速记：FPGA与抗辐射加固技术
发布日期：2010-09-21
来源：中国电子信息产业网
由工业和信息化部指导，西安市科学技术局、西安市集成电路产业发展中心和中国电子报社主办，陕西省半导体行业协会、西安软件园发展中心和西安地区科技交流中心协办的2010年(第二届)中国FPGA产业发展论坛于8月31日在西安市隆重举行。本次论坛的主题是“可编程技术加速中国科技创新”，来自国内外数十家企业、高等院校和科研机构的200余名代表参加了本次论坛。
图为：771研究所副总工程师吴龙胜演讲。
吴龙胜：
各位来宾，大家下午好!
在座的都90%的人都不涉及这个行业，FPGA应用的时候会有辐射效应，这是在什么样特殊的环境下应用的时候会考虑这样的问题呢?主要是空间应用。空间应用可能跟在座的似乎看起来没有太大的联系，但是跟我们日常生活每一天都是紧密相关的，包括天气预报等等一些应用都跟我们生活是息息相关的。
下面我讲一下“FPGA与抗辐射加固技术”。首先介绍一下辐射的基本概念，然后我再讲一下它对电路系统产生的严重后果;再一个，涉及这样一些电子系统的时候需要解决的一些问题和措施。在宇宙空间包括自然环境中，我们每天都生活在辐射的情况下，只不过我们在地面的环境下对我们的生活影响非常少，可是对于外层空间的飞行器来说影响非常大。一个是宇宙射线，另外一个是太阳耀斑等等，还有一些特殊的环境下，我们很少接触到的，就是人工的核电站，核反应堆、加速器等等这些存在辐射环境，但是它是一种人工制造的。粒子的种类包括质子、中子、电子以及重离子之类的东西。它对电子器件产生的影响有哪些效应呢?第一个就是束缚电荷。我们知道，对于我们大多数电子系统当中所用的器件都是经过(英)工艺的，这里面有一层隔离层，这里面有一个氧化层，对我们器件的影响是非常大的。我们电子系统在辐射环境下工作的时候，到一定总剂量的时候这个电子系统就会失效，它是靠基本的门和晶体管开关来进行信息传输和处理的，一旦开关失效了，整个电子系统就会失效，而失效的原因就是辐射引起的阈值电压。束缚电荷与辐射环境：在地面的条件下，我们电子系统每一年接受到的辐射剂量大概在0.5，在空间，尤其地球同步轨道的时候，大概10年10K左右，而人工的核反应堆每一天接到的辐射反映大概是1兆。在硅的这个材料中产生的3.7×10的15次方，它所需要的值就是1Gy。空间环境的话，对于我们地球上的空间来说，影响我们最大的是源于太阳，尤其是太阳的活动，包括耀斑等等。对于我们地球来说，为什么我们日常生活中感受到的影响没有外空的大呢?好在我们有地球的磁场、大气等等，削弱了辐射对我们日常生活的影响。这种辐射的效应一般来说，对我们电子系统来会产生不同的效应，一个是单粒子效应，所谓单粒子效应就是指那些重粒子，包括质子、中子对我们产生的影响，另外，就是逻辑状态发生翻转了，我们称为单粒子翻转。再一个对于材料本身，如果非常高能量的重粒子入射到材料当中会产生锐意损伤，这对电子效应会产生非常大的影响。
下面我们看产生的后果。在空间飞行器当中，一般来说，它产生的故障大概是40%我们是未知的，我们无法确定它到底是什么原因造成这个系统失效或者是功能的终端等等，其他故障30%，不明故障40%，辐射产生的故障大概在30%左右。单粒子效应，事实上我们在一个规定当中制造这么多的晶体管，它晶体管和晶体管的隔离是用基本的措施进行隔离的，而在一般情况下，它这种隔离是一种平衡状态，当这种高能粒子在反偏的PN结中，产生电子——空穴对，由于存在在电场作用下的漂移运用，及非平衡状态下的扩散运动，就会产生瞬间的脉冲电流。
第一，由于CMOS器件中天然存在PNPN四层结构，在高能粒子产生的电流作用下，会引起电源之间的短路，即闩锁效应。再一个，刚才我们讲到了总剂量效应，它会改变表面，对于由表面影响到器件内部的一些特性。总剂量效应就是通过(英)产生的特性变化，它的阈值发生了变化。第二个是通过束缚变化，最后导致沟道的迁移率也发生了改变。
接下来我们提出解决问题的措施。一个是对于单粒子翻转的解决措施，主要的措施是通过外延的方式截断粒子在反偏PN结的轨迹，减小电荷收集效应见效电厂产生的“漏斗效应”，提高CMOS电路的抗SEU能力。合理设计晶体管物理尺寸，使得Qcollection大于Qcritical难以满足。再一个就是闩锁，闩锁的解决措施有三个，一个是SEL解决措施，这是我们一般常规工艺制造的晶体管，它是N管和P管处在两个不同的地方，没有一些特殊的措施，对于抗辐射的电路来说，这个地方加了一个环，它加这个环的目的就是尽可能把在晶体管周围由于碰撞产生的电荷，尽快通过收集环，以免对电路产生更多的影响。再一个就是增加外延层，降低两个寄生极晶体管的放大倍数积。采用全介质隔离，消除生的PNPN四层结构。这个地方每一个器件通过这样的一个氧化层把它隔离掉，这个解决全介隔离，就是把每一个晶体管周围都拿氧化层把它隔离开，这样就把PNPN的结构彻底隔断了。在半导体表面，它这种电学上的联系已经把它彻底隔断了。
刚才介绍的是如何消除这种单粒子效应，接下来介绍一下总剂量效应。整个晶体管在这个地方属于栅，在长氧区和制造晶体管这个地方有一个过渡区，这个地方叫做鸟嘴区，当然在小尺寸的器件，这个地方它采用一些特殊的工艺，这个地方的影响会减少。对于一些大尺寸的器件，就是在0.25米以上的，它采用的是平面，没有采用STI(音)的工艺。它所受到的总剂量的影响非常大，就是说它阈值变化的幅度要比晶体管内部，或者是本身晶体管的变化幅度要大很多，就是说在辐射剂量到一定的时候这个地方就提前开启了，这个就是我们常说的鸟嘴效应。为了避开这个鸟嘴区，常常采用环栅设计。这个就是我们在抗辐射加固的时候常常采用的一种办法，外面加一个保护环，一个是提高抗单粒子的(英)效应，这就是我们在设计方面所采取的措施。在工艺方面，我们采用外延等等一些特殊的工艺。目前工艺尺寸的变化带来的抗辐射加固主要问题的变化，在大尺寸器件的时候，那个时候的氧化层非常厚，总剂量效应对于我们整个电路的影响占主要的矛盾。大概是从0.25微米以后，到28纳米这款的产品都推出了，这个时候晶体管的尺寸变小了，最容易受到影响的是这种单粒子效应，单粒子效应就会成为我们整个电子系统当中的一个主要矛盾。它的原因是什么呢?由于在大尺寸的时候，如果是一个粒子从这个圆中心打过去的时候，它所影响的面积非常有限，可是同样的一个粒子的话，穿过现有的半导体器件，它影响的区域还是原来那么大，可是现在在这个区域我们现在有更多的晶体管处在这个当中，因此单粒子效应变化越来越严重了。这个是我们这里面有相应的参数来描述这种变化。这种单粒子效应随着电路尺寸的减小，电路工作的速度会越来越快，单粒子产生的脉冲跟我们工作当中相比拟，单粒子形成的脉冲会对我的电力状态产生影响。第三个，解决措施。设计加固一共有四个措施，一个是器件级，第二是电路级，第三是系统级。
再谈一谈FPGA目前在空间应用的情况。MASA和ESA对FPGA在航天器上的应用一直比较慎重，主要用ASIC，所使用的少量FPGA也全部是辐射加固型的。品种既有AntiFuse也有SRAM。国内FPGA自10年前开始逐步应用于航天器，目前的应用非常广泛。包括系统与分系统都有应用。规模超过100万门的不许应用。控制关键系统中以AntiFuse型为主，非关键部分中以SRAM型为主。目前在航天产品中的FPGA必须具有非常高固有可靠性和良好空间环境适应能力。在质量等级方面应至少达到Q级以上，在抗空间辐射能力方面，TID指标应达到100K，SEL指标应达到80Mev。针对中国航天产品中的应用情况以及FPGA的特殊要求，而FPGA它有一定的特殊性，因此逐渐在这个地方采用了FPGA转ASIC的方式来实现，在一些电子系统当中，因为它的指标要求比较特殊，因此还是逐渐地在采用FPGA转ASIC的应用需求。谢谢大家!