速記：FPGA與抗輻射加固技術

1、    速記：FPGA與抗輻射加固技術        時間:2010年09月21日 中國電子信息產業(yè)網    字 體: 大 中 小        關鍵詞:         圖為：771研究所副總工程師吳龍勝演講。  吳龍勝：各位來賓，大家下午好!在座的都90%

2、的人都不涉及這個行業(yè)，F(xiàn)PGA應用的時候會有輻射效應，這是在什么樣特殊的環(huán)境下應用的時候會考慮這樣的問題呢?主要是空間應用?？臻g應用可能跟在座的似乎看起來沒有太大的聯(lián)系，但是跟我們日常生活每一天都是緊密相關的，包括天氣預報等等一些應用都跟我們生活是息息相關的。下面我們看產生的后果。在空間飛行器當中，一般來說，它產生的故障大概是40%我們是未知的，我們無法確定它到底是什么原因造成這個系統(tǒng)失效或者是功能的終端等等，其他故障30%，不明故障40%，輻射產生的故障大概在30%左右。單粒子效應，事實上我們在一個規(guī)定當中制造這么多的晶體管，它晶體管和晶體管的隔離是用基本的措施進行隔離的，而在一般情況下，它

3、這種隔離是一種平衡狀態(tài)，當這種高能粒子在反偏的PN結中，產生電子空穴對，由于存在在電場作用下的漂移運用，及非平衡狀態(tài)下的擴散運動，就會產生瞬間的脈沖電流。第一，由于CMOS器件中天然存在PNPN四層結構，在高能粒子產生的電流作用下，會引起電源之間的短路，即閂鎖效應。再一個，剛才我們講到了總劑量效應，它會改變表面，對于由表面影響到器件內部的一些特性?？倓┝啃褪峭ㄟ^(英)產生的特性變化，它的閾值發(fā)生了變化。第二個是通過束縛變化，最后導致溝道的遷移率也發(fā)生了改變。接下來我們提出解決問題的措施。一個是對于單粒子翻轉的解決措施，主要的措施是通過外延的方式截斷粒子在反偏PN結的軌跡，減小電荷收集效應見

4、效電廠產生的“漏斗效應”，提高CMOS電路的抗SEU能力。合理設計晶體管物理尺寸，使得Qcollection大于Qcritical難以滿足。再一個就是閂鎖，閂鎖的解決措施有三個，一個是SEL解決措施，這是我們一般常規(guī)工藝制造的晶體管，它是N管和P管處在兩個不同的地方，沒有一些特殊的措施，對于抗輻射的電路來說，這個地方加了一個環(huán)，它加這個環(huán)的目的就是盡可能把在晶體管周圍由于碰撞產生的電荷，盡快通過收集環(huán)，以免對電路產生更多的影響。再一個就是增加外延層，降低兩個寄生極晶體管的放大倍數(shù)積。采用全介質隔離，消除生的PNPN四層結構。這個地方每一個器件通過這樣的一個氧化層把它隔離掉，這個解決全介隔離，就

5、是把每一個晶體管周圍都拿氧化層把它隔離開，這樣就把PNPN的結構徹底隔斷了。在半導體表面，它這種電學上的聯(lián)系已經把它徹底隔斷了。剛才介紹的是如何消除這種單粒子效應，接下來介紹一下總劑量效應。整個晶體管在這個地方屬于柵，在長氧區(qū)和制造晶體管這個地方有一個過渡區(qū)，這個地方叫做鳥嘴區(qū)，當然在小尺寸的器件，這個地方它采用一些特殊的工藝，這個地方的影響會減少。對于一些大尺寸的器件，就是在0.25米以上的，它采用的是平面，沒有采用STI(音)的工藝。它所受到的總劑量的影響非常大，就是說它閾值變化的幅度要比晶體管內部，或者是本身晶體管的變化幅度要大很多，就是說在輻射劑量到一定的時候這個地方就提前開啟了，這個

6、就是我們常說的鳥嘴效應。為了避開這個鳥嘴區(qū)，常常采用環(huán)柵設計。這個就是我們在抗輻射加固的時候常常采用的一種辦法，外面加一個保護環(huán)，一個是提高抗單粒子的(英)效應，這就是我們在設計方面所采取的措施。在工藝方面，我們采用外延等等一些特殊的工藝。目前工藝尺寸的變化帶來的抗輻射加固主要問題的變化，在大尺寸器件的時候，那個時候的氧化層非常厚，總劑量效應對于我們整個電路的影響占主要的矛盾。大概是從0.25微米以后，到28納米這款的產品都推出了，這個時候晶體管的尺寸變小了，最容易受到影響的是這種單粒子效應，單粒子效應就會成為我們整個電子系統(tǒng)當中的一個主要矛盾。它的原因是什么呢?由于在大尺寸的時候，如果是一個

7、粒子從這個圓中心打過去的時候，它所影響的面積非常有限，可是同樣的一個粒子的話，穿過現(xiàn)有的半導體器件，它影響的區(qū)域還是原來那么大，可是現(xiàn)在在這個區(qū)域我們現(xiàn)在有更多的晶體管處在這個當中，因此單粒子效應變化越來越嚴重了。這個是我們這里面有相應的參數(shù)來描述這種變化。這種單粒子效應隨著電路尺寸的減小，電路工作的速度會越來越快，單粒子產生的脈沖跟我們工作當中相比擬，單粒子形成的脈沖會對我的電力狀態(tài)產生影響。第三個，解決措施。設計加固一共有四個措施，一個是器件級，第二是電路級，第三是系統(tǒng)級。再談一談FPGA目前在空間應用的情況。MASA和ESA對FPGA在航天器上的應用一直比較慎重，主要用ASIC，所使用的少量FPGA也全部是輻射加固型的。品種既有AntiFuse也有SRAM。國內FPGA自10年前開始逐步應用于航天器，目前的應用非常廣泛。包括系統(tǒng)與分系統(tǒng)都有應用。規(guī)模超過100萬門的不許應用。控制關鍵系統(tǒng)中以AntiFuse型為主，非關鍵部分中以SRAM型為主。目前在航天產品中的FPGA必須具有非常高固有可靠性和良好空間環(huán)境適應能力。在質量等級方面應至少達到Q級以上，在抗空間輻射能力方面，TID指標應達到100K，SEL指標應達到80Mev。針對中國航天產品中的應用情況以及FPGA的特