纳米SRAM质子单粒子翻转错误率预估

赵 雯， 陈 伟， 王忠明， 罗尹虹， 沈 忱， 赵 军

(1. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室， 西安 710024； 2. 西北核技术研究所， 西安 710024； 3. 苏州珂晶达电子有限公司， 苏州 215000)

宇宙空间中的高能粒子穿透航天器屏蔽层进入到内部电子学系统会诱发单粒子效应(single event effects，SEE)，影响航天器的在轨可靠运行。基于SEE地面模拟实验结果，结合空间轨道上的粒子环境，预估轨道上器件的SEE错误率对航天器用电子元器件的可靠性分析和器件选型具有重要现实意义。质子是空间辐射环境的主要成分，高能质子核反应和低能质子直接电离是质子SEE的主要作用机制。质子SEE预估方法随着器件特征尺寸的减小在逐步改进完善，电子元器件进入纳米工艺节点后，研究人员在质子SEE预估方面有了一些新的认识和发现。中国空间技术研究院的于庆奎研究员等以65 nm SRAM为载体，分别基于质子实验数据和重离子实验数据预估了器件的空间质子单粒子翻转(single event upset，SEU)错误率，发现基于重离子实验数据的预估方法低估了空间质子SEU错误率，指出了针对纳米器件开展基于质子实验数据进行在轨SEU错误率预估的必要性[1]。Dodds等人研究发现，在GEO轨道太阳耀斑最坏情况且纳米SRAM工作电压负向波动10%时，低能质子直接电离致SEU错误率在总翻转率(低能质子、高能质子和重离子所导致的翻转率之和)中的占比最高可达77%[2]。中国原子能科学研究院的何安林等研究发现，太阳质子事件和地球俘获带中，低能质子SEU错误率在总翻转率中占主导[3]。本文针对高能质子核反应和低能质子直接电离这2种质子SEE作用机制开展了仿真计算，讨论了低能质子直接电离致SEU错误率预估面临的问题，针对不同种类的纳米SRAM开展了典型轨道上的质子SEU错误率预估，分析了轨道环境、太阳活动和器件翻转敏感特性对质子核反应致SEU错误率的影响。

1 空间辐射环境

对于处在宇宙空间中的航天器而言，导致电子学系统发生SEE的粒子主要来源于银河宇宙射线、太阳宇宙射线和范艾伦辐射带。

1) 银河宇宙射线来自行星际空间，大多数为质子，还有一些α粒子、重离子及少量的高能电子。银河宇宙线能量最高可达1020eV，具有极强的贯穿能力，处于高度电离状态。宇宙射线注量与太阳活动强度呈反相关关系，宇宙射线的注量在太阳活动极大期比太阳活动极小期小。宇宙射线也受到地磁场的影响，低轨和小倾角时地磁屏蔽更强，宇宙射线强度会降低。

2) 太阳宇宙射线是太阳活动产生的高能粒子流，绝大多数是质子，也有少量α粒子和重离子。太阳活动周期为11 a，其中7 a为太阳活动极大期，4 a为太阳活动极小期，太阳活动极大期时的太阳宇宙射线强度更大。此外，在太阳耀斑发生时，太阳宇宙射线中质子的强度会显著增加[4]。

3) 范艾伦辐射带是由地磁场捕获带电粒子而形成，分为内辐射带和外辐射带。外辐射带中央区域海拔约为2×104km，主要成分为电子，这些电子通常被认为来自磁圈外的太阳风和周围电子注入，外带中质子的注量和能量较低。内辐射带中央区域海拔约为9.6×103km，主要包含质子、电子和少量重离子，内辐射带质子能量可高达几百MeV，内辐射带中心能量在30 MeV以上的质子(高于该能量的质子可穿透航天器屏蔽壳)通量约为107～109cm-2·d-1。

2 质子单粒子效应机理

高能质子与半导体材料发生核反应生成次级粒子，次级粒子通过电离作用产生电子-空穴对以诱发SEE，这一过程被认为是质子SEE的作用机制之一。质子也可与半导体材料发生直接电离作用，由于质子与硅材料直接电离的线性能量传输值(linear energy transfer，LET)很低，一般认为质子直接电离不会导致SEE。然而，当器件的特征尺寸进入纳米尺度，器件发生SEE的临界电荷降低，低能质子直接电离致SEE已不容忽视[5-16]。

2.1 质子核反应导致的SEE

为理解质子核反应致SEE的机理，利用Geant4对30，100，200 MeV的质子与硅材料的核反应过程开展了计算，研究了核反应次级粒子的种类、LET值及射程情况。计算时，设置质子从硅上方中心位置垂直入射，单能粒子源，运行109个事件。图1为30,100,200 MeV质子与硅材料发生核反应后，产生的次级粒子的归一化LET值谱，既有所有次级粒子的总体LET值分布情况，也有各次级粒子的LET值分布情况。为便于观察，未显示LET值小于1 MeV·cm2·mg-1的部分(该部分概率较大)。由图1可见，30 MeV质子与硅材料发生核反应后，除α粒子外，次级粒子的原子序数Z主要分布在12～14之间；100 MeV和200 MeV质子与硅材料发生核反应后，次级粒子的Z主要分布在6～14之间；对于30 MeV质子，次级粒子的总体LET值主要分布在0～6 MeV·cm2·mg-1之间；对于100 MeV和200 MeV质子，次级粒子的总体LET值在0～14 MeV·cm2·mg-1之间均有分布。

(a) 30 MeV proton

当然，次级粒子的能量沉积不仅与LET值有关，与射程也有密切关系。图2和图3分别给出了100 MeV和200 MeV质子核反应产生的C离子、O离子的3维空间分布，该分布由科学计算软件ROOT直接输出，坐标轴单位为mm。由图2和图3可见，随着质子能量的增大，C离子和O离子的数量增加，角度离散性更大，200 MeV质子核反应产生的C离子和O离子的射程最大可至几个微米。

(a) 100 MeV proton

(a) 100 MeV proton

对纳米器件而言，器件间距较小，临界电荷较低，高能质子与硅材料发生核反应后产生次级粒子的LET值和射程足以引发SEE，加之纳米器件顶层金属布线中高K材料与高能质子核反应后，次级粒子的LET值进一步增大，最高可至37 MeV·cm2·mg-1[17]，因此，质子核反应是纳米器件质子SEE的重要作用机制。

2.2 质子直接电离导致的SEE

低能质子直接电离导致SEE的相关报道始于1997年[14]，文献报道了2款商用存储器分别在能量为2.3 MeV和1 MeV的低能质子辐照下出现SEU截面增大的现象，认为该现象由低能质子直接电离引起。但后来低能质子直接电离的研究并未引起足够重视，直到2007年，文献[15]证明了能量小于2 MeV的质子会导致65 nm工艺的SOI锁存器和SRAM发生SEU之后，研究人员开始针对不同工艺节点的器件开展了低能质子直接电离致SEU的实验研究[5-13],且研究热度不断上升。

为理解低能质子直接电离致SEU的机理，基于TCAD和Geant4耦合仿真，从分析低能质子在SRAM敏感区的能量沉积特点入手，对低能质子直接电离致SEU给出了直观数据。研究对象为65 nm SRAM单元，SRAM单元的晶体管布局如图4所示。仿真中，首先，将低能质子与SRAM单元几何结构模型作用产生的离子径迹保存为数据文件；其次，调用SRAM单元3维TCAD模型和离子径迹的数据文件开展SEE仿真计算；最后，分析计算结果，必要时调整仿真输入条件，如SRAM工作电压、低能质子能量及低能质子入射角度等。

图4 SRAM单元的晶体管布局Fig.4 Layout of the SRAM cell

图5为在SRAM偏置电压为0.6 V，质子以45°入射SRAM的N1晶体管漏极区域时，不同能量质子导致的SRAM单粒子响应。由图5可见，0.09 MeV质子入射时，N1_drain和N2_drain均发生逻辑状态翻转，可引发SEU；0.05 MeV和0.15 MeV质子入射时，N1_drain和N2_drain均未发生逻辑状态翻转，未引发SEU。表1所列为SRIM2013计算得到的3种能量质子的电离参数。0.05 MeV质子的初始LET值接近质子LET最大值0.55 MeV·cm2·mg-1。0.05 MeV质子入射时，Bragg峰值位于硅表面，随着入射深度的增加，LET值迅速下降，在SRAM敏感区域沉积的能量不足以引发SEU。0.09 MeV质子入射时，硅表面LET值较大，为0.507 MeV·cm2·mg-1，但并未达到最大值，当质子穿过0.3 μm径迹长度时，LET值达到峰值，正处于SRAM SEU敏感区域，且质子在这段径迹上的LET值均处于较高水平，使得敏感区域沉积的能量足以引发SEU。0.15 MeV质子入射时，硅表面LET值为0.439 MeV·cm2·mg-1，并未达到最大值，当质子穿过0.85 μm径迹长度时，LET值达到峰值，但距SRAM敏感区域较远，在敏感区域沉积的能量不足以引发SEU。因此，当低能质子直接电离的Bragg峰处在器件敏感区内部时，更容易导致器件发生SEU。

图5 偏置电压为0.6 V且质子以45°入射SRAM的N1晶体管漏极区域时，不同能量质子导致的SRAM单粒子响应Fig.5 The SRAM single event responses caused by protons ofdifferent energies when the bias voltage is 0.6 V and the protonstrikes at the drain region of N1 transistor of SRAM at 45 °

表1 3种能量质子的电离参数Tab.1 Ionization parameters of protonswith three energies

3 质子SEU错误率预估方法

质子SEU错误率预估是根据电子元器件的质子SEE地面模拟实验结果，结合空间轨道上的质子分布，预估轨道上器件的质子SEU错误率，SEU错误率指器件每天每位发生SEU的概率，单位为bit-1·d-1。质子地面模拟实验旨在通过质子加速器输出不同能量的质子束流，让这些束流分别辐照器件，测量器件在不同能量质子辐照下的SEU数量，再计算得到不同能量质子辐照下器件的SEU截面，单位为cm2·bit-1。空间辐射环境中的质子能量范围广且能谱连续，而国内用于SEE研究的质子加速器能提供的质子能量最大为230 MeV，如西安200 MeV质子应用装置，且加速器实验仅能获取数个能量点所对应的离散翻转截面数据。因此，如何基于地面模拟实验结果来正确预估空间轨道上器件的质子SEU错误率具有重要意义。

3.1 质子核反应致SEU错误率预估方法

质子核反应致SEU错误率的预估方法较为成熟，基本思路是：结合空间轨道参数和卫星壳体的屏蔽参数计算卫星壳体内部的质子微分能谱，根据质子SEE地面模拟实验数据拟合出SEU截面曲线，将质子微分能谱和SEU截面曲线进行积分得到轨道上的SEU错误率。

3.1.1 轨道质子微分能谱的计算

轨道质子微分能谱计算流程如图6所示。结合卫星轨道和地磁场模型，可以得到地磁屏蔽模型和俘获粒子模型，银河宇宙射线、太阳高能粒子和异常宇宙射线经过地磁屏蔽后的质子能谱与俘获粒子模型输出的质子能谱叠加后得到特定轨道上的质子能谱。

图6 轨道上质子微分能谱的计算流程Fig.6 Calculation flow chart of protondifferential energy spectrum on orbit

具体来说，地磁场模型负责计算给定位置(经纬度、高度)的地磁场信息，包括磁场矢量和B-L 磁层坐标系参数。银河宇宙射线模型、太阳高能粒子模型和异常宇宙射线模型(异常宇宙射线的能量分布介于太阳高能粒子与银河宇宙射线之间)分别负责计算地球磁圈之外银河宇宙射线、太阳宇宙射线和异常宇宙射线的通量。在宇宙空间中的带电粒子接近地球时，轨迹会在地磁场的作用下发生偏转，使较低能量的粒子无法穿过地磁场到达低纬度区域，因此地磁场有效地屏蔽了低轨道和低倾角区域的辐射。地磁屏蔽模型依赖于地磁场模型，作用于银河宇宙射线、太阳高能粒子和异常宇宙射线模型。俘获粒子模型负责计算给定位置(经纬度、高度)处所俘获质子的通量。最终，俘获粒子模型和地磁屏蔽模型的计算结果叠加在一起输出所在轨道的质子能谱。

3.1.2 卫星壳体内部质子微分能谱的计算

在卫星壳体内部质子微分能谱的计算中，一般采用单一厚度的铝来代替结构复杂的壳体结构以简化计算，也可通过射线追踪方法构建卫星壳体屏蔽厚度分布函数，基于该分布函数来计算卫星壳体内部的质子微分能谱[18]。

3.1.3 质子核反应致SEU截面曲线的拟合

通过质子SEE地面模拟实验，可获取不同能量点的质子SEU截面数据，对截面数据进行拟合得到截面曲线。拟合模型主要有Bendel单/双参数模型和Weibull模型，表示为

σB=σp[1-exp(-0.18×Y0.5)]4

(1)

(2)

对小尺寸器件而言，Bendel双参数模型比单参数模型的预估精度更高，但双参数模型不能同时很好地拟合阈值区域和饱和截面区，其适用于低能截面数据点少的情况。对于低能截面数据较充分的情况，Weibull模型是更好的选择。

3.2 低能质子直接电离致SEU错误率预估问题及方法探索

3.2.1 低能质子直接电离致SEU错误率预估问题

目前，国际上对低能质子直接电离致SEU的预估方法没有统一认识，面临的问题为：

1) 能谱展宽

低能质子直接电离致SEU模拟实验获取的是一系列低能量点上的翻转截面数据。若参照核反应致SEU预估的思路，首先需要拟合出低能质子段的截面曲线，然后将拟合出的截面曲线与质子微分能谱进行积分得到翻转率。质子核反应致SEU截面曲线的拟合有较成熟的模型，模型是结合核理论推导和地面模拟实验数据验证得出的[19]，而对低能质子直接电离致SEU的截面曲线的拟合，目前没有公认的较成熟模型。再者，当单能质子入射靶物质时，存在能谱展宽效应。图7为5 MeV质子穿过50,75,100 μm厚度的硅衬底后的能谱。由图7可见，低能质子穿过硅衬底后有一定程度的能谱展宽，而且低能质子的能谱展宽随硅衬底厚度的增加而增大。能谱展宽效应不可避免地影响低能质子直接电离致SEU的截面数据的能量分辨率，换句话说，测量得到的截面所对应的能量值并非真正入射至器件敏感区的能量值，这给翻转率预估带来较大的不确定性。

图7 5 MeV质子穿过50,75,100 μm硅层后的能量展宽Fig.7 Energy straggle after 5 MeV proton passingthrough a silicon layer of 50 μm,75 μm, and 100 μm

文献[6]提出了通过蒙特卡罗方法来计算低能质子直接电离致SEU截面，可克服实验无法规避的低能质子能谱展宽问题，但计算中涉及的加权敏感体积模型的校准需借助大量重离子实验数据和高能质子实验数据，加权系数的确定需多次迭代，且校准后的模型仅适用于相同工艺的器件，增加了翻转率预估的复杂性。文献[16]通过计算发现，对于不同的轨道环境，经过屏蔽材料后能量处在3 MeV以下的质子的能谱具有相似特征形状。由于通过直接电离诱发SEU的低能质子到达器件敏感区时的能量一般都小于3 MeV，那么通过调整质子束流的降能条件使质子能谱符合特征形状，再利用调整后的束流获取低能质子SEU峰值截面，即可用于低能质子直接电离致SEU错误率预估，但合适的质子束流难以实现。

2) RPP(Rectangular Parallel Piped)模型的适用性

低能质子直接电离致SEU的作用机理是电离，因此很容易想到借鉴重离子SEE预估方法，采用RPP模型进行预估。RPP模型依赖一种称为弦的概念，每条弦对应着穿过器件敏感区的离子径迹，SEU错误率Er可以表示为

(3)

3.2.2 低能质子直接电离致SEU错误率预估方法探索

如前所述，能谱展宽给低能质子直接电离致SEU错误率预估带来了较大的不确定性，建立一种有效的低能质子直接电离致SEU截面获取方法具有重要的现实意义。针对现有低能质子直接电离致SEU截面获取方法校准过程复杂和可借鉴性差的缺点，提出一种新的基于仿真的低能质子直接电离致SEU截面获取方法，具有敏感体积参数获取效率高、可执行性好的优点。方法的基本思路是：执行不同角度和不同LET值的重离子单粒子效应器件物理仿真，利用仿真获取的截面数据计算单粒子效应敏感体积厚度这一关键参数，在此基础上构建器件的几何结构模型，通过粒子输运模拟获取低能质子直接电离导致的SEU截面。方法的具体实现可以参见文献[20]。该方法的特点是：基于仿真实现，规避了试验中金属布线或衬底引起的质子能谱展宽问题，可提高低能质子直接电离致SEU截面曲线中质子能量的分辨率；利用不同角度和不同LET值的重离子单粒子效应器件物理仿真获取的截面数据来计算单粒子效应敏感体积厚度这一关键参数，与现有加权敏感体积模型构建方法相比，规避了其复杂的校准过程，提高了敏感体积参数的获取效率，具有成本低、计算效率高及可执行性好等优点。

4 质子核反应导致的SEU错误率预估及分析

针对表2所列3种典型轨道，开展了质子核反应致纳米SRAM SEU错误率的预估，研究了轨道环境、太阳活动和器件SEU敏感特性对SEU错误率的影响，对航天元器件的选用和航天器安全可靠运行具有参考价值。

表2 轨道参数Tab.2 Orbit parameters

表3 3款纳米SRAM的SEU截面曲线的拟合参数[2]Tab.3 Fitting parameters of SEU cross section curves of three nanometer SRAMs[2]

预估采用强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室的质子单粒子效应预估软件，软件的用户界面如图8所示。该软件在 Linux 操作系统下运行，基础模块和系统集成平台采用 Python 作为主体程序设计语言开发，图形化控制界面采用Qt开发。软件主要由质子能谱计算模块、翻转截面拟合模块和空间翻转率计算模块3个模块组成。与国外同类预估软件Space Radiation相比，强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室的质子单粒子效应预估软件具有以下优点：1)用户界面简洁直观。软件采用流程图式界面，清晰表达了质子单粒子效应的预估流程，各计算模块的逻辑关系直观，模块间的数据流向明确，与Space Radiation的菜单式界面相比，更有利于用户快速理解软件架构组成和轻松掌握软件操作步骤。2)功能实现更加完备。模型参数的配置支持外部数据导入，结果可视化形式多样，增加了全过程数据的报告生成功能。3)引入新的计算模型及模型修正因子。在银河宇宙射线计算中引入CREME96模型，将银河宇宙射线强度和太阳黑子数量联系起来，描述了太阳活动周期内银河宇宙射线随时间的变化；在地磁屏蔽计算中引入了Nymmik10 地磁屏蔽模型，考虑了地磁场扰动对截止刚度的影响，能够较好地描述中高纬度地区、较低能量的粒子穿透地磁屏蔽的能力，同时，也考虑了地磁截止刚度每天的变化；在地磁俘获粒子计算中引入了南大西洋异常区位置漂移修正因子；在卫星屏蔽计算中引入了具有复杂结构的卫星屏蔽模型。

图8 质子单粒子效应预估软件用户界面Fig.8 Software interface for proton SEU prediction

在质子核反应致SEU错误率预估中，航天器屏蔽采用厚度为3 mm的铝，3款纳米SRAM的SEU截面曲线的拟合参数列于表3。表4为强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室的质子单粒子效应预估软件和Space Radiation 5.0的预估结果，由表4可见，在轨道模型、屏蔽参数和翻转截面拟合参数输入一致的情况下，2款软件预估结果的相对偏差不超过10%。预估发现：对于GEO和MEO轨道，太阳极大期质子SEU错误率比太阳极小期高1～2个数量级；对于SSO轨道，受范艾伦辐射带的影响，俘获质子对翻转率的贡献超过太阳高能粒子；质子核反应致SEU错误率很大程度上依赖于SRAM的饱和截面，饱和截面越大，错误率越高。

表4 质子核反应导致的单粒子翻转率预估结果Tab.4 Prediction results of SEU error rates caused by proton nuclear reaction

5 结论

仿真分析了高能质子核反应和低能质子直接电离2种质子SEE作用机制，讨论了低能质子的能谱展宽和能量沉积特点对低能质子直接电离导致的SEU错误率预估带来的影响，针对不同种类的纳米SRAM预估了典型轨道上的质子核反应导致的SEU错误率。结果表明：对运行在高轨道的航天器，质子核反应导致的SEU错误率受太阳活动影响明显，太阳极大期的质子核反应导致的SEU错误率更高；对运行在低轨道的航天器，范艾伦辐射带内带的质子核反应导致的SEU需引起足够重视；质子核反应导致的SEU错误率很大程度上依赖于器件的饱和截面，饱和截面越大，翻转率越高。