单粒子效应ppt

1、单粒子效应和CMOS器件的加固姓名姓名：张鑫张鑫 学学号：号：201324692016-06-08半导体器件建模分析2空间单个的高能重离子或者质子，在器件材料中通过直接的电离作用或者核反应产生的次级粒子的间接电离作用形成的额外电荷，导致的器件逻辑状态、功能、性能等的变化或损伤现象。单粒子效应具体包括单粒子翻转、单粒子瞬态脉冲、单粒子功能中断、单粒子锁定、单粒子烧毁、单粒子栅穿等。单粒子效应（SINGLE EVENT EFFECT） 单粒子效应（SEE, single event effect）产生自单个高能粒子（single, energetic particle）。 单粒子翻转（SEU, s

2、ingle event upset)产生的可能性由Wallmark and Marcus在1962年首次提出。 1975 年美国发现通信卫星的数字电路JK 触发器由于单个重核粒子的作用被触发。 陆续发现陶瓷管壳所含的微量放射性同位素铀和钍放出的粒子以及宇宙射线中的高能中子、质子、电子等, 都能使集成电路产生单粒子效应。 进一步的模拟试验和在轨卫星的测试证实: 几乎所有的集成电路都能产生这种效应。半导体器件建模分析3单粒子效应的分类 非破坏性的单粒子效应 (Soft Error)- 单粒子翻转（SEU: Single Event Upsets ）- 单粒子瞬变效应（SET: Single Eve

3、nt Transient） 灾难性单粒子效应 (Hard Failure)- 单粒子锁定（SEL: Single Event Latchup）- 单粒子烧毁（SEB: Single Event Burnout）- 单粒子门断裂（SEGR: Single Event Gate Rupture）半导体器件建模分析4单粒子翻转（SEU） 单粒子翻转事件是指高能粒子撞击大规模集成电路的灵敏区，发生电离反应或核反应，产生电荷沉积电荷沉积，当沉积的电荷足以改变改变储存单元的逻辑状态逻辑状态时，就发生了单粒子翻转事件。这种改变一般不损坏器件，只是储存单元的信息改变，仍可完成读写操作，称为软误差。 单粒子翻转

4、主要发生在静、动态存储器(SRAM、DRAM)和CPU芯片内的各类功能寄存器、存储器中。它使储存的信息改变了，这些改变如发生在一些控制过程的中间运算时，可以导致控制失误，有时结果是灾难性的。半导体器件建模分析5单粒子翻转 从1975年提出单粒子翻转事件以来，国外已对此效应研究了20多年，在各类轨道的卫星上和各种加速器上进行了多种芯片实验，研究SEU产生与器件材料、结构、制造工艺的关系，考查了其产生与空间环境、太阳活动和飞行器轨道的相关性。 我国在1994年2月8日发射的“实践4号”卫星上进行了第一次空间单粒子事件研究。星载的“静态单粒子翻转事件探测仪”测得了1 Mbit SRAM在轨道上每天约

5、有3.5个单粒子事件的翻转率（3.510-6/bit per day）及其随L坐标的分布。半导体器件建模分析6单粒子瞬变效应（SET） 单粒子瞬变效应主要发生在线性电路（满足齐次性和叠加性）中，如组合逻辑电路、I/O下此类器器件及空间应用的光纤系统等。在高能粒子的作用件会输出足以影响下级电路的瞬时脉冲。 使用加速器进行重离子、质子的照射后，记录到发生单粒子瞬变的器件有比较器及光电耦合器等。这些器件的瞬时变化导致其在不该有输出信号时却有了输出。 对比较器的实验是在BNL和TAM的回旋加速器（重离子）和ICUF（质子）加速器上进行的。实验显示在高能重离子、质子作用下，比较器的输出会产生栅栏效应，脉

6、冲幅度高达26 V，持续时间14 us。 光耦合器由发光二极、光电二极管及跟随电路组成。光耦合器的SET效应在1997年2月14日SM-2对Hubble空间望远镜上安装的新仪器作调试服务时发现的。半导体器件建模分析7单粒子瞬变效应（SET）半导体器件建模分析8单粒子烧毁(SEB)与单粒子门断裂( SEGR) 在空间和地面加速器实验上都观察到了功率场效应管受重离子、高能质子、中子照射后，会发生单粒子烧毁事件;在特殊偏压下，重离子撞击器件灵敏区的某些特殊位置时，会发生单粒子门断裂事件。1994年8月3日发射的APEX卫星上(椭圆轨道，2544km、362km，70倾角)，研制了专门的装置，对两种不

7、同额定电压的功率场效应管(2N6796、2N6798各12片)进行了单粒子烧毁事件实验。由监测和记录烧毁前产生的尖脉冲，记录了由重离子和质子引起的烧毁事件。 功率场效应管发生SEB或SEGR是与它的工作模式(偏压选择)、人射粒子的角度和能量、选用的漏一源电压及温度有关。对SEB，它是由离子撞击一个n-道功率场效应管产生能量沉积，使杂散双极节的晶体管导通，负反馈作用使源-漏发生短路，导致器件烧毁。而SEGR，则当功率场效应管在适当的偏压下，重离子在器件硅一氧化物界面产生电荷，使通过门氧化物的电压足够高，会使局部门断裂。半导体器件建模分析9单粒子效应产生的机制 SEU主要由两种不同的空间辐射源导致

8、：1) 高能质子；2) 宇宙射线，特别是太阳风和银河宇宙射线中重离子成分。Schematic showing how galactic cosmic rays deposit energy in an electronic device半导体器件建模分析10空间粒子辐射环境 空间粒子辐射环境主要由三部分组成：银河宇宙射线、太阳宇宙射线及地磁捕获粒子。粒子能量从几百keV到1010GeV。 银河宇宙射线是来自太阳系外的高能粒子，其主要成分是质子，还有少量的He，Fe等重离子。 太阳宇宙射线是太阳耀斑爆发时释放的高能粒子流，其中绝大部分是质子，也有少量重核，而不同时间其成分和强度都不同。 地磁捕获

9、带分内带和外带，其高度分别为50010000km和1300064000km。其主要成分是质子，捕获的质子的通量随轨道高度和倾角而变化。 在空间粒子环境的三种成分中，银河宇宙射线因其能量高、难以屏蔽而成为引起单粒子效应最重要的离子源，其100MeV的Fe核被认为代表了空间环境中最恶劣的情况。半导体器件建模分析11重核粒子引起的单粒子效应 在宇宙射线中，虽然重核粒子的数量及其有限，其强度约为510-4/cm2s，但由于具有很大的阻塞功，仍对宇航和卫星中的LSI（Large Scale Integrated Circuits）电子系统构成很大的威胁。 重核粒子以直线穿入硅片，由于库仑力的相互作用结果

10、，把能量传递给电子，带有不同能量的二次电子向不同方向发射，经过几微米的距离后，形成电离区，如果此电离区位于电子器件的灵敏区，就会产生单粒子扰动。半导体器件建模分析12高能质子引起的单粒子效应 宇宙射线中存在大量的高能质子，例如，地球的内辐射带，其通量可达2104/cm2s以上。 质子由于阻塞能力很小，要在硅片中直接电离的几率很低。质子主要是通过与硅原子反应来沉积能量，引起单粒子效应。 质子与硅原子的核反应过程及其复杂，且随质子的能量增加而增加，同样，产生软错误的截面也增加。半导体器件建模分析13高能质子引起的单粒子效应半导体器件建模分析14反应产生的7 MeV质子，能够穿透约400 um的硅片

11、；约5.3 MeV的粒子能穿透27 um的硅片；1 MeV的反冲原子能穿透不到1 um。整个核反应过程能够在硅片中沉积约10 MeV的能量，其中粒子沉积能量最多，产生约2.8106个电子空穴对，是高能质子产生单粒子效应的主要原因。30 MeV质子与硅原子发生的核反应过程高能中子引起的单粒子效应 核爆炸产生的聚变中子的能量达14 MeV，可以引起单粒子效应。 高能中子只有通过与硅原子的核反应产生沉积能量。主要包括下列4中主要的核反应： 高能中子对于N-MOS动态RAM的损伤几率与质子相似。半导体器件建模分析15高能中子引起的单粒子效应半导体器件建模分析16引起16k动态RAM产生一个软错误的平均

12、中子流(/cm2)场效应管 - FET BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 场效应管（Field Effect Transistor, 简称：FET）是一种电压控制器件(uGSiD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因而称其为单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用，特别是在集成电路方面。半导体器件建模分析17增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类： 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体场场效应管效应管结型场效应

13、管结型场效应管结型场效应管的结构半导体器件建模分析18结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）JFET是在同一块N形半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极g，N型半导体两端分 别引出两个电极，分别称为漏极d，源极s。结型场效应晶体管是一种具有放大功能的三端有源器件,是单极场效应管中最简单的一种,它可以分N沟道或者P沟道两种。MOSFET的结构半导体器件建模分析19PMOS与CMOS结构半导体器件建模分析20导电沟道的形成 D, S短路，G, S上加正向电压（VDS=0; VGS0） 栅极与P型衬底之间象一个平

14、行板电容器。 绝缘层两边，栅极感应正电荷，P型一边感应负电荷。 负电荷一开始会与P型中的空穴（多子）中和，形成耗尽层。所以，当VGS较小时，没有电流。 当 VGS VGS（th）时，除了耗尽层外，负电荷（P区的少数载流子）在靠近绝缘层处形成一个N型薄层，即反型层。VGS(th)：开启电压 反型层成为D, S间的导电沟道，并受VGS控制。但由于VDS=0，D, S之间并没有电流产生。半导体器件建模分析21Al V VGSGSPN结 漏，源极（D, S）之间电压的影响 在D, S之间加正电压（VDS0），iD产生半导体器件建模分析22(a) D上的正电压会削弱珊级上的正电压。靠近D一侧的导电沟道变

15、窄。(b) 当使VDS，沟道会在D一侧继续变窄。(c) 当VDS到VGD=VGS(th)，沟道上会出现预夹断。再继续增加VDS，夹断层只是稍为加长。沟道电流基本保持在预夹断时的数值。开启电压开启电压 V VT TCMOS器件的单粒子闭锁（SEL）半导体器件建模分析23RsRwP阱的CMOS反相器截面寄生的pnpn结构等效电路SDDS寄生的pnpn 4层结构：P沟道源区P+ - n衬底 P阱 n沟道的源区N+RwRs单粒子锁闭的敏感区半导体器件建模分析24与CMOS器件的单粒子扰动相比，单粒子闭锁截面要小很多，可以相差几个量级。抗单粒子加固技术 屏蔽 减额与改变工作状态 系统级保护措施 CMOS

16、器件的加固技术：1）抗单粒子工艺加固2）阱-源结构半导体器件建模分析25屏蔽与减额 对商用器件的封装进行修改，如在结构中使用钨代替铝，封装上使用两层Kovar合金，内层用0.25mm，外盖用1mm，可以减少辐射剂量，同时减少SEU相关的截面参数。同样，可以根据仪器在飞行器中的位置，对器件局部进行屏蔽加固。 当场效应管用于50%的额定电压值，发生单粒子烧毁事件的可能性会小得多。光耦合器产生的瞬变脉冲宽度反比于器件的最大频率，降低使用频率并增加带通滤波器，可以将瞬变脉冲滤除。半导体器件建模分析26系统级措施 系统及关键部分应对灾难事件的保护措施。如系统的主CPU加入处理突发事件的内容；在电流骤增时

17、电源的关断与重开措施；在特殊区域可采用停机措施。如SM-2发射在南大西洋上空停机解决了光耦合器瞬变脉冲对系统的干扰。 在对系统中所用的芯片在进行辐射剂量、各类单粒子效应试验的基础上，作针对性处理。如将商用CPU芯片（80386、80486）在加速器上进行动态实验，了解片内各寄存器产生SEU对系统的影响（是数据出错还是地址出错），并在编程时进行针对性处理。半导体器件建模分析27抗单粒子工艺加固 随着集成度的提高和工艺特性尺寸的减小，器件的抗单粒子能力下降。在工艺上采用一些特殊措施，则可能提高小尺寸的CMOS器件的抗单粒子能力。 这些工艺包括：双阱工艺，减薄栅氧化层厚度，增加P阱和N衬底的掺杂浓度

18、以及减薄外延层厚度等。这些工艺能够增加结电容，降低聚集效应的电荷收集。半导体器件建模分析28CMOS器件的单粒子效应及加固 CMOS是在PMOS和NMOS工艺基础上发展而来的。将NMOS器件和PMOS器件制作在同一硅衬底上，制成CMOS器件。 CMOS器件具有功耗底，速度快，抗干扰能力强，集成度高等优点。 未加固的CMOS 器件抗单粒子能力为中下水平, 经抗单粒子加固后, 成为抗单粒子能力最好的器件之一。半导体器件建模分析29单粒子锁定(SEL: SINGLE EVENT LATCHUP)半导体器件建模分析30CMO S 器件除了单粒子扰动外, 单个重核离子还能引起闭锁。CMO S 器件固有 pnpn 4层 结构, 除了 P 阱 CMO S 反相器截面和寄生的 pnpn 结构等效线路。图中 p 沟晶体管的源区 P+2n 衬底2P 阱2n 沟晶体管的源区N + , 即为寄生的 4 层结构。它的等效线路分别由寄生 的 npn 和 pnp 晶体管以及衬底电阻 R s和 P 阱电阻 R w组成。在稳态和瞬态触发条件下, 假如使 P 阱电阻 R w上产生的压降等于或大于寄生的 npn 晶 体管基极2发射极结的正向压降, 从而引起 npn 晶体管通导。npn 晶体管一旦通导, 就将有