单粒子效应课件

单粒子效应（SingleEventEffect）IRaP2014,JeJu,Korea‹#›1Introduction1WhydowestudySEE?2WhatisSEE?3ContentsSummary54HowtostudySEE?‹#›RadiationEnvironmentSemiconductorDevicesCosmicraysNuclearexplosionsNuclearpowerplantAtmosphericradiation‹#›半导体器件在生活中无处不在。半导体器件在使用过程中会遇到各种各样的环境，随着航空航天、核电、核武器等的不断发展，半导体器件将越来越多的面对各种辐射环境。如太空个宇宙射线、核爆是的γ、中子辐射，以及大气辐射等。因此研究辐射环境对半导体器件的影响对半导体的在辐射环境下的可靠性评估具有重要意义。RadiationeffectsonsemiconductorClassification非破坏性单粒子效应(SoftError) --单粒子翻转（SEU:SingleEventUpsets） --单粒子瞬变效应（SET:SingleEventTransient）灾难性单粒子效应(HardFailure) --单粒子锁定（SEL:SingleEventLatchup） --单粒子烧毁（SEB:SingleEventBurnout） --单粒子门断裂（SEGR:SingleEventGateRupture）‹#›半导体的辐射效应主要可分为两类。一是总剂量效应，指辐射剂量达到一定阈值后引起的电离损伤和位移损伤。电离损伤主要发生在二氧化硅层，一般是有γ射线和电子辐射引起的。而位移损伤主要发生在单晶硅层，主要是有质子、中子和重力引起的。另一类损伤则是今天我将要介绍的单粒子效应。顾名思义，是由单个离子引起的半导体器件的损伤，根据其损伤程度，可分为非破坏性单粒子效应和灾难性单粒子效应。如后面会简单介绍的单粒子翻转就属于非破坏性的，此种损伤可以恢复。而单粒子锁定、烧毁等则属于灾难性的，一旦发生，则不可修复。SourcesofSingleEventEffectsSpaceapplications:—High-energyheavyions•LongrangeinSi,largeLET,directinteraction—High-energyprotons(trapped,solar,cosmic)•Direct/IndirectinteractionthroughnuclearreactionsTerrestrialandavionicapplications:—Highenergyneutrons(cosmicraybyproducts)•Indirectinteractionthroughnuclearreactions—Lowenergyneutrons(thermal)•Indirectinteractionvia10Bnuclearreaction—Alphaparticlesfromradioactivedecayofcontaminants(fromU,Thdecaychains)inthechip/package/solder•ShortrangeinSi,smallLET,directinteraction‹#›并不是所有的粒子都能引起单粒子效应。如前面所说的γ射线为光子，就不能引起单粒子效应。在太空中，引起单粒子效应的主要是高能的重离子和高能的质子。而在地面的应用中，则主要是以高、能中子，阿尔法粒子等。WhydowestudySEE?1975年美国发现通信卫星的数字电路JK触发器由于单个重核粒子的作用被触发。陆续发现陶瓷管壳所含的微量放射性同位素铀和钍放出的α粒子以及宇宙射线中的高能中子、质子、电子等,都能使集成电路产生单粒子效应。进一步的模拟试验和在轨卫星的测试证实:几乎所有的集成电路都能产生这种效应。（1971~1986）‹#›接下来我们来看一下我们为什么要这么关注半导体元器件的单粒子效应。单粒子效应与1975年就被发现，美国的一颗通信卫星的数字电路触发器由于单个重核粒子的作用而被触发。陆续发现陶瓷管壳所含的微量放射性同位素铀和钍放出的α粒子以及宇宙射线中的高能中子、质子、电子等,都能使集成电路产生单粒子效应。进一步的模拟试验和在轨卫星的测试证实:几乎所有的集成电路都能产生这种效应。这里有一个小小的统计，自1971年至1986年，国外发射的39颗同步卫星，因各种原因造成的故障共1589次，其中与空间辐射有关的故障有1129次，占故障总数的71％。而在辐射造成的故障中，由单粒子效应造成的故障有621次，占辐射总故障的55％。由此可以看出单粒子效应对辐射环境下半导体元器件的可靠谱会产生巨大的影响，严重时甚至会影响整个电路的可靠性。从这张 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 中可以看出不同的单粒子效应能会造成不同程度的损伤。我国发射的航天器也发生过类似的故障。单粒子效应并非只发生于太空环境中，也发生于大气环境中。IBM和波音公司的飞行试验表明，大气环境中的中子可以导致航空电子器件发生单粒子效应[2]。费米实验室（Fermilab）的大型计算机系统ACPMAPS，包含有160GB的DRAM存储器，当被全面监测时，每天大约观察到2.5次翻转，相当于7×10-13Upset/bit.h[2]。核爆产生的中子，其注量高于大气环境中的中子注量几个量级，因此，将对导弹等战略核武器构成严重威胁。WhydowestudySEE?Moore’slawis(self-)validatedbyreducingthedevicedimensionovertheyears,byscalingdowntheminimumfeaturesizeoftheCMOStechnologynode‹#›另一个是的单粒子效应越来越需要重视的原因是半导体元器件的特征尺寸不断的缩小，单粒子效应变得更加明显。以前半导体特征尺寸较大时，由单个离子产生的电荷还不至于引起器件性能的实质性变化，单粒子效应其实并不明显。然而，目前半导体器件已经进入深亚微米阶段，单个粒子对器件的影响变得越来越明显，因此研究单粒子效应变得越来越重要。WhatisSEE?SingleEventEffect(SEE):perturbationofthebehaviorofelectronic(optoelectronic)devices,circuitsand/orsystemsproducedbyasingleionizingparticle.ChargegenerationDirectionizing(Heavyion)Indirectionizing(Proton)ChargecollectionPromptcomponentDrift/funneling(highfieldregions)DelayedcomponentDiffusion(lowfieldregions)‹#›接下来，我们来看一下什么是单粒子效应，它产生的机理是什么。这里有一个简单的定义，单粒子效应是指由单个粒子所引起的电子器件、电路或系统的性能波动。带电粒子穿过半导体器件时，能量沉积方式有直接电离和间接电离。当重离子穿过半导体时，由于库伦相互作用，把能量传递给电子，带有不同能量的二次电子向不同方向发射，经过几微米的距离后，形成电离区。如左图单个为重离子辐照所产生的电离径迹。如果此电离区位于电子器件的灵敏区，就会产生单粒子扰动。而质子由于阻塞能力很小，要在硅片中直接电离的几率很低。质子主要是通过与硅原子反应来沉积能量，反冲的Si，次级α离子，裂变产物，都能产生直接电离从而沉积能量，引起单粒子效应。因此我们可以总结出，单粒子效应发生主要有两个过程，一是电荷产生，二是产生的电荷收集被敏感部位收集，从而引起了器件的性能变化。电荷产生主要是通过库伦相互作用或是核反应，将入射离子的能力传递给电子，从而使其电离。而电荷收集的方式则主要是通过初期电子在电场下的漂移和后期的扩散来进行的。在宇宙射线中，虽然重核粒子的数量及其有限，其强度约为5×10-4/cm2·s，但由于具有很大的阻塞功，仍对宇航和卫星中的LSI（LargeScaleIntegratedCircuits）电子系统构成很大的威胁。重核粒子以直线穿入硅片，由于库仑力的相互作用结果，把能量传递给电子，带有不同能量的二次电子向不同方向发射，经过几微米的距离后，形成电离区，如果此电离区位于电子器件的灵敏区，就会产生单粒子扰动。宇宙射线中存在大量的高能质子，例如，地球的内辐射带，其通量可达2×104/cm2·s以上。质子由于阻塞能力很小，要在硅片中直接电离的几率很低。质子主要是通过与硅原子反应来沉积能量，引起单粒子效应。质子与硅原子的核反应过程及其复杂，且随质子的能量增加而增加，同样，产生软错误的截面也增加。Electricaldisturbanceinamicroelectroniccircuitcausedbythepassageofasingleionizingparticlethroughsemiconductormaterial.Asasinglehighenergyparticlepenetratesacircuit,itleavesbehindadenseplasmatrackintheformofelectron-holepairs.Acircuitfunctionalerror,orevenacircuitfailure,willoccurifsufficientchargefromtheplasmatrackiscollectedatasensitivecircuitnode.ChargegenerationAnionizingparticlegeneratesa(dense)trackofelectron-holepairsinsemiconductors(Silicon)anddielectrics(SiO2);ThenumberofgeneratedcarriersisproportionaltotheparticleLinearEnergyTransfer(LET)coefficient(MeVcm2/mg),i.e.,theionizingenergyloss/unitpathlength(Energy/e-hpair:3.6eVinSi,17eVinSiO2)‹#›刚刚已经说了，带电粒子通过半导体的单晶硅层和二氧化硅层是会产生一条电子-空穴对的电离径迹。产生的载流子数目我们可以用线性能力转移系数（LET）来评价。LET是指单位径迹电离能的损失。ChargegenerationandcollectionUnderanexternalelectricfieldthetwocolumnsofcarriersrecombineanddrift:manyelectronsandholessurviveinSi,fewerinSiO2;Eventually,anetnegative/positivechargecanbecollectedatsensitivenodes:ifthischargeexceedsathresholdvalue(criticalcharge)aneventmaybeobservedaffectingthecircuit.‹#›产生的电子空穴对在外电场的作用下，会向相反的方向漂移，在漂移过程中伴随着载流子的复合。最终结果是在硅中有大量电子空穴对存留下来，二氧化硅中只有少量载流子存留。硅中存留的电子空穴对最终在电荷敏感区域，主要是pn结出被收集，如果收集的电荷超过了一定的阈值，单粒子效应也就发生了。Chargecollectioninareversebiasedp-njunction‹#›这张图显示了反向偏压下pn结的电荷收集，在耗尽层，由于存在较大的电场，电荷的收集以电荷漂移为主，而远离耗尽层的中性区域，电场较小，电荷收集以扩散为主，在两只之间的区域，则既有漂移又有扩散的作用。Chargefunnelingmodel‹#›关于电荷收集，已经提出了许多的模型。电荷漏斗模型是其中之一。当粒子注入是，产生电子-空穴等离子体径迹，这时等离子密度比衬底掺杂浓度高几个数量级。此时，等离子体周围的耗尽层被中和，当耗尽层进一步消失时，由于失去屏蔽作用，正偏压产生的电场推进到衬底内部，形成如这样一个漏斗的形状。等离子体存在两种形式的电荷分离，即径向分离和横向分离。开始时，由于等离子体密度很高，且漏斗中存在较强的电场，有助于漂移运动，电荷以纵向分离为主，电子被拉向正极，空位被拉向负极，随着等离子体密度减少，开始形成耗尽层，首先在等离子体的外表面，然后到中心。直到耗尽层完全恢复。在此之后，扩散导致电荷收集开始发挥作用。Timeevolutionofchargecollection‹#›这个图显示了电荷收集所产生的电流随时间的变化，可以看出当单粒子效应开始之后很短时间内电流会急剧增大，这就是由于电荷漏斗模型收集了大量的电荷产生的漂移电流。而后电流急剧减小，但并不为零，这一段较长时间的电流就是由于扩散所收集的电荷产生的扩散电流。SingleEventUpset(SEU)inSRAM‹#›下面简单介绍一种常见的单粒子效应，单粒子翻转。如图是一个静态只读内存的结构图。其存储状态为0110。若有一重离子辐照在T1MOS管上，由于电荷收集作用，使得T1管的点位由高变低，其存储状态则会发生改变，变为1110，即其存储状态发生了翻转。可以发现随着时间的变化，其T1管的点位可以逐渐恢复，因此这种单粒子效应不是永久性的损伤。SRAM(StaticRandomAccessMemory) 静止只读内存,保持其内容而无须中央处理器刷新信号的内存HowtostudySEE?SEEtestsareperformedtoevaluatetheexpectederror/failurerateofthedevice/systeminthespecificoperatingenvironment(Space,HEP,Avionic,Sealevel,…)byusing:•Ionbeamsfromaccelerators•Neutronbeams•Alphasources•Lasers•Alargenumberofdevicesoperatingunderlowintensityradiation(unacceleratedtests:theRosettaexperiment)TheSEEsensitivityofeachSEEtype(SEU,SEL,SEB,…)inanyparticulardeviceisevaluatedbymeasuringthecorrespondingcrosssectionvsLET:•Crosssection:σ(LET)=#Events/particlefluence(cm2)Theerrorratesinoperatingconditionisderivedfromcrosssectionsandthefeatures(natureofparticles,correspondingfluxes,missionduration)oftheactualenvironment•Errorrate=#errors/devicedayacceleratedtests‹#›我们已经知道单粒子效应对元器件的可靠性有着重要的影响。那么我们应该如何对其进行研究呢？单粒子效应检测是在特定的辐射环境下，评估器件或系统的出错或失效速率的实验。进行单粒子实验，最重要的是需要相应的辐射源，如电子加速器、中子源、重离子源等。利用这些辐射源可以做加速的实验。同时我们还可以利用卫星，做实际的非加速实现。单粒子效应的灵敏度，可以通过测量其反应截面来反应其大小。反应截面等于单位束流所引起的单粒子事件数目。而错误率则表征了器件单位事件所发生的错误数量。SEEcrosssectionandthresholdLETLETthistheminimum(threshold)LETtocausethespecificSEE.ThesaturationcrosssectionσsatisapproachedathighLETvalues.Theσ(LET)curveisobtainedbymeasuringthecrosssectionatafewLETvaluesandfittingdatawithaWeibullcurve.‹#›反应截面的大小与线性能量转移系数LET相关，随着LET的增大到一定值之后，反应截面会迅速增大，并较快达到饱和。可以看出存在一个阈值的LET，只有高于此LET之后，才有可能发生单粒子效应。BasicprincipleofSEEtest“Schoolbook”Example‹#›单粒子效应测试，主要有两部分的系统，一是前面提到的粒子加速器产生辐射粒子，照射到被测器件上，而后对器件的性能、参数进行测试。 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 辐照前后器件参数的变化，从而得到其单粒子效应相关的数据。以单粒子翻转测试为例，一个8位的存储器，首先写入数据，如00000000，而后用一定的粒子束对其进行辐照，辐照完后读出存储的数据，结果如果变为0100,0010，则有2为发生了翻转，从而可以计算其反应截面。Standards‹#›许多国家和组织针对单粒子效应的测试都制定了相应的MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1715051639966_0和指南。如ESCC欧洲空间元器件协调委员会。美国军标等。 EuropeanSpaceComponentsCoordination(ESCC).欧洲空间元器件协调委员会IRaP2014,JeJu,Korea‹#›Accelerators‹#›可以看到粒子产生器是进行单粒子效应研究的必要条件。在我们国家在离子加速器方面最近几年发展非常迅速。如北大物理学院就有多台不同能力的离子加速器，可用于相关的辐射效应研究。Nuclearreactor反应堆‹#›相比于离子加速器，由于涉及核反应，因此中子辐照实验则要困难许多。国内能提供中子辐射的单位并不多。正好我们所就是其中的一家。我们在绵阳建立了用于研究的反应堆，可提供不同束流和能量的冷、热中子。同时在中子衍射、成像等方面也在开展相应的研究。中子成像是很好的无损检测分析技术。HardeningSingleEventEffectsindevices/circuitscanbemitigatedbyusingdifferentstrategiesatdifferentlevels.Forinstance:•Circuitlevel,byusingspecifictechnologiesorprocessesforfabrication(suchasepi-CMOS,SOI,additionalcapacitorsinSRAM,orrad-hardenedelectroniccomponents)•Designlevel,byusingadhoclogicstructuresaimingtoSEEimmunity(suchasSEEimmunelatches)•Systemlevel,bymodifyingthesoftwareand/orthehardware(suchastripleredundancy)‹#›最后简单介绍一下针对半导体器件单粒子效应的辐射加固。可以分为线路级别、 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 级别和系统级别的加固。线路级别，可以通过使用特殊的加工技术和工艺，如外延法制备的CMOS，SOI工艺等。设计级别可以通过使用特殊的逻辑结构来减少单粒子效应的影响。系统级别则可以通过升级软硬件来预防单粒子效应。SingleEventLatchup(SEL)++++----SilicononInsulator(SOI)Lateralparasitictransistor‹#›以单粒子锁闭效应为例，简单说明一下加固的措施。这是一个常用的CMOS器件，正常情况下是通过栅极电压来控制沟道的开关。然而我们仔细分析，会发现在CMOS内部存在水平的寄生晶体管，如这里的npn和这里的pnp晶体管。当CMOS收到单粒子辐照，如果发生在寄生晶体管的pn附近，产生的电子空穴对被收集产生电流，由于双极晶体管具有放大作用，虽然产生的电流很小，但可以被放大，从而使得内部的寄生晶体管导通，造成CMOS的功能被锁定。严重时甚至造成晶体管的烧毁。针对这种单粒子效应，一种有效的加固方法就是采用SOI工艺，即在绝缘体二氧化硅表面制备MOS晶体管，而不用n井和p井工艺，可以看出，采用SOI工艺，在晶体管内部就不存在寄生的双极晶体管，从而可以有效的消除单粒子锁闭效应。SummaryWhydowestudySEE?WhatisSEE?HowtostudySEE?Hardening‹#›Thanksfortheattention!Anyquestions?‹#›