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技术干货| 关于电子元器件空间辐射单粒子效应的考核

点击次数:315 更新时间:2024-01-11

        宇宙遍布着各种高能量的辐射粒子,这些粒子会对元器件带来影响,如何进行抗辐射设计成为了工程师针对逻辑类数字电路、存储器以及某些功率器件的一个必要考量。

        宇宙空间中存在能量高而数量极低的辐射粒子,这些粒子会造成瞬态巨大的电离能量沉积。沉积的能量可以用线性能量沉积LET值来度量。下面两个图引用了国际空间站轨道ISS监测到的空间轨道粒子能谱,并计算获得了相应的LET值。从图中可以看出,LET值越高的粒子其丰度越低。

        尽管这些大LET值的粒子存在较少,但它们对半导体元器件的影响极大,尤其是对逻辑器件和存储器件。幸运的是,高LET值粒子在空间中的分布极少,它们对器件的影响类似于一个个间断的独立事件,不会持续发生甚至出现粒子之间的重叠耦合。因此,我们将这种由高LET值粒子引发的器件异常行为定义为单粒子事件效应(Single Event Effect-SEE)。


来源;张战刚,SRAM单粒子效应地面加速器模拟试验研究,中国科学院大学,博士学位论文 2013

        高LET值离子穿透器件会在其入射轨迹上产生强电离效应。单位路径上沉积的能量就是LET值, LET越高,电离产生的电子-空穴越多。如果离子轨迹穿过了器件的耗尽区(强电场区),这些电离产生的电子-空穴在电场作用下发生迁移,并被器件的高低电位点收集,从而产生脉冲电流。这种脉冲电流存在两种作用:

        其一,电流携带的电荷被收集,从而改变各端电极的电位,从而引起逻辑状态翻转(高电位变成低电位/低电位变成高电位)。

        其二,电流脉冲作为电流激励会诱发某些寄生结构的开启,如可控硅结构,从而诱发闩锁(Latch-up)事件,甚至是某些雪崩击穿或烧毁。

        在工程上,对于逻辑类数字电路、存储器以及某些功率器件,对单粒子效应的考核主要考虑单粒子翻转和单粒子闩锁。而对于某些功率器件,还需要考核单粒子烧毁。

图片示例

试验标准

        国内目前采用QJ 10005-2008《宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南》和GJB 7242-2011《单粒子效应试验方法和程序》来指导航天用器件的单粒子试验。试验程序如下图所示,包含了试验过程中对闩锁、烧毁和翻转三种现象的监测。同时,还兼顾了用于摸底LET阈值和饱和截面的程序。

试验流程

        不同结构、工艺和功能的半导体元器件,在遭受相同LET值的粒子轰击时,其发生单粒子翻转的概率是不同的。这主要是因为器件对单粒子效应的敏感程度各不相同。为了描述这种敏感程度,一般采用以下几个度量标准:

        1、翻转截面:它描述了单位粒子注量下产生翻转的数量,单位为cm2/device。翻转截面的大小取决于器件的结构和粒子的LET值。换句话说,相同LET值下,翻转截面越大,说明器件对单粒子翻转的敏感度越高

        2、饱和截面:随着LET值的增加,器件的翻转截面并不会一直上升,而是会达到一个平台,这个平台对应的截面就是饱和截面。

        3、LET阈值:这是定义翻转截面为1%的饱和截面时对应的LET值。也就是说,LET阈值就是能最小程度地引起器件翻转的LET值。

        这些度量标准的存在,使工程师们能够更好地理解半导体元器件对于单粒子效应的敏感程度,从而为器件的设计和制造提供参考。

试验源选择

        为进行单粒子试验工程师需要获得具有较大LET的粒子,一般都要采用能量达到GeV/nucleon的带电粒子。这就需要用的加速器,GJB 7242-2011中主要推荐两种加速器,即串列静电加速器和回旋加速器。两者各有特点,适用于不同需求场景:

        1、串列静电加速器,高能粒子容易获得,可连续变换粒子种类和能量,适用于翻转截面摸底试验,但其对粒子加速能力有限,故只能获得能量较低的带电粒子,这造成其穿透深度有限,故不适用于敏感区较深的器件,硅中射程一般在几十微米。

        2、回旋加速器,其加速能力强,可获得较大能量的带电粒子,穿透深度高,硅中射程在几百微米,但其不易改变粒子的种类和能量,适用于考核试验。

考核试验时对试验源参数的选择

        单粒子效应较其他辐射效应而言,其不确定性更大。因此对单粒子效应的考核需要充分考虑空间实际情况,来选择考核粒子LET值范围。如下图所示为GEO(其他轨道几乎与GEO相同),随着LET值的增大,粒子强度呈现九级“瀑布"式分布,且不同分布上,粒子种类也存在差异。


        由图中可见,按照粒子的通量存在两大板块,其一为LET值在26 MeV cm2/mg以下的区域,这部分是高能粒子的主力,如果器件在LET阈值小于15-26这个区间,意味着器件在空间应用时会频繁发生软错误。所以一般工程抗考核时,对翻转阈值≤ 26 MeV cm2/mg不建议使用。

        另外一个区域是达到105 MeV cm2/mg时,此时粒子通量极低,可基本忽略。所以对于器件翻转阈值大于105 MeV cm2/mg时,可认为该器件对单粒子效应免疫。

        对于某些功率器件,其内部敏感区普遍处于较深的位置,粒子必须有足够的能量穿透到器件,触发其可控硅结构方能发生闩锁。具有这种能力的粒子,基本上其粒子LET峰值在75 MeV cm2/mg以下。所以当器件在75 MeV cm2/mg考核下,不发生闩锁,可认为对单粒子锁定免疫。同时也不希望在更高通量的粒子下发生闩锁,所以建议器件的闩锁阈值下限要高于37 MeV cm2/mg。

        综合上述,对于单粒子翻转的考核,粒子LET考核要考虑低于15-26 MeV cm2/mg,一旦低于15 MeV cm2/mg则为不可用 。而单粒子闩锁的考核范围为37-75 MeV cm2/mg。

试验过程试验结尾的规定

        对单粒子试验的粒子通量(单位时间,单位面积的粒子数),注量(单位面积,累积粒子数)和累积错误数的规定主要从以下几个方面考量:

        1、对粒子通量,原则上应尽可能接近实际应用,不希望两个粒子作用时间存在交叠,交叠可能产生严重的单粒子现象。同时要考虑加速器所能给定的z低通量,以及兼顾试验成本(通量越低,试验时间越长,试验成本越高)。

        2、对注量的要求,主要是防止总剂量效应的发生,根据工程经验,当重离子累积注量不超过107 ions/cm2时,重离子辐射的累积总剂量效应可以忽略;

        3、对累积错误数的考虑,单粒子效应试验本质上是一种统计试验,是以小子样评估为基础,实践中,尽量获得更多的错误数据,以保证评估的置信度,标准中要求至少累积100个错误。

        4、为保证试验的置信度,尽量累积多的错误,但同时不能超过总剂量效应发生的累积粒子数,所以以记录到的错误和达到的累积粒子数最先触及的条件作为试验中止条件。

受试器件的准备

        在进行单粒子试验时,受试器件的处置方法极为重要。首先,工程师必须确保器件的封装不会阻碍试验源重离子到达器件的敏感区,否则将无法观察到任何单粒子现象的发生,从而导致试验失败。因此,工程师需要参照标准给定能量的Si中射程,在试验前充分评估并保证粒子能够到达敏感区的方法。

        为了实现这个目标,工程师可以通过机械或化学开封的方式将裸芯片暴露出来。对于倒装器件,应采用机械研磨或切削进行衬底减薄。如果使用环形加速器进行试验,应尽可能保证器件衬底低于100μm。无论是通过机械开封还是衬底减薄的方式,我们都应确保器件能够保持正常的加电和工作状态。

        对于功率器件,如果正面金属层较厚,工程师应采用背面衬底减薄的方式进行评估和考核试验。这样可以确保试验的准确性和可靠性,同时也能有效地保护器件不受损伤。总的来说,对受试器件的处置是一个需要综合考虑多种因素的过程,旨在保证试验的成功进行和结果的准确性。

对测试系统的要求

        参考GB/T 39343-2020《宇航用处理器器件单粒子试验设计与程序》,进行单粒子试验的电路板及测试系统应考虑如下:

        1、能够承载待测器件,可采用焊接,也可采用Socket装夹;

        2、能够施加供电电压,并可根据需要改变电压;

        3、能够对器件进行读/写操作,能够抓取读写单元的地址信息,包括物理地址;

        4、上位机软件能够记录读操作的数据,并可与预期值比较,并根据错误的物理地址信息区分SEU和MBU;

        5、控制回路和待测器件承载板尽量采取字母板的方式,以避免辐射粒子对控制回路器件影响,导致试验噪声;

        6、线缆进行必要屏蔽,避免电噪声;

        7、ECC纠错尽量关闭,否则单位翻转监测不到,只能监测多位翻转;

        8、软错误可能对供电电压十分敏感,尽量将可能的供电状态都进行独立的试验,这是因为很多用户十分关注软错误率与供电状态之间的关系。

        9、减少死时间:读与写间隔内,发生错误是无法被监控到,会导致错误率的低估;

        10、re-rewritten的向量写补码;

        11、禁止整体写、整体读,如此会使死时间增加50%,错误率低估一倍;

        12、 建议即时读写,即一个地址进行两个访问循环,其中一个访问位读访问,同时比较错误和记录错误,另一个访问循环写入补码;

        13、 要进行地址码和存储数据一一核实,会存在地址译码电路翻转造成的错误写入。

广电计量半导体服务优势

        ● 牵头工信部“面向集成电路、芯片产业的公共服务平台建设项目" ,参与工信部“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台"等多个项目;

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        ● 在集成电路及SiC领域是技术能力全面、认可度高的第三方检测机构之一,已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百个型号的芯片验证;并支持完成多款型号芯片的工程化和量产。

        ● 在车规领域拥有AEC-Q及AQG324一站式能力,获得了近50家车厂的认可,出具近400份AEC-Q及AQG324报告,助力100多款车规元器件量产。