宇宙遍布著各種高能量的輻射粒子，這些粒子會對元器件帶來影響，如何進(jìn)行抗輻射設(shè)計(jì)成為了工程師針對邏輯類數(shù)字電路、存儲器以及某些功率器件的一個(gè)必要考量。
宇宙空間中存在能量高而數(shù)量極低的輻射粒子，這些粒子會造成瞬態(tài)巨大的電離能量沉積。沉積的能量可以用線性能量沉積LET值來度量。下面兩個(gè)圖引用了國際空間站軌道ISS監(jiān)測到的空間軌道粒子能譜，并計(jì)算獲得了相應(yīng)的LET值。從圖中可以看出，LET值越高的粒子其豐度越低。
盡管這些大LET值的粒子存在較少，但它們對半導(dǎo)體元器件的影響極大，尤其是對邏輯器件和存儲器件。幸運(yùn)的是，高LET值粒子在空間中的分布極少，它們對器件的影響類似于一個(gè)個(gè)間斷的獨(dú)立事件，不會持續(xù)發(fā)生甚至出現(xiàn)粒子之間的重疊耦合。因此，我們將這種由高LET值粒子引發(fā)的器件異常行為定義為單粒子事件效應(yīng)（Single Event Effect-SEE）。
來源;張戰(zhàn)剛，SRAM單粒子效應(yīng)地面加速器模擬試驗(yàn)研究，中國科學(xué)院大學(xué)，博士學(xué)位論文 2013
高LET值離子穿透器件會在其入射軌跡上產(chǎn)生強(qiáng)電離效應(yīng)。單位路徑上沉積的能量就是LET值， LET越高，電離產(chǎn)生的電子-空穴越多。如果離子軌跡穿過了器件的耗盡區(qū)（強(qiáng)電場區(qū)），這些電離產(chǎn)生的電子-空穴在電場作用下發(fā)生遷移，并被器件的高低電位點(diǎn)收集，從而產(chǎn)生脈沖電流。這種脈沖電流存在兩種作用：
其一，電流攜帶的電荷被收集，從而改變各端電極的電位，從而引起邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)（高電位變成低電位/低電位變成高電位）。
其二，電流脈沖作為電流激勵會誘發(fā)某些寄生結(jié)構(gòu)的開啟，如可控硅結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)閂鎖（Latch-up）事件，甚至是某些雪崩擊穿或燒毀。
在工程上，對于邏輯類數(shù)字電路、存儲器以及某些功率器件，對單粒子效應(yīng)的考核主要考慮單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子閂鎖。而對于某些功率器件，還需要考核單粒子燒毀。
圖片示例
試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)目前采用QJ 10005-2008《宇航用半導(dǎo)體器件重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)指南》和GJB 7242-2011《單粒子效應(yīng)試驗(yàn)方法和程序》來指導(dǎo)航天用器件的單粒子試驗(yàn)。試驗(yàn)程序如下圖所示，包含了試驗(yàn)過程中對閂鎖、燒毀和翻轉(zhuǎn)三種現(xiàn)象的監(jiān)測。同時(shí)，還兼顧了用于摸底LET閾值和飽和截面的程序。
試驗(yàn)流程
不同結(jié)構(gòu)、工藝和功能的半導(dǎo)體元器件，在遭受相同LET值的粒子轟擊時(shí)，其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率是不同的。這主要是因?yàn)槠骷瘟Ｗ有?yīng)的敏感程度各不相同。為了描述這種敏感程度，一般采用以下幾個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)：
1、翻轉(zhuǎn)截面：它描述了單位粒子注量下產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的數(shù)量，單位為cm2/device。翻轉(zhuǎn)截面的大小取決于器件的結(jié)構(gòu)和粒子的LET值。換句話說，相同LET值下，翻轉(zhuǎn)截面越大，說明器件對單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感度越高
2、飽和截面：隨著LET值的增加，器件的翻轉(zhuǎn)截面并不會一直上升，而是會達(dá)到一個(gè)平臺，這個(gè)平臺對應(yīng)的截面就是飽和截面。
3、LET閾值：這是定義翻轉(zhuǎn)截面為1%的飽和截面時(shí)對應(yīng)的LET值。也就是說，LET閾值就是能最小程度地引起器件翻轉(zhuǎn)的LET值。
這些度量標(biāo)準(zhǔn)的存在，使工程師們能夠更好地理解半導(dǎo)體元器件對于單粒子效應(yīng)的敏感程度，從而為器件的設(shè)計(jì)和制造提供參考。
為進(jìn)行單粒子試驗(yàn)工程師需要獲得具有較大LET的粒子，一般都要采用能量達(dá)到GeV/nucleon的帶電粒子。這就需要用的加速器，GJB 7242-2011中主要推薦兩種加速器，即串列靜電加速器和回旋加速器。兩者各有特點(diǎn)，適用于不同需求場景：
1、串列靜電加速器，高能粒子容易獲得，可連續(xù)變換粒子種類和能量，適用于翻轉(zhuǎn)截面摸底試驗(yàn)，但其對粒子加速能力有限，故只能獲得能量較低的帶電粒子，這造成其穿透深度有限，故不適用于敏感區(qū)較深的器件，硅中射程一般在幾十微米。
2、回旋加速器，其加速能力強(qiáng)，可獲得較大能量的帶電粒子，穿透深度高，硅中射程在幾百微米，但其不易改變粒子的種類和能量，適用于考核試驗(yàn)。
考核試驗(yàn)時(shí)對試驗(yàn)源參數(shù)的選擇單粒子效應(yīng)較其他輻射效應(yīng)而言，其不確定性更大。因此對單粒子效應(yīng)的考核需要充分考慮空間實(shí)際情況，來選擇考核粒子LET值范圍。如下圖所示為GEO（其他軌道幾乎與GEO相同），隨著LET值的增大，粒子強(qiáng)度呈現(xiàn)九級“瀑布"式分布，且不同分布上，粒子種類也存在差異。
由圖中可見，按照粒子的通量存在兩大板塊，其一為LET值在26 MeV cm2/mg以下的區(qū)域，這部分是高能粒子的主力，如果器件在LET閾值小于15-26這個(gè)區(qū)間，意味著器件在空間應(yīng)用時(shí)會頻繁發(fā)生軟錯(cuò)誤。所以一般工程抗考核時(shí)，對翻轉(zhuǎn)閾值≤ 26 MeV cm2/mg不建議使用。
另外一個(gè)區(qū)域是達(dá)到105 MeV cm2/mg時(shí)，此時(shí)粒子通量極低，可基本忽略。所以對于器件翻轉(zhuǎn)閾值大于105 MeV cm2/mg時(shí)，可認(rèn)為該器件對單粒子效應(yīng)免疫。
對于某些功率器件，其內(nèi)部敏感區(qū)普遍處于較深的位置，粒子必須有足夠的能量穿透到器件，觸發(fā)其可控硅結(jié)構(gòu)方能發(fā)生閂鎖。具有這種能力的粒子，基本上其粒子LET峰值在75 MeV cm2/mg以下。所以當(dāng)器件在75 MeV cm2/mg考核下，不發(fā)生閂鎖，可認(rèn)為對單粒子鎖定免疫。同時(shí)也不希望在更高通量的粒子下發(fā)生閂鎖，所以建議器件的閂鎖閾值下限要高于37 MeV cm2/mg。
綜合上述，對于單粒子翻轉(zhuǎn)的考核，粒子LET考核要考慮低于15-26 MeV cm2/mg，一旦低于15 MeV cm2/mg則為不可用 。而單粒子閂鎖的考核范圍為37-75 MeV cm2/mg。
對單粒子試驗(yàn)的粒子通量（單位時(shí)間，單位面積的粒子數(shù)），注量（單位面積，累積粒子數(shù)）和累積錯(cuò)誤數(shù)的規(guī)定主要從以下幾個(gè)方面考量：
1、對粒子通量，原則上應(yīng)盡可能接近實(shí)際應(yīng)用，不希望兩個(gè)粒子作用時(shí)間存在交疊，交疊可能產(chǎn)生嚴(yán)重的單粒子現(xiàn)象。同時(shí)要考慮加速器所能給定的z低通量，以及兼顧試驗(yàn)成本（通量越低，試驗(yàn)時(shí)間越長，試驗(yàn)成本越高）。
2、對注量的要求，主要是防止總劑量效應(yīng)的發(fā)生，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)重離子累積注量不超過107 ions/cm2時(shí)，重離子輻射的累積總劑量效應(yīng)可以忽略；
3、對累積錯(cuò)誤數(shù)的考慮，單粒子效應(yīng)試驗(yàn)本質(zhì)上是一種統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，是以小子樣評估為基礎(chǔ)，實(shí)踐中，盡量獲得更多的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，以保證評估的置信度，標(biāo)準(zhǔn)中要求至少累積100個(gè)錯(cuò)誤。
4、為保證試驗(yàn)的置信度，盡量累積多的錯(cuò)誤，但同時(shí)不能超過總劑量效應(yīng)發(fā)生的累積粒子數(shù)，所以以記錄到的錯(cuò)誤和達(dá)到的累積粒子數(shù)最先觸及的條件作為試驗(yàn)中止條件。
受試器件的準(zhǔn)備在進(jìn)行單粒子試驗(yàn)時(shí)，受試器件的處置方法極為重要。首先，工程師必須確保器件的封裝不會阻礙試驗(yàn)源重離子到達(dá)器件的敏感區(qū)，否則將無法觀察到任何單粒子現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。因此，工程師需要參照標(biāo)準(zhǔn)給定能量的Si中射程，在試驗(yàn)前充分評估并保證粒子能夠到達(dá)敏感區(qū)的方法。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，工程師可以通過機(jī)械或化學(xué)開封的方式將裸芯片暴露出來。對于倒裝器件，應(yīng)采用機(jī)械研磨或切削進(jìn)行襯底減薄。如果使用環(huán)形加速器進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)盡可能保證器件襯底低于100μm。無論是通過機(jī)械開封還是襯底減薄的方式，我們都應(yīng)確保器件能夠保持正常的加電和工作狀態(tài)。
對于功率器件，如果正面金屬層較厚，工程師應(yīng)采用背面襯底減薄的方式進(jìn)行評估和考核試驗(yàn)。這樣可以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)也能有效地保護(hù)器件不受損傷?？偟膩碚f，對受試器件的處置是一個(gè)需要綜合考慮多種因素的過程，旨在保證試驗(yàn)的成功進(jìn)行和結(jié)果的準(zhǔn)確性。
對測試系統(tǒng)的要求參考GB/T 39343-2020《宇航用處理器器件單粒子試驗(yàn)設(shè)計(jì)與程序》，進(jìn)行單粒子試驗(yàn)的電路板及測試系統(tǒng)應(yīng)考慮如下：
1、能夠承載待測器件，可采用焊接，也可采用Socket裝夾；
2、能夠施加供電電壓，并可根據(jù)需要改變電壓；
3、能夠?qū)ζ骷M(jìn)行讀/寫操作，能夠抓取讀寫單元的地址信息，包括物理地址；
4、上位機(jī)軟件能夠記錄讀操作的數(shù)據(jù)，并可與預(yù)期值比較，并根據(jù)錯(cuò)誤的物理地址信息區(qū)分SEU和MBU；
5、控制回路和待測器件承載板盡量采取字母板的方式，以避免輻射粒子對控制回路器件影響，導(dǎo)致試驗(yàn)噪聲；
6、線纜進(jìn)行必要屏蔽，避免電噪聲；
7、ECC糾錯(cuò)盡量關(guān)閉，否則單位翻轉(zhuǎn)監(jiān)測不到，只能監(jiān)測多位翻轉(zhuǎn)；
8、軟錯(cuò)誤可能對供電電壓十分敏感，盡量將可能的供電狀態(tài)都進(jìn)行獨(dú)立的試驗(yàn)，這是因?yàn)楹芏嘤脩羰株P(guān)注軟錯(cuò)誤率與供電狀態(tài)之間的關(guān)系。
9、減少死時(shí)間：讀與寫間隔內(nèi)，發(fā)生錯(cuò)誤是無法被監(jiān)控到，會導(dǎo)致錯(cuò)誤率的低估；
10、re-rewritten的向量寫補(bǔ)碼；
11、禁止整體寫、整體讀，如此會使死時(shí)間增加50%，錯(cuò)誤率低估一倍；
12、 建議即時(shí)讀寫，即一個(gè)地址進(jìn)行兩個(gè)訪問循環(huán)，其中一個(gè)訪問位讀訪問，同時(shí)比較錯(cuò)誤和記錄錯(cuò)誤，另一個(gè)訪問循環(huán)寫入補(bǔ)碼；
13、 要進(jìn)行地址碼和存儲數(shù)據(jù)一一核實(shí)，會存在地址譯碼電路翻轉(zhuǎn)造成的錯(cuò)誤寫入。
廣電計(jì)量半導(dǎo)體服務(wù)優(yōu)勢● 牽頭工信部“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺建設(shè)項(xiàng)目" ，參與工信部“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺"等多個(gè)項(xiàng)目；
●牽頭建設(shè)江蘇省發(fā)改委“江蘇省第三代半導(dǎo)體器件性能測試與材料分析工程研究中心"
● 在集成電路及SiC領(lǐng)域是技術(shù)能力全面、認(rèn)可度高的第三方檢測機(jī)構(gòu)之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個(gè)型號的芯片驗(yàn)證；并支持完成多款型號芯片的工程化和量產(chǎn)。
● 在車規(guī)領(lǐng)域擁有AEC-Q及AQG324一站式能力，獲得了近50家車廠的認(rèn)可，出具近400份AEC-Q及AQG324報(bào)告，助力100多款車規(guī)元器件量產(chǎn)。
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