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空间辐射环境中的各种高能粒子会导致航天器电子系统发生故障甚至失效, 其中单粒子效应一直是航天器电子系统可靠性的最主要威胁[1,2]. 一直以来, 重离子和高能质子被认为是引起航天器电子系统单粒子翻转的主要原因[3–8]. 随着工艺尺度缩减到45 nm以下, 器件临界电荷量显著降低, 电子被证实足以在小尺寸器件中引发单粒子翻转[9–21]. 在很多典型地球轨道上电子均有明显高于质子的通量[22,23], 在美国国家航空航天局针对木星探测时更是发现木星辐射环境中具有大通量、能量达到1 GeV以上的电子, 并且电子穿透屏蔽能力比质子更强[14–16].
电子单粒子效应作为在工艺尺寸缩减后出现的新现象, 成为影响航天器可靠性的新问题. 而相关研究尚在起步阶段, 对于电子引发单粒子效应的主要物理机理还在阐释完善阶段未形成共识体系. 电子入射与物质的相互作用主要分为以下几种方式[24]: 1)电离能量损失, 即电子与核外电子的非弹性碰撞使原子发生激发或电离, 产生电子空穴对, 损失自己的能量; 2)辐射能量损失, 即电子经过原子核近旁时, 发生轫致辐射, 释放高能光子, 损失能量; 3)核碰撞能量损失, 即电子与原子核的弹性碰撞, 原子核获得动能发生反冲, 产生晶格原子位移形成缺陷, 电子本身发生卢瑟福散射; 4)电子核反应, 即电子引发原子核反应, 产生出射粒子和剩余核, 与光核反应类似. 第1种方式属于直接电离, 后面3种方式通过产生的次级粒子电离沉积能量属于间接电离. 有学者认为电子直接电离不足以引发单粒子效应[17,18], 核反应是电子引发单粒子效应的主要原因[19–21], 也有学者认为直接电离是10 MeV以下电子引发单粒子效应的最重要过程[25]. 国内现有电子加速器也主要用于模拟充放电效应、总剂量效应、位移损伤效应等其他辐射效应实验, 能量范围较小, 束流强度过小或者过大, 普遍不太适合进行电子单粒子效应实验, 实验数据较少, 28 nm以下器件的相关数据更罕见, 现象规律尚存在争议. 总体上目前国内外研究对电子单粒子效应机理揭示还不够清晰, 影响电子单粒子效应截面的因素分析还不够全面, 没有充分讨论不同能量范围的电子在不同临界电荷的器件中引发单粒子效应可能存在不同的效应机理.
本文针对电子单粒子效应机理不够清晰的问题, 选择28 nm体硅器件开展蒙特卡罗模拟仿真工作以及地面电子单粒子效应辐照实验, 揭示了28 nm体硅工艺下器件的电子单粒子效应的物理机理和规律, 全面地分析了器件临界电荷、电子能量、入射角度等多种因素对电子单粒子翻转截面的影响, 对比了典型空间轨道上电子与质子引发器件单粒子翻转的贡献情况, 为空间环境中评估电子诱发电子系统错误率贡献和加固技术研究提供清晰的理论基础.
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电子器件受到各种能量粒子入射沉积能量造成器件逻辑状态改变的现象被称为单粒子翻转效应. 重离子和低能质子入射器件沉积能量的主要方式是电离能量损失即直接电离, 高能质子入射器件沉积能量的主要方式是核碰撞能量损失以及核反应即间接电离. 电子入射器件也会发生直接电离能量损失, 但电离能力远弱于重离子和质子, 电子也可能与器件材料原子核发生弹性碰撞产生反冲核或者通过核反应产生次级粒子间接电离, 但电子核反应的截面远低于重离子和质子, 同时轫致辐射释放高能光子损失的能量对电子来说也无法忽略. 能够造成器件翻转的能量沉积阈值即临界电荷不同和入射电子的能量不同都很可能存在不同的效应机理.
Geant4软件是进行单粒子效应仿真的常用工具, 能够很好地描述粒子与材料相互作用沉积能量的过程. 为了充分讨论电子引发器件单粒子翻转的主要机理, 通过Geant4软件进行蒙特卡罗模拟仿真电子引发28 nm静态随机读取存储器(static random access memory, SRAM)器件的单粒子翻转, 并对造成单粒子翻转的能量沉积和产生次级粒子的情况都进行追踪记录.
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Geant4仿真模型是根据某28 nmSRAM器件样品信息建立. 仿真使用的Geant4版本为10.5. 对28 nm SRAM器件进行纵剖分析, 如图1所示, 获取器件灵敏区上方金属布线层的材料和厚度, 上方材料从上往下分别为顶层的Si3N4和Al, M10—M1的10层金属Cu互连线, 金属层之间的绝缘材料SiO2. 通过器件版图信息获得器件灵敏区大小, NMOS(N-channel metal-oxide-semiconductor transistor)为100 nm×300 nm×95 nm, PMOS(P-channel metal-oxide-semiconductor transistor)为100 nm×300 nm×45 nm. 据此建立28 nm SRAM器件Geant4几何模型, 如图2所示, 建立16×16 SRAM单元阵列模型.
在物理模型方面, 选择了Geant4中预定义的物理模型封装包QGSP_BIC. 在进行电子入射仿真模拟时将电磁相互作用模型替换为Penelope模型, 在Penelope模型中考虑光子、电子和正电子等一系列物理过程, 如光电效应、康普顿效应、瑞利散射、轫致辐射等, 能够更好地描述电子造成能量沉积的物理过程.
利用该28 nm SRAM器件在标准电压下进行的重离子辐照实验SEU截面评估器件的临界电荷约0.46 fC, Inguimbert等[19]给出在标准电压下32 nm工艺器件的临界电荷约0.4 fC, 22 nm工艺器件临界电荷约0.25 fC, 低电压下22 nm工艺器件临界电荷可低至0.08 fC. 综合考虑器件在不同工作电压下的临界电荷范围, 探究不同临界电荷和不同能量下电子引发单粒子翻转的机理, 将器件的临界电荷分别设置为0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 fC进行仿真. 单能电子束从SRAM单元阵列模型顶部垂直入射, 入射电子的能量分别设置为0.1, 1, 5, 10, 100, 1000, 10000 MeV.
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如图3和图4所示, 当器件临界电荷为0.1和0.2 fC时, 能量为0.1, 1, 5, 10, 100, 1000, 10000 MeV的电子造成的单粒子翻转几乎全部由次级电子沉积能量产生, 极个别存在次级光子参与沉积了不可忽略的能量. 说明此时电子与核外电子的非弹性碰撞造成直接电离能量损失是引发单粒子翻转的最主要原因, 轫致辐射产生的光子只存在极少数的贡献.
如图5所示, 当器件临界电荷为0.3 fC时, 能量为0.1, 1, 5, 10, 100 MeV的电子造成的单粒子翻转全部由次级电子沉积能量产生, 但1000, 10000 MeV的电子造成的单粒子翻转中出现少量由反冲Si原子核沉积能量产生的. 说明此时电子与核外电子的非弹性碰撞造成直接电离能量损失仍然是引发单粒子翻转的最主要原因, 但1000 MeV以上高能电子与材料原子核发生弹性碰撞产生反冲核也贡献了少量单粒子翻转.
如图6和图7所示, 当器件临界电荷为0.4 fC时, 能量为0.1, 1, 5, 10, 100 MeV的电子造成的单粒子翻转也全部由次级电子沉积能量产生, 但1000, 10000 MeV的电子造成的单粒子翻转中由反冲原子核产生的比例明显提升, 并且核反应产生的次级粒子沉积能量也成为单粒子翻转的重要原因. 当器件临界电荷为0.5 fC时, 能量为1, 5, 10 MeV的电子造成的单粒子翻转仍然全部由次级电子沉积能量产生, 但100 MeV的电子造成的单粒子翻转中出现由核反应次级粒子引发的, 1000, 10000 MeV的电子造成的单粒子翻转主要通过反冲原子核以及核反应产生的次级粒子沉积能量产生.
从仿真结果来看, 电子引发28 nm SRAM器件单粒子翻转的主要机理与临界电荷、电子能量明显相关. 当器件临界电荷不超过0.5 fC时, 能量低于100 MeV的电子引发单粒子翻转的最主要机理都是直接电离, 电离产生的次级电子继续与其他电子相互作用沉积能量. 在器件临界电荷在0.3 fC以下时, 能量高于1000 MeV的电子引发单粒子翻转的主要原因仍然是直接电离. 但在器件临界电荷在0.4 fC以上时, 电子与原子核的弹性碰撞产生的反冲核以及电子引发核反应产生的次级粒子逐步成为1000 MeV以上高能电子引发单粒子翻转的重要原因甚至是主要原因.
和沿路径产生持续高水平电离的重离子不同, 初始电子自身的电离能力很弱, 因此次级电子继续与其他电子相互作用才是电子电离沉积能量的主要过程. (1)式给出了电子/电子非弹性碰撞莫勒散射的二次电子截面, 其中Z是入射材料原子序数, E是初始电子能量, Tcut是二次电子截断能量, re是电子半径, m是电子质量, c是光速[26],
根据(1)式计算, 图8给出了四种截断能量的莫勒积分截面, 表示了不同初始能量电子在硅材料中获得比Tcut更大能量的二次电子的可能性, 可以看出当入射电子能量大于1 MeV时二次电子的能量和产生概率几乎不受初始电子的能量影响. 因此当直接电离是电子单粒子翻转的主要机理时, 不同能量的初始电子造成的单粒子翻转截面很可能差别很小.
这与一些学者认为电子线性能量传递(linear energy transfer, LET)值太低直接电离沉积的能量不足以造成器件单粒子翻转, 电子核反应才是造成电子单粒子效应的主要原因的观点不同. 电子入射经常存在非常曲折的径迹, 自身电离能力弱, 主要依靠电离产生的次级电子继续与其他电子相互作用沉积能量, 这就造成能损岐离很大, 并不适合用初始电子的LET值来直接评估电子在灵敏体中沉积的最大能量. 而能量较低的电子是很难产生核反应的, 与材料原子核弹性碰撞也较难产生反冲核, 因此只有1000 MeV以上高能电子产生的反冲核和核反应才对较高临界电荷器件单粒子翻转存在主要贡献.
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从第2节机理分析中可以看出, 临界电荷和入射电子能量与电子引发器件单粒子翻转效应的机理具有明显的相关性. 为了评估实际空间轨道环境中电子对器件单粒子翻转截面的贡献, 并探讨最需要关注的电子单粒子效应机理, 继续通过Geant4模拟进一步分析器件临界电荷、入射电子的能量、入射角度多种因素对28 nm SRAM器件中电子单粒子翻转截面的影响, 以及空间轨道环境中电子和质子对器件单粒子翻转截面的贡献对比.
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临界电荷在一定程度上体现SRAM器件对单粒子效应造成能量沉积的敏感性, 器件的工艺尺寸和工作电压都是决定器件临界电荷的关键因素, 更小的工艺尺寸和更低的工作电压都会使器件临界电荷更小. 不同的空间轨道环境中电子能谱也有所不同, 典型地球轨道环境中主要是低于5 MeV的较低能量电子, 而木星辐射环境中存在大量超过1 GeV的高能量电子. 为了分析临界电荷和电子能量对28 nm SRAM器件电子单粒子翻转截面的影响, 将器件的临界电荷分别设置为0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 fC进行仿真. 单能电子束从SRAM单元阵列模型顶部垂直入射, 入射电子的能量分别设置为0.1, 1, 5, 10, 100, 1000, 10000 MeV. 通过模拟可以获得不同临界电荷值下对应的电子单粒子翻转截面, 如图9所示.
从图9中可以看出, 随着临界电荷的增大, 多种能量电子引发的单粒子翻转截面均呈现指数级减小, 这与电子仅能在纳米器件中引发单粒子翻转的实验现象相符合. 当器件临界电荷为0.4 fC以下时, 不同能量电子入射引发的单粒子翻转截面几乎是一样的. 只有当器件临界电荷为0.4 fC以上时, 1000 MeV以上的高能电子引发的单粒子翻转截面会明显高于较低能电子引发的单粒子翻转截面. 第2节机理分析表明, 当器件临界电荷为0.4 fC以下时, 不同能量电子单粒子效应主要机理都是直接电离, 并且直接电离产生的二次电子的能量和产生概率几乎不受初始电子的能量影响, 将会得到非常相似的单粒子翻转截面. 而当器件临界电荷为0.4 fC以上时, 1000 MeV以上的高能电子与原子核的弹性碰撞产生的反冲核以及电子引发核反应产生的次级粒子逐步成为引发单粒子翻转的重要原因甚至是主要原因, 也会带来比较低能量电子更高的翻转截面. 效应机理可以很好地解释电子单粒子翻转截面现象.
为了对比当器件临界电荷不同时电子与质子造成的单粒子翻转截面差别, 同时也对质子单粒子效应截面进行了仿真. 质子仿真时使用的物理模型为Geant4中预定义的物理模型封装包QGSP_BIC_HP, 包括弹性和非弹性碰撞、中子俘获以及粒子电磁相互作用在内的许多物理过程. 同样将器件的临界电荷分别设置为0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 fC进行仿真. 单能质子束从SRAM单元阵列模型顶部垂直入射, 入射质子的能量分别设置为1, 2, 5, 10, 20, 40, 50, 90, 100, 1000 MeV. 通过模拟可以获得不同临界电荷值下对应的质子单粒子翻转截面, 如图10所示.
从图10中可以看出, 临界电荷对质子单粒子翻转截面的影响要远小于电子, 尤其当临界电荷达到0.4 fC以上时, 20 MeV以上的中高能质子引发的单粒子翻转截面趋于稳定.
使用OMERE软件计算了几个典型地球轨道在3 mm铝屏蔽后的电子和质子能谱, 模型采用AP8和AE8, 结果如图11所示, 轨道信息见表1. 从图11中几个典型地球轨道在3 mm铝屏蔽后的电子和质子通量来看, GEO轨道的质子无法穿透3 mm铝屏蔽, 其余轨道上电子通量也比质子通量要高出3—5个数量级. 而器件临界电荷为0.2 fC以下时, 电子引发的单粒子翻转截面仅与中高能质子引发的单粒子翻转截面相差1个数量级, 甚至不足1个数量级, 与低能质子引发的单粒子翻转截面相差3—4个数量级. 因此, 当器件临界电荷为0.2 fC以下时, 电子在典型地球轨道引发器件单粒子翻转的贡献将超过质子. 然而当器件临界电荷在0.4 fC以上时, 电子引发的单粒子翻转截面与质子引发的单粒子翻转截面差距被迅速拉开, 与中高能质子引发的单粒子翻转截面相差3—4个数量级, 与低能质子引发的单粒子翻转截面相差8—9个数量级, 此时质子在典型地球轨道引发器件单粒子翻转的贡献将远高于电子. 因此当器件临界电荷越低时, 空间轨道环境中的电子引发单粒子效应对航天器电子系统可靠性威胁越大, 越需要重点关注, 此时电子单粒子效应的主要机理是直接电离.
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在实际环境中电子会从各种不同的角度入射器件. 为了分析电子入射角度对28 nm SRAM器件单粒子翻转截面的影响, 将电子入射角度分别设置为90°, 60°, 45°, 30°进行仿真. 单能电子束从SRAM单元阵列模型顶部入射, 入射电子的能量分别设置为0.1, 1, 5, 10, 100, 1000, 10000 MeV, 分别考虑器件临界电荷为0.1, 0.2, 0.3, 0.4 fC. 通过模拟可以获得电子不同入射角度下对应的单粒子翻转截面, 如图12所示.
由图12中的仿真结果表明, 与垂直入射相比, 电子以更小角度入射总体会造成更大的单粒子翻转截面. 这个现象在器件临界电荷较低时比较明显, 而在器件临界电荷较高时入射角度对单粒子翻转截面的影响明显减弱. 因为入射角度最主要影响初始电子直接电离的作用距离, 对二次电子产生的方向也有一定的影响, 而当反冲核和核反应的次级粒子成为引发单粒子翻转的重要原因时初始电子的入射角度的影响就变得很小了.
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为了更好地研究电子在28 nm器件中引发的单粒子翻转效应, 对蒙特卡罗仿真结果进行一定的补充验证, 进行了地面电子单粒子效应辐照实验并与质子单粒子效应辐照实验的截面进行对比. 蒙特卡罗模拟中建模的器件是某28 nm SRAM器件, 此款芯片的存储单元容量较小, 考虑到电子单粒子翻转截面低, 很难在芯片能承受的注量范围内捕获单粒子翻转, 因此电子辐照实验选择了一款更大容量的28 nm现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)器件.
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电子单粒子效应实验在中陕核杨凌核盛辐照技术有限公司的10 MeV高能电子直线加速器(图13)上进行, 实验现场和样品辐照摆放位置如图14所示. 设备的性能指标为: 束流能量10 MeV, 束流流强0.2—2.0 mA, 脉冲重复频率50—500 Hz可调, 脉冲宽度16 μs, 峰值流强300 mA, 束斑面积不小于600 mm×20 mm, 束流稳定性±5%.
实验样品为28 nm体硅工艺的Xilinx K7型FPGA, 将其安装在样品台上, 连接测试系统. 图15是SRAM型FPGA单粒子效应在线测试系统的主体框架, 包括电源板、 控制板和辐照板(图16). 电源板分成6路供电, 分别为两颗芯片提供内核电压、 辅助电压和I/O电压. 控制板主要包括主控FPGA芯片、Flash存储器以及网口驱动芯片等. 辐照板与控制板以60芯扁平电缆进行相连, 可以使控制板远离辐照环境, 从而保证测试系统的稳定性. 辐照板上放置两颗被测FPGA芯片. 测试系统的控制软件可以设置芯片所加电压、测试向量、回读方式等参数, 并实时显示各种测试结果. 测试系统将辐照中回读的数据与原始配置文件进行对比, 对FPGA配置存储器的位翻转进行判别.
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考虑到电子加速器束流强度过大, 注量率范围约1.25×1013—1.25×1014 e/(cm2·s), 在单粒子效应实验过程中可能引发器件的总剂量效应, 因此本实验自制了一块降束板置于扫描窗下方, 如图17所示, 设置电子加速器脉冲重复频率50 Hz, 利用法拉第筒对降束后的束流注量率进行测量, 测得注量率约为3.22×1010 e/(cm2·s), 能够满足单粒子效应实验要求.
首先在束流出口降束板下方位置放置自制法拉第筒, 用于确定电子的注量率, 使用法拉第筒测量电子注量率时, 部分电子会发生散射影响被测器件, 因此当电子加速器注量率稳定后, 移走法拉第筒, 将被测FPGA样品放置在降束板下方同样位置, 开始测试. 将被测FPGA样品配置为SRAM模式并填充数据, FPGA样品内核电压为1.0 V, I/O电压为1.8 V, 配置存储器有效数据位共8.6×107 bit.
辐照过程中, 测试系统实时监测被测FPGA发生翻转的次数, 同时监测器件的工作电流, 当工作电流突然大幅增大, 且出现功能异常, 断电重启才能恢复, 则判定发生了单粒子闩锁, 测试系统在发生单粒子闩锁时能够自动断电保护. 辐照时间为100 s.
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开展电子单粒子效应实验的注量率为3.09×1010 e/(cm2·s), 电子的能量为10 MeV, 总注量为3.09×1012 e/cm2, 器件累积总剂量约83.9 krad(Si), 项目组前期通过钴源辐照总剂量实验保证该总剂量累积对器件的影响可控. 电子辐照的实验结果为: FPGA配置存储器发生单粒子翻转2次, 翻转截面为7.5×10–21 cm2·bit–1, 实验过程中未发生单粒子闩锁.
实验中捕获的单粒子翻转数量仅有2次, 主要是由于目前标准电压下28 nm FPGA器件的临界电荷值比较高, 翻转截面较低, 没有存储器容量足够大的测试芯片. 考虑器件的总剂量累积过大会影响器件工作状态, 无法继续提高辐照注量获取更多的翻转次数.
课题组针对样品同系列的Xilinx K7型FPGA在5 MeV低能质子和50 MeV及90 MeV高能质子辐照实验获取的单粒子翻转截面如图18所示[27].
电子辐照实验比高能质子实验的翻转截面低6个数量级. 对比电子辐照及质子辐照实验翻转截面和第3节中的仿真结果可以看出, 在器件临界电荷为0.6 fC时, 仿真结果显示10 MeV电子入射引发的翻转截面在10–21/(cm2·bit–1)量级, 5 MeV以上能量质子入射引发的翻转截面在10–15/(cm2·bit–1)量级, 与实验结果量级相符, 也相差6个数量级, 说明此款FPGA的临界电荷约0.6 fC, 实验现象能够验证仿真规律.
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本文针对28 nm体硅器件电子单粒子翻转效应开展了蒙特卡罗模拟仿真工作以及地面电子单粒子效应辐照实验, 分析揭示物理机理, 发现电子引发28 nm SRAM器件单粒子翻转的主要机理与临界电荷、电子能量明显相关. 当器件临界电荷不超过0.5 fC时, 能量低于100 MeV的电子引发单粒子翻转的最主要机理都是直接电离. 器件临界电荷在0.3 fC以下时, 0.1—10000 MeV的电子引发单粒子翻转的主要原因也都是直接电离. 但器件临界电荷在0.4 fC以上时, 电子与原子核的弹性碰撞产生的反冲核以及电子引发核反应产生的次级粒子逐步成为1000 MeV以上高能电子引发单粒子翻转的重要原因甚至是主要原因.
分析研究了电子引发单粒子翻转的截面规律和多种因素对电子单粒子效应的影响. 1)器件临界电荷是对电子单粒子翻转截面影响最大的因素. 随着临界电荷的减小, 多种能量电子引发的单粒子翻转截面均呈现指数级增大. 当器件临界电荷为0.2 fC以下时, 电子在典型地球轨道引发器件单粒子翻转的贡献将超过质子. 而当器件临界电荷在0.4 fC以上时, 质子在典型地球轨道引发器件单粒子翻转的贡献将远高于电子. 2)当器件临界电荷为0.4 fC以下时, 入射电子能量对单粒子翻转截面的影响并不明显. 3)与垂直入射相比, 电子以更小角度入射总体会造成更大的单粒子翻转截面. 这个现象在器件临界电荷较低时更加明显, 而在器件临界电荷较高时入射角度对单粒子翻转截面的影响明显减弱. 这些现象规律都可以通过本文揭示的物理机理得到很好的解释. 考虑到主要轨道的电子能量范围和器件临界电荷较低时电子对器件单粒子翻转的贡献较大, 本文认为直接电离是最值得关注的电子单粒子效应机理, 为空间环境中评估电子诱发电子系统错误率贡献和加固技术研究提供清晰的理论基础.
本文由于实验装置条件和样品容量限制, 实验验证还不够全面充分, 后续还将提高实验技术和样品条件, 进一步补充更大能量范围更多能量点的电子辐照实验数据, 对蒙特卡罗模拟仿真和机理分析进行更加全面充分的验证.
28 nm器件电子单粒子翻转效应物理机理及特性
Physical mechanisms and characteristics of electron-induced single-event upsets in 28-nm bulk devices
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摘要: 空间轨道环境中电子通常具有比质子更高的通量、更强的屏蔽穿透能力, 并且纳米尺度下电子被证实足以引发器件单粒子翻转, 从而成为影响航天器电子系统可靠性的新问题. 基于28 nm体硅器件开展蒙特卡罗模拟仿真研究及电子辐照实验, 揭示电子单粒子效应物理机理及特性. 结果表明: 器件临界电荷小于0.3 fC或者电子能量小于100 MeV时, 直接电离是电子引发单粒子翻转的主要物理机理, 直接电离产生的二次电子能量和截面受到初始电子能量的影响很小, 进而使得直接电离主导下的单粒子翻转截面几乎不受入射电子能量影响. 只有当器件临界电荷大于0.4 fC且电子能量大于1000 MeV时, 电子与原子核的弹性碰撞产生的反冲核以及电子引发核反应产生的次级粒子间接电离才成为引发单粒子翻转的重要原因. 而器件临界电荷小于0.2 fC时, 电子在典型地球轨道引发器件单粒子翻转的贡献将超过质子, 因此直接电离是最值得关注的电子单粒子效应机理.Abstract: Single-event effects (SEEs) induced by heavy ions and high-energy protons have been recognized as the primary causes of electronic system failures in spacecraft. However, in the space orbital environment, electrons typically exhibit higher flux and stronger shielding penetration capabilities than protons. Furthermore, at the nanoscale, electrons have been shown to be capable of inducing single-event upsets (SEUs) in devices. Electron-induced SEEs have emerged as a new issue affecting the reliability of spacecraft electronic systems. Research in this area is still in its infancy, and there is not yet consensus on the primary physical mechanisms of electron-induced SEEs. In this paper, using 28-nm bulk silicon devices, we reveal the physical mechanisms and characteristics of electron-induced SEEs through Monte Carlo simulations and electron irradiation experiments. The results indicate that the direct ionization is the main physical mechanism for electron-induced SEUs when the device's critical charge is less than 0.3 fC or the electron energy is less than 100 MeV. The energy and cross-section of secondary electrons generated by the direct ionization of electrons in materials are minimally influenced by the initial electron energy. Therefore, when the direct ionization is the primary mechanism, the SEU cross-section remains almost unaffected by the incident electron energy. Only when the device’s critical charge is greater than 0.4 fC and the electron energy exceeds 1000 MeV do the recoil nuclei generated by elastic collisions between electrons and atomic nuclei, as well as the secondary particles produced by electron-induced nuclear reactions, become significant factors in inducing SEUs. In such cases, the indirect ionization becomes a significant mechanism for electron-induced SEUs, and the SEU cross-section increases with higher incident electron energy. Compared to perpendicular incidence, electrons striking at smaller angles result in a larger SEU cross-section when the device’s critical charge is low. However, the influence of the electron incidence angle on the SEU cross-section diminishes as the device’s critical charge increases. As the device’s critical charge decreases, the SEU cross-sections induced by electrons of various energies increase exponentially. When the device’s critical charge is less than 0.2 fC, the contribution of electrons to SEUs in typical Earth orbits exceeds that of protons. Therefore, the direct ionization is the most critical physical mechanism for electron-induced SEUs.
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Key words:
- electron /
- single-event upset /
- critical charge /
- direct onization .
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图 1 28 nm SRAM器件灵敏区上方各金属布线层厚度
Figure 1. Thickness of each metal wiring layer above the sensitive area of a 28-nm SRAM device.
图 2 28 nm SRAM器件Geant4几何模型 (a)模型各层结构示意图; (b) 16×16 SRAM单元阵列模型
Figure 2. Geant4 geometric model of a 28-nm SRAM device: (a) Each layer in the model; (b) 16×16 SRAM cell array model.
图 3 临界电荷为0.1 fC时造成单粒子翻转的次级粒子占比
Figure 3. Proportion of secondary particles causing single-event upset when the critical charge is 0.1 fC.
图 4 临界电荷为0.2 fC时造成单粒子翻转的次级粒子占比
Figure 4. Proportion of secondary particles causing single-event upset when the critical charge is 0.2 fC.
图 5 临界电荷为0.3 fC时造成单粒子翻转的次级粒子占比
Figure 5. Proportion of secondary particles causing single-event upset when the critical charge is 0.3 fC.
图 6 临界电荷为0.4 fC时造成单粒子翻转的次级粒子占比
Figure 6. Proportion of secondary particles causing single-event upset when the critical charge is 0.4 fC.
图 7 临界电荷为0.5 fC时造成单粒子翻转的次级粒子占比
Figure 7. Proportion of secondary particles causing single-event upset when the critical charge is 0.5 fC.
图 9 不同临界电荷值下电子单粒子翻转截面
Figure 9. Electron-induced single-event upset cross section at different critical charge values.
图 10 不同临界电荷值下质子单粒子翻转截面
Figure 10. Proton-induced single-event upset cross section at different critical charge values.
图 11 各轨道3 mm铝屏蔽后平均电子和质子通量
Figure 11. Average electron and proton flux after 3 mm aluminum shielding for various orbits.
图 12 电子不同入射角度下的单粒子翻转截面 (a) 临界电荷为0.1 fC; (b) 临界电荷为0.2 fC; (c) 临界电荷为0.3 fC; (d) 临界电荷为0.4 fC
Figure 12. Single-event upset cross section for electrons at different incident angles: (a) Critical charge of 0.1 fC; (b) critical charge of 0.2 fC; (c) critical charge of 0.3 fC; (d) critical charge of 0.4 fC.
图 14 实验现场和样品辐照摆放位置示意图
Figure 14. Schematic diagram of the experiment site and sample irradiation arrangement.
图 15 FPGA单粒子效应在线测试系统框架图
Figure 15. Block diagram of the FPGA single-event effect online test system.
图 16 FPGA单粒子效应在线测试系统 (a)电源板; (b)控制板; (c)辐照板
Figure 16. FPGA single-event effect online test system: (a) Power supply board; (b) control board; (c) irradiation board.
图 18 质子辐照实验单粒子翻转截面
Figure 18. Single-event upset cross section for proton irradiation experiment.
表 1 典型地球轨道
Table 1. Typical earth orbits.
轨道 远地点高度/km 近地点高度/km 倾斜角/(°) GEO 35784 35784 0 MEO 26768 1000 63.4 LEO1 800 800 98 LEO2 400 400 51.5 GTO 35784 180 6 
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