第三十讲 单粒子效应与辐射测试 1

单粒子效应与辐射测试赵雷2014-6-4主要内容单粒子效应介绍辐射测试的基本原理与技术ATLASPixelDetector的升级及其FrontEndChip的SEU测试基于FPAGSEU测试系统的设计近代信息处理课件2单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应 --MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件3半导体元件的辐照效应近代信息处理课件4TID(总离子剂量效应)TID是通过累积剂量引起器件参数的逐渐变化。对于CMOS器件，TID效应会引起阈值电压的漂移、转换速率降低，对于双极型器件，TID效应主要是降低元件的增益(晶体管的放大倍数)。每一个半导体器件都有它的TID指标，即在它的特性显著变坏前所能够承受的总吸收剂量，当辐照超过这个指标后，元件将出现永久性故障。该指标用Rad(1克Si中吸收的辐照能量)来表示。卫星电子学应用对电子设备的TID指标要求一般在10KRad(Si)量级以上，对于一般的元件(尤其是军工级或宇航级)这个指标通常都可以达到，例如Xilinx给出的Virtex-IIQProFPGA(航天级器件)的TID指标在200KRad(Si),NS公司提供一个报告表明,它的COTS系列产品TID指标都在10KRad(Si)以上。近代信息处理课件5单粒子效应（SingleEventEffect）单粒子效应（SEE,singleeventeffect）产生自单个高能粒子（single,energeticparticle）。单粒子翻转（SEU,singleeventupset)产生的可能性由WallmarkandMarcus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α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。近代信息处理课件6单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应

--MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件7单粒子效应的分类非破坏性的单粒子效应(SoftError) --单粒子翻转（SEU:SingleEventUpsets） --单粒子瞬变效应（SET:SingleEventTransient）灾难性单粒子效应(HardFailure) --单粒子锁定（SEL:SingleEventLatchup） --单粒子烧毁（SEB:SingleEventBurnout） --单粒子门断裂（SEGR:SingleEventGateRupture）近代信息处理课件8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，当沉积的电荷足以改变储存单元的逻辑状态时，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。近代信息处理课件9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1MbitSRAM在轨道上每天约有3.5个单粒子事件的翻转率（3.5×10-6/bitperday）及其随L坐标的分布。近代信息处理课件10单粒子瞬变效应（SET）单粒子瞬变效应主要发生在线性电路中，如组合逻辑电路、I/O器件及空间应用的光纤系统等。在高能粒子的作用下此类器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，脉冲幅度高达26V，持续时间1~4us。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。近代信息处理课件11单粒子瞬变效应（SET）近代信息处理课件12单粒子锁定(SEL:SingleEventLatchup)单粒子引起的锁定是由高能带电粒子穿过芯片灵敏区的一些特殊路径时，会在P阱衬底结中沉积大量电荷，瞬时电荷流动形成的电流，在P阱电阻上产生压降，使寄生n-p-n晶体管的基--射极正偏而导通，当电流存在的时间足够长，最终导致锁定发生。一旦锁定发生，对系统危害是很大的。因为在几十毫秒时间内，过芯片电流会骤增到正常工作电流的几十倍甚至于上百倍，在没有采取适当保护措施条件下，很容易烧毁芯片和系统。Kolasinski等人在1979年的地面测试中首次发现单粒子锁定现象。近代信息处理课件13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。近代信息处理课件14单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应

--MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件15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： 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。

Schematicshowinghowgalacticcosmicraysdepositenergyinanelectronicdevice

近代信息处理课件16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。地磁捕获带分内带和外带，其高度分别为500~10000km和13000~64000km。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。近代信息处理课件17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5×10-4/cm2·s，但由于具有很大的阻塞功，仍对宇航和卫星中的LSI（LargeScaleIntegratedCircuits）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，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。近代信息处理课件18重核粒子引起的单粒子效应近代信息处理课件19部分器件重粒子效应的试验结果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2×104/cm2·s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。近代信息处理课件20高能质子引起的单粒子效应近代信息处理课件21反应产生的7MeV质子，能够穿透约400um的硅片；约5.3MeV的α粒子能穿透27um的硅片；1MeV的反冲原子能穿透不到1um。整个核反应过程能够在硅片中沉积约10MeV的能量，其中α粒子沉积能量最多，产生约2.8×106个电子—空穴对，是高能质子产生单粒子效应的主要原因。30MeV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14MeV，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。近代信息处理课件22高能中子引起的单粒子效应近代信息处理课件23引起16k动态RAM产生一个软错误的平均中子流(/cm2)单粒子翻转的CriticalChargeSEUwasfirstobservedinbipolarflip-flopsin1979.Originalworkinthisareawastreatedwithskepticism.SEUhasemergedasoneofthemajorissuesforapplicationofmicroelectronicsinspace.SEUeffectshavebecomeworseasdeviceshaveevolvedbecauseoflowerCriticalchargeduetosmalldevicedimensions,andlargenumbersoftransistorsperchipandoverallcomplexity.NicholsranksthesusceptibilityofcurrenttechnologiestoSEUs:CMOS/SOS(leastsusceptible)CMOSStandardbipolarLowpowerSchottkybipolarNMOSDRAMs(mostsusceptible)近代信息处理课件24单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应

--MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件25CMOS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。近代信息处理课件26单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应

--MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件27场效应管--FETBJT是一种电流控制元件(iBiC)，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（FieldEffectTransistor,简称：FET）是一种电压控制器件(uGS～iD)，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。近代信息处理课件28增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类：

金属-氧化物-半导体场效应管结型场效应管结型场效应管的结构近代信息处理课件29MOSFET的结构近代信息处理课件30PMOS与CMOS结构近代信息处理课件31MOS管基本工作原理近代信息处理课件32导电沟道的形成D,S短路，G,S上加正向电压

（VDS=0;VGS>0）栅极与P型衬底之间象一个平行板电容器。

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。中国科学技术大学近代物理系赵雷33AlVGSPN结漏，源极（D,S）之间电压的影响在D,S之间加正电压（VDS>0），iD产生中国科学技术大学近代物理系赵雷34(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VTMOS管基本工作原理近代信息处理课件35单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应

--MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件36MOS存储器近代信息处理课件37ROM: Read-OnlyMemoryPROM: ProgrammableROMEPROM: ErasablePROMUVEPROM:Ultra-VioletEPROME2PROM:ElectricallyEPROMRAM: RandomAccessMemorySRAM: StaticRAMDRAM: DynamicRAM基于MOS技术的ROM基本结构近代信息处理课件38地址数据A1A0D3D2D1D0000110110101101101001110近代信息处理课件39SRAMDRAM使用灵活，方便，容易控制。速度快。

数据的易失性，断电后不能保存使用较多的晶体管，电路复杂，集成度相对低。功耗大。控制复杂，需刷新控制。速度慢。

数据的易失性，断电后不能保存。使用较少的晶体管，电路简单，集成度相对高。功耗小。RAM存储器的分类及特点SRAM基本结构近代信息处理课件40SRAM基本结构单元近代信息处理课件41六管NMOS静态存储单元六管CMOS静态存储单元基本SR锁存器基本SR锁存器近代信息处理课件42由两个或非门电路加交叉反馈构成输出：互补的Q和/Q

--当Q=1，/Q=0时，称为“1”--当Q=0，/Q=1时，称为“0”输入：S、R逻辑图逻辑表达式SRQ/Q011000110110

不变不变

00S:(Set):置1端，置位R:(Reset):置0端，复位逻辑符号电路结构SRAM基本结构单元近代信息处理课件43六管NMOS静态存储单元六管CMOS静态存储单元基本SR锁存器DRAM存储单元近代信息处理课件444管、3管及单管RAM存储单元单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应

--MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件45CMOS器件的单粒子扰动近代信息处理课件46CMOSSRAM离子实验的

扰动模型验证数据近代信息处理课件47随着离子注入能量的增大，单粒子扰动的饱和截面增大CMOS器件的单粒子闭锁（SEL）近代信息处理课件48RsRwP阱的CMOS反相器截面寄生的pnpn结构等效电路SDDS寄生的pnpn4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近代信息处理课件49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。单粒子效应介绍半导体元件的辐照效应单粒子效应的概念单粒子效应产生的机制MOS器件的单粒子效应

--MOSFET的结构 --MOS存储器的结构 --CMOS器件的单粒子效应产生的机理单粒子效应的加固近代信息处理课件50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器件的加固技术： 1）抗单粒子工艺加固 2）阱-源结构 3）加反馈电阻的CMOSSRAM结构近代信息处理课件51屏蔽与减额