元器件单粒子效应加速器试验中的新现象

2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文元器件单粒子效应加速器试验中的新现象张战刚1, 2, 刘 杰1 侯明东1 孙友梅1 常海龙1段敬来1 莫 丹1 姚会军11（中国科学院近代物理研究所，兰州 730000）

2（中国科学院研究生院，北京 100049）

（E-mail：zhangang@impcas.ac.cn；j.liu@impcas.ac.cn）摘 要：随着元器件敏感节点临界电荷的降低，荷能质子不仅可以通过在半导体器件中的核反应，而且还可以通过直接电离引起元器件单粒子效应。多层金属布线的使用加深了核反应对重离子单粒子效应的影响。利用具有相同LET值，种类和能量不同的重离子测试相同器件可以获得不同的单粒子翻转截面值。因此，元器件集成度的增加，其单粒子效应加速器测试中出现新的现象，对元器件的在轨事件率预测方法提出了新的要求。

关键词：元器件；单粒子效应；质子；重离子；核反应1 引言

空间辐射环境中的高能质子和重离子主要来源于地磁场俘获带、太阳粒子事件和银河宇宙射线。地磁场俘获带主要由地球周围的磁力线所俘获的电子、质子和少量低能重离子组成，在南大西洋异常区（SAA）存在通量密度异常高的高能质子[1]；太阳粒子事件是指太阳短时间内的能量粒子喷发，有11年的变化周期，产生质子和少量重核[2]；银河宇宙射线来源于太阳系以外，由原子核或高度剥离的离子组成，其中质子占85%，α粒子占14%，原子序数为3到92的重离子占1%。这些高能质子和重离子通过与空间电子学系统中的半导体器件的相互作用，在器件灵敏区（SV）沉积足够的能量，引起单粒子效应（SEE），对空间电子学系统的正常工作造成巨大的威胁。荷能重离子主要通过与靶原子核外电子的相互作用产生直接电离，在器件灵敏区及附近产生电子-空穴对，这些电荷通过漂移和扩散方式被器件的敏感节点收集，当收集的电荷超过敏感节点的临界电荷时，就会引起器件的逻辑状态改变，出现一次单粒子翻转（SEU）。单粒子事件率随入射离子在材料中的线性能量转移（LET）的变化而变化。高能质子通常不能像重离子一样由直接电离产生单粒子效应，它主要通过与靶核的非弹性相互作用，即核反应产生的重碎片而引起单粒子效应；其单粒子翻转截面依赖于入射质子的能量。然而，现代大规模集成电路（LSI）的发展趋势是：集成度不断提高，器件特征尺寸不断降低，敏感节点间距减小，供电电压降低等[3]，这些都导致敏感节点的临界电荷进一步降低，对单粒子效应越来越敏感。Heidel等[4, 5]的研究结果表明，65 nmSOI（Silicon-on-insulator）器件的临界电荷低于1 fC，低能质子可能通过直接电离引起单粒子翻转。2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文另外，实验证明器件上方的多层金属布线对于单粒子效应也产生影响。这些导致被普遍接受的质子和重离子单粒子效应发生的机制多样化，也对元器件单粒子效应加速器模拟试验方法和在轨事件率预测方法提出了新的挑战。下面针对几种单粒子效应测试中出现的新现象进行讨论。

2 质子直接电离引起翻转

通过SRIM程序计算得到，质子在硅中的最大LET值约为0.54 MeV·cm2/mg。

与重离子相比，质子具有较低的LET值，在硅器件中的直接电离对单粒子效应的贡献处于相对次要的地位。但是，存储单元临界电荷的减小使质子有可能通过直接电离在器件灵敏区沉积足够的能量而导致翻转。Petersen等[6]早在1988年就预测，质子可以通过直接电离引起器件单粒子翻转。图1[5]给出了利用多台加速器提供的能量值到500 MeV的质子束辐照65 nm SOI静态随机存储器（SRAM），实验测量到的单粒子翻转截面与质子能量的关系。图中的小图标表示各个加速器装置的测试结果，器件测试中外加电压略有不同。图中显示，当质子能量小于1 MeV时，翻转截面异常增大，达到5×10-6 cm2/Mbit，远远大

于高能质子的饱和截面7×10-9 cm2/Mbit。高能质子在硅中射程较大，且在器件表面

的LET值非常小，其通过直接电离在表层灵敏区沉积的能量很小，故高能质子主要通过核反应来引起单粒子效应。能量为1 MeV的质子在硅中的射程约16 µm，可以通过直接电离，在器件表层灵敏区内或附近沉积一定的能量；由于测试器件（DUT）的临界电荷仅有0.3 fC[7]，质子通过直接电离在器件灵敏区产生的电荷可能超过临界电荷，从而引起单粒子翻转，造成翻转截面低能部分异常增大的结果。Rodbell等[7]也从实验上证实了这一现象。

图1 65 nm SOI SRAM的单粒子翻转截面与质子能量的关系Fig.1 The correlation between SEU cross section and protons energy in 65 nm SOI SRAM计算结果表明[5]，空间辐射环境中能量为0.8 MeV到1 MeV的质子通过直接电离在上述器件中引起的翻转数比能量为1 MeV到300 MeV的质子通过核反应引起的翻转数高几倍甚至几十倍。另外，质子直接电离引起翻转现象的出现，使得器件单粒子翻转截面与质子能量的关系发生变化，这对器件的在轨翻转率预测方法提出了新的要求。

3 重离子核反应引起的效应

单粒子效应研究通常采用的方法是，使用重离子加速器加速的各种重离子来模2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文拟空间粒子，获得器件单粒子效应截面随入射离子LET的变化曲线，然后结合特定轨道的空间辐射环境模型，预测器件在轨事件率。通常认为，荷能重离子主要通过直接电离引起单粒子效应，用LET值来描述重离子在硅器件中单位路径上所沉积能量的大小。较轻的重离子，例如C、Ne等，在半导体材料Si中的LET值相对较小，在一些单粒子翻转阈值较高的器件中不能通过直接电离引起单粒子效应，但通过与器件材料的核反应产生的重的碎片却可能具有较高的LET值[8]，从而引起器件的单粒子效应，尤其对于器件表层有多层金属布线的结构，要考虑核反应所产生的影响。

3.1 多层金属布线的影响多层金属布线是位于硅器件上方的多层互连结构，主要用于实现连接、信号传输、钝化等功能，是所有集成电路的核心组成部分。由于使用钨、铜、钛、铝等材料，且位于器件灵敏区上方，荷能重离子在穿过多层结构时可能与某些材料发生核反应，尤其是位于灵敏区附近的高质量数材料，产生较重的次级粒子，穿过灵敏区沉积足够的能量，引起单粒子翻转。Kobayashi等[9]使用基于Geant4[10]和TCAD（Technology Computer Aided Design）

的MRED（Monte Carlo Radiative Energy Deposition）软件，模拟1010个523 MeV的Ne离子随机打在具有多层结构的器件的表面，得到的结果如图2(a)和图2(b)所示。图中横坐标表示Ne离子在下方灵敏区产生的电荷量，纵坐标表示相应的离子数。图2(a)中灰线表示原器件模拟结果，黑线表示用氧化物代替多层金属布线的模拟结果；图2(a) 表明，多层金属布线的存在使入射离子在下方灵敏区产生的最大电荷量增大将近一倍，达到近1 pC。图2(b)中黑线表示原器件模拟结果，灰线表示用氧化物代替位于灵敏区上方的钨材料的模拟结果；图2(b)表明，灵敏区附近的钨材料的存在将入射离子在灵敏区产生的最大电荷量扩大了近三倍，达到1.3 pC。此器件敏感节点的临界电荷为1.13 pC，故灵敏区附近是否存在高质量数材料将直接影响器件的单粒子效应截面和在轨事件率。Warren等[11]使用MRED软件进行计算，考虑到核反应的影响，在Si中LET值为1.79 MeV·cm2/mg的Ne离子通过多层金属布线后可

以在灵敏区产生的最大电荷量达到1 pC，相当于LET值为43 MeV·cm2/mg的离子

通过直接电离产生的电荷量。可见，多层金属布线的使用进一步加深了核反应对单粒子效应的影响，使其变得不容忽视。

图2 多层金属布线(a)和灵敏区附近钨材料(b)对入射离子在灵敏区产生电荷量的影响Fig.2 Charge generated in SVs by incident ions influenced by metallization overlayer (a) or tungsten2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文plugs near SVs (b)3.2 选取离子种类和能量的影响国内外多数加速器装置使用的离子能量在几个到几十个MeV/u，然而真实太空环境中，离子能量可能高达几百个GeV/u，且能量和离子种类分布范围广泛[12]。因此，具有相同LET值，种类和能量不同的离子是否会产生相同的单粒子效应截面引起关注。核反应截面与入射离子的种类和能量密切相关，但LET值中不包括核反应对单粒子效应的影响，其能否作为半导体器件单粒子效应测试的唯一参数受到许多质疑[11-20]。Dodd等[11]使用TAMU（Texas A&M University）提供的单核能为13到40 MeV/u

的重离子和BNL（Brookhaven National Laboratory）提供的单核能为2到8 MeV/u的重离子辐照128 kbit SRAMs，得到的单粒子翻转截面与LET值的关系如图3所示。图中的小图标表示不同加速器装置的测试结果；带向下箭头的图标表示翻转截面的上限，实际上并没有观察到翻转事件。测试器件的单粒子翻转阈值约为28MeV·cm2/mg。由图可见，在小于单粒子翻转阈值的区域，LET值为12、15和20MeV·cm2/mg的TAMU加速器离子仍然可以引起单粒子翻转，而与之具有相同LET值的BNL加速器离子却不能引起单粒子翻转。

图3 128 kbit Sandia SRAMs的单粒子翻转截面与LET值的关系Fig.3 Measured SEU cross section for 128 kbit Sandia SRAMs using heavy ionsReed等[20]的试验结果如图4所示，图中的小图标表示使用具有不同单核能的加

速器离子得到的测试结果。在LET值为14和20 MeV·cm2/mg处，单粒子翻转截面

和LET值并不是一一对应的关系，即翻转截面依赖于测试离子种类和能量的选取。使用传统RPP模型（Rectangular Parallelepiped Model）预测得到的此器件的在轨翻转率比实际观测到的平均翻转率低两个数量级；而使用基于Geant4的MRED模拟工具得到的预测结果与实际翻转率符合的很好（Geant4可以模拟与辐射效应相关的所有物理过程，包括核反应）。由此可见，LET值能否作为半导体器件单粒子效应测试的唯一参数是值得怀疑的；对器件在轨翻转率的精确预测还需要考虑核反应等因素对单粒子效应的贡献。