超大規模集成電路內部單粒子翻轉效應仿真

王紅敏，董 濤，寧生科

(1.西安工業大學工業中心，陜西西安 710021；2.西安工業大學光電工程學院，陜西西安710021)

1 引言

現在的超大規模集成電路特征尺寸已經可以縮小到深亞微米乃至納米級維度。這種情況雖然會使得制造的電子設備，體積小、重量輕、功耗低、可靠性高的，但是對空間輻射環境也會隨之變得更加敏感[1]。集成電路特征尺寸越小，敏感程度越高。空間輻射環境下，會引起電路內部單粒子效應日漸嚴重。其中，單粒子翻轉是最常發生的問題，主要發生在數據存儲或指令相關器件中，引起程序運行出現錯誤，進而引發整個系統癱瘓。在此背景下，研究超大規模集成電路內部單粒子翻轉效應對于其抗輻射加固，提高抗單粒子翻轉能力研究具有重要的現實意義。

對于超大規模集成電路內部單粒子翻轉效應問題，國內外相關研究成果有很多。文獻[2]針對兩款商用SRAM器件進行了脈沖激光背部單粒子翻轉效應試驗，探討了激光聚焦深度，激光脈沖注量，測試模式和芯片配置數據等對測試兩者的影響；文獻[3]提出單粒子翻轉效應進行評估測試方法，針對納米器件利用一些束流開展了一系列單粒子翻轉效應實驗研究，主要研究了一系列束流參數及器件參數條件下對于單粒子翻轉敏感性的影響。

在前人研究經驗的基礎上，利用脈沖激光模擬輻照實驗進行超大規模集成電路內部單粒子翻轉效應分析，探討了激光聚焦深度、激光脈沖注量、測試模式和芯片配置的數據對單粒子翻轉閾值和單粒子翻轉截面這兩個主要翻轉效應的影響，分析出超大規模集成電路的單粒子翻轉效應的規律性和依賴因素，以期為抗輻射加固技術提供參考。

2 超大規模集成電路單粒子翻轉效應仿真

在現代智能化、自動化和機械化的發展，帶動相關技術的發展。集成電路是其中發展變化最為明顯的。集成電路，也被稱為或稱微電路、微芯片、晶片/芯片，其作用是將模擬和數字電路集成在一個單芯片上，在系統起到中心控制和預算的作用。隨著要控制的系統越來越復雜，要求越來越高，簡單的集成電路已經無法滿足系統需求，因此逐漸從 小規模集成電路、中規模集成電路、大規模集成電路發展成超大規模集成電路。它與一般集成電路最大區別是邏輯門數大于10000 門，集成度已達到600萬個晶體管。然而，隨著集成度的，必然會壓縮特征尺寸。而特征尺寸的減小，會使得對空間輻射環境的敏感性增加，發生單粒子效應。單粒子效應包括單粒子翻轉、單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子柵擊穿等幾種。這幾種效應特點如下表1所示。

表1 單粒子效應類型

在上述表1各種效應中，單粒子翻轉是最常見的和典型的，因此本文就以該效應為對象進行仿真研究。在這里需要用到脈沖激光來模擬空間輻射環境對超大規模集成電路內部的影響[4]。

2.1 單粒子翻轉效應物理機制

超大規模集成電路常用于航空航天領域，這就使得其處于空間輻射環境下，使得電路深受影響[5]。其物理機制示意圖如圖1所示。

圖1 單粒子翻轉效應物理機制示意圖

單粒子翻轉效應的關鍵指標是單粒子翻轉率，其定義是指目標超大集成電路每天發生單粒子翻轉的概率，其計算公式如下

(1)

其中，E0為閾值能量，單位MeV；σp(E)為質子單粒子翻轉截面積，單位cm2/bit；φ(E)為質子微分流量[6]。

從式(1)可以看出，單粒子翻轉截面積和質子微分流量閾值都對單粒子翻轉率產生直接影響，而單粒子翻轉截面積和質子微分流量閾值則受到激光聚焦深度、激光脈沖注量、測試模式和芯片配置數據的影響[7]。在此情況，本文研究在上述條件下的單粒子翻轉效應變換情況。

2.2 被測器件選擇

仿真所選擇的被測試器件為Xilinx公司生產的28nm HPL硅工藝SRAM型超大規模數字集成電路芯片(FPGA)[8]。該芯片邏輯電路如下圖2所示。

圖2 SRAM型超大規模數字集成電路芯片邏輯電路

該芯片相關參數如表2所示。

表2 SRAM型超大規模數字集成電路芯片相關參數

2.3 測試平臺

超大規模集成電路內部單粒子翻轉效應分析在自主搭建的脈沖激光模擬輻射實驗平臺上進行，該平臺包括輻照設備(比利時魯汶大學的高能粒子加速器)、測試板、光學顯微鏡、檢測設備[9]。

除了上述硬件外，平臺中軟件也是必不可少的。常用的仿真軟件如下表3所示。

表3 當前常用的仿真軟件

2.4 條件設置

超大規模集成電路內部單粒子翻轉效應仿真測試條件設置如下表4所示。

表4 仿真測試條件設置

2.5 測試方法

超大規模集成電路內部單粒子翻轉效應測試流程如下：首先按照表4仿真條件調試測試平臺上的各個硬件設備，然后將被測對象XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片放置到測試平臺的測試板上并固定，通過調整測試板的位置，將被測對象移動到輻照設備(比利時魯汶大學的高能粒子加速器)發射激光光束的端口正下方，接著啟動輻照設備，發射激光，通過測試板搭載平臺的步進運動，對 XilinxVirtex-IIProXC2VP50 芯片進行全自動完全掃描[10]。與此同時，利用檢測設備同步記錄單粒子翻轉數并預先存儲在FLASH當中，等待進行分析。

2.6 單粒子翻轉效應仿真結果

單粒子翻轉效應仿真結果分析分為兩部分，第一部分進行總體效應分析；第二部分在按照上述超大規模集成電路單粒子翻轉效應測試流程，通過調整激光聚焦深度、激光脈沖注量、測試模式和芯片配置數據等參數，分析對單粒子翻轉閾值和單粒子翻轉截面這兩個翻轉效應的影響[11]。

2.6.1 同一條件下單粒子翻轉效應

XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片各敏感單元的單粒子翻轉效應統計如表5所示，單粒子翻轉極性統計如表6所示[12]。

表5 單粒子翻轉效應統計結果

表6 單粒子翻轉極性統計表

從表5中可以看出，隨著射出的脈沖激光的能量的逐漸增加，XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片中三種敏感單元的單粒子翻轉數量都在增加，單元翻轉概率提高。具體對比三種具體敏感器件，塊隨機讀取存儲器單粒子翻轉的激光能量閾值要高于可配置邏輯單元與配置存儲器。

從表6中可以看出，隨著射出的脈沖激光的能量的逐漸增加，三種敏感單元的單粒子翻轉極性有明顯的區別。塊隨機讀取存儲器0～1翻轉比率和1～0翻轉比率接近0.5，這與理論預期相同。但是其余二者的0～1翻轉比率>1～0翻轉比率。造成上述現象的原因是被測芯片的存儲器的結構對稱。

2.6.2 不同條件下單粒子翻轉效應測試結果

1)聚焦深度對單粒子翻轉效應的影響

從表7可知，襯底厚度達到270μm時，翻轉個數超過襯底厚度為280μm的翻轉個數，此時XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片的翻轉閾值為60±5 pJ。

表7 不同聚焦深度下的翻轉閾值

從圖3中可以看出，僅當聚焦到芯片有源區域時，才能測量出最低翻轉閾值和最大翻轉截面。對焦深度為80μm時翻轉截面最大，表明對焦深度為80μm時激光對源區域聚焦。

圖3 不同聚焦深度下的單粒子翻轉截面

2)激光脈沖注量對單粒子翻轉效應的影響

從圖4可看出，不同激光脈沖注入條件下翻轉閾值均為5 nJ，表明激光脈沖注入對翻轉閾值測試沒有影響。在翻轉截面試驗中，不同的脈沖激光器注量會產生不同的效果，翻轉截面試驗時，脈沖激光器注量應小于1×107cm-2。

圖4 不同聚焦深度下的單粒子翻轉效應

3)測試模式及存儲數據對單粒子翻轉效應影響

從圖5可看出，測試模式和不同的配置數據對單粒子翻轉閾值和翻轉截面閾都無影響，測試時可不考慮。

圖5 不同測試模式及存儲數據下的單粒子翻轉效應

3 結束語

綜上所述，超大規模集成電路的特征尺寸減小的同時，也使得單粒子翻轉效應越加嚴重。為此，研究超大規模集成電路內部單粒子的翻轉效應，以期掌握超大規模集成電路單粒子翻轉規律。通過實驗，得出了單粒子翻轉效應結果以及不同條件下單粒子翻轉效應試驗結果。

本僅選用了一種超大規模集成電路，結果具有一定的局限性。在未來研究中，將選用更多規格的集成電路，進一步完善所研究方法。