《電子技術應用》
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速記:FPGA與抗輻射加固技術

2010-09-21
來源:中國電子信息產業網
關鍵詞: FPGA 抗輻射

 

  由工業和信息化部指導,西安市科學技術局、西安市集成電路產業發展中心和中國電子報社主辦,陜西省半導體行業協會、西安軟件園發展中心和西安地區科技交流中心協辦的2010年(第二屆)中國FPGA產業發展論壇于8月31日在西安市隆重舉行。本次論壇的主題是“可編程技術加速中國科技創新”,來自國內外數十家企業、高等院校和科研機構的200余名代表參加了本次論壇。

  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%的人都不涉及這個行業,FPGA應用的時候會有輻射效應,這是在什么樣特殊的環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。

  下面我講一下“FPGA與抗輻射加固技術”。首先介紹一下輻射的基本概念,然后我再講一下它對電路系統產生的嚴重后果;再一個,涉及這樣一些電子系統的時候需要解決的一些問題和措施。在宇宙空間包括自然環境中,我們每天都生活在輻射的情況下,只不過我們在地面的環境下對我們的生活影響非常少,可是對于外層空間的飛行器來說影響非常大。一個是宇宙射線,另外一個是太陽耀斑等等,還有一些特殊的環境下,我們很少接觸到的,就是人工的核電站,核反應堆、加速器等等這些存在輻射環境,但是它是一種人工制造的。粒子的種類包括質子、中子、電子以及重離子之類的東西。它對電子器件產生的影響有哪些效應呢?第一個就是束縛電荷。我們知道,對于我們大多數電子系統當中所用的器件都是經過(英)工藝的,這里面有一層隔離層,這里面有一個氧化層,對我們器件的影響是非常大的。我們電子系統在輻射環境下工作的時候,到一定總劑量的時候這個電子系統就會失效,它是靠基本的門和晶體管開關來進行信息傳輸和處理的,一旦開關失效了,整個電子系統就會失效,而失效的原因就是輻射引起的閾值電壓。束縛電荷與輻射環境:在地面的條件下,我們電子系統每一年接受到的輻射劑量大概在0.5,在空間,尤其地球同步軌道的時候,大概10年10K左右,而人工的核反應堆每一天接到的輻射反映大概是1兆。在硅的這個材料中產生的3.7×10的15次方,它所需要的值就是1Gy??臻g環境的話,對于我們地球上的空間來說,影響我們最大的是源于太陽,尤其是太陽的活動,包括耀斑等等。對于我們地球來說,為什么我們日常生活中感受到的影響沒有外空的大呢?好在我們有地球的磁場、大氣等等,削弱了輻射對我們日常生活的影響。這種輻射的效應一般來說,對我們電子系統來會產生不同的效應,一個是單粒子效應,所謂單粒子效應就是指那些重粒子,包括質子、中子對我們產生的影響,另外,就是邏輯狀態發生翻轉了,我們稱為單粒子翻轉。再一個對于材料本身,如果非常高能量的重粒子入射到材料當中會產生銳意損傷,這對電子效應會產生非常大的影響。

  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,它這種隔離是一種平衡狀態,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。總劑量效應就是通過(英)產生的特性變化,它的閾值發生了變化。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,它加這個環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,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,在長氧區和制造晶體管這個地方有一個過渡區,這個地方叫做鳥嘴區,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,這個就是我們常說的鳥嘴效應。為了避開這個鳥嘴區,常常采用環柵設計。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,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,穿過現有的半導體器件,它影響的區域還是原來那么大,可是現在在這個區域我們現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。包括系統與分系統都有應用。規模超過100萬門的不許應用??刂脐P鍵系統中以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的特殊要求,而FPGA它有一定的特殊性,因此逐漸在這個地方采用了FPGA轉ASIC的方式來實現,在一些電子系統當中,因為它的指標要求比較特殊,因此還是逐漸地在采用FPGA轉ASIC的應用需求。謝謝大家!

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