大气中子单粒子效应研究现状及进展

黄泽棋， 敬罕涛， 张玉亮， 金大鹏

(1. 散裂中子源科学中心， 广东东莞 523803； 2. 中国科学院高物理研究所， 北京 100049； 3. 中国科学院大学， 北京 100039)

单粒子效应(single event effect，SEE)是指由单个高能粒子与微电子器件或电路的敏感区域相互作用引起器件异常的现象[1]。根据联合电子设备工程委员会(Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)测试标准JESD89A中的定义[2]，单粒子效应会造成微电子设备、组件及子系统发生可测量或可观察的变化。随着对单粒子效应研究的不断深入及半导体器件集成度的不断提高，新的现象不断被发现。单粒子效应可细分为单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子闭锁、单粒子烧毁、单粒子功能中断、单粒子栅穿和单粒子位移损伤等10余种效应。

1962年，Wallmark等[3]首次提出单粒子翻转的假设。1975年，Binder等[4]提出通信卫星设备中数字电路的错误是由宇宙射线中的单个重离子与设备相互作用引起的，且计算出每个晶体管每年发生单粒子事件的次数是3.1×10-3，与观测到的事件发生率相符。1978年，研究人员发现陶瓷管壳中存在的放射性同位素钍和铀产生的粒子会引起动态随机存储器(dynamic random access memory，DRAM)的瞬时扰动[5]。1986年，Waskiewicz等[6]发现252Cf重离子辐照MOSFET时发生了单粒子烧毁效应。随后单粒子效应引起了更多的关注，研究范围也越来越广。2003年，Dodd等[7]总结了单粒子效应的基本物理机制，提出单粒子效应包括能量沉积、电荷输运及电荷收集3个过程。能量沉积过程是指入射粒子通过直接电离或间接电离的方式与器件材料发生相互作用，会有能量沉积在靶材料中，产生大量的电荷，被迅速输运和收集。电荷输运包括漂移运动和扩散运动2种方式。在器件中输运的电荷会被器件敏感区收集，产生瞬态电流，干扰器件和相关电路。

1 大气中子单粒子效应

1.1 中子单粒子效应相关理论及模拟软件

王长河[8]在文献中统计，1971-1986年发射的同步卫星，由空间辐射造成的故障有1 129次，其中单粒子效应引起的故障621次，占比为55%。在临近空间中，高能中子注量率远高于其他粒子，大气中子单粒子效应引起的器件故障更多[9]。此外，在大气层内，由于宇宙射线内的质子与大气分子发生核反应，生成大量中子，直接影响航空飞行器上的电子学器件及系统。自20世纪90年代，大气中子造成的单粒子效应引起广泛关注，大气中子导致的错误模式被广泛研究[10]。

中子不与介质原子的电子直接发生相互作用，而是与原子核直接发生相互作用，作用机制有势散射、形成复合核及直接作用[11]。势散射不会引起核内部状态的变化，而是入射中子的一部分动能转移给靶核，使靶核获得动能，形成反冲核。复合核的形成包括共振弹性散射、非弹性散射、放出带电粒子的核反应、辐射俘获、发射多粒子反应及裂变。直接作用包括拾取反应、直接非弹性散射、敲出反应、电荷交换反应及直接俘获5种反应类型。

基于中子核反应原理，中子辐照半导体器件和材料时会产生能量沉积[12]。产生能量沉积的方式为：(1)中子与核子碰撞，使核子达到激发态，然后核子退激释放光子；(2)高能中子与晶格相互作用，产生反冲原子或离子；(3)中子发生非弹性散射，释放出带电粒子；(4)中子与芯片封装材料中的微量天然放射性元素铀和钍等作用发生裂变反应，产生裂变碎片。中子引起的单粒子效应与质子引起的单粒子效应类似，存储器的主要错误类型如表1所列。

表1 大气中子导致存储器的错误模式Tab.1 Error patterns of memorizer induced by atmospheric neutrons

中子通过电离能量沉积和非电离能量沉积对器件材料造成影响。随着器件制造工艺水平的快速发展，新材料和新工艺的不断应用，中子通过电离能量沉积造成的器件单粒子效应也在不断变化。

针对中子单粒子效应，可利用地面装置实验模拟、航天器运载实测及理论仿真开展研究。但无论是地面实验还是飞行实验，都存在实验费用高及设计周期长的特点，而理论仿真能更好地观测辐射过程中器件内部参数的变化，分析单粒子效应的物理机制，建立物理模型。

针对物理级、器件级、电路级及系统级的单粒子效应模拟都有相应的模拟软件。在物理层面，可使用蒙特卡罗方法，确定入射粒子与靶材料原子发生相互作用时的核反应和沉积能量等参数，模拟核反应过程及粒子输运的软件主要有欧洲核子研究中心开发的免费开源程序包Geant4[13]和计算材料阻止本领及粒子在材料中运动过程的SRIM程序[14]。在器件层面，通常利用TCAD (technology computer aided design)器件仿真软件对单粒子效应进行模拟，不同公司会根据自身的特殊需求进行二次开发，如Synopsys 公司开发了Sentaurus TCAD 软件[15]。在电路层面，可利用Cadence公司开发Spectre[15]和Synopsys公司开发的 HSPICE 等电路仿真软件开展研究[16]。

国内，在物理层面，同样利用基于蒙特卡罗方法的Geant4和FLUKA等软件对中子单粒子效应进行模拟，或基于这些软件进行二次开发；在器件层面，苏州Cogenda公司开发了VisualTCAD软件[15]，采用了快速TCAD算法，并以 Geant4 为内核开发了与VisualTCAD配套的GSEAT 粒子仿真软件，形成了一套辐射效应模拟解决方案，但GSEAT在物理模型方面仍存在问题，缺乏对缺陷的准确表征，无法实现对总剂量效应的准确仿真[17]。

1.2 国内外中子单粒子效应理论研究现状

在单粒子效应研究中，单粒子失效机理是最关键的。由于单粒子效应具有随机性和可恢复性，很难通过传统分析手段进行研究。同时，产生单粒子效应的实验环境苛刻，且天然环境下实验周期较长。因此，采用数值仿真模拟的方法研究单粒子效应是重要的研究手段[18]。研究人员利用第1.1节提到的软件进行仿真模拟，不断提出新的模拟方法和理论。

在半导体器件层面，利用半导体物理的基本方程，给出边界条件，求解器件内部各物理量，从而实现对半导体器件电学特性的模拟。当前广泛使用的物理模型为漂移扩散模型，包括泊松方程、电子-空穴连续性方程及电流密度方程[19]。当器件尺寸降低到亚微米级别时，漂移扩散模型不能很好地反映载流子的输运过程，Blotekjaer[20]假设载流子在器件中的输运过程为电子气在电场作用下的流动，将Boltzmann方程简化为由自由粒子数量、动量和能量守恒方程及泊松方程组成的方程组，可使用流体动力学模型较精确地描述载流子的速度。当器件尺寸降低到纳米量级时，载流子输运需要使用薛定谔方程进行描述，当前模拟软件仅能支持薛定谔方程的1维求解。因此，当前采用量子模型描述载流子的输运还不成熟。

在单粒子效应物理层面，描述中子与材料原子发生核反应通常采用二体碰撞近似(binary collision approximation，BCA)理论[21]，只考虑运动粒子与最近的靶原子碰撞发生核反应。由于BCA理论没有考虑原子与其他原子之间的相互作用，因此级联反应就会被忽略，影响低能部分的判断，因此需要利用多体碰撞理论。多体碰撞理论利用势函数描述粒子间的相互作用，对于硅材料来说，当前较为常用的势函数包括Stillinger-Weber(SW)势函数[22]、Tersoff势函数[23]、Modified Embedded Atom Method(MEAM)势函数[24]及Highly Optimized Empirical Potential(HOEP)势函数[25]等。

国内，谢红刚等[26]利用Geant4软件模拟了中子在半导体静态随机存储器(static random access memory,SRAM)中的输运过程,根据中子不同的能量，选择不同的核反应物理过程模型。当中子能量超过100 MeV时，采用Bertini核内级联模型；当中子能量在14MeV左右时，采用Geant4预复合模型。该研究利用Geant4模拟400 MeV中子入射材料，发现多位翻转截面明显比单粒子翻转截面小，且随着临界能量的增加，多位翻转截面下降得更快。这主要是由于引起存储单元发生变化的粒子射程较短，不能再引起另外的存储单元灵敏区发生较大的能量沉积。同时，该研究利用Geant4模拟了14 MeV中子对不同的SRAM器件产生的单粒子效应截面，并将模拟结果与文献结果进行比较，符合较好。

由于核反应过程通常为较高能量过程，电子和空穴在材料中的迁移过程是非常低能的过程。这2种过程不仅能量差异大，且处在学科的交叉边界，因此，目前能直接完整模拟核反应到电子迁移过程的损伤机制尚未见报道。同时，在研究单粒子效应中，核反应过程忽略材料分子结构的损伤效应，生成能量较高的电子在材料中输运和慢化时，也忽略了分子结构的影响。这些更细致的损伤机制研究还有待进一步完善。

2 国内外研究中子单粒子效应的实验装置

由于初级宇宙射线能谱较宽，产生的大气中子能谱也非常宽，所以大气中子场被称为白光中子场。在中子单粒子效应截面的能量依赖关系实验中发现，当入射中子能量大于1 MeV时，单粒子效应较显著[27]。根据测量和理论研究，利用在地面和航空环境中获取的数据，国际上形成了2个标准的中子能谱，分别为JEDEC的JESD89A标准和国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)给出的中子能谱。JESD89A以纽约市中等太阳活动条件下的海平面高度为基准，给出10 MeV 以上中子的注量率为3.6×10-3cm-2·s-1[2]。IEC则依据1974年NASA Ames在航空电子环境中的飞行数据，给出相应的中子能谱[28]。JEDEC给出的参数化标准大气中子能谱可表示为[2]

ΦJEDEC(E)=1.006×10-6·e-0.35(ln E)2+2.145 1ln E

+1.011×10-3·e-0.410 6(ln E)2-0.667ln E

(1)

其中：ΦJEDEC为中子注量；E为中子能量。

IEC的经验公式为[28]

(2)

其中，ψIEC(E)为中子能注量率。

根据中子能谱，中子辐射实验的中子源可分为[29]：(1) 单能和准单能的加速器中子源；(2) 高能加速器驱动的散裂中子源，具有很宽范围的连续中子能谱；(3) 反应堆中子源，具有较窄范围的连续中子能谱，以热中子为主。

散裂中子源能提供能量范围很宽的中子束，可很好地模拟大气中子环境。当前，用于中子单粒子效应研究的散裂中子源主要有美国洛斯阿拉莫斯国家实验室中子科学中心(LANSCE)的中子辐射装置[30]、加拿大粒子与核物理国家实验室(TRIUMF)的介子装置[31]、日本大阪大学的核物理研究中心的散裂中子束[32]及中国东莞的中国散裂中子源(CSNS)等。这些中子源装置的相关性能参数如表2所列。

表2 用于SEE研究的中子源装置及相关参数[28,35]Tab.2 Neutron source devices and related parameters for SEE

准单能中子源主要采用7Li(p，n)7Be核反应获得单能中子，可用于校准和测量高能量中子的单粒子效应，优点为：(1)7Be的基态和第一激发态之间能量相差较小，只会产生较少的不同能量的中子，中子的单色性更好；(2)质子的质量较小，在材料中的能量损失小；(3)Li材料热学性质较好，易做成自支撑靶[33]。

无论是散裂中子源还是准单能中子源，中子能谱在不同能区都会存在一些差异，图1为主要开展芯片辐照研究的各个中子源能谱与 JEDEC 和 IEC标准能谱的对比[34]。

当前，中子源的数量和作用还比较有限，更多的是用于低能区的中子单粒子效应模拟研究。未来的装置将会倾向产生高束流强度、高中子能量和大束斑的中子束流，同时，对单粒子效应的研究也会有系统级的测试研究平台。

3 大气中子单粒子效应的实验研究现状

3.1 国外大气中子单粒子效应的研究现状

为满足宇宙射线辐照效应研究需要，Hess等[35]系统地计算了大气中的中子能谱，能谱范围从热中子到BeV的高能中子，平均中子注量率为4.6 cm-2·s-1，且发现低于100 keV的热中子数目最多，高于800 MeV的中子数较少。1999年，Normand[36]证明了大气中子是诱发航空电子系统单粒子翻转的主要原因，验证了中子单粒子效应对随机存储存取器(random access memory，RAM)、SRAM及DRAM的影响。大气中子单粒子效应对临近空间飞行器影响很大，IBM和波音公司曾联合开展飞行试验，获得了不同飞行高度对飞行器单粒子效应的影响[28]。2009年，Heidel等[37]研究了45 nm SOI SRAM的单粒子翻转效应和多位翻转效应，发现，随着特征尺寸的减小，SRAM电路的单粒子翻转截面为一个常数，而多位翻转截面却呈不断增加的趋势。Johansson等[38]对9种商用SRAM的中子单粒子效应进行了研究，选取中子能量为11～160 MeV之间的8个点，分别为11，14，22，35，45，75，96，160 MeV，发现中子能量越高，对器件的影响越大。2010年，Loveless等[39]对商用45 nm CMOS SOI SRAM 单元进行仿真和实验研究，指出在特征尺寸减小的情况下，能量累积具有不确定性。随着半导体器件的进一步发展，很快提出了28 nm 工艺器件，2013年，Roche等[40]首次研究了 28 nm 工艺FDSOI器件抗单粒子性能，并与体硅MOS器件和FinFET器件进行了对比，指出，当特征尺寸减小到纳米量级时，随着临界电荷的减少、单比特电离截面的减小、电荷累积体积的减小、版图上单粒子敏感区域的增加和寄生晶体管的放大等，小尺寸器件的单粒子效应更加严重。Warren等[41]利用Geant4模拟研究了热中子辐射CMOS SRAM的单粒子效应截面，发现与实验获得的数据一致。上述研究结果表明，可利用模拟的方式研究单粒子效应的物理机制。

3.2 国内大气中子单粒子效应的研究现状

王勋等[42]利用中国散裂中子源的反角白光中子束流对不同商用SRAM进行了中子单粒子效应实验，研究了测试图形、特征尺寸及版图工艺对单粒子效应的影响。研究结果表明，测试图形和特征尺寸对单粒子翻转截面影响不大，对多位翻转截面有较大的影响；版图工艺对二者均会有较大的影响。通过上述研究结果，说明改变器件的接触面积、晶体管的放置位置和方向及布局布线等均会影响器件单粒子效应的敏感性。Zhang[43]等利用Geant4模拟了1～14 MeV能量的中子对CMOS器件的单粒子效应，计算了单粒子效应截面。结果表明，当中子能量小于4 MeV时，含有钨材料的器件会出现单粒子翻转现象。

4 大气中子单粒子效应研究应用趋势

大气层内，距地面20～100 km临近空间中的大气中子是诱发单粒子效应最主要的原因，因此研究大气中子单粒子效应物理机制对临近空间飞行器的可靠性也有至关重要的作用。由于半导体器件集成度越来越高，特征尺寸越来越小，单粒子效应越来越显著，因此，需建立单粒子效应对飞行器内部半导体器件影响的系统性评估方案，这也是当前大气中子单粒子效应研究的重要应用方向。

在手机通信领域，美国Renesas公司曾在不同的海拔高度对手机低功耗SRAM进行了实时软错误率的实验研究[9]，研究结果表明，大气中子单粒子效应研究在通信方面也有着很大的应用潜力。

由于大飞机及大型计算集群等重要产业及研究领域需求，空客和波音等航空公司及IBM等对单粒子效应的研究较早些。Roffe等[44]研究了中子单粒子效应对航空飞行器视觉相机的影响，测试了传感器在广谱中子作用下的辐射损伤及不同角度入射时，中子辐照对输出信噪比的影响，研究结果表明：视觉相机能在信噪比为3.355的空间辐射环境中工作；辐照诱导的噪声不会影响事件级的计算。随着大气中子单粒子效应越来越受到关注，国外在理论和实验层面都取得了很大的进展，且很多研究成果都已应用到航空电子系统中，被证明是可行有效的。随着大飞机及相关高端电子产业的发展，国内对大气中子单粒子效应的研究也越来越重视。

大气中子单粒子效应还会对自动驾驶汽车、高原地区输电网的自动化控制系统及大型太阳能发电设备等产生影响。未来大气中子单粒子效应研究在机制上更趋于基础机制和机理方面的研究，在实验上更趋于实验广度方面的研究，以满足器件集成程度不断提高及规模不断增加的需求。

当前，大气中子单粒子效应研究在宇航器件空间辐射防护方面有重要意义，因此建立国家大气中子辐射评价标准规范体系是未来一项重要的工作。这个规范体系的研究涉及核科学与技术、电子科学与技术等多个学科专业[45]，将会成为电子工业体系中重要部分。