现代纳米集成电路质子单粒子效应研究进展

何安林，郭 刚，沈东军，刘建成，史淑廷，范 辉，宋 雷

（中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京102413）

现代纳米集成电路质子单粒子效应研究进展

何安林，郭 刚，沈东军，刘建成，史淑廷，范 辉，宋 雷

（中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京102413）

近年来，随着半导体工艺技术的迅速发展，质子单粒子效应研究的重要性上升到了一个新的高度。综述了国际上纳米集成电路质子单粒子效应研究的主要进展，如低能质子成为纳米集成电路单粒子效应和软错误率的主要贡献因素，中高能质子与新型器件材料（如钨）核反应研究成为质子单粒子效应新的热点问题，介绍了中国原子能科学研究院在纳米集成电路低能质子实验方面开展的相关工作。

质子；单粒子效应；核反应；直接电离

空间辐射是影响空间卫星、载人飞船和空间站安全的主要因素之一，而质子是空间辐射环境中含量最多的粒子，如银河宇宙射线中质子占85%、α粒子占14%、重离子占1%；地球俘获带内带的主要成分是质子和电子；太阳宇宙射线中质子也是主要组成部分。质子通过与半导体器件材料发生电磁和核相互作用从而引发单粒子效应，单粒子效应会导致器件工作失常或者损坏，如器件逻辑状态发生错误导致卫星或飞船工作异常，严重影响航天器的在轨安全性和可靠性。

近年来，随着半导体技术的飞速发展，现代半导体器件和集成电路向着低特征尺寸、高集成度、低功耗、高性能等特点不断发展，使得电路的工作电压降低、敏感单元面积及间距减小，从而导致敏感节点的临界电荷降低，使得质子单粒子效应越来越敏感。因此，针对纳米级先进工艺器件的质子单粒子效应已成为国内外辐射效应研究领域重点关注的问题。

当前，国际上纳米集成电路质子单粒子效应研究主要有两个发展趋势：1）从传统的高能质子到涵盖低能质子的可靠性评估要求；2）从传统的硅材料发展到涵盖高Z材料的质子核反应单粒子效应机制研究。本文主要结合这两个趋势对质子单粒子效应的发展进行综述，然后介绍中国原子能科学研究院在HI-13串列加速器上开展的相关工作。

1 低能质子单粒子效应研究进展

1.1 实验研究

对高度敏感器件而言，质子通过直接电离可以产生足够多的电荷，从而引起单粒子翻转。如图1所示，随着集成电路工艺的进步，单粒子翻转临界电荷迅速减小，如，在65 nm节点临界电荷处于1 f C量级，相当于1μm电荷收集深度上线性能量传输（linear energy transfer，LET）阈值为0.1 MeV·cm2·mg－1（质子布拉格峰对应的LET值为0.5 Me V·cm2·mg－1）。对此，美国国家航空航天局（NASA）、IBM公司、范德比尔特大学、圣地亚国家实验室等针对纳米集成电路，尤其是65 nm工艺节点，开展了一系列的低能质子加速器辐照实验、理论分析以及空间预估等研究工作，其主要的研究结论见最新发布的NASA单粒子效应评估指南［1］。

图1 单粒子效应临界电荷发展趋势Fig.1 The single event effect critical charges are decreasing with the development of IC

2006年，Heidel等人利用IBM 3 Me V静电加速器，针对65 nm工艺存储器，利用氦离子倾角入射的方式，在大角度入射下发现了翻转数异常增多的现象［2］。2007年，Rodbell等人通过低能质子（1.0～1.5 Me V）倾角入射的办法，观察到了锁存器、存储器单元中质子直接电离引起的翻转效应［3］。由于倾角入射可以增加能量沉积，提高入射粒子的有效LET值，因此可以很好地解释上述实验现象。同时研究还证实器件工作电压对翻转数的影响，当工作电压从1.6 V减小到0.8 V时，单粒子翻转数增加了4倍。

2008年，Heidel等人研究证实，对于工艺尺寸为65 nm SOI工艺的存储器，质子直接电离可以引起显著的单粒子翻转［4］。图2为质子垂直入射引起的单粒子翻转，实验数据分别来自美国NASA戈达德航天飞行中心（GSFC）、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、加州大学戴维斯分校（UC Davis）、印第安纳大学（IU）。可以看出，当质子能量小于1 MeV时，翻转截面异常增大，远远大于高能质子的饱和截面。2010年，Cannon等人研究了抗辐射加固级（RHBD cell B、C）与商业级90 nm工艺SRAM的重离子、高能质子以及低能质子的单粒子翻转，如图3所示，低能质子对商用器件表现出2～3个数量级的翻转增强效应，而对于加固级的器件，低能质子单粒子翻转增强趋势变弱，但仍然显著存在［5］。

图2质子在65 nm工艺SRAM中引起的单粒子翻转Fig.2 Proton single event upsets for a 65 nm SRAM

图3 加固与商用器件的单粒子翻转Fig.3 Single event upsets for RHBD and commercial cell

1.2 理论研究

为了满足低能质子单粒子效应的研究需要，国际上主要针对理论研究方法和模型开展了很多工作。Sierawski等人针对美国范德比尔特大学研究的辐射沉积能量模型（MRED），围绕65 nm体硅CMOS工艺SRAM器件低能质子单粒子翻转，在MRED模型中引入了低能质子单粒子翻转计算方法，考虑质子与器件材料的不同相互作用模式，如图4所示；同时结合单粒子效应截面实验数据，可以准确预测从低能质子直接电离机制到高能核反应机制下的单粒子效应截面数据以及空间错误率，如图5所示，采用MRED计算得到的截面数据与实验结果非常吻合［6］。

图4 不同能量下质子与器件材料相互作用示意图Fig.4 Interaction of incident protons with device materials

图5 模拟和实验的质子截面Fig.5 Simulated and experimental proton cross sections

同时用MRED还可以分析空间错误率，图6为国际空间站轨道不同粒子种类下单粒子翻转临界电荷与错误率的关系。可以看出，在小尺寸器件中，质子直接电离是错误率的主要因素，远远超过空间辐射中含量较多的氦、铁等重离子的贡献。

图6 国际空间站轨道错误率与特征电荷关系的模拟结果Fig.6 Simulated error rate as a function of critical charges for international space station orbit

欧洲最具代表性的工作是法国国家空间中心的MUSCA SEP研究［3］，主要基于蒙特卡罗方法模拟辐射事件，其输出（通常是电荷）则利用ADDICT进行模拟。模拟中考虑了电流传输模型、动态输运、收集电荷模型等。用MUSCA SEP不仅可以研究传统的重离子单粒子效应，还可以研究空间、大气、近地空间中质子、中子等通过核反应或直接电离引起的单粒子效应。图7为基于巴黎－洛杉矶平流层气球飞行实验中某款65 nm工艺SRAM错误率（SER）数据的实测及分析研究结果，从图中可以看出，在高度为35 km的平流层环境，质子和中子是单粒子错误率的主要贡献因素，其中质子直接电离对单粒子错误率的贡献又最为主要［7］。

图7 65 nm工艺器件错误率随高度的变化Fig.7 SER vs.flight duration for a 65 nm SRAM

2 高能质子单粒子效应研究进展

为减少成本，通常使用重离子进行单粒子加固性能考核实验。如果器件单粒子效应的重离子LET阈值足够高，一般不再进行质子实验，但事实上对这个足够高的LET值没有明确定义。通用的实验指南认为该值是15 Me V·cm2·mg－1，这是质子和硅发生核反应时产生次级粒子的最大LET值，如果LET阈值高于该值，质子实验可能推迟或者取消，但是这个假设的有效性并没有得到过全面验证。对纳米集成电路辐射效应的深入研究发现，这个值应该重新定义，因为高能质子会与高原子序数Z器件材料进行核反应。

最初，国外的研究集中在能量相关性上，国外早期研究认为，低于100 Me V能量质子单粒子效应实验显著低估了器件的敏感性。随后美国圣地亚国家实验室的Schwank意识到质子能量对质子单粒子效应有新的重要影响［8］，并明确分析出是高Z材料导致高能质子单粒子效应截面增强。Schwank采用了5种不同特征尺寸、加固和非加固型号的SRAM，同时利用加拿大TRIUMF质子辐照装置，质子能量范围为20～500 MeV。最后发现，温度为85℃，器件D在223 Me V时发生了单粒子闩锁（single event latchup，SEL），器件E在490 MeV时发生了SEL，同时器件D和E的重离子SEL阈值大于16 Me V·cm2·mg－1，显著大于质子与硅核反应次级粒子最大LET值，如图8所示，其SEL需要归因于其他因素，或不能归因于质子与硅核反应。

质子与硅核反应产生的次级粒子LET值不会达到该值，Schwank等人经过对核反应数据计算和分析认为，高LET值次级粒子是由质子与钨核反应产生的。图9为质子与硅、铜、钨等发生核反应时的次级粒子LET值分布图。从图中可以明显看出，无论是低能35 Me V还是高能498 MeV，质子与硅核反应次级粒子LET值都小于15 Me V·cm2·mg－1，这与传统研究结论相符；但是当质子与高Z材料（如铜、钨等）核反应时，其次级粒子LET值达到30 Me V·cm2·mg－1，该值与器件D的重离子LET阈值相近，结合对钨在互联层中的分布及体积估算，钨引起的SEL截面计算值与实验值相符。

图8 单粒子锁定实验数据Fig.8 Experimental data for single event latch up

图9 质子与器件材料核反应次级粒子LET值分布Fig.9 LET distribution of secondary particles in proton nuclear reaction with device materials

目前集成电路制造工艺中，为满足高性能、高速度工作要求，广泛使用Cu互联，而非以往的Al互联；同时随着集成电路制造工艺的发展，将不断使用新型高Z材料，如Co（频繁使用于钛硅化合物中）、Hf（新型栅介质材料）和Ta（先进双金属栅CMOS工艺）。随着上述高Z材料在半导体器件中的广泛使用，核反应高LET次级粒子引起的单粒子效应的重要性将增强。上述变化带来了传统的理论分析、试验标准、可靠性指标等研究的显著改变。比如，传统的可靠性评估标准认为重离子LET阈值为15 Me V·cm2·mg－1时不考虑质子评估实验，但是由于高Z器件材料的广泛应用，重离子LET阈值到30 Me V·cm2·mg－1时仍需考虑质子敏感性问题。

质子与高Z材料核反应对单粒子效应研究带来的主要困难在于如何实现经济上可行、科学上有效的抗辐射性能评价。对于俘获带质子，质子最大能量是400 MeV，其他环境质子能量会更高，而目前世界上很少有能量大于500 Me V的质子辐射源；另外，高Z材料核反应中高LET值截面很小，实验可能根本测量不到，这些问题都可能给可靠性评估带来严重的困难。文献［8］提出的一种解决方法是：质子辐射源的能量是200 Me V，而环境质子能量是400 Me V，如果200 Me V时没发生SEL，则可以假设发生一次SEL来估计200 Me V下的SEL错误率；对200～400 Me V，可以假设质子数为104cm－2发生一次SEL，然后以此计算总的SEL错误率，104cm－2是根据质子与典型器件材料核反应截面上限估计出来的，在这种情况下，通过200 Me V实验仍然可以得到满意的可靠性评估结果。这种方法的核心思想是可靠性合格条件建立在元器件应用环境中的质子能量以及可以忍受的SEL错误率之上，例如，当器件SEL阈值能量在环境最大质子能量之下，而这个SEL错误率低于可以接受的SEL错误率，则可以认为该器件满足质子SEL可靠性要求。

3 中国原子能科学研究院的相关工作

中国原子能科学研究院利用北京HI-13串列加速器开展了纳米集成电路低能质子单粒子效应研究工作［9］。北京HI-13串列加速器是目前我国开展单粒子效应研究的主要加速器之一，主要应用于航天关键电子器件空间应用考核以及基础研究。该加速器具备质子加速能力，在质子单粒子效应研究方面的主要优势是质子能量覆盖了低能以及部分中能区域，具备同时开展低能质子直接电离以及高能核反应机制单粒子效应研究的潜力。此外，该加速器能量单色性好，可以在一定程度上减小质子能量离散度，适合开展低能质子单粒子效应实验研究。

北京HI-13串列加速器“单粒子效应专用重离子辐照装置”主要由束流控制系统（偏转磁铁、扫描磁铁、四极透镜、自动可调狭缝）、实验靶室系统（束流预分析靶室T1、束流定位靶室T2、束流诊断靶室T3、样品辐照靶室T4）和各真空系统等设备组成，如图10所示。实验时，加速器产生的束流经前端分析磁铁筛选、引出，通过开关磁铁到达实验二厅R20管道（Q3D实验管道），然后通过偏转磁铁将束流偏转41°引至专用辐照管道，器件辐照由管道终端的T4靶室完成。

图10 微电子器件单粒子效应专用重离子辐照装置Fig.10 Heavy ion irradiation facility for SEE

北京HI-13串列加速器所提供的初始质子能量范围为6～26 MeV，不能满足低能质子直接电离实验的需要，且R20支线管道主要用来开展重离子辐照实验，没有开展过质子单粒子效应实验；同时低能质子单粒子效应实验对质子束流要求较高，如当质子能量在1 Me V以下时已接近其射程末端，需提高质子能量纯度以减小质子在器件敏感区沉积能量的歧离，使质子能量与翻转截面对应，因此必须开展质子降能、降束、扩束及束流调试等研究，以获得可应用于低能质子单粒子效应实验的1～6 MeV质子束。

质子降能主要通过在T3靶室加降能片的方式实现，降能片的大小和厚度需精确设计，使得仅通过调节加速器高压即可得到合适的质子能量。加速器提供的质子束流强度为几纳安，不能直接用于单粒子效应实验，借助R20支线管道原有的狭缝仪加扫描磁铁组合的降束技术，采用散焦降束办法获得原始小束斑，然后采用磁场相互垂直的两组扫描磁铁分别加上相同振幅和不同频率的三角波函数激磁电流驱动，在样品辐照靶室获得均匀的扫描大束斑，目前质子辐照装置的主要参数如表1所列。

表1 质子辐照装置参数Tab.1 Proton irradiation facility specifications

实验中选用的器件为体硅CMOS工艺4 M×18 bit的大容量SRAM，器件特征工艺尺寸为65 nm，6管结构，封装模式为BGA倒封装。器件原始衬底厚度约200μm，实验前减薄至约50μm。实验中选取如表2所列的质子能量进行辐照。质子初始能量由加速器给出，降能片和覆盖层的厚度分别为（325.3±2.4）μm和50μm（等效硅厚度），经SRIM计算，敏感区处的最低有效质子能量可达0.1 Me V，其LET值覆盖了低能质子区的主要LET值范围。

表2 实验中使用的束流参数Tab.2 Beam parameters used in the experiment

实验获得的器件翻转截面与质子能量的关系如图11所示（质子能量以穿过器件覆盖层的能量为准），其中翻转截面误差考虑了翻转数统计误差及注量测量误差的贡献。可以看出，当质子能量大于10 Me V时，随质子能量增加，翻转截面增加；当质子能量小于10 Me V时，随质子能量降低，翻转截面急剧上升；当质子能量降低至1 Me V左右，翻转截面增大了2～3个量级；当质子能量继续降低至0.1 Me V，仍能测试到翻转现象，但其翻转截面有所降低。

图11 质子单粒子翻转实验数据Fig.11 Experimental data of proton single event upsets

结合理论分析，得到实验器件的临界电荷Qc＝0.97 f C。假设电荷收集深度为1μm，通过SRIM计算可以得到LETth等于0.97 fC·μm－1或0.094 MeV·cm2·mg－1，即能量低于2.5 MeV的质子均可通过直接电离引起单粒子翻转。在空间预估分析中，采用文献［9］给出的统计数据（太阳耀斑质子、CREME96模型、2.54 cm铝屏蔽、最糟糕周），0.1～1.6 MeV质子对应的注量率为1.2×106m－2·s－1，大于 15 Me V 的质子注量率为7.8×107m－2·s－1，同时取低能质子翻转截面比高能质子翻转截面大2～3个数量级，可得到低能质子引起的错误率是高能质子的1.5～15倍。

4总结

随着纳米集成电路的广泛应用，质子单粒子效应的重要性上升到了一个新的台阶，尤其以低能质子和新型高Z器件材料核反应更为显著。相关的研究成果已经不再局限于基础研究阶段，而是上升到工程评价标准，如美国NASA在2009年提出：90 nm工艺以下的器件需要考虑低能质子评估，重离子LET阈值低于37 Me V·cm2·mg－1需要考虑质子评估。目前北京HI-13串列加速器已经具备低能质子单粒子效应实验能力，同时，北京串列升级工程100 Me V质子回旋加速器于2014年7月成功出束，国内质子单粒子效应研究将迎来重要的发展机遇。

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Research Progress of Proton Single-Event-Effects on Nano-ICs

HE An-lin，GUO Gang，SHEN Dong-jun，LIU Jian-cheng，SHI Shu-ting，FAN Hui，SONG Lei
（Department of Nuclear Physics，China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

With the rapid development of semiconductor technology，the importance of proton single event effects（SEEs）research has reached a new height.In this review，the progress of proton SEEs research on nanometer integrated circuits is presented.Low energy proton induced SEEs and Soft Error Rate（SER）can be a significant contribution to total proton SEEs and SER in space，and proton interactions with new device materials like tungsten become a research focus in the field of proton induced SEEs.The research work in low energy proton induced SEEs experiment on nanometer-scale semiconductor devices done in China Institute of Atomic Energy is introduced.

proton；single event effects；nuclear reaction；direct ionization

TN406

A

2095- 6223（2015）02- 118- 07

2014- 09- 30；

2015- 02- 12

国家自然科学基金资助项目（11105230）

何安林（1986－ ），男，重庆黔江人，助理研究员，硕士，主要从事宇航器件质子辐射实验技术及评估方法研究。

E-mail：anlinhe＠126.com