纳米级系统芯片单粒子效应研究

第1章 绪论　　1.1 集成电路发展方向　　2009年公布的国际半导体技术发展路线图明确指出，半导体器件特征尺寸已经进入纳米尺度，系统芯片(system on chip，SoC)和系统封装(system in package，SiP)是超大规模集成电路发展的主要方向，也是推动集成电路微小型化的主要技术手段[1]。半导体集成电路发展趋势如图1-1 所示。　　图1-1 半导体集成电路发展趋势[1]　　所谓的SoC就是将计算机系统或控制系统集成在单个芯片上。不同于传统的在单个印制电路板(printed circuit boards，PCB)上通过分立器件实现的整机系统，SoC采用一种嵌入式系统设计技术，将中央处理器(central processing unit，CPU)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、存储器(memory)、总线、时钟管理和外设电路等功能模块集成在单个芯片上，以实现一个完整系统功能[2-3]，一般SoC示意图如图1-2所示。　　图1-2 一般SoC示意图　　MCU-微处理器控制单元；DRAM-动态随机存取存储器；SRAM-静态随机存取存储器；Flash-闪存；UART-通用异步收发器；USB-通用串行总线；GPIO-通用输入/输出端口；AD/DA-模拟/数字信号转换或数字/模拟信号转换　　2017年6月，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)和半导体行业协会(Semiconductor Industry Association，SIA)共同推出一个超过2 亿美元的“电子复兴计划”(electronics resurgence initiative，ERI)，开展先进新材料、电路设计工具和系统架构研究，为美国国防部和美国国家安全局提供2025～2030年期间所需的基于微电子的颠覆性技术，其中有两个关于SoC的项目，分别是：①材料与集成方向，三维单片系统芯片(three dimensional monolithic system on chip，3DSoC)项目；②系统架构方向，领域专用系统芯片(domain specific system on chip，DSSoC)项目。　　相比于PCB 整机系统，SoC具有微型化、低功耗、高速度、高集成度和高可靠性等优点，并且采用知识产权(intellectual property，IP)核复用技术和软硬件协同设计技术，提高了SoC的可移植性和可配置性，缩短了研制周期，降低了研制成本。卫星平台上的控制系统、推进系统、测控系统、数控系统等多个系统，以及卫星的通信载荷、导航载荷、遥感载荷和数传载荷都有明确的微小型化技术要求[4]。因此，采用SoC不仅能够满足航天电子系统的需求，而且为其发展提供了良好的契机。　　1.2 国家航天技术发展的需求　　2011年以来，我国在载人航天技术、深空探测、北斗卫星导航系统等方面取得了丰硕的成果。2016年，“天宫二号”空间实验室和“神舟十一号”载人飞船的成功发射及一系列空间实验的开展，标志着我国在空间科学实验技术方面取得了重大突破。在深空探测方面，“嫦娥四号”实现了人类探测器首次月背软着陆、首次月背与地球的中继通信，开启了人类月球探测新篇章，我国成为世界上第三个在月球上成功实施探测器软着陆的国家。2016年，国务院新闻办公室发表《2016中国的航天》白皮书，明确表述我国航天事业未来五年的重要任务，其中载人航天空间实验室和空间站建设、火星探测工程、空间科学卫星、遥感卫星、卫星导航系统和高能物理等多个领域将会进行国际合作和重点发展。2020年7 月，我国成功发射了首个火星探测器“天问一号”。国家航天事业的快速发展对航天电子产品的需求越来越大，对高可靠、长寿命卫星和载人航天器的要求也越来越高。卫星的控制系统、推进系统、测控系统、数控系统、供配电系统、热控系统都对微小型化提出了明确要求。同时，卫星载荷也有微小型化的迫切需求，特别是微/纳卫星系统在未来空间攻防活动中的特殊作用，以及成本和部署灵活性上的优势，使其可能通过组网、编队以“虚拟卫星”形式运行，实现大型卫星不具备的功能，因此卫星必须微小型化。除了各种星载设备外，卫星地面设备也有微小型化的需求。采用SoC实现航天电子系统能力的提升和功耗、重量、体积的降低，对航天工程任务的实现非常必要，对我国航天电子系统发展具有重要意义。除了微小型化，航天电子产品还要求高集成、高性能、高可靠和低功耗，这些正是SoC的优点，因此SoC符合国家航天技术发展的需求。　　1.3 单粒子效应的严重威胁　　空间环境中的银河宇宙射线、太阳宇宙射线、范 艾伦辐射带的高能重离子、高能质子和α粒子[5-6]，封装材料中铀、钍杂质衰变所产生的α粒子，热中子与半导体器件掺杂的10B 相互作用产生的α粒子[7]，近地空间的中子或核爆产生的中子及大气环境中的中子，都会导致SoC发生单粒子效应(single event effect，SEE)，严重影响其可靠性和寿命。　　单粒子效应指单个粒子穿过器件敏感区域时，由于电离产生电子-空穴对被器件反偏PN 结收集形成脉冲电流，导致器件功能异常的现象[8-9]。引发单粒子效应的原因有很多，不同入射粒子造成单粒子效应的机理也会有所不同。一般重离子通过直接电离可导致单粒子效应，而高能质子或中子需要通过核反应产生次级重离子电离(也称为间接电离)才可以导致单粒子效应。单粒子效应电子-空穴对产生机制如图1-3 所示。当入射粒子沉积的电荷大于器件发生单粒子效应的临界电荷时，将导致单粒子效应，而单粒子效应的临界电荷与器件的电压和结点电容等有关。半导体器件的发展导致器件的工作电压和结点电容降低，使单粒子效应临界电荷越来越小，因此半导体器件的单粒子效应将越来越严重。特别是器件的特征尺寸进入纳米级以后，临界电荷小于1fC，并且越来越小，大量的实验已经证明对于纳米级静态随机存储器(static random access memory，SRAM)，低能质子也可以通过直接电离导致单粒子效应[10-12]。　　图1-3 单粒子效应电子-空穴对产生机制　　自1975年Binder 等[13]首次报道卫星系统中的J-K 触发器(flip flop，FF)产生单粒子效应以来，已经有多个国家报道许多与单粒子效应有关的航天器事故。根据美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)的统计数据，从1974年至1994年，超过100 起航天器出现故障和异常，分析发现45%的航天器故障和异常是由空间辐射造成的，其中单粒子效应造成的异常高达86%[14]。美国、欧洲、日本、中国等国家和地区都曾报道过由于单粒子效应造成的在轨卫星故障事件。例如，美国的“TDRS-1”卫星在1983年4 月4 日至1993年3月7日之间发生了4468 次单粒子效应；欧洲航天局(European Space Agency，ESA)的“ERS-1”卫星由于单粒子效应造成精密测距仪中的芯片烧毁；日本“SUPERBIRD”卫星由于单粒子效应错误而导致卫星丢失；我国“风云一号”卫星因为计算机主板出现单粒子效应而造成卫星姿态失控[15-18]；2007年10 月，我国发射的首颗绕月卫星“嫦娥一号”在发射后的二百多天里遭受单粒子效应影响十多次[19]；2011年11 月，我国与俄罗斯合作发射的“萤火一号”火星探测器，因遭受单粒子效应而未能如期完成任务[20]。因此，单粒子效应已经成为威胁航天器在轨安全*为严重的辐射效应，引发了严重的航天器故障，造成了重大的经济损失。　　根据器件或电路单元对入射粒子产生的不同响应，单粒子效应可以分为多种类型，如存储器或寄存器(Register)逻辑状态的改变，组合电路出现瞬态电压脉冲，以及功率金属氧化物半导体场效应管(metal oxide semiconductor field effecttransistor，MOSFET)栅极的损伤等[21]，其主要类型如表1-1所示。根据是否对器件造成**的物理损伤，单粒子效应又可以分为软错误和硬错误，软错误指不会对器件造成**损伤，可以恢复的错误类型，如单粒子翻转(single event upset，SEU)、单粒子多位翻转(multiple bit upset，MBU)、单粒子瞬态(single event transient，SET)和单粒子功能中断(single event functional interrupt，SEFI)等；硬错误指对器件造成**的物理损伤，如果不及时采取措施，会造成器件烧毁或者电路失效等不可恢复的错误类型，如单粒子锁定(single event latch-up，SEL)、单粒子烧毁(singleevent burnout，SEB)、单粒子快速反向、单粒子栅穿(single event gate rupture，SEGR)和单个位硬错误(single hard error，SHE)等。　　表1-1 单粒子效应主要类型　　此外，随着半导体器件和集成电路的快速发展，采用新光刻技术、新半导体材料、新器件结构和更高的工艺集成，不断追求高速度、高密度、高可靠、低功耗和低成本。然而纳米集成电路在结构、尺寸与材料上的改变，导致集成电路单粒子效应出现了一些新的机理和变化，其集成度越来越高，工作电压越来越低，导致器件临界电荷减小，存储器多位翻转越来越严重。工作频率的提高，使得SET的出现频率越来越高，成为影响时序电路和组合电路不可忽视的一个重要因素。功能模块越来越多，导致SEFI 的机理更加复杂，抗辐射加固更加困难。SoC包含CPU、SRAM、外设电路等，使得纳米级SoC单粒子效应越来越严重，其机理越来越复杂，类型也更加多样。　　综上所述，SoC以其优良的性能在航天任务中扮演越来越重要的角色，将更加广泛地应用于航天电子系统中，因此应用前必须考虑单粒子效应对其造成的严重威胁，采取抗辐射加固手段提高SoC的在轨寿命和可靠性。目前，商用SoC已经进入28nm、16nm 阶段，如何对纳米级SoC的单粒子效应进行评估和分析是亟待解决的重要问题，也是国内外辐射效应研究领域重点关注的问题。由于不同模块的单粒子效应敏感性与失效机理不同，开展SoC单粒子效应的机理研究，建立SoC单粒子效应可靠性评估方法，确定SoC单粒子效应的薄弱环节，对于SoC抗辐射加固设计具有非常重要的指导意义，也是保障航天器可靠运行的重要环节。　　1.4 SoC单粒子效应研究现状　　1.4.1 国外研究现状　　国外大规模集成电路单粒子效应的研究开展较早，20 世纪80年代已经开始对SRAM、CPU 单粒子效应测试实验。NASA 从1986年开始进行微处理器单粒子效应测试实验，先后对Intel 公司的8036、80386、80387、Pentium MMX、Pentium Ⅱ和Pentium Ⅲ微处理器，MOT 公司的68020、PC603E、PC750、PC7457、PC7455、PC7448 及AMD K7 系列微处理器等开展单粒子效应测试实验[22]。基于大量的微处理器单粒子效应测试实验，NASA 于2008年发布了高性能商用微处理器单粒子效应测试指南，明确地表述了微处理器内部寄存器、高速缓存(Cache)及应用软件的单粒子效应测试方法。　　SoC是以微处理器为核心的嵌入式系统。为了将SoC应用于航天器中，20 世纪90年代开始，美国制定了一系列宇航级SoC研制计划，包括NASA 的X-2000计划、波音公司的板载可扩展可重配置处理架构(on-board processing expandablereconfigurable architect