胡志良 楊衛(wèi)濤 李永宏? 李洋 賀朝會(huì) 王松林 周斌 于全芝 何歡 謝飛 白雨蓉 梁天驕?

1) (西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710049)

2) (散裂中子源科學(xué)中心,東莞 523803)

3) (中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

4) (中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

采用設(shè)置和不設(shè)置鎘中子吸收體兩種方式,利用中國(guó)散裂中子源9號(hào)束線(CSNS-BL09)對(duì)65 nm微控制器進(jìn)行了大氣中子單粒子效應(yīng)輻照測(cè)試.測(cè)試中探測(cè)到的效應(yīng)主要為單位翻轉(zhuǎn).測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)于該款微控制器,熱中子引起的中子單粒子翻轉(zhuǎn)占比約65%；進(jìn)一步分析表明,熱中子與10B反應(yīng)產(chǎn)生的0.84 MeV 7Li可能是誘發(fā)微控制器單粒子翻轉(zhuǎn)的主要因素.

1 引 言

近年來(lái),隨著制造工藝的提升,大氣中子輻照導(dǎo)致的先進(jìn)電子系統(tǒng)可靠性問(wèn)題正在引發(fā)關(guān)注[1-5],而先進(jìn)微控制器(MCU)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、消防和安全系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等領(lǐng)域,其在大氣中子環(huán)境下的可靠性問(wèn)題亟待研究[6].

中子雖不帶電,但其與物質(zhì)作用可引發(fā)一些效應(yīng)[7],如中子入射電子系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致位移損傷效應(yīng)、總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)(SEE)[8]等.對(duì)于納米級(jí)MCU,需重點(diǎn)關(guān)注SEE[9].中子之所以能夠?qū)е码娮酉到y(tǒng)發(fā)生SEE,是因?yàn)槠鋾?huì)與半導(dǎo)體中硅原子等發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子,如質(zhì)子、α粒子、反沖重核等,這些帶電粒子可通過(guò)電離等方式沉積能量(α粒子、反沖重核等),一旦敏感體積內(nèi)沉積的能量超過(guò)其閾值,就會(huì)導(dǎo)致效應(yīng)發(fā)生.

對(duì)于硅基電子系統(tǒng),中子誘發(fā)單粒子效應(yīng)的次級(jí)粒子主要分為兩類：一類為熱中子與10B發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子,另一類為高能中子(中子能量En≥ 1 MeV)與硅原子核發(fā)生核反應(yīng)或散裂反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子.圖1為B,Si等核素的中子反應(yīng)截面.其中圖1(a)為硼、硅同位素的中子截面,中子能量范圍為10—11—1 MeV.圖1(b)為28Si,27Al,184W等的中子截面(本文所研究的MCU襯底為Si,鈍化層,互聯(lián)層中亦存在N,O,Al,W),對(duì)應(yīng)中子能量范圍為1—150 MeV[10].由圖1可知,熱中子與10B的反應(yīng)截面遠(yuǎn)高于其他核素,同時(shí)也比高能中子與28Si,27Al,184W等的反應(yīng)截面要高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上[11],這意味著對(duì)于納米級(jí)工藝電子系統(tǒng),即使其中含有微量10B,熱中子對(duì)其可靠性影響也應(yīng)引起重視.

圖1 半導(dǎo)體中各核素的中子反應(yīng)截面 (a)與-B,Si的同位素的反應(yīng)截面,對(duì)應(yīng)中子能量范圍10—11-1 MeV；(b)與14N,16O,27Al,28Si,184W的反應(yīng)截面,對(duì)應(yīng)中子能量范圍1150 MeVFig.1.Cross sections of different energy neutrons interacting with various nuclear atoms in semiconductor：(a) Cross sections of B and Si isotopes,the neutron energy interval is 10—11-1 MeV；(b) cross sections of 14N,16O,27Al,28Si and 184W,the neutron energy interval is 1-150 MeV.

對(duì)于180 nm以上工藝電子系統(tǒng),一般認(rèn)為與熱中子發(fā)生反應(yīng)的10B主要來(lái)自于電子系統(tǒng)封裝中的硼磷硅玻璃(BPSG)[12].對(duì)于更小工藝的納米級(jí)電子系統(tǒng),其已不再使用含BPSG封裝.但是,近年來(lái)有研究表明半導(dǎo)體阱中、互聯(lián)層以及半導(dǎo)體制造和刻蝕過(guò)程中引入的10B造成納米級(jí)電子系統(tǒng)SEE效應(yīng)有可能超過(guò)高能重離子[13,14].

當(dāng)前,納米級(jí)工藝MCU主要應(yīng)用于對(duì)可靠性要求較高的各類地面工況中(如醫(yī)療設(shè)備、工藝控制設(shè)備等),影響其可靠性的一個(gè)重要因素就是大氣中子.大氣中子能譜很寬,從meV到GeV,既包含熱中子亦包含高能中子,因此,其誘發(fā)SEE的測(cè)試和分析較為復(fù)雜[15].對(duì)于大氣環(huán)境下高能中子誘發(fā)的SEE,一種認(rèn)為是由10 MeV以上高能中子導(dǎo)致[16],另一種則認(rèn)為1—10 MeV中子貢獻(xiàn)不可忽略,特別是對(duì)于納米級(jí)電子系統(tǒng),更應(yīng)考慮1 MeV以上中子的貢獻(xiàn)[17].對(duì)于中子源,IEC62396-2規(guī)定可用于輻照試驗(yàn)的中子源有：散裂中子源、準(zhǔn)單能中子源、單能14 MeV D-T中子源[18].其中,散裂中子源因其中子能譜最接近大氣中子能譜,是研究大氣中子SEE的最佳選擇.中國(guó)散裂中子源(CSNS)的建成與運(yùn)行使得在我國(guó)利用散裂中子源開展大氣中子SEE研究成為現(xiàn)實(shí).

本文利用中國(guó)散裂中子源9號(hào)束線(CSNSBL09)對(duì)65 nm工藝商用MCU進(jìn)行了大氣中子SEE測(cè)試研究.與此同時(shí),比較并分析了不同能段中子導(dǎo)致的65 nm MCU單粒子效應(yīng)差異.

2 MCU輻照實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試硬件

測(cè)試對(duì)象為德州儀器公司(TI)的Tiva C系列微控制,型號(hào)為TM4 C1294 NCPDT,其具有以下特征[6]：

1) 65 nm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體制造工藝；

2)芯片內(nèi)集成ARM Cortex-M4內(nèi)核,1 MB閃存、6 kB電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器和256 kB片上靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)；

3)芯片外集成豐富的外設(shè)及網(wǎng)絡(luò)通訊接口.

本次測(cè)試的輻照區(qū)域?yàn)闇y(cè)試板主芯片部分(DUT),測(cè)試負(fù)載為256 kB片上SRAM中的64 kB.為了排除芯片封裝中元素對(duì)研究結(jié)果的影響,實(shí)驗(yàn)前對(duì)芯片進(jìn)行了開蓋處理.為了進(jìn)一步明確該MCU縱向結(jié)構(gòu)信息,實(shí)驗(yàn)前對(duì)同批次芯片進(jìn)行了聚焦離子束分析,結(jié)果表明該款65 nm MCU為5層銅質(zhì)結(jié)構(gòu),從鈍化層到硅襯底表面厚度約為7 μm.

2.2 輻照源

CSNS是利用加速器加速質(zhì)子轟擊鎢靶產(chǎn)生并利用中子的大科學(xué)裝置,其設(shè)計(jì)功率為100 kW,入射質(zhì)子最高能量為1.6 GeV[19-21].本次實(shí)驗(yàn)在9號(hào)束線(BL-09)上進(jìn)行,束流從質(zhì)子入射方向46°角處經(jīng)退耦合窄化液氫慢化器引出,可垂直作用于待測(cè)芯片,所引出中子近似均勻分布.圖2為兩組實(shí)驗(yàn)條件下的中子能譜,為蒙特卡羅粒子輸運(yùn)程序計(jì)算所得.其中未放置鎘吸收體(對(duì)照組)的中子能譜,采用中子飛行時(shí)間法測(cè)量了5 MeV以下能區(qū)中子能譜,理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致.

圖2 實(shí)驗(yàn)束線中子能譜Fig.2.Neutron spectrum of the experiments.

2.3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

通過(guò)位置調(diào)節(jié),使主芯片中心與孔中心處于同一水平,如圖3(a)所示.中子從距離慢化器表面8.95 m、孔徑為2 cm的孔洞中引出轟擊待測(cè)芯片.

大氣中子中熱中子部分易于屏蔽,通過(guò)設(shè)置2 mm厚鎘中子吸收體即可改變中子能譜,對(duì)比不同輻照條件下誘發(fā)的SEE差異即可分析熱中子對(duì)65 nm MCU SEE的影響.具體實(shí)施如下：

1)測(cè)試組,不包含熱中子,即在出射孔處設(shè)置2 mm厚鎘吸收體以吸收熱中子,其可有效阻擋0.5 eV以下中子；

2)對(duì)照組,包含熱中子,即引出中子直接轟擊DUT.

圖3(b)和圖3(c)分別為兩組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),其中圖3(b)中設(shè)置了鎘中子吸收體(藍(lán)色虛線區(qū)域),圖3(c)中未設(shè)置.測(cè)試采用動(dòng)態(tài)形式,即對(duì)64 kB的存儲(chǔ)單元連續(xù)地執(zhí)行寫、讀以及對(duì)比操作,寫入數(shù)據(jù)為0 xA5 A5 A5 A5[22].兩組實(shí)驗(yàn)針對(duì)同一個(gè)測(cè)試板,利用同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在室溫和正常供壓(5 V)下進(jìn)行,每組輻照時(shí)間約3 h,測(cè)試時(shí)間間隔為10 h.

3 結(jié)果與討論

兩組實(shí)驗(yàn)均只探測(cè)到了單位翻轉(zhuǎn)(SBU),未探測(cè)到其他效應(yīng).其中,測(cè)試組共探測(cè)到SBU 16次,對(duì)照組共探測(cè)到SBU 63次.根據(jù)圖2給出的測(cè)試組和對(duì)照組中子能譜,從譜型上看0.5 eV以上能區(qū),中子通量基本一致,0.5 eV以下能區(qū),通量相差至少一個(gè)量級(jí),表明2 mm厚鎘中子吸收體可有效吸收中子.后續(xù)討論中,將0.5 eV以下能區(qū)中子視為熱中子,0.5 eV以上中子稱為鎘上中子.

圖3 65 nm MCU散裂中子輻照測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖 (a) DUT與出射孔相對(duì)位置圖；(b)含2 mm厚鎘屏蔽體測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖；(c)無(wú)鎘屏蔽測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3.65 nm MCU neutron test site：(a) The device under test and the 2 cm ejection hole；(b) with 2 mm cadmium shielding；(c) without cadmium shielding.

3.1 測(cè)試結(jié)果

表1給出了兩組實(shí)驗(yàn)條件下中子單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)及中子注量數(shù)據(jù),其中中子單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)為實(shí)驗(yàn)值,中子注量數(shù)據(jù)則是歸一到單個(gè)入射質(zhì)子的蒙特卡羅計(jì)算值與總質(zhì)子數(shù)的乘積,總質(zhì)子數(shù)是CSNS運(yùn)行時(shí),相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的打靶質(zhì)子數(shù).為對(duì)比方便,對(duì)照組中引入了一組質(zhì)子數(shù)歸一值,該值為總質(zhì)子數(shù)從7.21×1017降至5.33×1017時(shí)所得.

由表1可得,同一總質(zhì)子束流條件下,測(cè)試組發(fā)生了16次SBU,對(duì)照組為46次.兩組實(shí)驗(yàn)中,鎘上中子能譜完全一致.表1中歸一化處理后,測(cè)試組與對(duì)照組推導(dǎo)值中鎘上中子注量相差僅為2.73%,因此同一器件同等中子注量條件下測(cè)試組與對(duì)照組中鎘上中子引起的SBU次數(shù)相等,即對(duì)照組推導(dǎo)值中46次SBU,最多有16次是鎘上中子引起,至少有30次是由熱中子引起.由此可知,對(duì)于此款65 nm MCU,熱中子導(dǎo)致的單粒子翻轉(zhuǎn)占比達(dá)65%,高能中子與大量元素的反應(yīng)產(chǎn)物引起的單粒子效應(yīng)占35%.如只考慮鎘上中子的貢獻(xiàn),其SEU敏感性至少被低估了約65%.

文獻(xiàn)[23]指出中,半導(dǎo)體阱中,互聯(lián)層中以及半導(dǎo)體刻蝕過(guò)程中引入的10B能夠顯著影響納米級(jí)電子系統(tǒng)可靠性.文獻(xiàn)[24]通過(guò)對(duì)納米級(jí)半導(dǎo)體進(jìn)行二次離子質(zhì)譜分析指出,相對(duì)于半導(dǎo)體中的Cu,O,N等核素,10B正好處于納米級(jí)工藝半導(dǎo)體晶體管正上方,其與晶體管敏感區(qū)域的緊密性是熱中子影響較大的一個(gè)關(guān)鍵因素.

表1 兩組輻照下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1.The experiment data in two irradiations.

3.2 結(jié)果分析

中子能否誘發(fā)納米級(jí)電子系統(tǒng)SEE主要取決于所產(chǎn)生的次級(jí)粒子,而中子能量決定了次級(jí)粒子種類和能量.從表1兩組結(jié)果可得差異主要來(lái)自熱中子.

熱中子(nth)與10B主要發(fā)生如(1),(2)式所述的反應(yīng),其中前者發(fā)生概率為6.3%,后者發(fā)生概率為93.7%[25].隨著電子系統(tǒng)工藝尺寸的減小,臨界電荷的降低,上述反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子如果在敏感體積中沉積少許能量,就有可能導(dǎo)致65 nm MCU發(fā)生SBU.

由(1)和(2)式可知,熱中子與10B反應(yīng)的次級(jí)粒子主要是7Li和4He.圖4所示為不同能量7Li和α粒子的線性能量轉(zhuǎn)移(LET)值和硅中射程[26].由圖4可知0.84 MeV的7Li硅中射程約為2.5 μm,1.47 MeV的α粒子硅中射程約為5 μm.因?yàn)閷?duì)于該MCU,從鈍化層到硅襯底表面厚度約為7 μm,由此可知這兩種次級(jí)粒子的硅中射程小于芯片厚度,從而驗(yàn)證與熱中子發(fā)生反應(yīng)的10B的確并非來(lái)自于封裝結(jié)構(gòu),而是來(lái)自于半導(dǎo)體內(nèi)部阱摻雜或者互聯(lián)層等.

圖4 熱中子與10B反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)粒子在不同能量下的LET與硅中射程Fig.4.The LET values and ranges of secondary particles from thermal neutrons interacting with 10B.

當(dāng)7Li和α粒子產(chǎn)生于芯片內(nèi)部時(shí),其完全有可能穿過(guò)敏感體積(SV),通過(guò)直接電離沉積能量并導(dǎo)致SBU.圖5所示,為65 nm MCU內(nèi)部熱中子與鎢互聯(lián)層中10B發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)粒子沉積能量示意圖.圖中,綠色與紫色橢圓區(qū)域?yàn)閮煞N次級(jí)粒子可能沉積能量的區(qū)域示意圖,如果敏感體積位于這一區(qū)域內(nèi),就有可能導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU).

圖5 65 nm MCU內(nèi)部熱中子與10B反應(yīng)次級(jí)粒子沉積能量示意圖Fig.5.The sketch of thermal neutron interacting with 10B in 65 nm MCU.

文獻(xiàn)[27]通過(guò)模擬給出了同類工藝下65 nm SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)截面與LET的威布爾擬合結(jié)果,該擬合中對(duì)應(yīng)LET閾值(LETth)約為1.15 MeV·cm2·mg—1,飽和截面(σ∞)約為4.70×10—9cm2·bit—1.熱中子與10B反應(yīng)生成的0.84 MeV7Li,其LET為2.10 MeV·cm2·mg—1大于閾值1.15 MeV·cm2·mg—1,且其在硅中射程為2.46 μm,在末端布拉格峰附近,沉積能量可以達(dá)到最大,易導(dǎo)致SEU.而1.47 MeV α粒子,其LET為1.15 MeV·cm2·mg—1,接近65 nm SRAM 單粒子效應(yīng)截面LETth.由于閾值附近相比于較高LET處誘發(fā)SEU的概率低,因此推斷熱中子與10B反應(yīng)生成的0.84 MeV7Li可能是導(dǎo)致65 nm MCU發(fā)生SEE的主要原因.

由于大氣中子能譜從meV到GeV,在利用散裂中子源BL09束線評(píng)估65 nm MCU大氣中子環(huán)境下的SEE敏感性時(shí),采用不設(shè)置鎘吸收體的輻照更合理.同時(shí),對(duì)于大氣環(huán)境下可靠性要求較高的65 nm MCU應(yīng)用環(huán)境,如設(shè)計(jì)2 mm厚鎘屏蔽層,可將器件可靠性提高.對(duì)于更小工藝電子系統(tǒng)大氣中子SEE,在研究其大氣中單粒子效應(yīng)時(shí),熱中子影響應(yīng)引起重視.

4 結(jié) 論

針對(duì)65 nm MCU中的片上存儲(chǔ)器,利用中國(guó)散裂中子源9號(hào)束線進(jìn)行了大氣中子單粒子效應(yīng)敏感性初步測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)于65 nm MCU的大氣中子單粒子效應(yīng),第一：測(cè)試束線應(yīng)含熱中子,否則其單粒子效應(yīng)敏感性可能被低估約65%.第二：熱中子與10B反應(yīng)生成的0.84 MeV7Li可能是熱中子誘發(fā)65 nm MCU單粒子效應(yīng)的主要原因.