一种利用SRAM存储器进行中子辐射环境监测的方法

摘要

本发明属于辐射探测领域，涉及一种利用SRAM存储器进行中子辐射环境监测的方法，包括以下步骤：1】对不同型号的SRAM存储器分别进行中子辐射标定，绘制数据翻转数与中子注量的关系曲线；2】筛选数据翻转数与中子注量呈线性关系的SRAM存储器型号N，并将拟合曲线的斜率作为所述SRAM存储器型号N的中子单粒子效应翻转截面；3】将型号为N的SRAM存储器置于待监测的中子辐射环境，绘制数据翻转数与辐射时间的关系曲线。本发明采用的方法是利用SRAM存储器的中子单粒子翻转效应所具有的线性、无阈的特点，实现反应堆、中子加速器等中子辐射环境的中子注量监测，实验结果表明，该方法在很低的中子注量条件下仍可以保持较高的测量准确性。

说明书

技术领域

本发明属于辐射探测领域，涉及一种利用SRAM存储器进行中子辐射环境监测的方法。

背景技术

中子辐射环境一般由反应堆、加速器等设施产生，对中子辐射环境的监测是研究核装置性能的必要手段之一，通过监测中子辐射环境可以用于分析核设施的运行是否稳定；同时中子辐射环境的测量对于利用中子辐射环境进行核技术应用研究十分重要，中子辐射参数测量的准确度是开展相关研究的重要前提。

目前反应堆、中子加速器等中子辐射参数的测量通常采用活化箔测量等方法，这种方法不能进行实时测量，需要累积一定注量的中子后才能进行测量，但在低注量条件下测量误差较大，而且活化箔的测量过程中带有一定的放射性，对测试人员造成不利影响。

发明内容

为了解决现有的中子辐射参数测量方法在低注量条件下测量误差大且存在放射性的技术问题，本发明提供一种利用SRAM存储器进行中子辐射环境监测的方法。

本发明的技术解决方案是：一种利用SRAM存储器进行中子辐射环境监测的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】对不同型号的SRAM存储器分别进行中子辐射标定，绘制数据翻转数与中子注量的关系曲线；

2】筛选数据翻转数与中子注量呈线性关系的SRAM存储器型号N，并将拟合曲线的斜率作为所述SRAM存储器型号N的中子单粒子效应翻转截面；

3】将型号为N的SRAM存储器置于待监测的中子辐射环境，绘制数据翻转数与辐射时间的关系曲线；数据翻转数与所述中子单粒子效应翻转截面的比值用于表征中子辐射的累积注量；数据翻转数与时间的关系曲线的线性度用于表征中子辐射的注量稳定性。

较佳的，步骤1】具体包括以下步骤：

1.1】选取要进行中子辐射标定的多种型号的SRAM存储器；

1.2】选取一种型号的SRAM存储器进行全参数测试，筛选出参数差异性小于5％的样本，将得到的性能指标参数作为参考标准；

1.3】从步骤1.2】筛选出的样本中任意选择多只SRAM存储器进行辐照实验，得到该型号SRAM存储器的电离辐射总剂量失效阈值；

1.4】在步骤1.2】筛选出的剩余样本中任意选择多只SRAM存储器进行中子单粒子效应实验，绘制数据翻转数与中子注量的关系曲线；

1.5】重复执行步骤1.2-1.4】，直至完成全部型号SRAM存储器的数据翻转数与中子注量的关系曲线的绘制；

较佳的，步骤1.3】中的辐照实验是在钴源上开展的γ射线辐照实验；辐照前在SRAM存储器的所有逻辑地址中写入初始值，辐照过程中对SRAM存储器加偏置并进行数据回读，当回读数据出现错误时的辐照剂量值为电离辐射总剂量失效阈值；在所写入的初始值中，逻辑“0”和“1”的数量相等。

较佳的，在步骤1.4】的中子单粒子效应实验中，辐照前在SRAM存储器的所有逻辑地址中写入初始值，辐照过程中对SRAM存储器加偏置并进行数据回读，获得数据翻转数和中子注量的关系；在所写入的初始值中，逻辑“0”和“1”的数量相等。

较佳的，步骤1.4】中的反应堆伴生γ总剂量低于步骤1.3】中确定的电离辐射总剂量失效阈值。

较佳的，在步骤1.4】的中子单粒子效应实验中，中子辐射的功率恒定。

较佳的，步骤1.4】中进行中子单粒子效应实验的SRAM存储器的数量大于或者等于步骤1.3】中进行辐照实验的SRAM存储器的数量。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用的方法是利用SRAM存储器的中子单粒子翻转效应所具有的线性、无阈的特点，实现反应堆、中子加速器等中子辐射环境的中子注量监测，实验结果表明，该方法在很低的中子注量条件下仍可以保持较高的测量准确性。

(2)本发明选用商用SRAM器件进行中子注量实时监测，避免样品活化对测试人员的影响，方法成本低廉，容易实现。

附图说明

图1为本发明利用SRAM存储器进行中子辐射环境监测的较佳实施例的方法流程图。

图2为不同型号SRAM存储器的数据翻转数与中子注量的关系曲线。

图3为不同型号SRAM存储器的中子单粒子效应翻转截面。

具体实施方式

单粒子效应是由于单个射线粒子与微电子器件敏感区域相互作用而引起的电离辐射损伤效应，单粒子效应可以导致数字电路的存储数据发生翻转，使电子系统的功能紊乱。随着半导体工艺集成度的提高，CMOS工艺集成电路的特征工艺尺寸不断减小，对单粒子效应也越来越敏感。虽然单粒子效应对于电子系统的可靠性产生了严重影响，但是由于单粒子效应是一种随机性效应，其线性、无阈的效应特点却可以被用来实现辐射环境粒子束流的监测。

按单粒子效应的特性大体可分为非破坏性和破坏性两类。前者称为软错误效应，后者称为硬错误效应。其中，单粒子翻转(SEU)效应属于软错误效应。通过中子与材料的相互作用和辐射损伤机理的分析，将SRAM器件的中子单粒子翻转效应的产生过程分为三步，第一步是中子入射到器件中，并与器件材料相互作用产生电离能量沉积进而转换为电荷沉积；第二步是沉积的电荷被器件的电极所收集，产生瞬态电流。第三步是瞬态电流对SRAM电路产生影响，产生单粒子翻转。

通常，粒子通过两种过程在器件内产生电离能量沉积：粒子自身与材料发生电离作用的直接电离过程和通过碰撞反应产生的次级粒子电离器件材料的间接电离过程。中子自身不带电，发生直接电离过程的可能性极小。当入射中子与半导体材料的晶格原子的直接相互作用后将产生大量次级粒子，这些次级粒子的类型、能量以及产物的份额比等参数与入射中子的能量和晶格原子的类型相关。通常，产生的次级粒子的质量数较大，且带有一定量的电荷，因此能够通过直接电离的方式在器件中产生较高的电离能量沉积。电离能量沉积与产生的电荷量在给定的器件中存在着相应的换算关系，换算的比值与器件材料的禁带宽度相关。例如要产生一个电子空穴对，在硅材料中需要消耗3.6eV的电离能量，而在砷化镓材料中需要消耗4.8eV的电离能量。从这个换算关系可以得出，粒子产生的电荷沉积分布与其产生的电离能量沉积分布极为相似。对于不同能量不同类型的入射离子，存在着一个沿径迹变化的电荷密度，即形成所谓的能量沉积布拉格峰。低能离子的射程较短，沉积的电荷更为集中；而高能离子的射程较大，因此能在较大范围内产生电荷沉积。

在反偏的PN结附近存在强电场，导致PN结对其耗尽区域内产生电荷的收集效率非常高，因此认为，反偏PN结是半导体器件的单粒子效应敏感区域。当高能带电粒子射入到器件反偏PN结的耗尽区时，将引起耗尽区原子的电离，产生高密度的等离子体，并在沿着粒子径迹方向上形成一个电离通道。若粒子的能量足够高，那么产生的电离通道可进入衬底区域。这种形状像漏斗(Funnel)的电离等离子区的等离子体密度可较衬底掺杂浓度高出几个数量级，这样等离子体周围的耗尽层被中和并消失，加在结上的电场被推进到衬底内部。等离子区域内的载流子在漏斗状电场作用下快速分离并向电极处漂移，开始电荷收集，随着通道内等离子体密度的减小，耗尽层逐渐形成，并结束电荷收集。整个电荷收集过程的持续时间约在皮秒量级。这种漂移收集机理称为漏斗效应，该效应使瞬间收集的总电荷远远超过粒子在耗尽区沉积的电荷。这些被电极收集的电荷会在节点处形成一个瞬态电流，瞬态电流的峰值大小，脉冲宽度、持续时间以及波形的形状与粒子入射器件的部位、粒子产生的初始电荷沉积分布以及PN结反偏电压等参数相关。

SRAM存储单元的本质是一个双稳态触发电路，其存储核心是一对交叉耦合的反相器。在稳定状态时双稳电路仅有两个稳定的状态。其中一边为高电平，另一边为低电平，代表存储的数值为“1”或“0”。由于闭环结构的正反馈作用，单元核心能保持其存储的数据不会丢失。当高能粒子入射SRAM存储单元的敏感区域，如处于截止状态的NMOS管漏区，发生电荷收集的漏斗效应，并在该漏极产生瞬态的收集电流。瞬态收集电流流过截止NMOS管时，需要从恢复晶体管(处于开启状态的PMOS管)吸取电流。然而恢复晶体管的电流驱动能力和沟道电导率都是有限的，当从恢复晶体管吸取过量的电流时，就会在恢复晶体管的漏端产生一个压降，即粒子入射产生的电压瞬态响应，是产生单粒子翻转的诱导机制。这个电压的瞬态响应与SRAM单元正常写入的脉冲相类似，最终导致错误的状态被锁存到SRAM单元中。SRAM单元有4个可能的粒子射入敏感区域，即SRAM单元内部的4个晶体管漏区，这些漏区与阱或衬底形成PN结。漏结在粒子入射后的电荷收集结果与漏结所处的位置相关，其原因是阱-衬底PN结的势垒将阻止电荷从阱内漏端向衬底扩散，降低了电荷收集的深度。如果粒子入射到衬底上的关断状态晶体管的漏区，衬底深处的电荷在漏斗电场的作用下扩展到漏区，通常情况下这是器件单粒子翻转效应最敏感的区域。当粒子入射到衬底上开启状态晶体管的漏区，初始的漂移电流会升高节点电压，加强了存储的逻辑状态，不会引起SEU。如果粒子入射到P阱内关断状态NMOS管的漏区，初始的漂移电流会拉低关断节点的电势，电路开始发生翻转。瞬态产生的空穴被P阱收集，抬升了P阱的电势，使源区向阱内注入电子，就会产生阱内的寄生双极晶体管效应。衬底因与VDD相连，在收集到电子后其电势不发生变化，因而对翻转不产生贡献。N漏区收集的电子为寄生双极晶体管的基区注入了电流，该电流的方向与初始漂移电流的方向一致，并加剧了单粒子翻转。这将是小尺寸器件单粒子翻转的重要机制。当粒子射入P阱内导通NMOS管的漏区，粒子径迹使两个初始电势差为VDD的N型区域相通时，则产生的分流电流使该节点电压升高，开始翻转过程。随着节点电压的升高，分流电流的两端电势差会逐渐消失，限制了节点电压的继续升高。另外P阱收集的空穴会引发寄生双极晶体管效应，放大的双极晶体管电流趋向于恢复节点的初始状态，阻止的翻转的继续。对于小尺寸器件，寄生双极晶体管效应占优，因此，该漏区的粒子入射不会产生单粒子翻转。最终，SRAM单元中的SEU敏感区域为2个，均为关断状态的晶体管漏区。

中子与材料相互作用产生的次级粒子入射到CMOS工艺的晶体管，在粒子路径上电离出大量电子空穴对，形成高密度的等离子体，在器件内产生漏斗效应。其形成的漏斗区域的规模主要与入射粒子的能量和类型、器件的材料以及参杂浓度等相关。当入射粒子的类型和能量以及器件材料和掺杂不发生较大改变时，粒子产生的电荷漏斗的规模也不会发生较大改变。漏斗效应会对漏斗区域内所有电路节点的瞬时状态同时施加影响。对于微米级器件，粒子电离形成的漏斗区域被限制在晶体管漏极与衬底之间的PN结内，漏斗效应仅影响到漏极与衬底间的PN结。如果是超深亚微米器件，由于器件的几何结构较小，入射粒子电离产生的漏斗区域可能跨越整个单元以及附近的阱接触，甚至将邻近的单元也包含在内，那么，漏斗区的电荷将会对区域内多个电路节点产生影响。由此，中子入射到小尺寸器件中，会在多个电路节点产生瞬态电流，从而改变了最终的电路响应。除了对影响的节点范围发生变化外，漏斗区域电荷的空间分布会导致器件的寄生效应的产生，从而改变节点对电荷的收集效率。综上所述，由于SRAM器件几何尺寸的变化带来了器件对沉积电荷的收集过程发生改变，进而通过敏感体积与临界电荷影响到中子在SRAM器件的能量及电荷沉积概率、入射中子能量阈值、SEU截面以及多位翻转截面等一系列的变化。这些改变是导致SRAM器件低能中子单粒子效应发生改变的主要因素。

如图1所示，本发明利用SRAM存储器进行中子辐射环境监测的较佳实施例步骤流程如下：

(1)选择不同特征工艺尺寸的商用SRAM存储器同批次样本，并对器件样本进行全参数测试，得到该器件的各项性能指标参数作为参考标准。筛选出一致性良好的样本作为辐照对象，样本参数一致性差异应小于5％。

(2)在每种特征工艺尺寸的器件样本中选择6只器件在钴源上开展电离辐射总剂量实验，辐照前在器件的存储单元中均匀的写入0和1，辐照过程中器件加偏置，并进行回读操作。当回读数据出现错误时，辐照的剂量值为样本的总剂量效应失效阈值。

(3)在每种特征工艺尺寸的器件样本中选择不少于6只器件在反应堆或中子加速器等中子辐射环境下进行辐照标定，辐照前在器件的存储单元中均匀的写入0和1，辐照过程中器件加偏置，并不断进行回读操作，记录数据翻转数与时间的关系。辐照过程中反应堆或中子加速器功率应保持恒定，利用活化箔方法计量最终累积的中子注量。同时反应堆伴生γ总剂量应不超过SRAM存储器总剂量效应阈值。

(4)对中子单粒子效应的实验结果进行分析，由于功率恒定，可认为积分注量除以时间为恒定的注量率。得到不同特征工艺尺寸SRAM器件翻转数和注量的关系，将线性度良好的器件类型保留，其他的器件类型剔除。例如图2中HM6116和HM6264两种器件就应剔除，而线性度良好的HM62V8100和HM628512两种器件应保留。

(5)计算筛选出SRAM器件的中子单粒子效应翻转截面(翻转数和中子注量的比值)，并作为标定结果。图3中为中子单粒子效应翻转截面与特征工艺尺寸的关系，翻转截面较大的器件更适合低注量率条件下中子辐射环境的测量。

(6)将已获得中子单粒子翻转截面的SRAM器件型号用于反应堆或中子加速器等中子辐射环境的注量稳定性及累积注量的监测，数据翻转数和翻转截面的比值即为中子注量，线性度的优劣可以表征中子注量率的稳定性。