高能电子单粒子效应模拟实验研究

许北燕，郭 刚，曾自强，杨京鹤，韩金华

(1.中国原子能科学研究院 核技术应用研究所，北京 102413；2.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

在以往的单粒子效应研究中，主要以研究质子、重离子和中子等高能粒子为主，而电子本身质量较小(仅为质子的1/1 837)，相对于质子和重离子等对器件单粒子效应的影响较小，因此电子单粒子效应的研究较少。但随器件特征工艺尺寸的不断降低，工作电压不断减小，工作频率不断增加，器件的单粒子效应敏感性越来越高，电子单粒子效应造成的影响可能变得严重，因此这种现象逐渐受到研究者的重视。King等[1]研究了28 nm和45 nm静态随机存储器(SRAM)下电子引起的单粒子翻转，Gadlage等[2]研究了高能电子引起的45 nm SRAM的软错误，Samaras等[3]开展了基于45 nm CMOS工艺的电子单粒子翻转的实验特性与模拟研究，Trippe等[4]研究了28 nm和45 nm的体硅SRAM电子单粒子翻转，Gadlage等[5]研究了高能电子在FPGA中引起的多位翻转，Samaras等[6]进行了45 nm FPGA电子单粒子翻转的实验和仿真模拟研究。

SRAM器件作为航天器电子系统常用的芯片类型之一，其抗单粒子效应的能力备受关注。本文基于中国原子能科学研究院的2 MeV自屏蔽电子加速器和10 MeV电子直线加速器，利用45 nm工艺的SRAM开展电子单粒子效应实验研究。

1 电子单粒子效应的物理机制

微电子器件的单粒子效应敏感性一直是航天器安全可靠运行需考虑的关键因素之一，通常基于重离子加速器或质子加速器进行地面模拟实验对其进行评估。不同于质子或重离子在靶材料中有着确定的射程和路径，电子在靶物质中的射程和路径是随机的，据统计，单能电子入射到材料中的射程歧离可达10%～15%。电子与硅材料中的相互作用有两种方式[7-8]：1) 直接电离作用，即与核外电子发生非弹性碰撞，从而使物质电离产生电子空穴对；2) 间接电离作用，即电子与原子核发生核反应产生次级带电粒子，这些次级粒子在物质中电离电子空穴对进而引发单粒子效应。同时，高能电子还会与材料相互作用产生韧致辐射，而韧致辐射释放的高能光子会导致光核反应，光核反应产生的次级粒子同时会引发单粒子效应。

2 实验装置

本工作中的相关实验在中国原子能科学研究院的2 MeV自屏蔽电子加速器和10 MeV电子直线加速器上进行。

2.1 2 MeV自屏蔽电子加速器

2 MeV自屏蔽电子加速器[9]采用高功率微波在加速管内为电子加速，提供能量，通过扫描磁铁将电子束扫描成电子帘，经过钛窗射出，对被照物进行辐照。加速器采用自屏蔽设计，使得加速器能在普通房间加高压出束。加速器主要由加速器主体、高压脉冲调制器、恒温水冷机组、控制台和屏蔽5部分组成。其中，加速器主体包括加速管、微波系统、真空系统、扫描磁铁、冷却与排风、传送机构等。加速器基本参数为：电子束能量，2 MeV；束流功率，1 kW；重复频率，50～250 Hz；被处理物品尺寸，<100 mm×500 mm×500 mm；自屏蔽，无特殊使用环境要求。

2.2 10 MeV电子直线加速器

10 MeV电子直线加速器[10]采用射频型加速结构，加速管的高功率微波由磁控管提供，经由波导传输元件如弯波导、定向耦合器、波导窗等馈入加速管内。馈入加速管的功率在加速管内建立加速电场，一部分功率被束流负载吸收，一部分损耗在加速管管壁上。电子枪提供的电子束流在加速管内与射频加速电场相互作用而获得能量，通过束流管道进行扩束和扫描，经过一定距离的漂移空间，照射到实验体。加速器主体的性能和指标为：束流能量，10 MeV；束流平均最大功率，20 kW；束流平均最大流强，2.0 mA；微波工作频率，(2 856±0.5) MHz；脉冲重复频率，50～500 Hz可调；脉冲宽度，16 μs；扫描宽度，800 mm(钛窗下500 mm处)；束斑大小，φ50 mm(钛窗下500 mm处)；束流稳定性，≤±5%。

2.3 器件选取

本工作选用ISSI公司生产的45 nm CMOS工艺的SRAM，封装方式为48管脚BGA封装，尺寸为6 mm×8 mm。

3 实验方案

样品布置于实验大厅中的位移平台上，位移平台通过控制器连接到控制室的上位机进行控制，位移平台可调节芯片进行水平位置的移动。加速器出束后，先将自制法拉第筒移到束流出口处，实时测量注量率，并调节至实验所需注量率，完成加速器束流调节后将芯片移至束流中心进行辐照，同时利用SRAM单粒子效应测试系统监测单粒子翻转数并记录。

3.1 实验技术难点

1) 弱束流的获取

文献[3]表明，在进行电子单粒子翻转时束流强度应保持在1×108cm-2·s-1(约为pA量级)，而中国原子能科学研究院现有电子直线加速器的束流为1×1013cm-2·s-1(μA量级)或1×1016cm-2·s-1(mA量级)，这可能会引发器件的总剂量效应。因此，本实验需完成加速器的降束实验来引出弱束流。

加速器预热完成后利用法拉第筒对束流强度进行测量。测量前利用塑料片观察束斑，确定出电子束流中心位置，在该位置使用法拉第筒进行测量，在电子加速器重复频率为5 Hz、脉冲宽度为320 ns、灯丝电压为4.97 V、法拉第筒开口面积为0.255 cm2的条件下，电子束流强度稳定在1.1×108cm-2·s-1(4.5 pA)，所得到的注量率符合实验要求，即达到了进行电子单粒子效应实验的要求。

2) 低噪声法拉第筒的设计

对低至1×108cm-2·s-1(pA量级)的电子束流进行准确测量为本研究的难点，这是确定辐照到器件上的电子注量率的关键数据，关系到测量的电子单粒子效应截面的准确性。本文通过参考文献[11]自行设计制造了pA级低噪声法拉第筒，其测试结果稳定且准确，性能良好，并在电子单粒子效应实验中投入使用。

设计的法拉第筒可测量到pA量级的电子束流，其工作原理为：吸收所有反射的电子，增加真二次电子的反射系数，从而降低电子的逸出量。法拉第筒的基本结构参数为：透射孔直径、吸收体厚度、内筒直径和长度，透射孔直径反映了测量面积大小。法拉第筒的电流I为：

(1)

式中：A为法拉第筒接收电子的面积；ΔT为入射电子的时间；N为ΔT时间内入射到法拉第筒的电子数目；J为电子束流强度；ΔQ为进入法拉第筒内的电荷量；e为电子电量。

测量面积较大，则测量得到的电流也较大，但较大的测量面积不能反映束流密度局部分布情况，而电流太小会给测量带来困难，如难以降低本底噪声等。吸收体厚度取决于电子在吸收体金属中的射程，与电子能量有关，可根据能量与射程的关系选取。内筒直径无特殊要求，一般可参照透射孔直径或按照法拉第筒结构确定。内筒长度与背散射、二次电子抑制方法有关，若长度较短，在电子束流测试中二次电子则会从法拉第筒逸出，从而使束流密度减小，造成测量误差。

考虑电子入射后的反射系数，在常用的材料中选择了反射系数较小的铝作为法拉第筒吸收体材料，厚度根据常用的材料电子射程计算得到，吸收体的结构主要考虑逸出电子的反射。为抑制电子反射，采用多次反射的方法及吸收体底面为斜面的方法使反射电子全部被吸收。

3) SRAM长距离测试系统

芯片存储容量为2×16M，其中可能导致的单粒子翻转数目尚未确定，如何对其中单粒子翻转次数进行统计为本实验的难点。单粒子翻转测试系统主要由测试板、辐照板和上位机3部分组成。测试板包括下位机微控制器ARM模块、FPGA、电平转换模块。ARM模块负责测试板与上位计算机间的通信。存储器地址信号发生和测试时序生成电路及效应信号处理电路均通过FPGA实现。测试板上的译码电路、控制器、数据缓冲器、翻转数统计电路、电流监测及保护控制电路均利用FPGA芯片来实现，极大地简化了系统PCB极的复杂性，且使系统运行速度更快，调试及升级更加快捷。电平转换模块可完成1.5、1.8、3.3、5 V等多种接口电平的转换。测试板与上位机之间利用网线进行连接，测试板与辐照板之间利用<2 m的扁平线连接。

3.2 实验过程

辐照过程中，在束流出口位置放置自制法拉第筒，用于确定电子的注量率。电子入射到法拉第筒中，与收集物质发生电离作用而被阻止时，会产生激励电流，通过计算则可获得对应的注量率。

在使用法拉第筒测量电子注量率时，部分电子会发生散射，对器件造成影响，因此需从外部关闭电压，不对器件供电。当电子加速器的注量率稳定后，移走法拉第筒，开启电源，将数据填充到器件中，进行动态测试，并观察器件电流有无变化。辐照后，将器件由出束口位置移出，再次将法拉第筒移到出束口的位置，重复测量电子的注量率，并将两次结果进行对比，若两次测量结果的相对偏差在5%以内，则认为通过法拉第筒测试的注量率是可靠的。

在实验过程中，由于电子加速器的电子枪发射电子时，需等候较长时间，若频繁启动加速器，会对加速器造成影响。关闭加速器后，再次开启，需重新预热，等待束流稳定的时间花费过长。因此对两款辐照的器件均采用远程控制动态测试，即在辐照过程中，在正常的电源电压下进行测试，实时读取器件中的数据，若出现错误，则记录错误的数据。

4 实验结果与数据分析

本次辐照实验选用注量率为2×1013cm-2·s-1的2 MeV自屏蔽电子加速器及注量率为2×108cm-2·s-1的10 MeV能量可调的电子直线加速器，进行电子单粒子实验测量。

4.1 实验结果

1) 电子单粒子效应实验

通过法拉第筒观察到电子束流稳定后开始实验。分别调节电子直线加速器的能量为2、8、10 MeV进行辐照。同时调整SRAM器件的工作电压，获取器件在不同条件下的电子单粒子翻转截面曲线，如图1所示。

由图1可看出，SRAM芯片在高能电子辐照条件下可发生单粒子翻转，同时电子单粒子效应翻转截面随入射电子能量的增大而增大，电子单粒子翻转截面随工作电压的增大而减小。其原因是器件的临界电荷决定器件的翻转截面大小，而器件的工作电压越小则器件的临界电荷越小，导致翻转截面越大。

2) 质子单粒子效应实验

为探究质子单粒子效应与电子单粒子效应的异同性，选取同款SRAM芯片开展了质子单粒子效应研究。实验前对SRAM分别写入全0和全1的存储数据，辐照后统计存储数据的翻转情况，结果如图2所示。质子单粒子翻转截面随质子能量的增大而增大，该器件的质子单粒子翻转截面约为1×10-15cm2/bit数量级，该数据与文献[12]报道结果较为吻合。同时该器件的0-1、1-0翻转截面基本相同，说明该器件的单粒子翻转截面与写入模式关系不大。

图1 不同工作电压下45 nm SRAM器件电子单粒子翻转截面随能量的变化Fig.1 Electron single event upset cross section of 45 nm SRAM vs energy under different working voltages

图2 45 nm SRAM器件质子单粒子翻转截面随能量的变化Fig.2 Proton single event upset cross section for 45 nm SRAM vs energy

4.2 实验数据分析

1) 直接电离

通过SRIM计算可知，15 MeV质子LET值为(dE/dx)质子=5.8 keV/μm；根据文献[13]的公式计算可知，2～10 MeV电子的LET值为(dE/dx)e=0.465 keV/μm，即质子的LET值为电子的10倍。

假设耗电层厚度为1 μm，电离产生的电子空穴对全部被收集，则在2～10 MeV电子的沉积电荷约为0.02 fC，15 MeV质子的沉积电荷为0.258 fC，小于45 nm SRAM器件单粒子翻转临界电荷，因此无法通过直接电离作用引发单粒子翻转。

另一方面，对于本次电子单粒子效应实验所选能区，若引发单粒子效应的机制是直接电离，那么电子单粒子效应截面会随能量的增大而减小，因为电子在硅中的LET值会随能量的增大而降低，而本次实验中，电子单粒子效应截面随能量的增大而增大，因此该器件的单粒子效应应不是电子的直接电离引发的。

2) 间接电离

电子核反应截面较同能量的质子核反应截面小3～4个数量级[2]，本次实验中的电子单粒子翻转截面较质子的约小3个数量级。此外，电子单粒子翻转截面随电子能量的增大而增大，与电子核反应和光核反应的截面随电子能量的增大而增大的趋势是一致的。从这两方面来看，本文中45 nm SRAM器件的电子单粒子效应应是由核反应导致的间接电离引起的。

5 结论

本文基于2 MeV自屏蔽电子加速器和10 MeV电子直线加速器，利用45 nm SRAM器件开展了电子单粒子效应实验研究。实验结果表明，电子单粒子翻转截面随工作电压的减小而增大，随入射电子能量的增加而增大，且较同能量的质子单粒子翻转截面约小3个量级。该器件发生电子单粒子效应主要是由核反应导致的间接电离引起的。