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单粒子瞬态效应
单粒子瞬态效应是指在半导体器件中，当一个电子或一个离子撞击到
器件的敏感区域时，会产生短暂的电荷响应。
这种响应可能会导致器
件的性能发生变化，甚至可能引起器件损坏。
单粒子瞬态效应通常在高能粒子环境下出现，例如太空辐射、核反应
堆等。
这种效应对于航天器、卫星、核电站等高可靠性系统的设计和
测试具有重要意义。
在半导体器件中，单粒子瞬态效应主要表现为两种形式：单粒子击穿
和单粒子反向偏置。
单粒子击穿是指当一个电荷载体被高能粒子撞击时，在其路径上形成一条离子化轨迹，并且在轨迹上形成大量载流子。
这些载流子可能会导致器件失效或产生错误输出。
而单粒子反向偏置
则是指当一个电荷载体被高能粒子撞击时，在器件中产生的短暂反向
偏置信号，可能会干扰正常的信号传输。
为了减少单粒子瞬态效应对半导体器件的影响，可以采取一些措施。
例如，加强器件的防护层、增加器件的工作电压、降低器件的敏感度等。
此外，还可以通过模拟计算和实验测试来评估器件的瞬态效应性能，以确保器件在高能粒子环境下的可靠性。
总之，单粒子瞬态效应是半导体器件中一个重要的问题，需要在设计、制造和测试过程中加以考虑和解决。
《中子单粒子效应》阅读札记1. 中子单粒子效应概述中子单粒子效应是原子核物理中的一个重要现象，它涉及到中子在吸收或发射一个或多个能量等于或接近于中子能级的粒子后，发生的各种核反应。
这种效应在重核素附近尤为显著，因为这些核素的中子共振线非常宽，能够吸收和发射多个中子。
在中子单粒子效应的研究中，中子束的应用非常关键。
通过精确控制中子束的能量、强度和束流寿命，科学家们可以研究不同种类和能量的中子与原子核的相互作用，从而揭示中子单粒子效应的复杂性和多样性。
中子单粒子效应在核能利用、核医学和核武器安全等领域也具有重要的应用价值。
在核反应堆中，中子单粒子效应可能导致燃料棒的损伤和失效；在核医学领域，中子单粒子效应可用于肿瘤治疗和药物研发；而在核武器安全方面，对中子单粒子效应的理解有助于评估核武器的可靠性和安全性。
随着实验技术的不断进步和理论模型的不断完善，中子单粒子效应的研究将继续深入发展，为相关领域的科学研究和技术应用提供有力的支持。
1.1 什么是中子单粒子效应中子单粒子效应是指在中子与物质相互作用的过程中，单个中子对物质系统产生的直接或间接影响。
这种效应主要源于中子的独特性质，包括其穿透能力强、与物质相互作用复杂等特点。
中子单粒子效应在许多领域都有重要的应用和研究价值，特别是在核物理、材料科学、辐射防护等领域。
在核物理领域，中子单粒子效应对于理解原子核结构、核反应机制以及核能应用等方面具有重要意义。
在中子与原子核的相互作用中，单个中子可以引起核态变化，产生级联反应等，这些效应对于核能的利用和核武器的研制都具有关键作用。
在材料科学领域，中子单粒子效应对于材料性能的影响也非常显著。
中子具有强大的穿透能力，可以深入到材料内部，与材料中的原子发生相互作用，引起材料的物理和化学性质变化。
这对于材料改性、辐射加工、材料辐射稳定性研究等都具有重要意义。
在辐射防护领域，中子单粒子效应的研究也至关重要。
了解中子对生物组织的作用机制，评估中子辐射的生物效应，对于核能设施的辐射安全、核事故应急处理等方面都具有重要意义。
高能电子单粒子效应模拟实验研究许北燕;郭刚;曾自强;杨京鹤;韩金华【摘要】本文基于2 MeV自屏蔽电子加速器和10 MeV电子直线加速器,开展了电子单粒子效应实验研究,并分析了其机理.在保持入射电子能量不变的情况下,在±20％范围内改变器件的工作电压进行了单粒子翻转实验.实验结果表明:45 nm SRAM(额定工作电压1.5 V)芯片在电子直线加速器产生的高能电子照射下能产生明显的单粒子翻转,单粒子翻转截面随入射电子能量的变化趋势与文献数据相符合;电子引起的单粒子翻转截面随器件工作电压的变化趋势与理论预期一致,即工作电压越小,单粒子翻转临界电荷越小,翻转截面也越高.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2019(053)002【总页数】5页(P209-213)【关键词】高能电子;单粒子效应;电子加速器【作者】许北燕;郭刚;曾自强;杨京鹤;韩金华【作者单位】中国原子能科学研究院核技术应用研究所,北京 102413;中国原子能科学研究院核物理研究所,北京 102413;中国原子能科学研究院核技术应用研究所,北京 102413;中国原子能科学研究院核技术应用研究所,北京 102413;中国原子能科学研究院核物理研究所,北京 102413【正文语种】中文【中图分类】O571.1在以往的单粒子效应研究中，主要以研究质子、重离子和中子等高能粒子为主，而电子本身质量较小(仅为质子的1/1 837)，相对于质子和重离子等对器件单粒子效应的影响较小，因此电子单粒子效应的研究较少。
但随器件特征工艺尺寸的不断降低，工作电压不断减小，工作频率不断增加，器件的单粒子效应敏感性越来越高，电子单粒子效应造成的影响可能变得严重，因此这种现象逐渐受到研究者的重视。
King等[1]研究了28 nm和45 nm静态随机存储器(SRAM)下电子引起的单粒子翻转，Gadlage等[2]研究了高能电子引起的45 nm SRAM的软错误，Samaras等[3]开展了基于45 nm CMOS工艺的电子单粒子翻转的实验特性与模拟研究，Trippe等[4]研究了28 nm和45 nm的体硅SRAM电子单粒子翻转，Gadlage等[5]研究了高能电子在FPGA中引起的多位翻转，Samaras等[6]进行了45 nm FPGA电子单粒子翻转的实验和仿真模拟研究。
辐射效应中的总剂量效应和单粒⼦效应
总剂量效应 TID
γ光⼦或⾼能离⼦在集成电路的材料中电离产⽣电⼦空⽳对. 电⼦空⽳随即发⽣复合、扩散和漂
移,最终在氧化层中形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界⾯处形成界⾯陷阱电荷,使
器件的性能降低甚⾄失效. γ光⼦或⾼能离⼦在单位质量的材料中电离沉积的能量称作剂量,单位rad
或Gy.随着剂量的增加,器件性能逐渐降低;当剂量积累到⼀定程度时, 器件功能失效. 因此, 这种现象
称为电离总剂量效应。
对⼀个元器件来讲，有三个参数决定了元器件所受辐射的类型及强度：
1，粒⼦辐射积分通量单位为粒⼦/平⽅厘⽶。
2，剂量率，它表明了单位时间内材料从⾼能辐射环境中吸收的能量，其单位为拉德/秒(rad/s)
3，总剂量，它是材料从⾼能环境中吸收的能量，单位为拉德（硅）（rad/（Si））.
单粒⼦效应
Single event effect，⼜称单事件效应。
⾼能带电粒⼦在器件的灵敏区内产⽣⼤量带电粒⼦的现象。
它属于电离效应。
当能量⾜够⼤的粒⼦射⼊集成电路时，由于电离效应（包括次级粒⼦的），产⽣数量极多的电离空⽳⼀电⼦对，引起半导体器件的软错误，使逻辑器件和存储器产⽣单粒⼦翻转，CMOS器件产⽣单粒⼦闭锁，甚⾄出现单粒⼦永久损伤的现象。
集成度的提⾼、特征尺⼨降低、临界电荷和有效LED阈值下降等会使执单粒⼦扰动能⼒降低。
器件的抗单粒⼦翻转能⼒明显与版图设计、⼯艺条件等因素有关。
SEE 单粒⼦效应
SEL 单事件/粒⼦闭锁 Single Event Latch-up
SEU 单事件/粒⼦翻转 Single Event Upset。
微纳级SRAM器件单粒子效应理论模拟研究随着国家航天事业的发展和战略需求的增加，半导体器件的抗辐射性能问题受到了广泛的研究，而单粒子效应作为影响宇航器件可靠性的关键因素已引起了越来越多关注。
当今主流工艺的半导体器件均为微纳级尺寸，其对单粒子效应的敏感性也随之增加。
而传统的单粒子效应抗辐射可靠性工程中的多种因素在一定程度上受到了质疑且需要进一步考察，尤其是经典模型中微纳级器件由于集成度原因带来的新问题(比如：边缘效应变得严重等)，以及粒子特性和器件特性与单粒子效应相互依赖关系。
本文基于理论模拟的研究和微纳级器件的新特点，对微纳级SRAM器件单粒子效应的微观机理及其多种影响因素展开了深入而系统的研究。
主要的研究内容与成果如下：(1)构建了适用于不同特征尺寸SRAM器件单粒子效应评估的多功能程序MUFPSA (Multi-Functional Package for SEEs Analysis)。
基于Monte Carlo模拟的开源软件GEANT4，给出了对粒子特性、器件特性、作用过程等可变参量的单粒子效应分析工具。
其主要功能特点在于结合了经典RPP模型、粒子入射器件几何单元后电荷扩散与收集模型、器件几何结构灵活性与多变性、SRAM阵列单元多样性和单粒子多位翻转的探测与图形记录等。
运用MUFPSA程序可实现对航天元器件抗辐照特性部分功能的预评估以及对测试结果的分析和理论指导。
(2)量化了微纳级SRAM器件中灵敏单元尺寸对单粒子翻转效应的影响与其边缘效应引起的能量沉积差异性。
研究了灵敏单元尺寸与单粒子翻转效应预估模型的关系，计算并分析了粒子入射后的电荷产生、漂移和扩散等过程，探讨了由漏斗效应衍生出的‘漏斗长度’是否应当作为一个关键的修正参数引入经典模型。
另外，对沿器件横纵方向上尺寸变量下的边缘效应引起的能量沉积信息差异性进行了定量研究与定性分析。
研究结果表明，a）宇航半导体器件的在轨翻转率计算对器件灵敏区体积尺寸参数具有较为强烈的依赖性。
2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文元器件单粒子效应加速器试验中的新现象张战刚1, 2, 刘 杰1 侯明东1 孙友梅1 常海龙1段敬来1 莫 丹1 姚会军11（中国科学院近代物理研究所，兰州 730000）
2（中国科学院研究生院，北京 100049）
（E-mail：zhangang@impcas.ac.cn；j.liu@impcas.ac.cn）摘 要：随着元器件敏感节点临界电荷的降低，荷能质子不仅可以通过在半导体器件中的核反应，而且还可以通过直接电离引起元器件单粒子效应。多层金属布线的使用加深了核反应对重离子单粒子效应的影响。利用具有相同LET值，种类和能量不同的重离子测试相同器件可以获得不同的单粒子翻转截面值。因此，元器件集成度的增加，其单粒子效应加速器测试中出现新的现象，对元器件的在轨事件率预测方法提出了新的要求。
关键词：元器件；单粒子效应；质子；重离子；核反应1 引言
空间辐射环境中的高能质子和重离子主要来源于地磁场俘获带、太阳粒子事件和银河宇宙射线。地磁场俘获带主要由地球周围的磁力线所俘获的电子、质子和少量低能重离子组成，在南大西洋异常区（SAA）存在通量密度异常高的高能质子[1]；太阳粒子事件是指太阳短时间内的能量粒子喷发，有11年的变化周期，产生质子和少量重核[2]；银河宇宙射线来源于太阳系以外，由原子核或高度剥离的离子组成，其中质子占85%，α粒子占14%，原子序数为3到92的重离子占1%。这些高能质子和重离子通过与空间电子学系统中的半导体器件的相互作用，在器件灵敏区（SV）沉积足够的能量，引起单粒子效应（SEE），对空间电子学系统的正常工作造成巨大的威胁。荷能重离子主要通过与靶原子核外电子的相互作用产生直接电离，在器件灵敏区及附近产生电子-空穴对，这些电荷通过漂移和扩散方式被器件的敏感节点收集，当收集的电荷超过敏感节点的临界电荷时，就会引起器件的逻辑状态改变，出现一次单粒子翻转（SEU）。单粒子事件率随入射离子在材料中的线性能量转移（LET）的变化而变化。高能质子通常不能像重离子一样由直接电离产生单粒子效应，它主要通过与靶核的非弹性相互作用，即核反应产生的重碎片而引起单粒子效应；其单粒子翻转截面依赖于入射质子的能量。然而，现代大规模集成电路（LSI）的发展趋势是：集成度不断提高，器件特征尺寸不断降低，敏感节点间距减小，供电电压降低等[3]，这些都导致敏感节点的临界电荷进一步降低，对单粒子效应越来越敏感。Heidel等[4, 5]的研究结果表明，65 nmSOI（Silicon-on-insulator）器件的临界电荷低于1 fC，低能质子可能通过直接电离引起单粒子翻转。2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文另外，实验证明器件上方的多层金属布线对于单粒子效应也产生影响。这些导致被普遍接受的质子和重离子单粒子效应发生的机制多样化，也对元器件单粒子效应加速器模拟试验方法和在轨事件率预测方法提出了新的挑战。下面针对几种单粒子效应测试中出现的新现象进行讨论。
2 质子直接电离引起翻转
通过SRIM程序计算得到，质子在硅中的最大LET值约为0.54 MeV·cm2/mg。
与重离子相比，质子具有较低的LET值，在硅器件中的直接电离对单粒子效应的贡献处于相对次要的地位。但是，存储单元临界电荷的减小使质子有可能通过直接电离在器件灵敏区沉积足够的能量而导致翻转。Petersen等[6]早在1988年就预测，质子可以通过直接电离引起器件单粒子翻转。图1[5]给出了利用多台加速器提供的能量值到500 MeV的质子束辐照65 nm SOI静态随机存储器（SRAM），实验测量到的单粒子翻转截面与质子能量的关系。图中的小图标表示各个加速器装置的测试结果，器件测试中外加电压略有不同。图中显示，当质子能量小于1 MeV时，翻转截面异常增大，达到5×10-6 cm2/Mbit，远远大
于高能质子的饱和截面7×10-9 cm2/Mbit。高能质子在硅中射程较大，且在器件表面
的LET值非常小，其通过直接电离在表层灵敏区沉积的能量很小，故高能质子主要通过核反应来引起单粒子效应。能量为1 MeV的质子在硅中的射程约16 µm，可以通过直接电离，在器件表层灵敏区内或附近沉积一定的能量；由于测试器件（DUT）的临界电荷仅有0.3 fC[7]，质子通过直接电离在器件灵敏区产生的电荷可能超过临界电荷，从而引起单粒子翻转，造成翻转截面低能部分异常增大的结果。Rodbell等[7]也从实验上证实了这一现象。
图1 65 nm SOI SRAM的单粒子翻转截面与质子能量的关系Fig.1 The correlation between SEU cross section and protons energy in 65 nm SOI SRAM计算结果表明[5]，空间辐射环境中能量为0.8 MeV到1 MeV的质子通过直接电离在上述器件中引起的翻转数比能量为1 MeV到300 MeV的质子通过核反应引起的翻转数高几倍甚至几十倍。另外，质子直接电离引起翻转现象的出现，使得器件单粒子翻转截面与质子能量的关系发生变化，这对器件的在轨翻转率预测方法提出了新的要求。
3 重离子核反应引起的效应
单粒子效应研究通常采用的方法是，使用重离子加速器加速的各种重离子来模2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文拟空间粒子，获得器件单粒子效应截面随入射离子LET的变化曲线，然后结合特定轨道的空间辐射环境模型，预测器件在轨事件率。通常认为，荷能重离子主要通过直接电离引起单粒子效应，用LET值来描述重离子在硅器件中单位路径上所沉积能量的大小。较轻的重离子，例如C、Ne等，在半导体材料Si中的LET值相对较小，在一些单粒子翻转阈值较高的器件中不能通过直接电离引起单粒子效应，但通过与器件材料的核反应产生的重的碎片却可能具有较高的LET值[8]，从而引起器件的单粒子效应，尤其对于器件表层有多层金属布线的结构，要考虑核反应所产生的影响。
3.1 多层金属布线的影响多层金属布线是位于硅器件上方的多层互连结构，主要用于实现连接、信号传输、钝化等功能，是所有集成电路的核心组成部分。由于使用钨、铜、钛、铝等材料，且位于器件灵敏区上方，荷能重离子在穿过多层结构时可能与某些材料发生核反应，尤其是位于灵敏区附近的高质量数材料，产生较重的次级粒子，穿过灵敏区沉积足够的能量，引起单粒子翻转。Kobayashi等[9]使用基于Geant4[10]和TCAD（Technology Computer Aided Design）
的MRED（Monte Carlo Radiative Energy Deposition）软件，模拟1010个523 MeV的Ne离子随机打在具有多层结构的器件的表面，得到的结果如图2(a)和图2(b)所示。图中横坐标表示Ne离子在下方灵敏区产生的电荷量，纵坐标表示相应的离子数。图2(a)中灰线表示原器件模拟结果，黑线表示用氧化物代替多层金属布线的模拟结果；图2(a) 表明，多层金属布线的存在使入射离子在下方灵敏区产生的最大电荷量增大将近一倍，达到近1 pC。图2(b)中黑线表示原器件模拟结果，灰线表示用氧化物代替位于灵敏区上方的钨材料的模拟结果；图2(b)表明，灵敏区附近的钨材料的存在将入射离子在灵敏区产生的最大电荷量扩大了近三倍，达到1.3 pC。此器件敏感节点的临界电荷为1.13 pC，故灵敏区附近是否存在高质量数材料将直接影响器件的单粒子效应截面和在轨事件率。Warren等[11]使用MRED软件进行计算，考虑到核反应的影响，在Si中LET值为1.79 MeV·cm2/mg的Ne离子通过多层金属布线后可
以在灵敏区产生的最大电荷量达到1 pC，相当于LET值为43 MeV·cm2/mg的离子
通过直接电离产生的电荷量。可见，多层金属布线的使用进一步加深了核反应对单粒子效应的影响，使其变得不容忽视。
图2 多层金属布线(a)和灵敏区附近钨材料(b)对入射离子在灵敏区产生电荷量的影响Fig.2 Charge generated in SVs by incident ions influenced by metallization overlayer (a) or tungsten2010年第二十三届全国空间探测学术交流会论文plugs near SVs (b)3.2 选取离子种类和能量的影响国内外多数加速器装置使用的离子能量在几个到几十个MeV/u，然而真实太空环境中，离子能量可能高达几百个GeV/u，且能量和离子种类分布范围广泛[12]。因此，具有相同LET值，种类和能量不同的离子是否会产生相同的单粒子效应截面引起关注。核反应截面与入射离子的种类和能量密切相关，但LET值中不包括核反应对单粒子效应的影响，其能否作为半导体器件单粒子效应测试的唯一参数受到许多质疑[11-20]。Dodd等[11]使用TAMU（Texas A&M University）提供的单核能为13到40 MeV/u
的重离子和BNL（Brookhaven National Laboratory）提供的单核能为2到8 MeV/u的重离子辐照128 kbit SRAMs，得到的单粒子翻转截面与LET值的关系如图3所示。图中的小图标表示不同加速器装置的测试结果；带向下箭头的图标表示翻转截面的上限，实际上并没有观察到翻转事件。测试器件的单粒子翻转阈值约为28MeV·cm2/mg。由图可见，在小于单粒子翻转阈值的区域，LET值为12、15和20MeV·cm2/mg的TAMU加速器离子仍然可以引起单粒子翻转，而与之具有相同LET值的BNL加速器离子却不能引起单粒子翻转。
图3 128 kbit Sandia SRAMs的单粒子翻转截面与LET值的关系Fig.3 Measured SEU cross section for 128 kbit Sandia SRAMs using heavy ionsReed等[20]的试验结果如图4所示，图中的小图标表示使用具有不同单核能的加
速器离子得到的测试结果。在LET值为14和20 MeV·cm2/mg处，单粒子翻转截面
和LET值并不是一一对应的关系，即翻转截面依赖于测试离子种类和能量的选取。使用传统RPP模型（Rectangular Parallelepiped Model）预测得到的此器件的在轨翻转率比实际观测到的平均翻转率低两个数量级；而使用基于Geant4的MRED模拟工具得到的预测结果与实际翻转率符合的很好（Geant4可以模拟与辐射效应相关的所有物理过程，包括核反应）。由此可见，LET值能否作为半导体器件单粒子效应测试的唯一参数是值得怀疑的；对器件在轨翻转率的精确预测还需要考虑核反应等因素对单粒子效应的贡献。
