單粒子效應(yīng)與輻射測試趙雷2014-6-4主要內(nèi)容單粒子效應(yīng)介紹輻射測試的基本原理與技術(shù)ATLASPixelDetector的升級及其FrontEndChip的SEU測試基于FPAGSEU測試系統(tǒng)的設(shè)計近代信息處理課件2單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng) --MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件3半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)近代信息處理課件4TID(總離子劑量效應(yīng))TID是通過累積劑量引起器件參數(shù)的逐漸變化。對于CMOS器件，TID效應(yīng)會引起閾值電壓的漂移、轉(zhuǎn)換速率降低，對于雙極型器件，TID效應(yīng)主要是降低元件的增益(晶體管的放大倍數(shù))。每一個半導(dǎo)體器件都有它的TID指標(biāo)，即在它的特性顯著變壞前所能夠承受的總吸收劑量，當(dāng)輻照超過這個指標(biāo)后，元件將出現(xiàn)永久性故障。該指標(biāo)用Rad(1克Si中吸收的輻照能量)來表示。衛(wèi)星電子學(xué)應(yīng)用對電子設(shè)備的TID指標(biāo)要求一般在10KRad(Si)量級以上，對于一般的元件(尤其是軍工級或宇航級)這個指標(biāo)通常都可以達到，例如Xilinx給出的Virtex-IIQProFPGA(航天級器件)的TID指標(biāo)在200KRad(Si),NS公司提供一個報告表明,它的COTS系列產(chǎn)品TID指標(biāo)都在10KRad(Si)以上。近代信息處理課件5單粒子效應(yīng)（SingleEventEffect）單粒子效應(yīng)（SEE,singleeventeffect）產(chǎn)生自單個高能粒子（single,energeticparticle）。單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU,singleeventupset)產(chǎn)生的可能性由WallmarkandMarcus在1962年首次提出。1975年美國發(fā)現(xiàn)通信衛(wèi)星的數(shù)字電路JK觸發(fā)器由于單個重核粒子的作用被觸發(fā)。陸續(xù)發(fā)現(xiàn)陶瓷管殼所含的微量放射性同位素鈾和釷放出的α粒子以及宇宙射線中的高能中子、質(zhì)子、電子等,都能使集成電路產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。進一步的模擬試驗和在軌衛(wèi)星的測試證實:幾乎所有的集成電路都能產(chǎn)生這種效應(yīng)。近代信息處理課件6單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng)

--MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件7單粒子效應(yīng)的分類非破壞性的單粒子效應(yīng)(SoftError) --單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU:SingleEventUpsets） --單粒子瞬變效應(yīng)（SET:SingleEventTransient）災(zāi)難性單粒子效應(yīng)(HardFailure) --單粒子鎖定（SEL:SingleEventLatchup） --單粒子燒毀（SEB:SingleEventBurnout） --單粒子門斷裂（SEGR:SingleEventGateRupture）近代信息處理課件8單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）單粒子翻轉(zhuǎn)事件是指高能粒子撞擊大規(guī)模集成電路的靈敏區(qū)，發(fā)生電離反應(yīng)或核反應(yīng)，產(chǎn)生電荷沉積，當(dāng)沉積的電荷足以改變儲存單元的邏輯狀態(tài)時，就發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)事件。這種改變一般不損壞器件，只是儲存單元的信息改變，仍可完成讀寫操作，稱為軟誤差。單粒子翻轉(zhuǎn)主要發(fā)生在靜、動態(tài)存儲器(SRAM、DRAM)和CPU芯片內(nèi)的各類功能寄存器、存儲器中。它使儲存的信息改變了，這些改變?nèi)绨l(fā)生在一些控制過程的中間運算時，可以導(dǎo)致控制失誤，有時結(jié)果是災(zāi)難性的。近代信息處理課件9單粒子翻轉(zhuǎn)從1975年提出單粒子翻轉(zhuǎn)事件以來，國外已對此效應(yīng)研究了20多年，在各類軌道的衛(wèi)星上和各種加速器上進行了多種芯片實驗，研究SEU產(chǎn)生與器件材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝的關(guān)系，考查了其產(chǎn)生與空間環(huán)境、太陽活動和飛行器軌道的相關(guān)性。我國在1994年2月8日發(fā)射的“實踐4號”衛(wèi)星上進行了第一次空間單粒子事件研究。星載的“靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)事件探測儀”測得了1MbitSRAM在軌道上每天約有3.5個單粒子事件的翻轉(zhuǎn)率（3.5×10-6/bitperday）及其隨L坐標(biāo)的分布。近代信息處理課件10單粒子瞬變效應(yīng)（SET）單粒子瞬變效應(yīng)主要發(fā)生在線性電路中，如組合邏輯電路、I/O器件及空間應(yīng)用的光纖系統(tǒng)等。在高能粒子的作用下此類器件會輸出足以影響下級電路的瞬時脈沖。使用加速器進行重離子、質(zhì)子的照射后，記錄到發(fā)生單粒子瞬變的器件有比較器及光電耦合器等。這些器件的瞬時變化導(dǎo)致其在不該有輸出信號時卻有了輸出。對比較器的實驗是在BNL和TAM的回旋加速器（重離子）和ICUF（質(zhì)子）加速器上進行的。實驗顯示在高能重離子、質(zhì)子作用下，比較器的輸出會產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，脈沖幅度高達26V，持續(xù)時間1~4us。光耦合器由發(fā)光二極、光電二極管及跟隨電路組成。光耦合器的SET效應(yīng)在1997年2月14日SM-2對Hubble空間望遠鏡上安裝的新儀器作調(diào)試服務(wù)時發(fā)現(xiàn)的。近代信息處理課件11單粒子瞬變效應(yīng)（SET）近代信息處理課件12單粒子鎖定(SEL:SingleEventLatchup)單粒子引起的鎖定是由高能帶電粒子穿過芯片靈敏區(qū)的一些特殊路徑時，會在P阱襯底結(jié)中沉積大量電荷，瞬時電荷流動形成的電流，在P阱電阻上產(chǎn)生壓降，使寄生n-p-n晶體管的基--射極正偏而導(dǎo)通，當(dāng)電流存在的時間足夠長，最終導(dǎo)致鎖定發(fā)生。一旦鎖定發(fā)生，對系統(tǒng)危害是很大的。因為在幾十毫秒時間內(nèi)，過芯片電流會驟增到正常工作電流的幾十倍甚至于上百倍，在沒有采取適當(dāng)保護措施條件下，很容易燒毀芯片和系統(tǒng)。Kolasinski等人在1979年的地面測試中首次發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定現(xiàn)象。近代信息處理課件13單粒子燒毀(SEB)與單粒子門斷裂(SEGR)在空間和地面加速器實驗上都觀察到了功率場效應(yīng)管受重離子、高能質(zhì)子、中子照射后，會發(fā)生單粒子燒毀事件;在特殊偏壓下，重離子撞擊器件靈敏區(qū)的某些特殊位置時，會發(fā)生單粒子門斷裂事件。1994年8月3日發(fā)射的APEX衛(wèi)星上(橢圓軌道，2544km、362km，70°傾角)，研制了專門的裝置，對兩種不同額定電壓的功率場效應(yīng)管(2N6796、2N6798各12片)進行了單粒子燒毀事件實驗。由監(jiān)測和記錄燒毀前產(chǎn)生的尖脈沖，記錄了由重離子和質(zhì)子引起的燒毀事件。功率場效應(yīng)管發(fā)生SEB或SEGR是與它的工作模式(偏壓選擇)、人射粒子的角度和能量、選用的漏一源電壓及溫度有關(guān)。對SEB，它是由離子撞擊一個n-道功率場效應(yīng)管產(chǎn)生能量沉積，使雜散雙極節(jié)的晶體管導(dǎo)通，負反饋作用使源-漏發(fā)生短路，導(dǎo)致器件燒毀。而SEGR，則當(dāng)功率場效應(yīng)管在適當(dāng)?shù)钠珘合?，重離子在器件硅一氧化物界面產(chǎn)生電荷，使通過門氧化物的電壓足夠高，會使局部門斷裂。近代信息處理課件14單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng)

--MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件15單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制SEU主要由兩種不同的空間輻射源導(dǎo)致： 1) 高能質(zhì)子； 2) 宇宙射線，特別是太陽風(fēng)和銀河宇宙射線中重離子成分。

Schematicshowinghowgalacticcosmicraysdepositenergyinanelectronicdevice

近代信息處理課件16空間粒子輻射環(huán)境空間粒子輻射環(huán)境主要由三部分組成：銀河宇宙射線、太陽宇宙射線及地磁捕獲粒子。粒子能量從幾百keV到1010GeV。銀河宇宙射線是來自太陽系外的高能粒子，其主要成分是質(zhì)子，還有少量的He，F(xiàn)e等重離子。太陽宇宙射線是太陽耀斑爆發(fā)時釋放的高能粒子流，其中絕大部分是質(zhì)子，也有少量重核，而不同時間其成分和強度都不同。地磁捕獲帶分內(nèi)帶和外帶，其高度分別為500~10000km和13000~64000km。其主要成分是質(zhì)子，捕獲的質(zhì)子的通量隨軌道高度和傾角而變化。在空間粒子環(huán)境的三種成分中，銀河宇宙射線因其能量高、難以屏蔽而成為引起單粒子效應(yīng)最重要的離子源，其100MeV的Fe核被認為代表了空間環(huán)境中最惡劣的情況。近代信息處理課件17重核粒子引起的單粒子效應(yīng)在宇宙射線中，雖然重核粒子的數(shù)量及其有限，其強度約為5×10-4/cm2·s，但由于具有很大的阻塞功，仍對宇航和衛(wèi)星中的LSI（LargeScaleIntegratedCircuits）電子系統(tǒng)構(gòu)成很大的威脅。重核粒子以直線穿入硅片，由于庫侖力的相互作用結(jié)果，把能量傳遞給電子，帶有不同能量的二次電子向不同方向發(fā)射，經(jīng)過幾微米的距離后，形成電離區(qū)，如果此電離區(qū)位于電子器件的靈敏區(qū)，就會產(chǎn)生單粒子擾動。近代信息處理課件18重核粒子引起的單粒子效應(yīng)近代信息處理課件19部分器件重粒子效應(yīng)的試驗結(jié)果高能質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)宇宙射線中存在大量的高能質(zhì)子，例如，地球的內(nèi)輻射帶，其通量可達2×104/cm2·s以上。質(zhì)子由于阻塞能力很小，要在硅片中直接電離的幾率很低。質(zhì)子主要是通過與硅原子反應(yīng)來沉積能量，引起單粒子效應(yīng)。質(zhì)子與硅原子的核反應(yīng)過程及其復(fù)雜，且隨質(zhì)子的能量增加而增加，同樣，產(chǎn)生軟錯誤的截面也增加。近代信息處理課件20高能質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)近代信息處理課件21反應(yīng)產(chǎn)生的7MeV質(zhì)子，能夠穿透約400um的硅片；約5.3MeV的α粒子能穿透27um的硅片；1MeV的反沖原子能穿透不到1um。整個核反應(yīng)過程能夠在硅片中沉積約10MeV的能量，其中α粒子沉積能量最多，產(chǎn)生約2.8×106個電子—空穴對，是高能質(zhì)子產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的主要原因。30MeV質(zhì)子與硅原子發(fā)生的核反應(yīng)過程高能中子引起的單粒子效應(yīng)核爆炸產(chǎn)生的聚變中子的能量達14MeV，可以引起單粒子效應(yīng)。高能中子只有通過與硅原子的核反應(yīng)產(chǎn)生沉積能量。主要包括下列4中主要的核反應(yīng)：高能中子對于N-MOS動態(tài)RAM的損傷幾率與質(zhì)子相似。近代信息處理課件22高能中子引起的單粒子效應(yīng)近代信息處理課件23引起16k動態(tài)RAM產(chǎn)生一個軟錯誤的平均中子流(/cm2)單粒子翻轉(zhuǎn)的CriticalChargeSEUwasfirstobservedinbipolarflip-flopsin1979.Originalworkinthisareawastreatedwithskepticism.SEUhasemergedasoneofthemajorissuesforapplicationofmicroelectronicsinspace.SEUeffectshavebecomeworseasdeviceshaveevolvedbecauseoflowerCriticalchargeduetosmalldevicedimensions,andlargenumbersoftransistorsperchipandoverallcomplexity.NicholsranksthesusceptibilityofcurrenttechnologiestoSEUs:CMOS/SOS(leastsusceptible)CMOSStandardbipolarLowpowerSchottkybipolarNMOSDRAMs(mostsusceptible)近代信息處理課件24單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng)

--MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件25CMOS器件的單粒子效應(yīng)及加固CMOS是在PMOS和NMOS工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。將NMOS器件和PMOS器件制作在同一硅襯底上，制成CMOS器件。CMOS器件具有功耗底，速度快，抗干擾能力強，集成度高等優(yōu)點。未加固的CMOS器件抗單粒子能力為中下水平,經(jīng)抗單粒子加固后,成為抗單粒子能力最好的器件之一。近代信息處理課件26單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng)

--MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件27場效應(yīng)管--FETBJT是一種電流控制元件(iBiC)，工作時，多數(shù)載流子和少

數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor,簡稱：FET）是一種電壓控制器件(uGS～iD)，工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因而稱其為單極型器件。FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用，特別是在集成電路方面。近代信息處理課件28增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)近代信息處理課件29MOSFET的結(jié)構(gòu)近代信息處理課件30PMOS與CMOS結(jié)構(gòu)近代信息處理課件31MOS管基本工作原理近代信息處理課件32導(dǎo)電溝道的形成D,S短路，G,S上加正向電壓

（VDS=0;VGS>0）柵極與P型襯底之間象一個平行板電容器。

絕緣層兩邊，柵極感應(yīng)正電荷，P型一邊

感應(yīng)負電荷。

負電荷一開始會與P型中的空穴（多子）

中和，形成耗盡層。所以，當(dāng)VGS較小

時，沒有電流。

當(dāng)VGS>VGS（th）時，除了耗盡層外，負

電荷（P區(qū)的少數(shù)載流子）在靠近絕緣層

處形成一個N型薄層，即反型層。 VGS(th)：開啟電壓

反型層成為D,S間的導(dǎo)電溝道，并受VGS

控制。但由于VDS=0，D,S之間并沒有

電流產(chǎn)生。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系趙雷33AlVGSPN結(jié)漏，源極（D,S）之間電壓的影響在D,S之間加正電壓（VDS>0），iD產(chǎn)生中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系趙雷34(a)D上的正電壓會削弱珊級上的正電壓?？拷麯一側(cè)的導(dǎo)電溝道變窄。(b)當(dāng)使VDS，溝道會在D一側(cè)繼續(xù)變窄。(c)當(dāng)VDS到VGD=VGS(th)，溝道上會出現(xiàn)預(yù)夾斷。再繼續(xù)增加VDS，夾斷層只是稍為加長。溝道電流基本保持在預(yù)夾斷時的數(shù)值。開啟電壓VTMOS管基本工作原理近代信息處理課件35單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng)

--MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件36MOS存儲器近代信息處理課件37ROM: Read-OnlyMemoryPROM: ProgrammableROMEPROM: ErasablePROMUVEPROM:Ultra-VioletEPROME2PROM:ElectricallyEPROMRAM: RandomAccessMemorySRAM: StaticRAMDRAM: DynamicRAM基于MOS技術(shù)的ROM基本結(jié)構(gòu)近代信息處理課件38地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D0000110110101101101001110近代信息處理課件39SRAMDRAM使用靈活，方便，容易控制。速度快。

數(shù)據(jù)的易失性，斷電后不能保存使用較多的晶體管，電路復(fù)雜，集成度相對低。功耗大。控制復(fù)雜，需刷新控制。速度慢。

數(shù)據(jù)的易失性，斷電后不能保存。使用較少的晶體管，電路簡單，集成度相對高。功耗小。RAM存儲器的分類及特點SRAM基本結(jié)構(gòu)近代信息處理課件40SRAM基本結(jié)構(gòu)單元近代信息處理課件41六管NMOS靜態(tài)存儲單元六管CMOS靜態(tài)存儲單元基本SR鎖存器基本SR鎖存器近代信息處理課件42由兩個或非門電路加交叉反饋構(gòu)成輸出：互補的Q和/Q

--當(dāng)Q=1，/Q=0時，稱為“1”--當(dāng)Q=0，/Q=1時，稱為“0”輸入：S、R邏輯圖邏輯表達式SRQ/Q011000110110

不變不變

00S:(Set):置1端，置位R:(Reset):置0端，復(fù)位邏輯符號電路結(jié)構(gòu)SRAM基本結(jié)構(gòu)單元近代信息處理課件43六管NMOS靜態(tài)存儲單元六管CMOS靜態(tài)存儲單元基本SR鎖存器DRAM存儲單元近代信息處理課件444管、3管及單管RAM存儲單元單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng)

--MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件45CMOS器件的單粒子擾動近代信息處理課件46CMOSSRAM離子實驗的

擾動模型驗證數(shù)據(jù)近代信息處理課件47隨著離子注入能量的增大，單粒子擾動的飽和截面增大CMOS器件的單粒子閉鎖（SEL）近代信息處理課件48RsRwP阱的CMOS反相器截面寄生的pnpn結(jié)構(gòu)等效電路SDDS寄生的pnpn4層結(jié)構(gòu)：P溝道源區(qū)P+--n襯底–P阱–n溝道的源區(qū)N+RwRs單粒子鎖閉的敏感區(qū)近代信息處理課件49與CMOS器件的單粒子擾動相比，單粒子閉鎖截面要小很多，可以相差幾個量級。單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件的輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)的概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機制MOS器件的單粒子效應(yīng)

--MOSFET的結(jié)構(gòu) --MOS存儲器的結(jié)構(gòu) --CMOS器件的單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的機理單粒子效應(yīng)的加固近代信息處理課件50抗單粒子加固技術(shù)屏蔽減額與改變工作狀態(tài)系統(tǒng)級保護措施CMOS器件的加固技術(shù)： 1）抗單粒子工藝加固 2）阱-源結(jié)構(gòu) 3）加反饋電阻的CMOSSRAM結(jié)構(gòu)近代信息處理課件51屏蔽與減額