單粒子效應(yīng)ppt

1、單粒子效應(yīng)和CMOS器件的加固姓名姓名：張鑫張鑫 學(xué)學(xué)號：號：201324692016-06-08半導(dǎo)體器件建模分析2空間單個的高能重離子或者質(zhì)子，在器件材料中通過直接的電離作用或者核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子的間接電離作用形成的額外電荷，導(dǎo)致的器件邏輯狀態(tài)、功能、性能等的變化或損傷現(xiàn)象。單粒子效應(yīng)具體包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)脈沖、單粒子功能中斷、單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯┑取瘟Ｗ有?yīng)（SINGLE EVENT EFFECT） 單粒子效應(yīng)（SEE, single event effect）產(chǎn)生自單個高能粒子（single, energetic particle）。 單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU, s

2、ingle event upset)產(chǎn)生的可能性由Wallmark and Marcus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)。半導(dǎo)體器件建模分析3單粒子效應(yīng)的分類 非破壞性的單粒子效應(yīng) (Soft Error)- 單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU: Single Event Upsets ）- 單粒子瞬變效應(yīng)（SET: Single Eve

3、nt Transient） 災(zāi)難性單粒子效應(yīng) (Hard Failure)- 單粒子鎖定（SEL: Single Event Latchup）- 單粒子燒毀（SEB: Single Event Burnout）- 單粒子門斷裂（SEGR: Single Event Gate Rupture）半導(dǎo)體器件建模分析4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)生電荷沉積電荷沉積，當沉積的電荷足以改變改變儲存單元的邏輯狀態(tài)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)

4、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。半導(dǎo)體器件建模分析5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1 Mbit SRAM在軌道上每天約

5、有3.5個單粒子事件的翻轉(zhuǎn)率（3.510-6/bit per day）及其隨L坐標的分布。半導(dǎo)體器件建模分析6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（滿足齊次性和疊加性）中，如組合邏輯電路、I/O下此類器器件及空間應(yīng)用的光纖系統(tǒng)等。在高能粒子的作用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

6、沖幅度高達26 V，持續(xù)時間14 us。 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。半導(dǎo)體器件建模分析7單粒子瞬變效應(yīng)（SET）半導(dǎo)體器件建模分析8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

7、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，則當功率場效應(yīng)管在適當?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。半導(dǎo)體器件建模分析9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

8、：1) 高能質(zhì)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。Schematic showing how galactic cosmic rays deposit energy in an electronic device半導(dǎo)體器件建模分析10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

9、帶分內(nèi)帶和外帶，其高度分別為50010000km和1300064000km。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。半導(dǎo)體器件建模分析11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510-4/cm2s，但由于具有很大的阻塞功，仍對宇航和衛(wèi)星中的LSI（Large Scale Integrated Circuits）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

10、，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。半導(dǎo)體器件建模分析12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2104/cm2s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。半導(dǎo)體器件建模分析13高能質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)半導(dǎo)體器件建模分析14反應(yīng)產(chǎn)生的7 MeV質(zhì)子，能夠穿透約400 um的硅片

11、；約5.3 MeV的粒子能穿透27 um的硅片；1 MeV的反沖原子能穿透不到1 um。整個核反應(yīng)過程能夠在硅片中沉積約10 MeV的能量，其中粒子沉積能量最多，產(chǎn)生約2.8106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。30 MeV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14 MeV，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。半導(dǎo)體器件建模分析15高能中子引起的單粒子效應(yīng)半導(dǎo)體器件建模分析16引起16k動態(tài)RAM產(chǎn)生一個軟錯誤的平均

12、中子流(/cm2)場效應(yīng)管 - FET BJT是一種電流控制元件(iB iC)，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（Field Effect Transistor, 簡稱：FET）是一種電壓控制器件(uGSiD)，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。半導(dǎo)體器件建模分析17增強型增強型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道FET分類：分類： 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體場場效應(yīng)管效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)

13、管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件建模分析18結(jié)型場效應(yīng)晶體管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）JFET是在同一塊N形半導(dǎo)體上制作兩個高摻雜的P區(qū)，并將它們連接在一起，所引出的電極稱為柵極g，N型半導(dǎo)體兩端分 別引出兩個電極，分別稱為漏極d，源極s。結(jié)型場效應(yīng)晶體管是一種具有放大功能的三端有源器件,是單極場效應(yīng)管中最簡單的一種,它可以分N溝道或者P溝道兩種。MOSFET的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件建模分析19PMOS與CMOS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件建模分析20導(dǎo)電溝道的形成 D, S短路，G, S上加正向電壓（VDS=0; VGS0） 柵極與P型襯底之間象一個平

14、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VGS較小時，沒有電流。 當 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。半導(dǎo)體器件建模分析21Al V VGSGSPN結(jié) 漏，源極（D, S）之間電壓的影響 在D, S之間加正電壓（VDS0），iD產(chǎn)生半導(dǎo)體器件建模分析22(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

15、窄。(b) 當使VDS，溝道會在D一側(cè)繼續(xù)變窄。(c) 當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。開啟電壓開啟電壓 V VT TCMOS器件的單粒子閉鎖（SEL）半導(dǎo)體器件建模分析23RsRwP阱的CMOS反相器截面寄生的pnpn結(jié)構(gòu)等效電路SDDS寄生的pnpn 4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)半導(dǎo)體器件建模分析24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。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

16、器件的加固技術(shù)：1）抗單粒子工藝加固2）阱-源結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件建模分析25屏蔽與減額 對商用器件的封裝進行修改，如在結(jié)構(gòu)中使用鎢代替鋁，封裝上使用兩層Kovar合金，內(nèi)層用0.25mm，外蓋用1mm，可以減少輻射劑量，同時減少SEU相關(guān)的截面參數(shù)。同樣，可以根據(jù)儀器在飛行器中的位置，對器件局部進行屏蔽加固。 當場效應(yīng)管用于50%的額定電壓值，發(fā)生單粒子燒毀事件的可能性會小得多。光耦合器產(chǎn)生的瞬變脈沖寬度反比于器件的最大頻率，降低使用頻率并增加帶通濾波器，可以將瞬變脈沖濾除。半導(dǎo)體器件建模分析26系統(tǒng)級措施 系統(tǒng)及關(guān)鍵部分應(yīng)對災(zāi)難事件的保護措施。如系統(tǒng)的主CPU加入處理突發(fā)事件的內(nèi)容；在電流驟增時

17、電源的關(guān)斷與重開措施；在特殊區(qū)域可采用停機措施。如SM-2發(fā)射在南大西洋上空停機解決了光耦合器瞬變脈沖對系統(tǒng)的干擾。 在對系統(tǒng)中所用的芯片在進行輻射劑量、各類單粒子效應(yīng)試驗的基礎(chǔ)上，作針對性處理。如將商用CPU芯片（80386、80486）在加速器上進行動態(tài)實驗，了解片內(nèi)各寄存器產(chǎn)生SEU對系統(tǒng)的影響（是數(shù)據(jù)出錯還是地址出錯），并在編程時進行針對性處理。半導(dǎo)體器件建模分析27抗單粒子工藝加固 隨著集成度的提高和工藝特性尺寸的減小，器件的抗單粒子能力下降。在工藝上采用一些特殊措施，則可能提高小尺寸的CMOS器件的抗單粒子能力。 這些工藝包括：雙阱工藝，減薄柵氧化層厚度，增加P阱和N襯底的摻雜濃度

18、以及減薄外延層厚度等。這些工藝能夠增加結(jié)電容，降低聚集效應(yīng)的電荷收集。半導(dǎo)體器件建模分析28CMOS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。半導(dǎo)體器件建模分析29單粒子鎖定(SEL: SINGLE EVENT LATCHUP)半導(dǎo)體器件建模分析30CMO S 器件除了單粒子擾動外, 單個重核離子還能引起閉鎖。CMO S 器件固有 pnpn 4層 結(jié)構(gòu), 除了 P 阱 CMO S 反相器截面和寄生的 pnpn 結(jié)構(gòu)等效線路。圖中 p 溝晶體管的源區(qū) P+2n 襯底2P 阱2n 溝晶體管的源區(qū)N + , 即為寄生的 4 層結(jié)構(gòu)。它的等效線路分別由寄生 的 npn 和 pnp 晶體管以及襯底電阻 R s和 P 阱電阻 R w組成。在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)觸發(fā)條件下, 假如使 P 阱電阻 R w上產(chǎn)生的壓降等于或大于寄生的 npn 晶 體管基極2發(fā)射極結(jié)的正向壓降, 從而引起 npn 晶體管通導(dǎo)。npn 晶體管一旦通導(dǎo), 就將有