65 nm 工艺SRAM 中能质子单粒子效应研究

陈锡鑫，殷亚楠，高熠，郭刚，陈启明

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035；2.中国原子能科学研究院抗辐射应用技术创新中心，北京 102413）

1 引言

2 SRAM 存储器中能质子试验

空间环境中存在的质子、重离子等能量极高的粒子入射到航天元器件会在元器件中发生电离，电荷被敏感节点收集，从而引起单粒子效应[1-4]。单粒子效应会引起元器件状态翻转、功能失效，影响航天器的寿命和可靠性[5]。质子是太空中粒子的主要成分，90%以上的辐射粒子为质子[6]。随着航天元器件工艺尺寸缩小至纳米级，集成电路性能得到很大提升，但受到的单粒子效应影响逐渐增大[7-8]。当工艺尺寸进入纳米级，电路由质子入射引起的单粒子翻转错误率会高于重离子引起的错误率[9]。质子单粒子效应产生机理分为2种：一是质子直接电离，产生电离电荷[10]；二是质子与器件材料产生核反应，引起散射，产生电离电荷[10]。直接电离一般由低能质子引起，核反应则由中能和高能质子引起[10]。

为了研究中能质子对纳米级集成电路的单粒子效应的影响，并与重离子试验做对比，本研究基于一款带错误检测与纠正（EDAC）功能的65 nm体硅CMOS SRAM，通过对存储器不同工作模式的选择，研究中能质子单粒子效应对纳米级器件的影响。本文基于中国原子能科学研究院抗辐射应用技术创新中心的HI-13 串列加速器开展试验，该加速器是目前国内开展单粒子效应研究的主要加速器之一，主要用于航天元器件空间应用考核及基础研究。

目前国内外有很多机构都开展了质子辐射试验、理论分析等研究[11-13]，如美国国家航空航天局、IBM 公司、范德堡大学、美国圣地亚哥国家实验室、中国原子能科学研究院等，但尚未见对EDAC 加固的SRAM 器件进行不同模式对比分析的报道，本工作也是对之前研究的一个补充。

2.1 试验器件及试验系统

该试验选用了一款采用商用65 nm 工艺、带EDAC 纠错的512 000×32 bit 抗辐射SRAM 存储器。该电路存储单元为商用SRAM 6T 结构，外围数据采用汉明码进行纠检错，通过选择外部信号，可以控制内部纠检错模式的切换，由此可以对比有无EDAC 纠错功能时电路受质子辐射的影响。

SRAM 质子试验测试系统如图1 所示，主要由SRAM 和FPGA 组成。通过FPGA 向SRAM 写入“55AA”数据，写完后保持地址数据不变，然后开始辐照。对SRAM 不停进行单次写、辐照、单次读操作。

图1 SRAM 质子试验测试系统

2.2 试验结果

试验在北京中国原子能科学研究院HI-13 串列加速器上完成，采用常温试验环境及电路最恶劣偏置条件，电路内部电压为1.92 V，端口电压为3.63 V，SRAM 中能质子试验结果如表1 所示。其中，初始错误数代表SRAM 内部未开启EDAC 纠错功能时发生的单粒子翻转错误，纠错后错误数代表SRAM 内部开启EDAC 纠错功能后发生的单粒子翻转错误。SRAM重离子试验结果如表2 所示，为了更真实地模拟空间环境对带EDAC 功能存储器的影响，在重离子试验时采用了很低的注量率，但由于辐照时间的限制，总注量未能做到1×107cm-2，数据仅供对比参考。

表1 SRAM 中能质子试验结果

表2 SRAM 重离子试验结果

3 试验结果分析

3.1 单粒子闩锁现象分析

由于中能质子在芯片内部以发生核反应为主，与内部的Si、Cu、Al、W 等产生弹性碰撞，其电离能量不足以产生单粒子闩锁效应发生所需要的电荷量，中能质子试验未发现单粒子闩锁现象。

同时，由于闩锁效应的发生与试验能量、电源电压、是否使用外延片、N 和P 器件之间间距、器件隔离、接触孔等因素有关。此次试验最高能量为90.4 MeV，器件内核电压为1.92 V，而且采用外延片流片。虽然使用商用设计规则，SRAM 单元密度很高，但未观测到闩锁现象，与重离子试验结果吻合。

3.2 单粒子翻转现象分析

试验中观测到上万次质子诱发存储单元翻转现象，说明质子的确会诱发单粒子翻转效应。开启EDAC对存储数据进行纠一检二操作后进行试验，仍不能消除个别错误，说明采用商用设计规则的SRAM 电路会发生单粒子多位翻转。同样，重离子采用很低的注量率也会发生单粒子多位翻转现象。由此可见，纳米级电路单粒子翻转不仅仅是一位的翻转，一个粒子可能造成多个存储单元发生错误，虽然降低注量率并采用EDAC 进行纠错，还是不能消除错误，后续在应用时需要注意增加防护。

3.3 质子单粒子错误饱和现象

从中能质子试验结果看出，纠错后的质子单粒子翻转数目未发生明显的量级变化，趋于饱和。而重离子试验结果则发现不一样的趋势，错误数随着粒子能量的增加而进一步增加。这2 种结果的差异是2 种辐射效应影响机理不同导致的。

重离子入射产生“漏斗效应”，相同条件下，能量越大，电离的电子-空穴对数目越多，所以随着能量的增强错误数不断增加。质子核反应属于弹性散射和裂变反应，与芯片内部使用的材料有关。纳米级工艺质子与Si、Cu、Al、W 原子反应，对应LET 能量相近，电离出的电荷量相近；虽然质子能量发生变化，但不会导致错误量级变化，所以发生截面饱和。

3.4 重离子翻转截面与质子翻转截面比较

质子和重离子的翻转截面如图2 所示，采用Weibull 函数对试验数据进行拟合，图2（a）中拟合的质子饱和截面约为1.3×10-17cm2/bit，图2（b）中拟合的重离子饱和截面约为8.1×10-11cm2/bit。

图2 质子和重离子的翻转截面

从质子和重离子的饱和截面来看，2 种截面相差6个数量级。量级上的差别与质子发生核反应的概率有关，一般1×105～1×106个质子才会发生一次核反应，所以才会导致质子的饱和截面比重离子低6 个数量级。在计算空间轨道错误率时，结合空间轨道环境和粒子数，重离子与质子错误率相近也证实了这一点。利用ForeCAST 软件对质子和重离子错误率进行计算（地球同步轨道），质子错误率为2.766×10-10error/(bit·d)，重离子错误率为2.4×10-10error/(bit·d)。该结果显示质子与重离子空间错误率相近。此次试验很好地探索了中能质子对SRAM 电路的影响，明确了质子与重离子导致单粒子错误的异同，为SRAM 在航天上的应用奠定了基础。

4 结论

本研究在北京中国原子能科学研究院HI-13 串列加速器上完成了带EDAC 功能的65 nm SRAM 存储器中能质子辐射试验。对SRAM 带EDAC 和不带EDAC 的数据进行了比较，并将试验结果与重离子试验结果进行了对比分析，得出了如下结论：1）试验未发现质子单粒子闩锁现象；2）试验发现了单粒子多位翻转，器件在航天应用中需要做进一步的防护；3）中能质子导致错误数饱和，这是由质子核反应后粒子能量相近引起的；4）质子饱和截面与重离子饱和截面数量级的差距是由质子核反应概率引起的。

本试验探索了中能质子对SRAM 电路的影响，为SRAM 在航天上的应用奠定了基础。后续将继续开展低能质子和高能质子试验，将各种能量的质子效应机理阐述清楚。