脈沖激光模擬空間載荷單粒子效應研究進展

韓建偉,上官士鵬,2,馬英起,朱翔,2,陳睿,李賽,2

（1.中國科學院 國家空間科學中心,北京 100190；2.中國科學院大學,北京 100049）

0 背 景

高性能、高可靠性、高集成度、低功耗、小質(zhì)量、小尺寸的半導體器件和集成電路在空間探測載荷中的應用需求不斷增加,然而航天電子器件在空間環(huán)境中會受到銀河宇宙線、太陽宇宙線等高能粒子的輻射,引起的單粒子效應嚴重威脅航天器的安全可靠運行[1-2]。航天器電子器件在應用于空間環(huán)境前,需要評估其單粒子效應特性及其對電路系統(tǒng)的影響,既要摸索設計合適的電路條件防范單粒子效應的影響,又要試驗驗證電路系統(tǒng)的抗單粒子效應設計措施,甚至要研制載荷專用的抗輻射ASIC電路,這都要求更加精細的單粒子效應測試。試驗機時充裕,試驗環(huán)境開放無需真空[3-5],便于靈活地測試器件的單粒子效應特性及對電路系統(tǒng)的影響,從而確定合理的單粒子效應防護設計措施,能夠準確有效地觸發(fā)單粒子鎖定、單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子燒毀、單粒子多位翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)脈沖、單粒子功能中斷等,便于試驗驗證其抗單粒子效應設計措施是否有效。通過研究確定激光單粒子效應能量與重離子LET值的對應關(guān)系,可定量評價器件的單粒子效應敏感度。此外,脈沖激光試驗可以方便地定位器件單粒子效應敏感區(qū)域[6-9],獲取導致器件單粒子效應的電流脈沖等關(guān)鍵參量[10-11],為載荷研制抗輻射專用ASIC電路提供精細的單粒子效應特征信息參數(shù)。

1 脈沖激光模擬單粒子效應的試驗裝置

1.1 脈沖激光試驗單粒子效應裝置原理

脈沖激光試驗單粒子效應裝置[3-6]主要是通過光學系統(tǒng)將脈沖激光器發(fā)出的激光聚焦到微米量級,實時對激光能量調(diào)節(jié)、測試。脈沖激光試驗單粒子效應裝置總體組成包括6個主要部分：①脈沖激光器單元；②脈沖激光能量調(diào)節(jié)單元；③脈沖激光能量測量單元；④脈沖激光聚焦成像定位單元；⑤試驗控制單元；⑥單粒子效應檢測設備,試驗裝置如圖1所示。

脈沖激光模擬單粒子效應試驗的核心裝置是脈沖激光器,激光器參數(shù)包括波長、脈寬、光斑大小等。因脈沖激光多采用器件硅襯底背部輻照的方式[3-6,12],對于體硅工藝的半導體器件,多選用波長為1 064 nm激光器,1 064 nm激光在硅中的穿透深度[13-14]（光強衰減為1/e的入射深度）約為700μm,能夠穿透常見的CMOS工藝的半導體器件的硅襯底厚度。

圖1 脈沖激光試驗單粒子效應裝置原理圖Fig.1 Schematic chart of pulsed laser single event effects（PLSEE）facility

1.2 脈沖激光試驗單粒子效應裝置

空間中心于2001年開展脈沖激光試驗單粒子效應機理與方法研究[15]。2006年自主研制了國內(nèi)第一臺納秒脈沖激光單粒子效應模擬裝置[5],如圖2（a）所示。其后,又自主研制了皮秒脈沖和飛秒脈沖激光單粒子效應試驗裝置如圖2（b）、圖2（c）所示。

三套裝置最主要的區(qū)別是脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖寬度不同,納秒激光器發(fā)射的脈沖激光寬度為25 ns,此套系統(tǒng)成本低,容易搭建；皮秒激光器發(fā)射的脈沖寬度為25 ps,脈寬與重離子和器件作用的時間尺度相近,最適合用于定量模擬器件的單粒子效應；飛秒激光器脈寬為35 fs,激光波長可調(diào),可適用多種工藝器件的單粒子效應測試,選擇合適的波長可以以雙光子吸收的方式觸發(fā)器件單粒子效應。

圖2 空間中心脈沖激光試驗單粒子效應裝置Fig.2 PLSEE device of National Space Science Center（NSSC）

空間中心經(jīng)過多年積累,開展了0.8μm、0.6μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90 nm等多種尺寸,體硅、雙極、SOI、GaAs等多種工藝的集成電路芯片的單粒子鎖定、翻轉(zhuǎn)、瞬態(tài)脈沖、功能中斷、燒毀等多種單粒子效應研究。對SRAM、Flash、FPGA、EEPROM、CPU、DSP等多種數(shù)字器件以及運放、DC/DC等模擬器件進行了單粒子效應研究,積累了豐富的脈沖激光模擬試驗經(jīng)驗。

2 脈沖激光模擬單粒子效應的試驗研究進展

2.1 激光有效能量與重離子LET閾值對應關(guān)系

脈沖激光模擬單粒子效應的一個關(guān)鍵問題是在一定的不確定度內(nèi)將激光能量對應于重離子LET值,給出器件抗單粒子效應能力的量化指標。空間中心通過利用皮秒脈沖激光測試0.13μm以上多種CMOS工藝19款不同類型的器件單粒子鎖定效應激光閾值能量,19款器件包括SRAM、ADC、FPGA、LCD controller、power supply等。需要采用器件硅襯底入射的方式輻照,將得到的激光有效能量閾值與重離子LET閾值一一對應并進行擬合[16-19],得到激光有效能量與重離子LET值對應關(guān)系曲線,如圖3（a）所示,考慮對應關(guān)系曲線應在一定的不確定度內(nèi),包含盡可能多的數(shù)據(jù)點,相關(guān)系數(shù)取擬合值 + 3倍的標準偏差（具有99.7%的置信度）,LET均值取值有±25%的不確定度。采用背面試驗方法,利用10款90 nm～0.6μm CMOS工藝的SRAM、FPGA得到的激光翻轉(zhuǎn)有效閾值能量與重離子LET值對應關(guān)系曲線如圖3（b）所示。

2.2 脈沖激光正面輻照試驗圖像傳感器單粒子效應

隨著半導體工藝尺寸的減小以及器件金屬布線層數(shù)增多,脈沖激光多采用從器件背部硅襯底入射的方式觸發(fā)器件單粒子效應。如果器件的金屬布線之間有空隙,可以利用脈沖激光對器件進行正面單粒子效應輻照試驗。激光穿透器件表面鈍化層后經(jīng)過金屬布線層縫隙到達器件有源區(qū)觸發(fā)器件發(fā)生單粒子效應。搭建光路測得到達有源區(qū)的有效激光能量,可以建立激光有效能量與重離子LET值的對應關(guān)系。

根據(jù)設計指標要求,該0.18μm工藝器件有4層金屬布線,要求金屬布線覆蓋芯片面積的65%,芯片實際設計時金屬布線覆蓋的整個芯片面積只有約50%。通過設計反射率光路,測得器件表面反射的激光能量約為60%,且器件表面鈍化層會讓激光能量損失掉[17]（0.685～0.950之間,均值為0.817 5,取均值）,所以表面入射的激光能量到達有源區(qū)時的有效能量為表面入射能量的0.4×0.817 5=0.327。通過掃描測試,測得表面入射能量為1 600 pJ時芯片發(fā)生鎖定,則到達有源區(qū)的激光有效能量為1 600×0.327=523 pJ,由圖3（a）中激光有效能量與LET值對應關(guān)系,則對應的LET值為（43.2±10.1）MeV·cm2·mg–1[18-19],與重離子給出的值小于37 MeV·cm2·mg–1,激光試驗給出的LET閾值范圍與重離子給出的LET閾值有交叉。

圖3 激光鎖定和翻轉(zhuǎn)實驗有效閾值能量與重離子LET閾值對應關(guān)系曲線Fig.3 Effective laser energy with heavy ion threshold LET,single event latch-up and single event upset

因為是圖像傳感器,芯片被測試時,脈沖激光光斑可以被器件實時成像。圖4（a）中為圖像傳感器工作正常時的成像狀態(tài),最右邊含有白色光點的即為實時對器件進行掃描的激光光斑。當激光光斑掃描觸發(fā)器件的敏感部位使器件發(fā)生鎖定時,器件無法正常成像輸出,如圖4（b）中所示。

圖4 利用脈沖激光正面模擬試驗圖像傳感器單粒子鎖定效應Fig.4 Single event latch-up of CMOS image sensor by front-side pulsed laser

2.3 脈沖激光模擬試驗FPGA單粒子效應

利用脈沖激光試驗裝置對XQ4VSX55型FPGA進行了充分的單粒子翻轉(zhuǎn)和鎖定試驗,試驗獲得器件的單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值為（3.4±0.4）MeV·cm2·mg–1,飽和截面為1.34×10–8cm2/bit。翻轉(zhuǎn)截面如圖5所示,依據(jù)此單粒子翻轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù),采用“空間環(huán)境效應分析”軟件包預估了該器件在軌應用時具體發(fā)生軟錯誤的頻次,據(jù)此載荷設計了合理的軟錯誤刷新減緩方案。試驗測得了LET值為（60±15）MeV·cm2·mg–1時器件出現(xiàn)工作電流短時增大隨后恢復正常的現(xiàn)象,該現(xiàn)象未對FPGA功能造成影響。綜合判斷該器件的單粒子鎖定LET閾值大于（60±15）MeV·cm2·mg–1,滿足空間應用需要。

2.4 電路系統(tǒng)抗單粒子翻轉(zhuǎn)EDAC驗證試驗

選取一款CY7C1061DV33SRAM作為被測試對象,CY7C1061DV33是一款工業(yè)級54pin TSOP封裝的SRAM,正常工作電壓為3.3 V。利用脈沖激光觸發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)效應,并利用開發(fā)的EADC驗證糾錯效果。

首先利用激光能量為160 pJ（對應LET值為（9.0±1.8）MeV.cm2·mg–1）激光注量4×106/cm2對SRAM進行輻照掃描,此時,不啟動EDAC糾錯功能,器件發(fā)生單比特位的單粒子翻轉(zhuǎn)效應,測試系統(tǒng)檢測發(fā)生的錯誤位置。SRAM發(fā)生翻轉(zhuǎn)后,啟動EDAC糾錯,EDAC可以找到錯誤位置并完全進行糾錯。

提高激光能量至500 pJ（對應LET值為（23.5±5.3）MeV.cm2·mg–1）對SRAM進行輻照掃描,此時翻轉(zhuǎn)中包含單比特和多比特位的翻轉(zhuǎn),啟動EDAC糾錯。此時EDAC仍可以完全糾正單比特位的翻轉(zhuǎn),但無法糾正多比特位的翻轉(zhuǎn)。

通過控制激光能量的高低,可以方便地觸發(fā)器件的單比特位翻轉(zhuǎn)和多比特位翻轉(zhuǎn)。對芯片的指定區(qū)域進行輻照,可以觸發(fā)不同單元結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn),驗證EDAC對不同區(qū)域的糾錯效果。

2.5 單粒子鎖定對ADC輸出影響試驗

選取一款工業(yè)級ADC作為被測試對象,主要測試單粒子鎖定效應對其輸出的影響。AD7476芯片是一款6–lead SOT–23封裝的串行AD轉(zhuǎn)換芯片,工作電壓為2.35～5.25 V,SPI接口,電源電壓做參考電壓,由片選、時鐘和數(shù)據(jù)接口完成通信。

ADC未發(fā)生鎖定前,對輸出信號測試,輸出正常,如圖6（a）所示。利用能量1 nJ、注量4×106/cm2的激光對ADC進行輻照掃描,測試軟件統(tǒng)計ADC發(fā)生鎖定1 000次后對ADC重新斷電上電,輸出數(shù)據(jù)正常,見圖6（b）,其噪聲水平上升,但對于功能無影響；使芯片處在鎖定狀態(tài)60 s后,ADC輸出異常,如圖6（c）所示,鎖定狀態(tài)退出后,ADC輸出正常。

圖5 利用脈沖激光模擬試驗FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)效應Fig.5 SEU of FPGA by pulsed laser simulating testing

圖6 單粒子鎖定對ADC輸出影響試驗結(jié)果Fig.6 Results of SEL effects for ADC outputs

以上試驗結(jié)果表明,頻繁的鎖定斷電功能對于此款ADC功能沒有影響,但會造成噪聲水平上升；鎖定持續(xù)一段時間60 s,雖然鎖定時器件功能異常,但鎖定造成的電流增加對器件的功能未造成影響,ADC重新斷電上電后,其輸出重新恢復正常。利用此試驗結(jié)果,可以確定此款ADC空間應用策略。

2.6 電路系統(tǒng)抗單粒子鎖定驗證試驗

以時間測量芯片TDC–GP1[20]為試驗對象,試驗器件為ACAM公司的工業(yè)級TDC–GP1芯片,它是一款高精度時間測量數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,其時間測量精度高達125 ps,可用于對主波和回波脈沖信號的時間間隔測量,以實現(xiàn)空間目標信息的高精度測量。TDC–GP1采用0.8μm的COMS工藝生產(chǎn),具備雙通道信號輸入,其測時范圍為3 ns～200 ms。利用納秒脈沖單粒子效應模擬試驗設備開展了無限流保護電阻和有限流保護電阻的單粒子鎖定效應脈沖激光模擬試驗研究。

利用脈沖激光掃描輻照時觀測GP1的工作狀態(tài)。當GP1正常工作時,測量其2路脈沖信號的時間間隔,并完成內(nèi)部校準后輸出“完成”標志信號,通過8位數(shù)據(jù)總線讀出32位測量結(jié)果。如果在脈沖輸入信號正常給定的情況下無“完成”標志信號出現(xiàn)或32位測量結(jié)果出現(xiàn)大幅跳動,并伴隨供電電流激增,則認為器件發(fā)生了單粒子鎖定。

為了保證GP1芯片的功能在鎖定后不被損壞,在芯片的供電端串聯(lián)限流保護電阻。當發(fā)生鎖定時,供電電流會大增,在限流電阻處形成壓降,使得GP1芯片供電電壓下降,鎖定電流維持低值。更換不同限流保護電阻,進行GP1芯片鎖定試驗。增加了24 Ω限流保護電阻的長時間工作試驗,在GP1 芯片發(fā)生鎖定后供電電壓拉低,并且在持續(xù)鎖定電流的通電狀態(tài)下功能中斷30 min后斷電再重啟仍能正常工作。圖7（a）為增加24 Ω限流保護電阻的TDC–GP1鎖定電流波形。在采用限流電阻的同時適當提高器件工作電壓,在發(fā)生鎖定時,控制鎖定電流為較小值,同時鎖定電流導致的壓降在器件可以容忍的范圍,取得較好的設計效果,如圖7（b）所示。

圖7 TDC-GP1器件增加24 Ω限流電阻和同時提高工作電壓時的鎖定電流波形Fig.7 The TDC-GP1 device increased 24 limiting resistance and at the same time improve the working voltage of the lock current waveform

結(jié)果表明：有24 Ω限流保護電阻的情況下,TCD–GP1芯片在發(fā)生鎖定時能夠降低鎖定大電流有效避免器件的功能損傷,適當提高工作電壓避免了器件因鎖定電流導致的壓降過大無法正常工作,激光試驗有效驗證了上述措施的效果。

2.7 器件單粒子效應敏感區(qū)域定位試驗

選取一款高壓雙極工藝DC/DC電源模塊作為被測試對象。逐一掃描DC/DC內(nèi)部單粒子效應敏感元件（包括PWM控制器、隔離反饋發(fā)生器、短路保護控制器）,觀測芯片單粒子效應對DC/DC變換器的影響,采用實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取試驗過程數(shù)據(jù),通過離線分析實驗數(shù)據(jù)推知DC/DC變換器單粒子效應機理,幫助DC/DC變換器優(yōu)化設計。定位到芯片的SET敏感區(qū)域及各單元輸出如圖8所示。

圖8 DC/DC組件SET敏感區(qū)域及各功能單元輸出Fig.8 SET sensitivity areas and functional units output of DC/DC

整個試驗測試很好地完成了器件開發(fā)者對其模擬電路內(nèi)部各個敏感功能單元的單粒子效應對整個DC/DC變換器整體電路的影響全過程的試驗需求。對未加固DC/DC變換器內(nèi)部MOSFET單元鍵合區(qū)進行脈沖激光照射,出現(xiàn)SEB效應,如圖9所示。通過改變脈沖激光的能量,確定了未加固器件的SEB激光能量閾值在10～24 nJ范圍內(nèi)。

圖9 DC/DC組件SEB敏感區(qū)域定位Fig.9 DC/DC single event burnout（SEB）sensitivity area orientation

因脈沖激光光斑尺寸可以聚焦到微米量級,配合移動精度為1μm的三維精密移動平移臺,可以準確定位測試器件不同的功能結(jié)構(gòu)[13-14],分析不同結(jié)構(gòu)發(fā)生單粒子效應對系統(tǒng)功能的影響,并根據(jù)影響不同設計抗單粒子效應加固措施,單粒子瞬態(tài)敏感區(qū)域可為模擬分析提供輸入?yún)?shù)。此外,脈沖激光可以測試器件的單個功能單元,分析引起器件發(fā)生單粒子效應的敏感單元結(jié)構(gòu),指導器件級的抗單粒子效應加固設計。

3 結(jié) 論

脈沖激光模擬試驗作為單粒子效應測試的重要手段,試驗機時充裕,方便在桌面上靈活細致測試器件和電路的單粒子效應特性?？臻g中心經(jīng)過多年的理論研究和試驗研究,初步建立了器件單粒子鎖定和單粒子翻轉(zhuǎn)的激光有效閾值能量與重離子LET值的對應關(guān)系,可以定量評價器件的單粒子效應敏感度。模擬試驗能夠有效試驗驗證電路系統(tǒng)的抗單粒子鎖定、單粒子翻轉(zhuǎn)防護設計效果。便捷的脈沖激光試驗為空間探測載荷合理、安全、低成本地使用半導體器件提供了重要試驗數(shù)據(jù)支撐。

[1]韓建偉,張振龍,封國強,等.單粒子鎖定極端敏感器件的試驗及對我國航天安全的警示[J].航天器環(huán)境工程,2008,25（3）：265-267.HAN J W,ZHANG Z L,FENG G Q,et al.Experiment of single particle locking extremely sensitive device and warning of space safety in China[J].Spacecraft Environment Engineering,2008,25（3）：265-267.

[2]THOMAS E,JOSEPH M.Extreme latchup susceptibility in modern commercial-off-the-shelf（COTS）monolithic 1M and 4M CMOS static random access memory（SRAM）devices [C]//Radiation Effects Data Workshop of IEEE.[S.l]：IEEE,2005.

[3]FOUILLAT P,POUGET V,MCMORROW D,et al.Fundamentals of the pulsed laser technique for single-event upset testing[J].Radiation Effects on Embedded Systems,Springer,2007：121-141.

[4]JONES R,CHUGG A M,JONES C M S,et al.Comparison between SRAM see cross-sections from ion beam testing with those obtained using a new picosecond pulsed laser facility[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2000,47（3）：539-544.

[5]POUGET V,FOUILLAT P,LEWIS D,et al.Laser cross measurement for the evaluation of single event effects in integrated circuits[J].Microelectronics Reliability,2000,40（2）：1371-1375.

[6]DODDS N A,HOOTEN N C,REED R A,et al.SEL-sensitive area mapping and the effects of reflection and diffraction from metal lines on laser SEE testing[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2013,60（4）：2550-2558.

[7]YU Y T,HAN J W,FENG G Q,et al.Correction of single event latchup rate prediction using pulsed laser sensitivity mapping test[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2015,62（2）：565-570.

[8]YU Y T, FENG G Q,CHEN R,et al.Laser SEU sensitivity mapping of submicron CMOS SRAM[J].Journal of Semiconductors,2014,35（6）：1-4.

[9]余永濤,封國強,陳睿,等.CMOS SRAM器件單粒子鎖定敏感區(qū)的脈沖激光定位試驗研究[J].航天器環(huán)境工程,2014,31（2）：150-153.YU Y T,FENG G Q,CHEN R,et al.Research of SEL sensitive region of CMOS SRAM by pulsed laser mapping facility[J].Spacecraft Environment Engineering,2014,31（2）：150-153.

[10]BUCHNER S P,FLORENT M,POUGET V,et al.Pulsed-laser testing for single-event effects investigations[J].Journal of Applied Physics,2013,84（2）：690-703.

[11]POUGET V,DOUIN A,FOUCARD G,et al.Dynamic testing of an SRAM-based FPGA by time-resolved laser fault injection[C]//14th IEEE International on-line Testing Symposium（IOLTS 2008）.Rhodes,Greece：IEEE,2008：295-301.

[12]POUGET V,LEWIS D,FOUILLAT P.Time-resolved scanning of integrated circuits with a pulsed laser：application to transient fault injection in an ADC[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2004,53（4）：1227-1231.

[13]DARRACQ F,LAPUYADE H,BUARD N,et al.Backside SEU laser testing for commercial-off-the-shelf SRAMs[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2002,49（6）：2977-2983.

[14]MELINGER J,BUCHNER S,MCMORROW D,et al.Critical evaluation of the pulsed laser method for single event effects testing and fundamental studies[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,1994,41（6）：2575-2584.

[15]黃建國,韓建偉.脈沖激光誘發(fā)單粒子效應的機理[J].中國科學G輯物理學力學天文學,2004,34（2）：121-130.HUANG J G,HAN J W.Mechanism of pulsed laser induced single particle effect[J].Science In China Series G,2004,34（2）：121-130.

[16]封國強,馬英起,張振龍,等.光電耦合器的單粒子瞬態(tài)脈沖效應研究[J].原子能科學技術(shù),2008,42（增刊）：36-42.FENG G Q,MA Y Q,ZHANG Z L,et al.Study of single event transients effect for opto coupler[J].Atomic Energy Science and Technology,2008,42（S）：36-42.

[17]田愷,曹洲,薛玉雄,等.器件表面鈍化層對脈沖激光等效重離子LET值的影響[J].真空與低溫,2007,13（2）：102-106.TIAN K,CAO Z,XUE Y X,et al.Impact of device surface covered by a passivation layer on pulsed laser-equivalent heavy ion let value[J].Vacuum&Cryogenics,2007,13（2）：102-106.

[18]黃建國,韓建偉.脈沖激光模擬單粒子效應的等效LET計算[J].中國科學G輯,2004,34（6）：601-609.HUANG J G,HAN J W.Equivalent LET calculation of pulsed laser simulation of single event effects[J].Science In China Series G,2004,34（6）：601-609.

[19]田愷,曹洲,薛玉雄,等.脈沖激光能量等效重離子LET研究[J].原子能科學技術(shù),2010,44（4）：489-493.TIAN K,CAO Z,XUE Y X,et al.Equivalent heavy-iron linear energy transfer of pulsed laser energy[J].Atomic Energy Science and Technology,2010,44（4）：489-493.

[20]顏洪雷,黃庚華,王海偉,等.TDC-GP1器件單粒子鎖定效應的脈沖激光模擬試驗研究[J].航天器環(huán)境工程,2014,31（2）：146-149.YAN H L,HUANG G H,WANG H W,et al.Study of single event latch-up effect of TDC-GP1 by pulsed laser simulation test[J].Space Environment Engineer,2014,31（2）：146-149.