等;2) 选定地磁及航天器屏蔽条件;3) 选定航天环境模型;4) 输入器件Weibull拟合后的关键参数;5) 得到在轨错误率。

本研究进行在轨错误率计算时,选取空间堆为近地圆轨道,轨道高度500 km,轨道倾角52°。宇宙空间重离子辐射环境使用SPACERAD模型且银河宇宙射线处于90%最劣条件(M=3),航天器在轨运行时间3 a,航天器舱壳选取3 mm铝屏蔽。得到器件单粒子翻转错误率为1.58×10-9upsets/bit/day。将Weibull拟合带来的饱和翻转截面A的误差代入该软件计算,得到器件单粒子翻转在轨错误率的不确定度为5.70%。

考虑到单粒子效应截面测量不确定度为7.90%,总剂量测量不确定度为1.12%,因此最终综合辐射环境下的单粒子错误率预估不确定度为:

u=

(24)

混合辐射环境器件在轨错误率预估方法可归纳为:1) 针对器件特点开展不同总剂量下的总剂量效应实验;2) 迅速开展辐照后器件的单粒子效应实验,获得器件不同总剂量下的单粒子翻转截面曲线;3) 对器件在不同总剂量下的翻转截面进行拟合,得到总剂量与翻转截面之间的变化曲线;4) 根据空间混合辐射环境的特点明确任务周期及器件受到的辐射累积剂量,得到该条件下的器件单粒子翻转截面;5) 根据计算软件或积分得到器件应用于混合辐射环境下的错误率。器件综合辐射环境下的在轨错误率不确定度主要来源于总剂量效应中的不确定度、单粒子效应中的不确定度以及总剂量/单粒子实验数据拟合外推的不确定度。

3 小结

核工业以及宇航事业的快速发展使得混合辐射环境下的器件辐射效应成为热门研究领域,不同于传统的总剂量效应、单粒子效应,混合辐射环境下的器件协合效应研究对实验条件、实验方法、数据处理方式提出了新的要求。本研究基于典型器件应用于空间核动力这一代表性环境,开展了协合效应实验,提出了一种空间混合辐射环境器件在轨错误率预估的方法并详细分析了不确定度来源。相关计算和分析方法将为研究人员提供参考。