單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)定位的脈沖激光試驗(yàn)研究

余永濤，封國(guó)強(qiáng)，上官士鵬，陳 睿，韓建偉

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)定位的脈沖激光試驗(yàn)研究

余永濤1，2，封國(guó)強(qiáng)1，上官士鵬1，陳 睿1，韓建偉1

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

利用脈沖激光單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)定位成像系統(tǒng)，對(duì)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器件IDT71256開展了單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)定位的試驗(yàn)研究。為避開器件正面金屬層對(duì)激光的阻擋，試驗(yàn)采用背面輻照方式進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型對(duì)器件單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感性有較大影響，由測(cè)得的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)分布圖經(jīng)處理得到單粒子翻轉(zhuǎn)截面，結(jié)果與重離子試驗(yàn)測(cè)得的翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)一致。

單粒子效應(yīng)；敏感區(qū)定位；數(shù)據(jù)類型；翻轉(zhuǎn)截面

空間粒子輻射環(huán)境容易誘發(fā)單粒子效應(yīng)（SEE），它是導(dǎo)致航天器異常的常見空間輻射效應(yīng)。因此，需對(duì)宇航器件在地面進(jìn)行抗輻射性能測(cè)試，研究SEE的機(jī)理，進(jìn)而采取相應(yīng)的抗輻射加固措施。宇航器件的抗輻射性能測(cè)試主要是通過地面的加速器、放射源、脈沖激光等模擬手段進(jìn)行。要深入研究器件的單粒子效應(yīng)機(jī)理，準(zhǔn)確獲得器件抗輻照性能的閾值、截面及敏感區(qū)域等參數(shù)，有必要使用束斑為微米級(jí)甚至亞微米級(jí)的微束對(duì)器件的不同區(qū)域進(jìn)行單粒子效應(yīng)測(cè)試。

脈沖激光易聚焦成微米級(jí)的微束，配合亞微米級(jí)的精密電動(dòng)移動(dòng)臺(tái)，可對(duì)器件的不同區(qū)域進(jìn)行單粒子效應(yīng)測(cè)試。脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)裝置以其準(zhǔn)確定位單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）的優(yōu)勢(shì)，能準(zhǔn)確獲得SEU敏感區(qū)位圖的分布情況。對(duì)于器件SEU敏感區(qū)亞微米級(jí)的定位研究，國(guó)外相關(guān)工作開展得早且較為深入［1－6］，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究則剛起步［7－8］。靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）以其優(yōu)異的性能而廣泛用作航天器系統(tǒng)的存儲(chǔ)器件，但同時(shí)也是對(duì)空間輻射環(huán)境敏感的器件。本工作利用脈沖激光單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)定位成像系統(tǒng)，采用背部輻照方式開展SRAM IDT71256單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)敏感性的研究。由測(cè)得的單粒子翻轉(zhuǎn)敏感位圖分析得到SEU截面，并與重離子試驗(yàn)的截面結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，討論準(zhǔn)確獲得器件SEU截面及閾值的方法。本工作對(duì)宇航器件抗輻照性能的測(cè)試具有一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 脈沖激光試驗(yàn)裝置與測(cè)試流程

脈沖激光單粒子效應(yīng)敏感區(qū)定位成像系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要由4部分構(gòu)成：激光裝置［9］、單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)、電動(dòng)移動(dòng)臺(tái)和同步控制裝置。利用聚焦后的脈沖激光對(duì)SRAM存儲(chǔ)器件進(jìn)行逐點(diǎn)輻照，同時(shí)利用SRAM存儲(chǔ)器單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的翻轉(zhuǎn)地址、位數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)和存儲(chǔ)，利用電動(dòng)移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器不同區(qū)域的掃描測(cè)試，同步控制裝置將脈沖激光輻照、單粒子翻轉(zhuǎn)的檢測(cè)、電動(dòng)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)同步控制起來，并將每個(gè)輻照位置的激光脈沖注量、單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、物理坐標(biāo)對(duì)應(yīng)起來傳輸至計(jì)算機(jī)，最終將單粒子翻轉(zhuǎn)敏感位置顯示為二維圖像。

圖1 脈沖激光SEU敏感區(qū)定位成像系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed laser facility for SEU sensitivity mapping

測(cè)試系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。初始化芯片和設(shè)定試驗(yàn)測(cè)試條件，包括在測(cè)試器件中寫入數(shù)據(jù)，激光聚焦定位在測(cè)試原點(diǎn)，調(diào)節(jié)脈沖激光能量等。測(cè)試開始時(shí)，輻照一定數(shù)量的激光脈沖。輻照完成后，單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)刷新器件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)的邏輯地址及對(duì)應(yīng)的物理坐標(biāo)會(huì)被記錄，此坐標(biāo)即是發(fā)生SEU的物理位置。然后電動(dòng)移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)一定的距離到下一測(cè)試位置，重復(fù)以上過程，直至完成對(duì)所選區(qū)域的掃描測(cè)試，最終可獲得器件測(cè)試區(qū)域內(nèi)的SEU敏感位置分布圖。

圖2 SEU敏感區(qū)定位系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Flow diagram of SEU sensitivity mapping

在試驗(yàn)過程中，電動(dòng)移動(dòng)臺(tái)的步距設(shè)定為1μm，每個(gè)測(cè)試位置輻照1個(gè)激光脈沖，芯片中寫入FFH、00H等類型的數(shù)據(jù)。

1.2 測(cè)試器件

測(cè)試器件為陶瓷DIP封裝的IDT71256，其必須進(jìn)行開封處理才能進(jìn)行激光SEU測(cè)試。為避開器件正面金屬層對(duì)激光的阻擋作用，測(cè)試采用背部輻照方式。背部輻照是對(duì)器件進(jìn)行背部開封露出Si襯底，激光從背部入射。

芯片的工作電壓為（5.0±0.5）V，容量為32K×8bits，存儲(chǔ)陣列的位圖如圖3所示。芯片的存儲(chǔ)區(qū)域分為4個(gè)陣列，每個(gè)陣列由512行和128列存儲(chǔ)單元組成，一個(gè)存儲(chǔ)單元的大小約為5μm×6μm。A0～A14為地址線，I／O0～I(xiàn)／O7為位線。A4、A5、A6、A7、A8、A9、A12、A13、A14為行地址，其他地址線為列地址，A2、A3確定存儲(chǔ)單元所在的陣列，A0、A1、A10、A11確定存儲(chǔ)單元所在的列。每一個(gè)陣列分為8組，每組有16列，8組對(duì)應(yīng)的是同一邏輯字地址的8個(gè)存儲(chǔ)單元，可看出，8個(gè)存儲(chǔ)單元在物理坐標(biāo)上并非相鄰排列，而是中間間隔有15個(gè)存儲(chǔ)單元。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光背部輻照

任意選定一測(cè)試區(qū)域（大小為30μm× 30μm），測(cè)試區(qū)域內(nèi)約有30個(gè)存儲(chǔ)單元，輻照激光能量為200pJ。SEU敏感區(qū)分布如圖4所示。圖4a對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH，圖4b為00H，黑色方框區(qū)域表示激光輻照發(fā)生SEU的位置，背景為器件測(cè)試區(qū)域的顯微圖像。

圖4 背部輻照SEU敏感區(qū)分布Fig.4 SEU sensitivity mapping for backside laser test

由圖4a可看出，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1（即寫入FFH）時(shí)，測(cè)試區(qū)域內(nèi)SEU敏感區(qū)域大致呈現(xiàn)帶狀分布。由圖4b可看出，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為0（即寫入00H）時(shí)，測(cè)試區(qū)域內(nèi)SEU敏感區(qū)域亦大致呈現(xiàn)帶狀排列。對(duì)比圖4a、b可看出，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)相反，激光輻照發(fā)生SEU的區(qū)域不同，且兩者具有較明顯的互補(bǔ)性，即存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型對(duì)器件存儲(chǔ)單元的SEU敏感性產(chǎn)生影響。翻轉(zhuǎn)結(jié)果分別列于表1、2，根據(jù)器件的存儲(chǔ)位圖，測(cè)試區(qū)域存儲(chǔ)單元的邏輯地址均對(duì)應(yīng)同一字地址8位存儲(chǔ)單元中第3位，因此，表1、2中僅給出翻轉(zhuǎn)單元的字地址。

表1 SRAM IDT71256翻轉(zhuǎn)結(jié)果（FFH）Table 1 Upset result of SRAM IDT71256 for FFH data pattern

表2 SRAM IDT71256翻轉(zhuǎn)結(jié)果（00H）Table 2 Upset result of SRAM IDT71256 for 00Hdata pattern

由表1、2可看出，器件IDT71256在寫入FFH和00H兩種情況下的翻轉(zhuǎn)邏輯地址不同，這與圖4敏感區(qū)的不同分布相對(duì)應(yīng)，而其排列規(guī)律與器件的邏輯地址與物理坐標(biāo)的映射關(guān)系一致。這說明該器件有些存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)1時(shí)敏感，而另一些存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)0時(shí)敏感，且這兩種單元在物理位置上大致相間排列。相對(duì)而言，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1時(shí)SEU翻轉(zhuǎn)數(shù)較多，閾值能量較低。對(duì)其他區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果與此類似。

2.2 結(jié)果分析

器件IDT71256中不同存儲(chǔ)單元的SEU敏感性差別較大，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)SRAM器件SEU的敏感性產(chǎn)生影響，這與作者對(duì)SRAM器件SEU特性的認(rèn)識(shí)不一致?？赡艿慕忉屖?，器件的結(jié)構(gòu)（圖5，器件的存儲(chǔ)單元是4T2R結(jié)構(gòu)［10］）并不完全對(duì)稱，若N1、N2兩個(gè)NMOS管的敏感性不一致，N2NMOS管相對(duì)較敏感，當(dāng)其處于off狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1，此時(shí)存儲(chǔ)單元敏感；反之，當(dāng)其處于on狀態(tài)，而N1為off狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為0，則此時(shí)存儲(chǔ)單元相對(duì)不敏感。而對(duì)于其相鄰的鏡像單元，現(xiàn)象正好相反。這樣，存儲(chǔ)單元全部存儲(chǔ)1或0時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)SEU敏感區(qū)相間分布的情形。按照以上解釋，若相鄰的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)相反，SEU敏感區(qū)的分布應(yīng)為均勻分布。但根據(jù)此器件邏輯地址與物理位置的映射關(guān)系，同一邏輯地址的8位存儲(chǔ)單元并非連續(xù)排列，每相鄰兩位間隔15個(gè)其他邏輯地址的存儲(chǔ)單元，因而不能通過在相鄰存儲(chǔ)單元寫入相反存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 SRAM IDT71256存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of SRAM IDT71256memory cell

3 激光SEU截面與重離子SEU截面對(duì)比

3.1 激光測(cè)試SEU截面

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的影響還可通過SEU截面數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來，可通過處理脈沖激光定位SEU敏感區(qū)的結(jié)果獲得SEU截面。改變脈沖激光輻照能量，可得到不同能量下SEU的敏感分布圖，進(jìn)而可獲得測(cè)試區(qū)域的SEU截面。截面σlaser可表示為：

其中：Sseu為敏感區(qū)分布圖中發(fā)生SEU的區(qū)域面積；Ncell為測(cè)試區(qū)域內(nèi)存儲(chǔ)單元數(shù)。

圖6為激光背部輻照條件下，存儲(chǔ)單元在存儲(chǔ)不同類型數(shù)據(jù)時(shí)測(cè)得的SEU截面，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH時(shí)飽和截面約為1.9×10－7cm2· bit－1，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為00H時(shí)飽和截面約為1.1× 10－7cm2·bit－1。可看出，隨輻照激光能量的增大，單個(gè)bit的翻轉(zhuǎn)截面增大。在相同的激光輻照能量下，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH時(shí)，SEU的截面較大，約為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為00H時(shí)的2倍。不同的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)器件的SEU截面產(chǎn)生影響，這對(duì)器件的抗輻照性能測(cè)試提出了新要求。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，器件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一般無規(guī)律，可認(rèn)為是隨機(jī)的。而在輻照試驗(yàn)中，器件通常的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH、00H或55H、AAH，這與器件的真實(shí)使用情形不一致。因此，在單一存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型條件下測(cè)得的輻照試驗(yàn)結(jié)果可能不能代表器件真正的抗輻照性能。估算器件在空間輻射環(huán)境中的翻轉(zhuǎn)率時(shí)，通?？紤]最惡劣情形，SEU閾值取不同存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型條件下測(cè)試閾值結(jié)果的最低值；SEU飽和截面與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型條件下測(cè)試結(jié)果的最大值應(yīng)不同。就SRAM IDT71256而言，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH時(shí)的SEU敏感區(qū)分布圖與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為00H時(shí)的SEU敏感區(qū)分布圖是互補(bǔ)的。所以，在最惡劣的情況下，SEU飽和截面應(yīng)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH時(shí)的飽和截面與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為00H時(shí)的飽和截面之和，并將SEU敏感區(qū)分布圖去除兩者的重合部分，計(jì)算結(jié)果如圖6中修正曲線所示。

圖6 SRAM IDT71256激光背部輻照SEU截面Fig.6 Laser backside test SEU cross section of SRAM IDT71256

3.2 重離子測(cè)試SEU截面

圖7 SRAM IDT71256重離子測(cè)試SEU截面Fig.7 Heavy ion test SEU cross section of SRAM IDT71256

本文對(duì)激光試驗(yàn)得到的SEU截面進(jìn)行重離子測(cè)試驗(yàn)證，圖7為SRAM IDT71256的重離子測(cè)試SEU截面。本試驗(yàn)分別測(cè)試存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH和AAH時(shí)SRAM IDT71256的翻轉(zhuǎn)截面?？煽闯觯S輻照離子LET值的增大，單個(gè)bit的翻轉(zhuǎn)截面逐漸增大。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH的SEU截面明顯大于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為AAH的，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH時(shí)飽和截面約為1.8× 10－7cm2·bit－1，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為AAH時(shí)飽和截面約為1.5×10－7cm2·bit－1。

重離子測(cè)試SEU截面與激光試驗(yàn)的結(jié)果相比，兩者所表現(xiàn)出的趨勢(shì)一致。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH時(shí)，重離子測(cè)試SEU截面略小于激光測(cè)試的，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為AAH時(shí)，重離子測(cè)試SEU截面小于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為FFH的SEU截面，而大于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為00H的激光測(cè)試SEU截面。因?yàn)榧す獾墓獍叱叽巛^大［11］，相同條件下激光測(cè)試的SEU截面較重離子測(cè)試的截面稍大。重離子測(cè)試結(jié)果表明：對(duì)于SRAM IDT71256，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型會(huì)對(duì)器件SEU截面的測(cè)量產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

本工作利用脈沖激光單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)敏感區(qū)定位成像系統(tǒng)，采用背部輻照方式對(duì)SRAM IDT71256開展了單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)敏感區(qū)定位的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，對(duì)于此款器件，存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)器件存儲(chǔ)單元SEU敏感性產(chǎn)生較大影響。處理SEU敏感位圖可獲得SEU截面，結(jié)果與重離子測(cè)試結(jié)果符合較好。

不同類型的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可能對(duì)器件SEU截面及閾值的測(cè)量產(chǎn)生影響，這對(duì)器件的抗輻照性能測(cè)試提出了新要求。存儲(chǔ)器件抗輻照試驗(yàn)中，采用單一類型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)試條件與器件的真實(shí)使用情形不一致，測(cè)試結(jié)果可能不能表示器件真正的抗輻照性能。對(duì)于存儲(chǔ)器件SEU截面及閾值測(cè)試，應(yīng)該綜合分析不同類型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)，得到較為可靠的SEU輻照測(cè)試結(jié)果。

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Experimental Study on Pulsed Laser Single Event Upset Sensitivity Mapping

YU Yong-tao1，2，F(xiàn)ENG Guo-qiang1，SHANGGUAN Shi-peng1，CHEN Rui1，HAN Jian-wei1
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

The pulsed laser facility for single event upset（SEU）sensitivity mapping was utilized to study SEU sensitivity mapping of SRAM IDT71256.To avoid the block of the metal layer in the front side of integrated circuit，the backside testing method was used.The experiment results show that the SEU sensitivity of the SRAM cell depends on the pattern of data stored in the memory cell.The SEU sensitivity mapping could be used to construct the corresponding SEU cross section，which is validated by the heavy ion beam test result.

single event effect；sensitivity mapping；data pattern；upset cross section

TN406

：A

：1000-6931（2015）01-0176-05

10.7538／yzk.2015.49.01.0176

2013-11-11；

2014-01-19

基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（A1320110028）；中國(guó)科學(xué)院支撐技術(shù)項(xiàng)目資助（110161501038）

余永濤（1987—），男，河南寶豐人，博士研究生，地球與空間探測(cè)技術(shù)專業(yè)