單粒子效應與輻射測試趙雷2014-6-4主要內容單粒子效應介紹輻射測試的基本原理與技術ATLASPixelDetector的升級及其FrontEndChip的SEU測試基于FPAGSEU測試系統的設計近代信息處理課件2單粒子效應介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應 --MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應的加固近代信息處理課件3半導體元件的輻照效應近代信息處理課件4TID(總離子劑量效應)TID是通過累積劑量引起器件參數的逐漸變化。對于CMOS器件，TID效應會引起閾值電壓的漂移、轉換速率降低，對于雙極型器件，TID效應主要是降低元件的增益(晶體管的放大倍數)。每一個半導體器件都有它的TID指標，即在它的特性顯著變壞前所能夠承受的總吸收劑量，當輻照超過這個指標后，元件將出現永久性故障。該指標用Rad(1克Si中吸收的輻照能量)來表示。衛星電子學應用對電子設備的TID指標要求一般在10KRad(Si)量級以上，對于一般的元件(尤其是軍工級或宇航級)這個指標通常都可以達到，例如Xilinx給出的Virtex-IIQProFPGA(航天級器件)的TID指標在200KRad(Si),NS公司提供一個報告表明,它的COTS系列產品TID指標都在10KRad(Si)以上。近代信息處理課件5單粒子效應（SingleEventEffect）單粒子效應（SEE,singleeventeffect）產生自單個高能粒子（single,energeticparticle）。單粒子翻轉（SEU,singleeventupset)產生的可能性由WallmarkandMarcus在1962年首次提出。1975年美國發現通信衛星的數字電路JK觸發器由于單個重核粒子的作用被觸發。陸續發現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、質子、電子等,都能使集成電路產生單粒子效應。進一步的模擬試驗和在軌衛星的測試證實:幾乎所有的集成電路都能產生這種效應。近代信息處理課件6單粒子效應介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應

--MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應的加固近代信息處理課件7單粒子效應的分類非破壞性的單粒子效應(SoftError) --單粒子翻轉（SEU:SingleEventUpsets） --單粒子瞬變效應（SET:SingleEventTransient）災難性單粒子效應(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（SEU）單粒子翻轉事件是指高能粒子撞擊大規模集成電路的靈敏區，發生電離反應或核反應，產生電荷沉積，當沉積的電荷足以改變儲存單元的邏輯狀態時，就發生了單粒子翻轉事件。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。單粒子翻轉主要發生在靜、動態存儲器(SRAM、DRAM)和CPU芯片內的各類功能寄存器、存儲器中。它使儲存的信息改變了，這些改變如發生在一些控制過程的中間運算時，可以導致控制失誤，有時結果是災難性的。近代信息處理課件9單粒子翻轉從1975年提出單粒子翻轉事件以來，國外已對此效應研究了20多年，在各類軌道的衛星上和各種加速器上進行了多種芯片實驗，研究SEU產生與器件材料、結構、制造工藝的關系，考查了其產生與空間環境、太陽活動和飛行器軌道的相關性。我國在1994年2月8日發射的“實踐4號”衛星上進行了第一次空間單粒子事件研究。星載的“靜態單粒子翻轉事件探測儀”測得了1MbitSRAM在軌道上每天約有3.5個單粒子事件的翻轉率（3.5×10-6/bitperday）及其隨L坐標的分布。近代信息處理課件10單粒子瞬變效應（SET）單粒子瞬變效應主要發生在線性電路中，如組合邏輯電路、I/O器件及空間應用的光纖系統等。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、質子的照射后，記錄到發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（質子）加速器上進行的。實驗顯示在高能重離子、質子作用下，比較器的輸出會產生柵欄效應，脈沖幅度高達26V，持續時間1~4us。光耦合器由發光二極、光電二極管及跟隨電路組成。光耦合器的SET效應在1997年2月14日SM-2對Hubble空間望遠鏡上安裝的新儀器作調試服務時發現的。近代信息處理課件11單粒子瞬變效應（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的一些特殊路徑時，會在P阱襯底結中沉積大量電荷，瞬時電荷流動形成的電流，在P阱電阻上產生壓降，使寄生n-p-n晶體管的基--射極正偏而導通，當電流存在的時間足夠長，最終導致鎖定發生。一旦鎖定發生，對系統危害是很大的。因為在幾十毫秒時間內，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，在沒有采取適當保護措施條件下，很容易燒毀芯片和系統。Kolasinski等人在1979年的地面測試中首次發現單粒子鎖定現象。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管受重離子、高能質子、中子照射后，會發生單粒子燒毀事件;在特殊偏壓下，重離子撞擊器件靈敏區的某些特殊位置時，會發生單粒子門斷裂事件。1994年8月3日發射的APEX衛星上(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管(2N6796、2N6798各12片)進行了單粒子燒毀事件實驗。由監測和記錄燒毀前產生的尖脈沖，記錄了由重離子和質子引起的燒毀事件。功率場效應管發生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。對SEB，它是由離子撞擊一個n-道功率場效應管產生能量沉積，使雜散雙極節的晶體管導通，負反饋作用使源-漏發生短路，導致器件燒毀。而SEGR，則當功率場效應管在適當的偏壓下，重離子在器件硅一氧化物界面產生電荷，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單粒子效應介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應

--MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應的加固近代信息處理課件15單粒子效應產生的機制SEU主要由兩種不同的空間輻射源導致： 1) 高能質子； 2) 宇宙射線，特別是太陽風和銀河宇宙射線中重離子成分。

Schematicshowinghowgalacticcosmicraysdepositenergyinanelectronicdevice

近代信息處理課件16空間粒子輻射環境空間粒子輻射環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，其主要成分是質子，還有少量的He，Fe等重離子。太陽宇宙射線是太陽耀斑爆發時釋放的高能粒子流，其中絕大部分是質子，也有少量重核，而不同時間其成分和強度都不同。地磁捕獲帶分內帶和外帶，其高度分別為500~10000km和13000~64000km。其主要成分是質子，捕獲的質子的通量隨軌道高度和傾角而變化。在空間粒子環境的三種成分中，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最重要的離子源，其100MeV的Fe核被認為代表了空間環境中最惡劣的情況。近代信息處理課件17重核粒子引起的單粒子效應在宇宙射線中，雖然重核粒子的數量及其有限，其強度約為5×10-4/cm2·s，但由于具有很大的阻塞功，仍對宇航和衛星中的LSI（LargeScaleIntegratedCircuits）電子系統構成很大的威脅。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射，經過幾微米的距離后，形成電離區，如果此電離區位于電子器件的靈敏區，就會產生單粒子擾動。近代信息處理課件18重核粒子引起的單粒子效應近代信息處理課件19部分器件重粒子效應的試驗結果高能質子引起的單粒子效應宇宙射線中存在大量的高能質子，例如，地球的內輻射帶，其通量可達2×104/cm2·s以上。質子由于阻塞能力很小，要在硅片中直接電離的幾率很低。質子主要是通過與硅原子反應來沉積能量，引起單粒子效應。質子與硅原子的核反應過程及其復雜，且隨質子的能量增加而增加，同樣，產生軟錯誤的截面也增加。近代信息處理課件20高能質子引起的單粒子效應近代信息處理課件21反應產生的7MeV質子，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，產生約2.8×106個電子—空穴對，是高能質子產生單粒子效應的主要原因。30MeV質子與硅原子發生的核反應過程高能中子引起的單粒子效應核爆炸產生的聚變中子的能量達14MeV，可以引起單粒子效應。高能中子只有通過與硅原子的核反應產生沉積能量。主要包括下列4中主要的核反應：高能中子對于N-MOS動態RAM的損傷幾率與質子相似。近代信息處理課件22高能中子引起的單粒子效應近代信息處理課件23引起16k動態RAM產生一個軟錯誤的平均中子流(/cm2)單粒子翻轉的CriticalChargeSEUwasfirstobservedinbipolarflip-flopsin1979.Originalworkinthisareawastreatedwithskepticism.SEUhasemergedasoneofthemajorissuesforapplicationofmicroelectronicsinspace.SEUeffectshavebecomeworseasdeviceshaveevolvedbecauseoflowerCriticalchargeduetosmalldevicedimensions,andlargenumbersoftransistorsperchipandoverallcomplexity.NicholsranksthesusceptibilityofcurrenttechnologiestoSEUs:CMOS/SOS(leastsusceptible)CMOSStandardbipolarLowpowerSchottkybipolarNMOSDRAMs(mostsusceptible)近代信息處理課件24單粒子效應介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應

--MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應的加固近代信息處理課件25CMOS器件的單粒子效應及加固CMOS是在PMOS和NMOS工藝基礎上發展而來的。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，集成度高等優點。未加固的CMOS器件抗單粒子能力為中下水平,經抗單粒子加固后,成為抗單粒子能力最好的器件之一。近代信息處理課件26單粒子效應介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應

--MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應的加固近代信息處理課件27場效應管--FETBJT是一種電流控制元件(iBiC)，工作時，多數載流子和少

數載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。場效應管（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，輸入電阻極高等優點，得到了廣泛應用，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-半導體場效應管結型場效應管結型場效應管的結構近代信息處理課件29MOSFET的結構近代信息處理課件30PMOS與CMOS結構近代信息處理課件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，柵極感應正電荷，P型一邊

感應負電荷。

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VGS較小

時，沒有電流。

當VGS>VGS（th）時，除了耗盡層外，負

電荷（P區的少數載流子）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間的導電溝道，并受VGS

控制。但由于VDS=0，D,S之間并沒有

電流產生。中國科學技術大學近代物理系趙雷33AlVGSPN結漏，源極（D,S）之間電壓的影響在D,S之間加正電壓（VDS>0），iD產生中國科學技術大學近代物理系趙雷34(a)D上的正電壓會削弱珊級上的正電壓?？拷麯一側的導電溝道變窄。(b)當使VDS，溝道會在D一側繼續變窄。(c)當VDS到VGD=VGS(th)，溝道上會出現預夾斷。再繼續增加VDS，夾斷層只是稍為加長。溝道電流基本保持在預夾斷時的數值。開啟電壓VTMOS管基本工作原理近代信息處理課件35單粒子效應介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應

--MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應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技術的ROM基本結構近代信息處理課件38地址數據A1A0D3D2D1D0000110110101101101001110近代信息處理課件39SRAMDRAM使用靈活，方便，容易控制。速度快。

數據的易失性，斷電后不能保存使用較多的晶體管，電路復雜，集成度相對低。功耗大。控制復雜，需刷新控制。速度慢。

數據的易失性，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基本結構近代信息處理課件40SRAM基本結構單元近代信息處理課件41六管NMOS靜態存儲單元六管CMOS靜態存儲單元基本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成輸出：互補的Q和/Q

--當Q=1，/Q=0時，稱為“1”--當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，復位邏輯符號電路結構SRAM基本結構單元近代信息處理課件43六管NMOS靜態存儲單元六管CMOS靜態存儲單元基本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介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應

--MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應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

擾動模型驗證數據近代信息處理課件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結構等效電路SDDS寄生的pnpn4層結構：P溝道源區P+--n襯底–P阱–n溝道的源區N+RwRs單粒子鎖閉的敏感區近代信息處理課件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。單粒子效應介紹半導體元件的輻照效應單粒子效應的概念單粒子效應產生的機制MOS器件的單粒子效應

--MOSFET的結構 --MOS存儲器的結構 --CMOS器件的單粒子效應產生的機理單粒子效應的加固近代信息處理課件50抗單粒子加固技術屏蔽減額與改變工作狀態系統級保護措施CMOS器件的加固技術： 1）抗單粒子工藝加固 2）阱-源結構 3）加反饋電阻的CMOSSRAM結構近代信息處理課件51屏蔽與減額