空間混合輻射環(huán)境器件單粒子在軌錯(cuò)誤率預(yù)估及不確定度分析方法

張付強(qiáng),張 崢,肖舒顏,龔毅豪,韓金華,陳啟明,曾傳濱,郭 剛

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413;2.中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所,北京 100029)

航天器運(yùn)行于空間環(huán)境中將會(huì)面臨嚴(yán)苛的宇宙輻射環(huán)境,宇宙輻射環(huán)境中的重離子、質(zhì)子、電子、光子等將會(huì)穿過(guò)航天器的艙壁入射到微電子器件中產(chǎn)生各類(lèi)空間輻射效應(yīng)[1]。空間輻射效應(yīng)主要包含單粒子效應(yīng)(single event effect, SEE)、總劑量效應(yīng)(total ionizing dose, TID)和位移損傷效應(yīng)(displacement damage, DD)。其中,單粒子效應(yīng)主要是指粒子入射到器件靈敏區(qū)中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)被收集導(dǎo)致出現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生變化甚至是損毀的現(xiàn)象,總劑量效應(yīng)主要是指粒子入射到器件SiO2層中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)被收集導(dǎo)致出現(xiàn)工作性能退化的現(xiàn)象,位移損傷效應(yīng)主要發(fā)生在成像器件中,主要是指粒子入射導(dǎo)致半導(dǎo)體材料晶格損傷使得成像質(zhì)量下降的現(xiàn)象[2-4]。針對(duì)這些輻射效應(yīng),目前,國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了諸多研究,覆蓋了模擬試驗(yàn)、機(jī)理分析、性能評(píng)估等關(guān)鍵環(huán)節(jié)并有效指導(dǎo)了器件抗輻射加固及工程化應(yīng)用[5-7]。然而,目前的研究主要針對(duì)這3類(lèi)效應(yīng)開(kāi)展獨(dú)立研究,真實(shí)的宇宙空間各種粒子入射到器件中通過(guò)共同作用,相互影響產(chǎn)生協(xié)合效應(yīng)[8]。值得注意的是,針對(duì)協(xié)合效應(yīng)的研究起步較晚且報(bào)道較少,目前主要集中在γ總劑量效應(yīng)與重離子/質(zhì)子單粒子效應(yīng)之間暨人工輻射場(chǎng)與天然輻射場(chǎng)之間的協(xié)合效應(yīng)研究[9-10]。其主要原因在于,關(guān)于協(xié)合效應(yīng)的研究與空間核動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)是一致的,前蘇聯(lián)解體后,國(guó)際上關(guān)于空間核動(dòng)力相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)入了較長(zhǎng)時(shí)間的沉寂期。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái),深空探索、外星移民任務(wù)的出現(xiàn)以及航天器對(duì)高功率電源的需求使得空間核動(dòng)力重新進(jìn)入快速發(fā)展階段,針對(duì)協(xié)合效應(yīng)的研究日趨重要[11]。空間核動(dòng)力通過(guò)將反應(yīng)堆搭載于航天器中提供動(dòng)力,相比于傳統(tǒng)化學(xué)能、太陽(yáng)能航天器,其具有比功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、不依賴(lài)太陽(yáng)全天候工作特點(diǎn),是未來(lái)開(kāi)展深空探測(cè)、外星球探測(cè)最有潛力的能源動(dòng)力之一,是航天技術(shù)發(fā)展的必然選擇[12-13]。空間堆會(huì)產(chǎn)生中子和γ輻射,其中中子由裂變反應(yīng)產(chǎn)生,γ射線是由裂變反應(yīng)和同位素衰變產(chǎn)生。為減輕空間核動(dòng)力的總體質(zhì)量和降低建造成本,空間堆不可能像地面的反應(yīng)堆那樣構(gòu)筑全方位的輻射屏蔽,而只能構(gòu)造影子屏蔽,用于保護(hù)反應(yīng)堆陰影區(qū)內(nèi)的有效載荷或宇航員。空間堆產(chǎn)生的中子和γ為中性粒子,穿透能力很強(qiáng),影子屏蔽并不能將輻射完全屏蔽,仍然會(huì)有一部分中子和γ最終會(huì)到達(dá)航天器載荷平面的設(shè)備艙中,與此同時(shí),宇宙空間中的各類(lèi)天然粒子也會(huì)入射到設(shè)備艙中,共同作用到電子器件及系統(tǒng)上產(chǎn)生協(xié)合效應(yīng),嚴(yán)重干擾電子設(shè)備性能評(píng)估、選用和任務(wù)執(zhí)行。

因此,本研究基于中國(guó)原子能科學(xué)研究院同時(shí)擁有HI-13重離子串列加速器和60Co總劑量輻照試驗(yàn)裝置的優(yōu)勢(shì)條件,利用典型器件開(kāi)展總劑量效應(yīng)與單粒子效應(yīng)之間暨人工輻射場(chǎng)與天然輻射場(chǎng)之間的協(xié)合效應(yīng)相關(guān)研究,以進(jìn)一步揭示協(xié)合效應(yīng)的規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 測(cè)試器件與測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試器件為SOI SRAM存儲(chǔ)器,特征尺寸130 nm,存儲(chǔ)容量為64 kbit。為方便開(kāi)展重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn),對(duì)器件進(jìn)行開(kāi)帽。測(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)試版、測(cè)試軟硬件、上位機(jī)和供電電源組成(圖1)。試驗(yàn)時(shí)器件安裝在測(cè)試子板上并與測(cè)試母版相連。測(cè)試母板通過(guò)2路48P排線與單粒子測(cè)試系統(tǒng)連接,測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與上位機(jī)連接。該款SOI SRAM器件采用雙電源供電,單粒子效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)工作電壓5.0 V,器件存儲(chǔ)核心單元工作電壓1.5 V。

圖1 單粒子效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)布局圖

1.2 測(cè)試裝置與測(cè)試方法

總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)基于中國(guó)原子能科學(xué)研究院60Co輻照試驗(yàn)裝置開(kāi)展。該裝置器件輻照實(shí)驗(yàn)區(qū)域分為兩部分,一部分是以放射源為中心的輻照室內(nèi)部及內(nèi)通道口區(qū)域,γ射線直接輻照構(gòu)成高劑量率區(qū)域,一部分是迷道及外通道口構(gòu)成的區(qū)域,γ射線通過(guò)散射構(gòu)成低劑量率區(qū)域。本試驗(yàn)將器件置于高劑量率區(qū)域進(jìn)行輻照,如圖2a所示。為保證輻照劑量率測(cè)量的準(zhǔn)確性,采用化學(xué)劑量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)電離室搭配的測(cè)量方式進(jìn)行離線和在線測(cè)量。

圖2 總劑量效應(yīng)輻照試驗(yàn)(a)和單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)(b)布局

單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)基于中國(guó)原子能科學(xué)研究院HI-13重離子串列加速器單粒子輻照試驗(yàn)裝置開(kāi)展。為保證粒子輻照注量率測(cè)量的準(zhǔn)確性,真空輻照靶室束流入口處安裝有金硅面壘探測(cè)器,作為監(jiān)督器監(jiān)督束流注量率,真空輻照靶室后端器件安裝樣品架上安裝有塑料閃爍體探測(cè)器對(duì)束流注量率進(jìn)行測(cè)量。器件輻照前,監(jiān)督器和閃爍體探測(cè)器的注量率比值記為K。器件輻照過(guò)程中通過(guò)監(jiān)督器和K反推得到器件實(shí)際輻照注量率,如圖2b所示。

器件總劑量輻照和單粒子輻照過(guò)程中保持SRAM存儲(chǔ)單元處于正常偏置條件,工作電壓1.5 V,總劑量輻照前未寫(xiě)入數(shù)據(jù)。器件協(xié)合效應(yīng)實(shí)驗(yàn)主要分兩步進(jìn)行:首先開(kāi)展器件總劑量輻照實(shí)驗(yàn),輻照劑量率90 krad(Si)/h,輻照總劑量分別選取為300、500、750 krad(Si)。達(dá)到輻照劑量點(diǎn)后將器件取出,置于干冰桶中保存,防止退火效應(yīng)出現(xiàn)。完成全部器件總劑量輻照后,迅速將器件安裝于重離子串列加速器單粒子輻照試驗(yàn)裝置上,進(jìn)行單粒子效應(yīng)輻照實(shí)驗(yàn),這也是國(guó)際上通用的協(xié)合效應(yīng)測(cè)試方法。單粒子實(shí)驗(yàn)前通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件寫(xiě)入數(shù)據(jù),單輪輻照結(jié)束后讀取器件數(shù)據(jù)與寫(xiě)入前進(jìn)行對(duì)比,得到器件單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)。同時(shí)測(cè)量沒(méi)有總劑量輻照的器件重離子單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)作為對(duì)比。單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中依次改變重離子束流能量及種類(lèi),最后得到4個(gè)不同能量下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 總劑量輻照實(shí)驗(yàn)

器件總劑量輻照過(guò)程中的不確定度主要來(lái)源于劑量測(cè)量的不確定度。在總劑量輻照過(guò)程中,采用PTW公司標(biāo)準(zhǔn)電離室和劑量計(jì)對(duì)輻照劑量進(jìn)行測(cè)量,多次劑量測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值為:

(1)

劑量測(cè)量A類(lèi)不確定度[14]為:

(2)

劑量測(cè)量B類(lèi)不確定度從儀器的鑒定證書(shū)中獲得,其中電離室的不確定度為1.1%,計(jì)量計(jì)的不確定度≤0.2%。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[14]為:

(3)

劑量多次測(cè)量結(jié)果列于表1。

表1 總劑量輻照實(shí)驗(yàn)中的A類(lèi)不確定度

根據(jù)式(3)可知總劑量實(shí)驗(yàn)劑量測(cè)量合成不確定度為1.12%。

2.2 單粒子輻照實(shí)驗(yàn)

器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨輻照總劑量、重離子能量的變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖3可看出,未受到總劑量輻照的器件呈隨粒子能量增加而單粒子翻轉(zhuǎn)截面逐漸增加最后飽和的趨勢(shì)。而當(dāng)器件受總劑量輻照后,單粒子翻轉(zhuǎn)截面相比于未輻照前均出現(xiàn)了下降,且未出現(xiàn)飽和的趨勢(shì)。此時(shí),器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面雖呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì),但會(huì)在低LET入射粒子下出現(xiàn)先下降后上升的波動(dòng)。分析認(rèn)為,受到總劑量輻照后,器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線相比于未輻照前出現(xiàn)了向右下移動(dòng)的趨勢(shì),導(dǎo)致器件的單粒子翻轉(zhuǎn)截面下降和飽和截面位置后移。其中器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面根據(jù)式(4)進(jìn)行計(jì)算得到:

圖3 器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面與重離子能量和輻照總劑量之間的關(guān)系

σ=N/ΦH

(4)

式中:σ為器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面,cm2/bit;N為器件單粒子翻轉(zhuǎn)的數(shù)量;Φ為器件受輻照的總注量, cm-2;H為器件存儲(chǔ)容量,bit。

從式(4)可知,器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面測(cè)量中的不確定度主要來(lái)源單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)量測(cè)量不確定度和器件輻照總注量測(cè)量不確定度兩個(gè)方面。

以一次典型單粒子翻轉(zhuǎn)截面測(cè)量為例,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算可知單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)量A類(lèi)不確定度:

(5)

式中,n為單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)量。輻照結(jié)束時(shí),有時(shí)會(huì)出現(xiàn)最后1個(gè)粒子造成單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)加1或再有1個(gè)粒子輻照導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)數(shù)加1的情況,這些情況屬于未定系統(tǒng)誤差,服從均勻分布,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式可知B類(lèi)不確定度[14]為:

(6)

因此單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)造成的合成不確定度為:

(7)

器件輻照總注量的測(cè)量不確定度主要來(lái)源于探測(cè)器前準(zhǔn)直孔面積不確定度和束流監(jiān)督比例系數(shù)測(cè)量不確定度。探測(cè)器前準(zhǔn)直孔直徑通常使用游標(biāo)卡尺測(cè)量(精度Δ=0.02 mm),測(cè)量10次可獲得準(zhǔn)直孔直徑平均為:

(8)

根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算,準(zhǔn)直孔直徑測(cè)量A類(lèi)不確定度為:

(9)

準(zhǔn)直孔直徑B類(lèi)不確定度為:

uB(d)=uB(n)Δ=0.001 2 cm

(10)

準(zhǔn)直孔直徑合成不確定度為:

(11)

因此準(zhǔn)直孔面積合成不確定度為:

(12)

實(shí)驗(yàn)中,兩次的閃爍體探測(cè)器計(jì)數(shù)Ns分別為9 249、9 633,監(jiān)督器計(jì)數(shù)Nm分別為16 343、16 662。

K根據(jù)式(13)計(jì)算,其中S為準(zhǔn)直孔的面積,有:

(13)

K平均值為:

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

器件輻照總注量的測(cè)量不確定度為:

u(K1)=

0.028 cm-2

(19)

u(K2)=

0.027 cm-2

(20)

合成不確定度為:

(21)

最終器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面相對(duì)不確定度為:

(22)

2.3 混合輻射環(huán)境錯(cuò)誤率預(yù)估及不確定度

計(jì)算得到器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面測(cè)量中的相對(duì)不確定度后,將器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面進(jìn)行歸一化可以得到表2數(shù)據(jù)。其中,將未經(jīng)過(guò)總劑量輻照的器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面定為系數(shù)1,其他器件截面按比例進(jìn)行表示。

表2 歸一化后的單粒子翻轉(zhuǎn)截面隨總劑量和重離子能量變化關(guān)系

調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,國(guó)外典型空間堆型號(hào)在其設(shè)計(jì)壽命內(nèi)載荷平面的中子通量為1012～1013cm-2,γ劑量0.1～1 Mrad(Si),本文選取空間堆設(shè)計(jì)壽命3 a,γ總劑量1 Mrad(Si)作為典型指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。將表2所得的器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面進(jìn)行外推,得到上述典型空間堆總劑量輻照條件下的器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面在LET=5.0、13.9、21.9、37.4 MeV·cm2/mg下分別為3.70×10-11、2.62×10-11、5.92×10-11、1.11×10-10cm2/bit。

采用Weibull擬合對(duì)上述單粒子翻轉(zhuǎn)截面進(jìn)行擬合,得到的單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線如圖4所示,其中給出了誤差棒,擬合公式如下:

圖4 設(shè)計(jì)壽命3 a空間堆典型器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線

y=A(1-exp(-(x-xc)/W)d))

(23)

式中:A為擬合得到的飽和翻轉(zhuǎn)截面;xc為翻轉(zhuǎn)截面曲線的閾值;W為寬度參數(shù);d為無(wú)量綱的指數(shù)。通常器件的在軌錯(cuò)誤率與A即器件單粒子翻轉(zhuǎn)飽和截面呈強(qiáng)相互關(guān)系,因此在進(jìn)行Weibull擬合過(guò)程中將A設(shè)定為變量進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果顯示A=(1.690±0.123)×10-10cm2/bit,xc=1 MeV·cm2/mg,d=0.913,W=52.63 MeV·cm2/mg。圖4中數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差棒主要來(lái)源于將表2單粒子翻轉(zhuǎn)截面與總劑量關(guān)系從0～750 krad(Si)擬合外推得到1 Mrad(Si)總劑量影響下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面所產(chǎn)生的誤差。

器件在軌錯(cuò)誤率計(jì)算將基于上述擬合得到的器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行。Space Radiation 軟件是由美國(guó)Space Radiation Associates開(kāi)發(fā)的空間輻射效應(yīng)計(jì)算軟件,得到了美國(guó)眾多航天研究機(jī)構(gòu)的認(rèn)可和使用,并已成功為國(guó)外多種型號(hào)的航天器在軌運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)保障,本研究也選取該軟件開(kāi)展相關(guān)研究。器件在軌錯(cuò)誤率計(jì)算的通常步驟為:1) 選定航天器的軌道參數(shù)及任務(wù)周期等;2) 選定地磁及航天器屏蔽條件;3) 選定航天環(huán)境模型;4) 輸入器件Weibull擬合后的關(guān)鍵參數(shù);5) 得到在軌錯(cuò)誤率。

本研究進(jìn)行在軌錯(cuò)誤率計(jì)算時(shí),選取空間堆為近地圓軌道,軌道高度500 km,軌道傾角52°。宇宙空間重離子輻射環(huán)境使用SPACERAD模型且銀河宇宙射線處于90%最劣條件(M=3),航天器在軌運(yùn)行時(shí)間3 a,航天器艙殼選取3 mm鋁屏蔽。得到器件單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤率為1.58×10-9upsets/bit/day。將Weibull擬合帶來(lái)的飽和翻轉(zhuǎn)截面A的誤差代入該軟件計(jì)算,得到器件單粒子翻轉(zhuǎn)在軌錯(cuò)誤率的不確定度為5.70%。

考慮到單粒子效應(yīng)截面測(cè)量不確定度為7.90%,總劑量測(cè)量不確定度為1.12%,因此最終綜合輻射環(huán)境下的單粒子錯(cuò)誤率預(yù)估不確定度為:

u=

(24)

混合輻射環(huán)境器件在軌錯(cuò)誤率預(yù)估方法可歸納為:1) 針對(duì)器件特點(diǎn)開(kāi)展不同總劑量下的總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn);2) 迅速開(kāi)展輻照后器件的單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn),獲得器件不同總劑量下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線;3) 對(duì)器件在不同總劑量下的翻轉(zhuǎn)截面進(jìn)行擬合,得到總劑量與翻轉(zhuǎn)截面之間的變化曲線;4) 根據(jù)空間混合輻射環(huán)境的特點(diǎn)明確任務(wù)周期及器件受到的輻射累積劑量,得到該條件下的器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面;5) 根據(jù)計(jì)算軟件或積分得到器件應(yīng)用于混合輻射環(huán)境下的錯(cuò)誤率。器件綜合輻射環(huán)境下的在軌錯(cuò)誤率不確定度主要來(lái)源于總劑量效應(yīng)中的不確定度、單粒子效應(yīng)中的不確定度以及總劑量/單粒子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合外推的不確定度。

3 小結(jié)

核工業(yè)以及宇航事業(yè)的快速發(fā)展使得混合輻射環(huán)境下的器件輻射效應(yīng)成為熱門(mén)研究領(lǐng)域,不同于傳統(tǒng)的總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng),混合輻射環(huán)境下的器件協(xié)合效應(yīng)研究對(duì)實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理方式提出了新的要求。本研究基于典型器件應(yīng)用于空間核動(dòng)力這一代表性環(huán)境,開(kāi)展了協(xié)合效應(yīng)實(shí)驗(yàn),提出了一種空間混合輻射環(huán)境器件在軌錯(cuò)誤率預(yù)估的方法并詳細(xì)分析了不確定度來(lái)源。相關(guān)計(jì)算和分析方法將為研究人員提供參考。