空間混合輻射環境器件單粒子在軌錯誤率預估及不確定度分析方法

張付強,張 崢,肖舒顏,龔毅豪,韓金華,陳啟明,曾傳濱,郭 剛

(1.中國原子能科學研究院,北京 102413;2.中國科學院 微電子研究所,北京 100029)

航天器運行于空間環境中將會面臨嚴苛的宇宙輻射環境,宇宙輻射環境中的重離子、質子、電子、光子等將會穿過航天器的艙壁入射到微電子器件中產生各類空間輻射效應[1]。空間輻射效應主要包含單粒子效應(single event effect, SEE)、總劑量效應(total ionizing dose, TID)和位移損傷效應(displacement damage, DD)。其中,單粒子效應主要是指粒子入射到器件靈敏區中產生電子-空穴對被收集導致出現存儲數據發生變化甚至是損毀的現象,總劑量效應主要是指粒子入射到器件SiO2層中產生電子-空穴對被收集導致出現工作性能退化的現象,位移損傷效應主要發生在成像器件中,主要是指粒子入射導致半導體材料晶格損傷使得成像質量下降的現象[2-4]。針對這些輻射效應,目前,國內外已開展了諸多研究,覆蓋了模擬試驗、機理分析、性能評估等關鍵環節并有效指導了器件抗輻射加固及工程化應用[5-7]。然而,目前的研究主要針對這3類效應開展獨立研究,真實的宇宙空間各種粒子入射到器件中通過共同作用,相互影響產生協合效應[8]。值得注意的是,針對協合效應的研究起步較晚且報道較少,目前主要集中在γ總劑量效應與重離子/質子單粒子效應之間暨人工輻射場與天然輻射場之間的協合效應研究[9-10]。其主要原因在于,關于協合效應的研究與空間核動力的發展趨勢是一致的,前蘇聯解體后,國際上關于空間核動力相關技術的研究進入了較長時間的沉寂期。

進入新世紀以來,深空探索、外星移民任務的出現以及航天器對高功率電源的需求使得空間核動力重新進入快速發展階段,針對協合效應的研究日趨重要[11]。空間核動力通過將反應堆搭載于航天器中提供動力,相比于傳統化學能、太陽能航天器,其具有比功率高、結構緊湊、不依賴太陽全天候工作特點,是未來開展深空探測、外星球探測最有潛力的能源動力之一,是航天技術發展的必然選擇[12-13]。空間堆會產生中子和γ輻射,其中中子由裂變反應產生,γ射線是由裂變反應和同位素衰變產生。為減輕空間核動力的總體質量和降低建造成本,空間堆不可能像地面的反應堆那樣構筑全方位的輻射屏蔽,而只能構造影子屏蔽,用于保護反應堆陰影區內的有效載荷或宇航員。空間堆產生的中子和γ為中性粒子,穿透能力很強,影子屏蔽并不能將輻射完全屏蔽,仍然會有一部分中子和γ最終會到達航天器載荷平面的設備艙中,與此同時,宇宙空間中的各類天然粒子也會入射到設備艙中,共同作用到電子器件及系統上產生協合效應,嚴重干擾電子設備性能評估、選用和任務執行。

因此,本研究基于中國原子能科學研究院同時擁有HI-13重離子串列加速器和60Co總劑量輻照試驗裝置的優勢條件,利用典型器件開展總劑量效應與單粒子效應之間暨人工輻射場與天然輻射場之間的協合效應相關研究,以進一步揭示協合效應的規律。

1 實驗

1.1 測試器件與測試系統

測試器件為SOI SRAM存儲器,特征尺寸130 nm,存儲容量為64 kbit。為方便開展重離子單粒子效應試驗,對器件進行開帽。測試系統主要由測試版、測試軟硬件、上位機和供電電源組成(圖1)。試驗時器件安裝在測試子板上并與測試母版相連。測試母板通過2路48P排線與單粒子測試系統連接,測試系統通過USB數據線與上位機連接。該款SOI SRAM器件采用雙電源供電,單粒子效應測試系統工作電壓5.0 V,器件存儲核心單元工作電壓1.5 V。

圖1 單粒子效應測試系統布局圖

1.2 測試裝置與測試方法

總劑量效應實驗基于中國原子能科學研究院60Co輻照試驗裝置開展。該裝置器件輻照實驗區域分為兩部分,一部分是以放射源為中心的輻照室內部及內通道口區域,γ射線直接輻照構成高劑量率區域,一部分是迷道及外通道口構成的區域,γ射線通過散射構成低劑量率區域。本試驗將器件置于高劑量率區域進行輻照,如圖2a所示。為保證輻照劑量率測量的準確性,采用化學劑量計和標準電離室搭配的測量方式進行離線和在線測量。

圖2 總劑量效應輻照試驗(a)和單粒子效應輻照試驗(b)布局

單粒子效應實驗基于中國原子能科學研究院HI-13重離子串列加速器單粒子輻照試驗裝置開展。為保證粒子輻照注量率測量的準確性,真空輻照靶室束流入口處安裝有金硅面壘探測器,作為監督器監督束流注量率,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器對束流注量率進行測量。器件輻照前,監督器和閃爍體探測器的注量率比值記為K。器件輻照過程中通過監督器和K反推得到器件實際輻照注量率,如圖2b所示。

器件總劑量輻照和單粒子輻照過程中保持SRAM存儲單元處于正常偏置條件,工作電壓1.5 V,總劑量輻照前未寫入數據。器件協合效應實驗主要分兩步進行:首先開展器件總劑量輻照實驗,輻照劑量率90 krad(Si)/h,輻照總劑量分別選取為300、500、750 krad(Si)。達到輻照劑量點后將器件取出,置于干冰桶中保存,防止退火效應出現。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裝置上,進行單粒子效應輻照實驗,這也是國際上通用的協合效應測試方法。單粒子實驗前通過測試系統對器件寫入數據,單輪輻照結束后讀取器件數據與寫入前進行對比,得到器件單粒子翻轉數。同時測量沒有總劑量輻照的器件重離子單粒子翻轉數作為對比。單粒子效應實驗過程中依次改變重離子束流能量及種類,最后得到4個不同能量下的單粒子翻轉截面。

2 實驗結果及分析

2.1 總劑量輻照實驗

器件總劑量輻照過程中的不確定度主要來源于劑量測量的不確定度。在總劑量輻照過程中,采用PTW公司標準電離室和劑量計對輻照劑量進行測量,多次劑量測量結果的算術平均值為:

(1)

劑量測量A類不確定度[14]為:

(2)

劑量測量B類不確定度從儀器的鑒定證書中獲得,其中電離室的不確定度為1.1%,計量計的不確定度≤0.2%。

合成標準不確定度[14]為:

(3)

劑量多次測量結果列于表1。

表1 總劑量輻照實驗中的A類不確定度

根據式(3)可知總劑量實驗劑量測量合成不確定度為1.12%。

2.2 單粒子輻照實驗

器件單粒子翻轉截面隨輻照總劑量、重離子能量的變化趨勢如圖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截面逐漸增加最后飽和的趨勢。而當器件受總劑量輻照后,單粒子翻轉截面相比于未輻照前均出現了下降,且未出現飽和的趨勢。此時,器件的單粒子翻轉截面雖呈現整體上升的趨勢,但會在低LET入射粒子下出現先下降后上升的波動。分析認為,受到總劑量輻照后,器件的單粒子翻轉截面曲線相比于未輻照前出現了向右下移動的趨勢,導致器件的單粒子翻轉截面下降和飽和截面位置后移。其中器件單粒子翻轉截面根據式(4)進行計算得到:

圖3 器件單粒子翻轉截面與重離子能量和輻照總劑量之間的關系

σ=N/ΦH

(4)

式中:σ為器件單粒子翻轉截面,cm2/bit;N為器件單粒子翻轉的數量;Φ為器件受輻照的總注量, cm-2;H為器件存儲容量,bit。

從式(4)可知,器件單粒子翻轉截面測量中的不確定度主要來源單粒子翻轉數量測量不確定度和器件輻照總注量測量不確定度兩個方面。

以一次典型單粒子翻轉截面測量為例,根據標準公式計算可知單粒子翻轉數量A類不確定度:

(5)

式中,n為單粒子翻轉數量。輻照結束時,有時會出現最后1個粒子造成單粒子翻轉數加1或再有1個粒子輻照導致翻轉數加1的情況,這些情況屬于未定系統誤差,服從均勻分布,根據標準公式可知B類不確定度[14]為:

(6)

因此單粒子翻轉數造成的合成不確定度為:

(7)

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

(8)

根據貝塞爾公式計算,準直孔直徑測量A類不確定度為:

(9)

準直孔直徑B類不確定度為:

uB(d)=uB(n)Δ=0.001 2 cm

(10)

準直孔直徑合成不確定度為:

(11)

因此準直孔面積合成不確定度為:

(12)

實驗中,兩次的閃爍體探測器計數Ns分別為9 249、9 633,監督器計數Nm分別為16 343、16 662。

K根據式(13)計算,其中S為準直孔的面積,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截面相對不確定度為:

(22)

2.3 混合輻射環境錯誤率預估及不確定度

計算得到器件單粒子翻轉截面測量中的相對不確定度后,將器件單粒子翻轉截面進行歸一化可以得到表2數據。其中,將未經過總劑量輻照的器件單粒子翻轉截面定為系數1,其他器件截面按比例進行表示。

表2 歸一化后的單粒子翻轉截面隨總劑量和重離子能量變化關系

調研數據顯示,國外典型空間堆型號在其設計壽命內載荷平面的中子通量為1012～1013cm-2,γ劑量0.1～1 Mrad(Si),本文選取空間堆設計壽命3 a,γ總劑量1 Mrad(Si)作為典型指標進行計算。將表2所得的器件單粒子翻轉截面進行外推,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擬合對上述單粒子翻轉截面進行擬合,得到的單粒子翻轉截面曲線如圖4所示,其中給出了誤差棒,擬合公式如下:

圖4 設計壽命3 a空間堆典型器件單粒子翻轉截面曲線

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

(23)

式中:A為擬合得到的飽和翻轉截面;xc為翻轉截面曲線的閾值;W為寬度參數;d為無量綱的指數。通常器件的在軌錯誤率與A即器件單粒子翻轉飽和截面呈強相互關系,因此在進行Weibull擬合過程中將A設定為變量進行擬合。擬合結果顯示A=(1.690±0.123)×10-10cm2/bit,xc=1 MeV·cm2/mg,d=0.913,W=52.63 MeV·cm2/mg。圖4中數據點的誤差棒主要來源于將表2單粒子翻轉截面與總劑量關系從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截面所產生的誤差。

器件在軌錯誤率計算將基于上述擬合得到的器件單粒子翻轉截面相關數據進行。Space Radiation 軟件是由美國Space Radiation Associates開發的空間輻射效應計算軟件,得到了美國眾多航天研究機構的認可和使用,并已成功為國外多種型號的航天器在軌運行提供了數據保障,本研究也選取該軟件開展相關研究。器件在軌錯誤率計算的通常步驟為:1) 選定航天器的軌道參數及任務周期等;2) 選定地磁及航天器屏蔽條件;3) 選定航天環境模型;4) 輸入器件Weibull擬合后的關鍵參數;5) 得到在軌錯誤率。

本研究進行在軌錯誤率計算時,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),航天器在軌運行時間3 a,航天器艙殼選取3 mm鋁屏蔽。得到器件單粒子翻轉錯誤率為1.58×10-9upsets/bit/day。將Weibull擬合帶來的飽和翻轉截面A的誤差代入該軟件計算,得到器件單粒子翻轉在軌錯誤率的不確定度為5.70%。

考慮到單粒子效應截面測量不確定度為7.90%,總劑量測量不確定度為1.12%,因此最終綜合輻射環境下的單粒子錯誤率預估不確定度為:

u=

(24)

混合輻射環境器件在軌錯誤率預估方法可歸納為:1) 針對器件特點開展不同總劑量下的總劑量效應實驗;2) 迅速開展輻照后器件的單粒子效應實驗,獲得器件不同總劑量下的單粒子翻轉截面曲線;3) 對器件在不同總劑量下的翻轉截面進行擬合,得到總劑量與翻轉截面之間的變化曲線;4) 根據空間混合輻射環境的特點明確任務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截面;5) 根據計算軟件或積分得到器件應用于混合輻射環境下的錯誤率。器件綜合輻射環境下的在軌錯誤率不確定度主要來源于總劑量效應中的不確定度、單粒子效應中的不確定度以及總劑量/單粒子實驗數據擬合外推的不確定度。

3 小結

核工業以及宇航事業的快速發展使得混合輻射環境下的器件輻射效應成為熱門研究領域,不同于傳統的總劑量效應、單粒子效應,混合輻射環境下的器件協合效應研究對實驗條件、實驗方法、數據處理方式提出了新的要求。本研究基于典型器件應用于空間核動力這一代表性環境,開展了協合效應實驗,提出了一種空間混合輻射環境器件在軌錯誤率預估的方法并詳細分析了不確定度來源。相關計算和分析方法將為研究人員提供參考。