王红敏，董 涛，宁生科

(1.西安工业大学工业中心，陕西西安 710021；2.西安工业大学光电工程学院，陕西西安710021)

1 引言

现在的超大规模集成电路特征尺寸已经可以缩小到深亚微米乃至纳米级维度。这种情况虽然会使得制造的电子设备，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的，但是对空间辐射环境也会随之变得更加敏感[1]。集成电路特征尺寸越小，敏感程度越高。空间辐射环境下，会引起电路内部单粒子效应日渐严重。其中，单粒子翻转是最常发生的问题，主要发生在数据存储或指令相关器件中，引起程序运行出现错误，进而引发整个系统瘫痪。在此背景下，研究超大规模集成电路内部单粒子翻转效应对于其抗辐射加固，提高抗单粒子翻转能力研究具有重要的现实意义。

对于超大规模集成电路内部单粒子翻转效应问题，国内外相关研究成果有很多。文献[2]针对两款商用SRAM器件进行了脉冲激光背部单粒子翻转效应试验，探讨了激光聚焦深度，激光脉冲注量，测试模式和芯片配置数据等对测试两者的影响；文献[3]提出单粒子翻转效应进行评估测试方法，针对纳米器件利用一些束流开展了一系列单粒子翻转效应实验研究，主要研究了一系列束流参数及器件参数条件下对于单粒子翻转敏感性的影响。

在前人研究经验的基础上，利用脉冲激光模拟辐照实验进行超大规模集成电路内部单粒子翻转效应分析，探讨了激光聚焦深度、激光脉冲注量、测试模式和芯片配置的数据对单粒子翻转阈值和单粒子翻转截面这两个主要翻转效应的影响，分析出超大规模集成电路的单粒子翻转效应的规律性和依赖因素，以期为抗辐射加固技术提供参考。

2 超大规模集成电路单粒子翻转效应仿真

在现代智能化、自动化和机械化的发展，带动相关技术的发展。集成电路是其中发展变化最为明显的。集成电路，也被称为或称微电路、微芯片、晶片/芯片，其作用是将模拟和数字电路集成在一个单芯片上，在系统起到中心控制和预算的作用。随着要控制的系统越来越复杂，要求越来越高，简单的集成电路已经无法满足系统需求，因此逐渐从 小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路发展成超大规模集成电路。它与一般集成电路最大区别是逻辑门数大于10000 门，集成度已达到600万个晶体管。然而，随着集成度的，必然会压缩特征尺寸。而特征尺寸的减小，会使得对空间辐射环境的敏感性增加，发生单粒子效应。单粒子效应包括单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁、单粒子栅击穿等几种。这几种效应特点如下表1所示。

表1 单粒子效应类型

在上述表1各种效应中，单粒子翻转是最常见的和典型的，因此本文就以该效应为对象进行仿真研究。在这里需要用到脉冲激光来模拟空间辐射环境对超大规模集成电路内部的影响[4]。

2.1 单粒子翻转效应物理机制

超大规模集成电路常用于航空航天领域，这就使得其处于空间辐射环境下，使得电路深受影响[5]。其物理机制示意图如图1所示。

图1 单粒子翻转效应物理机制示意图

单粒子翻转效应的关键指标是单粒子翻转率，其定义是指目标超大集成电路每天发生单粒子翻转的概率，其计算公式如下

(1)

其中，E0为阈值能量，单位MeV；σp(E)为质子单粒子翻转截面积，单位cm2/bit；φ(E)为质子微分流量[6]。

从式(1)可以看出，单粒子翻转截面积和质子微分流量阈值都对单粒子翻转率产生直接影响，而单粒子翻转截面积和质子微分流量阈值则受到激光聚焦深度、激光脉冲注量、测试模式和芯片配置数据的影响[7]。在此情况，本文研究在上述条件下的单粒子翻转效应变换情况。

2.2 被测器件选择

仿真所选择的被测试器件为Xilinx公司生产的28nm HPL硅工艺SRAM型超大规模数字集成电路芯片(FPGA)[8]。该芯片逻辑电路如下图2所示。

图2 SRAM型超大规模数字集成电路芯片逻辑电路

该芯片相关参数如表2所示。

表2 SRAM型超大规模数字集成电路芯片相关参数

2.3 测试平台

超大规模集成电路内部单粒子翻转效应分析在自主搭建的脉冲激光模拟辐射实验平台上进行，该平台包括辐照设备(比利时鲁汶大学的高能粒子加速器)、测试板、光学显微镜、检测设备[9]。

除了上述硬件外，平台中软件也是必不可少的。常用的仿真软件如下表3所示。

表3 当前常用的仿真软件

2.4 条件设置

超大规模集成电路内部单粒子翻转效应仿真测试条件设置如下表4所示。

表4 仿真测试条件设置

2.5 测试方法

超大规模集成电路内部单粒子翻转效应测试流程如下：首先按照表4仿真条件调试测试平台上的各个硬件设备，然后将被测对象XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片放置到测试平台的测试板上并固定，通过调整测试板的位置，将被测对象移动到辐照设备(比利时鲁汶大学的高能粒子加速器)发射激光光束的端口正下方，接着启动辐照设备，发射激光，通过测试板搭载平台的步进运动，对 XilinxVirtex-IIProXC2VP50 芯片进行全自动完全扫描[10]。与此同时，利用检测设备同步记录单粒子翻转数并预先存储在FLASH当中，等待进行分析。

2.6 单粒子翻转效应仿真结果

单粒子翻转效应仿真结果分析分为两部分，第一部分进行总体效应分析；第二部分在按照上述超大规模集成电路单粒子翻转效应测试流程，通过调整激光聚焦深度、激光脉冲注量、测试模式和芯片配置数据等参数，分析对单粒子翻转阈值和单粒子翻转截面这两个翻转效应的影响[11]。

2.6.1 同一条件下单粒子翻转效应

XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片各敏感单元的单粒子翻转效应统计如表5所示，单粒子翻转极性统计如表6所示[12]。

表5 单粒子翻转效应统计结果

表6 单粒子翻转极性统计表

从表5中可以看出，随着射出的脉冲激光的能量的逐渐增加，XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片中三种敏感单元的单粒子翻转数量都在增加，单元翻转概率提高。具体对比三种具体敏感器件，块随机读取存储器单粒子翻转的激光能量阈值要高于可配置逻辑单元与配置存储器。

从表6中可以看出，随着射出的脉冲激光的能量的逐渐增加，三种敏感单元的单粒子翻转极性有明显的区别。块随机读取存储器0～1翻转比率和1～0翻转比率接近0.5，这与理论预期相同。但是其余二者的0～1翻转比率>1～0翻转比率。造成上述现象的原因是被测芯片的存储器的结构对称。

2.6.2 不同条件下单粒子翻转效应测试结果

1)聚焦深度对单粒子翻转效应的影响

从表7可知，衬底厚度达到270μm时，翻转个数超过衬底厚度为280μm的翻转个数，此时XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片的翻转阈值为60±5 pJ。

表7 不同聚焦深度下的翻转阈值

从图3中可以看出，仅当聚焦到芯片有源区域时，才能测量出最低翻转阈值和最大翻转截面。对焦深度为80μm时翻转截面最大，表明对焦深度为80μm时激光对源区域聚焦。

图3 不同聚焦深度下的单粒子翻转截面

2)激光脉冲注量对单粒子翻转效应的影响

从图4可看出，不同激光脉冲注入条件下翻转阈值均为5 nJ，表明激光脉冲注入对翻转阈值测试没有影响。在翻转截面试验中，不同的脉冲激光器注量会产生不同的效果，翻转截面试验时，脉冲激光器注量应小于1×107cm-2。

图4 不同聚焦深度下的单粒子翻转效应

3)测试模式及存储数据对单粒子翻转效应影响

从图5可看出，测试模式和不同的配置数据对单粒子翻转阈值和翻转截面阈都无影响，测试时可不考虑。

图5 不同测试模式及存储数据下的单粒子翻转效应

3 结束语

综上所述，超大规模集成电路的特征尺寸减小的同时，也使得单粒子翻转效应越加严重。为此，研究超大规模集成电路内部单粒子的翻转效应，以期掌握超大规模集成电路单粒子翻转规律。通过实验，得出了单粒子翻转效应结果以及不同条件下单粒子翻转效应试验结果。

本仅选用了一种超大规模集成电路，结果具有一定的局限性。在未来研究中，将选用更多规格的集成电路，进一步完善所研究方法。