文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了半導(dǎo)體器件中單粒子的概念、誘因和已知的效應(yīng)。

概述

我們知道，帶電離子穿透半導(dǎo)體材料的過程中，會與靶材原子發(fā)生交互作用，沿離子運動軌跡生成電子 - 空穴對，這一物理過程正是單粒子效應(yīng)的誘發(fā)根源。從作用機理來看，半導(dǎo)體器件及集成電路中單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生需經(jīng)歷三個核心階段，各階段的物理行為存在顯著差異：

其一為能量粒子的電荷沉積階段。高能粒子轟擊器件敏感區(qū)域時，通過兩種路徑實現(xiàn)電荷沉積：一是離子與器件基體材料直接碰撞引發(fā)的直接電離，使材料原子外層電子脫離束縛形成自由電荷；二是離子與被撞擊原子發(fā)生核反應(yīng)后，生成的二次粒子（如反沖核、γ 光子等）進一步與周圍材料作用，誘發(fā)間接電離并產(chǎn)生額外電荷。

其二是電離電荷的內(nèi)部傳輸階段。沉積的自由電荷在器件內(nèi)部的運動模式受區(qū)域電場特性調(diào)控：在高電場區(qū)域（如 PN 結(jié)耗盡層），單粒子觸發(fā)的電荷受電場力驅(qū)動，以定向漂移的形式快速移動；在中性區(qū)域（如襯底本體），電荷因濃度梯度差異呈現(xiàn)無規(guī)則擴散運動；此外，在部分具有特殊結(jié)構(gòu)的器件（如 CMOS 圖像傳感器、功率器件）中，電離電荷還會通過雙極放大效應(yīng)實現(xiàn)倍增式傳輸，顯著增強電荷遷移總量。

其三是敏感區(qū)域的電荷收集與干擾階段。當(dāng)傳輸?shù)碾姾杀黄骷舾袇^(qū)域（如存儲單元的電容結(jié)構(gòu)、邏輯單元的溝道區(qū)域）捕獲時，電荷的輸運過程會激發(fā)瞬時脈沖電流，該電流會打破器件原有電荷平衡狀態(tài)，對器件核心功能及關(guān)聯(lián)單元（如讀寫電路、時鐘模塊）造成干擾，最終表現(xiàn)為邏輯翻轉(zhuǎn)、功能失效等單粒子效應(yīng)現(xiàn)象。

隨著半導(dǎo)體工藝的持續(xù)迭代，器件特征尺寸從微米級向納米級縮減，半導(dǎo)體存儲器的電荷存儲容量隨之降低，導(dǎo)致其對單粒子電離效應(yīng)的敏感度呈指數(shù)級提升。這一工藝演進不僅加劇了傳統(tǒng)單粒子效應(yīng)的影響，還催生出電荷共享、多位翻轉(zhuǎn)等新型物理現(xiàn)象 —— 在超深亞微米工藝節(jié)點下，單個高能粒子撞擊產(chǎn)生的電荷會跨越相鄰存儲單元的邊界，引發(fā)多個單元同時發(fā)生邏輯翻轉(zhuǎn)，此類現(xiàn)象的發(fā)生頻率已大幅上升，成為當(dāng)前單粒子效應(yīng)機理研究中需重點突破的核心課題。

單粒子效應(yīng)誘因

單個空間帶電粒子穿越半導(dǎo)體材料時，單粒子效應(yīng)的誘發(fā)依托三類核心物理過程：重離子在材料中的直接電離、質(zhì)子的直接電離，或質(zhì)子通過核反應(yīng)生成反沖核后引發(fā)的電離。

電離過程源于具有特定有效電荷數(shù)的帶電離子與半導(dǎo)體硅材料原子的庫侖相互作用：在此過程中產(chǎn)生的二次高能電子（δ 射線），會在 1~100fs 的極短時間內(nèi)，通過能量損失與光子激發(fā)進一步擴展電離路徑，最終形成明確的電離徑跡結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體硅材料中，生成一個電子 - 空穴對的平均能量為 3.6eV（1.0eV=10?1?J）；而線性能量傳輸（LET）作為描述離子在傳輸材料中單位距離平均能量損失的關(guān)鍵參數(shù)，常用單位為 MeV?cm2/mg。在集成電路設(shè)計場景中，為對比器件物理尺寸與關(guān)鍵節(jié)點存儲電荷量，LET 單位可通過計算轉(zhuǎn)換為單位距離沉積電荷量（如 pC/μm 或 fC/μm）。例如，當(dāng)帶電離子的 LET 值為 98.0MeV?cm2/mg 時，其單位距離沉積電荷量約為 1.0 pC/μm。

電子器件與集成電路單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生機理，還與器件工藝、結(jié)構(gòu)及電路響應(yīng)密切相關(guān)，但其核心過程始終是電離 —— 高能帶電粒子穿越半導(dǎo)體器件材料時，通過能量損失形成電離電荷沉積。需特別注意的是，物理層面的電荷產(chǎn)生機理不僅包含上述電離過程，還涵蓋彈性與非彈性碰撞引發(fā)的核反應(yīng)過程。此外，隨著現(xiàn)代新型電子器件與集成電路在航天器電子設(shè)備系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，空間帶電粒子電離引發(fā)的電荷收集過程因兼具特殊性與復(fù)雜性，仍持續(xù)吸引科研人員深入探索。

不同單粒子現(xiàn)象的產(chǎn)生機理與核心過程存在差異，但所有單粒子效應(yīng)的共性基礎(chǔ)一致：要么是重離子在半導(dǎo)體材料中的直接電離，要么是質(zhì)子通過核反應(yīng)生成反沖核后的直接電離。在地面模擬實驗研究中，還可利用半導(dǎo)體材料對特定能量光子的吸收實現(xiàn)類重離子電離過程 —— 例如通過脈沖激光照射，即可在實驗室環(huán)境下模擬空間單粒子效應(yīng)。

對電子器件與集成電路而言，單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生包含四個明確的基本過程：

第一個過程是電荷沉積（即電離過程）：高能帶電粒子撞擊敏感區(qū)后，通過與半導(dǎo)體材料的庫侖相互作用，使材料原子的電子脫離原子核束縛，形成微米空間尺度的電子 - 空穴對分布；

第二個過程是電荷輸運：電離產(chǎn)生的電子 - 空穴對（載流子）在器件溝道區(qū)、耗盡層區(qū)等不同區(qū)域內(nèi)，通過漂移與擴散運動實現(xiàn)電離電荷的分離；

第三個過程是敏感節(jié)點電荷收集：帶電粒子的電離徑跡可能穿越一個或多個 PN 結(jié)，該過程的核心是分析獨立 PN 結(jié)（可能處于反偏或正偏狀態(tài)）的電荷收集特性；

第四個過程是器件與電路響應(yīng)：其關(guān)鍵特征為器件內(nèi)部敏感節(jié)點單元狀態(tài)改變所需的最小電荷，即臨界電荷 Q?。臨界電荷概念最初用于對比數(shù)字電路的單粒子效應(yīng)敏感性，實際應(yīng)用中可擴展至其他類型單粒子效應(yīng)的敏感性分析。如圖 1 所示，為單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的基本過程及對航天器電子設(shè)備系統(tǒng)影響的示意圖。

重離子與高能質(zhì)子通過電離過程在電子器件材料中實現(xiàn)能量沉積時，會在離子運動路徑的 PN 結(jié)近區(qū)形成稠密的等離子體柱 —— 即電子 - 空穴對徑跡。該徑跡中，僅有小部分電離電荷會發(fā)生復(fù)合，大部分電荷則被 PN 結(jié)的接觸節(jié)點捕獲；除 PN 結(jié)近區(qū)的電荷收集外，電荷還可通過聚集與擴散過程，在 PN 結(jié)以外區(qū)域收集重離子、高能質(zhì)子電離產(chǎn)生的電荷，例如通過擴散方式在 PN 結(jié)耗盡層區(qū)完成電荷收集。上述電荷收集過程的最終結(jié)果，是在離子撞擊路徑所經(jīng)過的內(nèi)部電路敏感節(jié)點上，產(chǎn)生持續(xù)時間較短的脈沖電流或脈沖電壓。

從單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的角度來看，帶電離子通過電離形成的沉積電荷量，主要受三方面因素調(diào)控：首先體現(xiàn)在帶電離子的特性參數(shù)，包括離子能量、離子類型及電荷態(tài)；其次關(guān)聯(lián)于電子器件或集成電路的物理結(jié)構(gòu)與工藝特性，具體涵蓋電荷沉積的有效路徑深度與電荷收集的有效路徑長度；最后取決于電子器件或集成電路的電路響應(yīng)特性，例如電路對電流脈沖的敏感性 —— 這一特性與電路狀態(tài)改變所需的電壓電容、電路響應(yīng)時間等參數(shù)密切相關(guān)。

通常情況下，在硅基電子器件或集成電路中，帶電離子形成沉積電荷的時間處于 200ps 范圍內(nèi)。在此時間段內(nèi)，帶電離子沉積的大部分電荷會被集成電路敏感節(jié)點收集，在電路層面表現(xiàn)為瞬態(tài)電流脈沖或瞬態(tài)電壓脈沖。值得注意的是，這類脈沖中還存在由電荷擴散引發(fā)的延遲成分，該延遲成分的持續(xù)時間可延長至 1μs 甚至更久，而這一延遲成分正是慢速響應(yīng)單粒子效應(yīng)（SEE）的重要誘因之一，例如動態(tài)存儲器中的單粒子翻轉(zhuǎn)、CMOS 電路的鎖定等單粒子現(xiàn)象，主要便是由該延遲成分誘發(fā)。

在單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的電路響應(yīng)過程中，臨界電荷 Q?是表述單粒子現(xiàn)象特征的核心概念，其定義為數(shù)字電路或集成電路內(nèi)部敏感節(jié)點單元發(fā)生單粒子效應(yīng)狀態(tài)變化所需的最小電荷量，主要用于表征單粒子效應(yīng)敏感性的電路特性。對 MOS 器件而言，臨界電荷的大小由電路分布參數(shù)決定：可先根據(jù)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算靈敏區(qū) PN 結(jié)的勢壘電容、柵電容，并估算寄生電容大小，再依據(jù)電容串并聯(lián)關(guān)系得到總電容，總電容與高低電平差的乘積即為臨界電荷 —— 在此情況下，臨界電荷與帶電粒子電離沉積電荷的數(shù)值差異較小。而對雙極性器件而言，臨界電荷與帶電粒子電離沉積電荷的數(shù)值差異則較為懸殊。在實際應(yīng)用中，由于部分器件參數(shù)無法精準(zhǔn)獲取，僅能估算臨界電荷的分布范圍；此外，從電路工藝水平來看，同一批次器件的靈敏結(jié)寄生電容本身存在變化區(qū)間，這也導(dǎo)致臨界電荷會在一定范圍內(nèi)波動。

從電子器件與集成電路響應(yīng)的角度出發(fā)，單粒子效應(yīng)可劃分為兩大類，即單粒子誘發(fā)軟錯誤（Single-event Soft Error，SSE）與單粒子誘發(fā)硬錯誤（Single-event Hard Error，SHE）。以 MOS 晶體管為例，圖 2 給出了電子器件和集成電路單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的基本物理過程示意圖。

其中，單粒子誘發(fā)軟錯誤主要包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子瞬態(tài)（SET）等；單粒子誘發(fā)硬錯誤則涵蓋單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）、單粒子?xùn)艙舸⊿EGR）等。隨著半導(dǎo)體器件與集成電路制造工藝的持續(xù)發(fā)展，單粒子效應(yīng)的類型逐漸增多，目前在傳統(tǒng)電子器件與集成電路中已發(fā)現(xiàn)的單粒子效應(yīng)主要有：存儲器件的單粒子翻轉(zhuǎn)、模擬及數(shù)字器件的單粒子瞬態(tài)脈沖、CMOS 器件的單粒子鎖定、功率器件的單粒子燒毀與單粒子?xùn)艙舸┑取?/p>

已知的單粒子效應(yīng)

在電子器件與集成電路中，若單個帶電粒子入射導(dǎo)致一個鎖存器或存儲單元的輸出信號出現(xiàn)錯誤，且該錯誤輸出可通過操作器件的一個或多個相關(guān)功能模塊糾正，則判定為發(fā)生單粒子誘發(fā)軟錯誤，除上述單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)脈沖外，還包括單粒子功能中斷等類型。若單個帶電粒子入射導(dǎo)致器件性能產(chǎn)生不可逆變化，且該變化通常造成器件一個或多個模塊、甚至整個器件的永久性損傷，則判定為發(fā)生單粒子誘發(fā)硬錯誤，具體包含單粒子鎖定、單粒子?xùn)艙舸?、單粒子燒毀等類型。以下將對已被認(rèn)知的主要單粒子效應(yīng)進行概念化介紹。

1. 單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset，SEU）

單粒子翻轉(zhuǎn)是單個高能帶電粒子（質(zhì)子或重離子）通過誘發(fā)瞬態(tài)信號變化，導(dǎo)致電子器件與集成電路產(chǎn)生軟錯誤的現(xiàn)象。其物理過程表現(xiàn)為：當(dāng)宇宙空間高能帶電粒子穿越電荷存儲單元時，會在耗盡層及近區(qū)沉積能量，形成由電子 - 空穴對構(gòu)成的等離子體徑跡柱；該徑跡柱內(nèi)的電荷在電場作用下向敏感節(jié)點聚集并被收集，若收集電荷量超過節(jié)點臨界電荷值，存儲單元狀態(tài)即發(fā)生翻轉(zhuǎn)。若入射粒子為高能質(zhì)子，其會通過核非彈性相互作用生成二次粒子，當(dāng)二次粒子沿傳播路徑沉積的電荷量滿足節(jié)點收集需求時，同樣會改變鄰近存儲單元狀態(tài)，引發(fā)翻轉(zhuǎn)。

SEU 作為軟錯誤，僅改變存儲單元狀態(tài)而不損壞器件，可通過刷新數(shù)據(jù)糾正。從器件應(yīng)用來看，SRAM 的 SEU 多發(fā)生于存儲單元內(nèi)部，NAND Flash 的 SEU 則常見于存儲單元浮柵與頁緩沖器。隨著器件工藝迭代，存儲單元結(jié)構(gòu)愈發(fā)致密，相鄰敏感節(jié)點間距縮小，臨界電荷值隨之降低，此時單個粒子入射可能導(dǎo)致兩個及以上相鄰存儲單元同時翻轉(zhuǎn)，即單粒子多位翻轉(zhuǎn)。目前已觀測到先進工藝下的兩類多位翻轉(zhuǎn)：一是單個字節(jié)內(nèi)多 bit 翻轉(zhuǎn)，二是相鄰物理地址的多個存儲單元同步翻轉(zhuǎn)，此類現(xiàn)象的防護設(shè)計已成為納米器件空間應(yīng)用的核心技術(shù)挑戰(zhàn)。

2. 單粒子瞬態(tài)（Single Event Transient，SET）

單粒子瞬態(tài)是單個高能帶電粒子（質(zhì)子或重離子）誘發(fā)的電壓 / 電流擾動信號，在電子器件與集成電路內(nèi)傳播時引發(fā)錯誤的現(xiàn)象。其誘發(fā)機制為：宇宙空間高能帶電粒子穿越 PN 結(jié)（單個或多個）時，在耗盡層及近區(qū)沉積能量并形成電子 - 空穴對等離子體徑跡柱，柱內(nèi)電荷在電場作用下被節(jié)點收集，進而產(chǎn)生瞬態(tài)電流脈沖；該脈沖沿電路單元鏈路傳播時，會導(dǎo)致電路單元狀態(tài)錯誤。若入射粒子為高能質(zhì)子，其生成的二次粒子若在傳播路徑中沉積足夠電荷并被 PN 結(jié)單元收集，同樣會形成瞬態(tài)電流脈沖，最終引發(fā)電路狀態(tài)變化。

SET 屬于軟錯誤，僅改變電路邏輯單元狀態(tài)而不損傷器件，可通過刷新邏輯數(shù)據(jù)恢復(fù)。不同工藝器件的 SET 發(fā)生區(qū)域存在差異：雙極性工藝制作的運算放大器、電壓比較器中，SET 多源于內(nèi)部敏感晶體管，擾動信號經(jīng)晶體管鏈路傳播后，會在器件輸出端形成瞬態(tài)脈沖電流以改變電路狀態(tài)；MOS 數(shù)字器件的 SET 電流則主要產(chǎn)生于內(nèi)部晶體管的體區(qū)與漏極區(qū)。隨著器件工藝精細(xì)化，存儲單元臨界電荷降低，SET 的誘發(fā)概率上升，其防護設(shè)計已成為邏輯器件與數(shù)字器件空間應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

3. 單粒子鎖定（Single Event Latchup，SEL）

單粒子鎖定是單個高能帶電粒子（質(zhì)子或重離子）穿越器件敏感區(qū)域時，觸發(fā)寄生結(jié)構(gòu)導(dǎo)通，進而誘發(fā)反常高電流狀態(tài)的現(xiàn)象，會導(dǎo)致器件功能失常。SEL 本質(zhì)是寄生 PNPN 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的低阻高電流效應(yīng)，在 CMOS 器件中最為常見。器件進入鎖定狀態(tài)后，僅需較低電壓即可維持該狀態(tài)，同時產(chǎn)生的大電流會使器件內(nèi)部溫度急劇升高，若未及時干預(yù)，可能導(dǎo)致器件因過熱損毀；僅當(dāng)切斷供電電壓至低于鎖定臨界電壓時，器件才可恢復(fù)正常狀態(tài)。

4. 單粒子燒毀（Single Event Burnout，SEB）

單粒子燒毀是單個高能帶電粒子（質(zhì)子或重離子）穿越功率器件敏感區(qū)域時，使寄生晶體管導(dǎo)通并引發(fā)雪崩過程，最終形成反常大電流的現(xiàn)象，會導(dǎo)致器件內(nèi)部 MOSFET 單管功能失常及永久性損壞，屬于硬錯誤。SEB 主要發(fā)生于功率 MOSFET 器件中，近年來在 SiC 二極管等新型高功率器件中，也觀測到重離子誘發(fā)的類 SEB 現(xiàn)象。其核心機制是雪崩過程產(chǎn)生的大電流突破器件耐受極限，造成不可逆的結(jié)構(gòu)損傷。

5. 單粒子?xùn)艙舸⊿ingle Event Gate Rupture，SEGR）

單粒子?xùn)艙舸┦菃蝹€高能帶電粒子（質(zhì)子或重離子）穿越器件敏感區(qū)域時，導(dǎo)致 MOSFET 柵極介質(zhì)擊穿，使柵 - 漏兩極永久短路、柵極漏電流增大，最終造成器件永久性損傷的硬錯誤。SEGR 與 SEB 同屬功率器件常見故障，除功率 MOSFET 外，在 NAND Flash 器件中也可觀測到此類現(xiàn)象 —— 尤其當(dāng)重離子垂直入射時，NAND Flash 對 SEGR 的敏感性顯著提升，這對先進工藝 NAND Flash 在空間或強輻射環(huán)境中的應(yīng)用構(gòu)成嚴(yán)重制約。

6. 單粒子功能中斷（Single Event Functional Interrupt，SEFI）

單粒子功能中斷是單個高能帶電粒子（質(zhì)子或重離子）入射引發(fā)器件部分模塊重啟、鎖定或其他可檢測功能性失常的現(xiàn)象，無需通過電源反復(fù)開關(guān)恢復(fù)功能（與 SEL 存在差異），且不造成永久性損傷，屬于軟錯誤。SEFI 多出現(xiàn)于微處理器（CPU）、信號處理器（DSP）等復(fù)雜器件中：當(dāng)此類器件工作時，粒子誘發(fā)的翻轉(zhuǎn)若發(fā)生在內(nèi)部寄存器或鎖存器，會導(dǎo)致控制功能失常，進而引發(fā)功能中斷。例如，CPU 內(nèi)部寄存器翻轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致程序執(zhí)行路徑紊亂，造成系統(tǒng)死機；NAND Flash 內(nèi)部微控制器若出現(xiàn)此類錯誤，會使其控制的編程、擦除等操作失效。

除上述 6 類主要單粒子效應(yīng)外，在地面模擬試驗與空間飛行試驗中，還觀測到其他單粒子現(xiàn)象，如單粒子擾動（Single Event Disturb，SED）。SED 與單粒子瞬態(tài)脈沖類似，核心表現(xiàn)為數(shù)字電路存儲單元邏輯狀態(tài)出現(xiàn)瞬時改變，其對電路功能的影響需結(jié)合具體應(yīng)用場景進一步分析。