由工業(yè)和信息化部指導(dǎo)，西安市科學(xué)技術(shù)局,、西安市集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心和中國電子報社主辦,，陜西省半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會,、西安軟件園發(fā)展中心和西安地區(qū)科技交流中心協(xié)辦的2010年(第二屆)中國FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇于8月31日在西安市隆重舉行。本次論壇的主題是“可編程技術(shù)加速中國科技創(chuàng)新”,，來自國內(nèi)外數(shù)十家企業(yè),、高等院校和科研機(jī)構(gòu)的200余名代表參加了本次論壇。

　　圖為：771研究所副總工程師吳龍勝演講,。

　　吳龍勝：

　　各位來賓,，大家下午好!

　　在座的都90%的人都不涉及這個行業(yè)，F(xiàn)PGA應(yīng)用的時候會有輻射效應(yīng),，這是在什么樣特殊的環(huán)境下應(yīng)用的時候會考慮這樣的問題呢?主要是空間應(yīng)用,。空間應(yīng)用可能跟在座的似乎看起來沒有太大的聯(lián)系,，但是跟我們?nèi)粘Ｉ蠲恳惶於际蔷o密相關(guān)的,，包括天氣預(yù)報等等一些應(yīng)用都跟我們生活是息息相關(guān)的,。

　　下面我講一下“FPGA與抗輻射加固技術(shù)”,。首先介紹一下輻射的基本概念，然后我再講一下它對電路系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重后果;再一個,，涉及這樣一些電子系統(tǒng)的時候需要解決的一些問題和措施,。在宇宙空間包括自然環(huán)境中，我們每天都生活在輻射的情況下,，只不過我們在地面的環(huán)境下對我們的生活影響非常少,，可是對于外層空間的飛行器來說影響非常大。一個是宇宙射線,，另外一個是太陽耀斑等等,，還有一些特殊的環(huán)境下，我們很少接觸到的,，就是人工的核電站,，核反應(yīng)堆,、加速器等等這些存在輻射環(huán)境，但是它是一種人工制造的,。粒子的種類包括質(zhì)子,、中子、電子以及重離子之類的東西,。它對電子器件產(chǎn)生的影響有哪些效應(yīng)呢?第一個就是束縛電荷,。我們知道，對于我們大多數(shù)電子系統(tǒng)當(dāng)中所用的器件都是經(jīng)過(英)工藝的,，這里面有一層隔離層,，這里面有一個氧化層，對我們器件的影響是非常大的,。我們電子系統(tǒng)在輻射環(huán)境下工作的時候,，到一定總劑量的時候這個電子系統(tǒng)就會失效，它是靠基本的門和晶體管開關(guān)來進(jìn)行信息傳輸和處理的,，一旦開關(guān)失效了,，整個電子系統(tǒng)就會失效，而失效的原因就是輻射引起的閾值電壓,。束縛電荷與輻射環(huán)境：在地面的條件下,，我們電子系統(tǒng)每一年接受到的輻射劑量大概在0.5，在空間,，尤其地球同步軌道的時候,，大概10年10K左右，而人工的核反應(yīng)堆每一天接到的輻射反映大概是1兆,。在硅的這個材料中產(chǎn)生的3.7×10的15次方,，它所需要的值就是1Gy?？臻g環(huán)境的話,，對于我們地球上的空間來說，影響我們最大的是源于太陽,，尤其是太陽的活動,，包括耀斑等等。對于我們地球來說,，為什么我們?nèi)粘Ｉ钪懈惺艿降挠绊憶]有外空的大呢?好在我們有地球的磁場,、大氣等等，削弱了輻射對我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊?。這種輻射的效應(yīng)一般來說,，對我們電子系統(tǒng)來會產(chǎn)生不同的效應(yīng)，一個是單粒子效應(yīng),，所謂單粒子效應(yīng)就是指那些重粒子,，包括質(zhì)子,、中子對我們產(chǎn)生的影響，另外,，就是邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)了,，我們稱為單粒子翻轉(zhuǎn)。再一個對于材料本身,，如果非常高能量的重粒子入射到材料當(dāng)中會產(chǎn)生銳意損傷,，這對電子效應(yīng)會產(chǎn)生非常大的影響。

　　下面我們看產(chǎn)生的后果,。在空間飛行器當(dāng)中,，一般來說，它產(chǎn)生的故障大概是40%我們是未知的,，我們無法確定它到底是什么原因造成這個系統(tǒng)失效或者是功能的終端等等,，其他故障30%，不明故障40%,，輻射產(chǎn)生的故障大概在30%左右,。單粒子效應(yīng)，事實上我們在一個規(guī)定當(dāng)中制造這么多的晶體管,，它晶體管和晶體管的隔離是用基本的措施進(jìn)行隔離的,，而在一般情況下，它這種隔離是一種平衡狀態(tài),，當(dāng)這種高能粒子在反偏的PN結(jié)中,，產(chǎn)生電子——空穴對，由于存在在電場作用下的漂移運用,，及非平衡狀態(tài)下的擴(kuò)散運動,，就會產(chǎn)生瞬間的脈沖電流。

　　第一,，由于CMOS器件中天然存在PNPN四層結(jié)構(gòu),，在高能粒子產(chǎn)生的電流作用下，會引起電源之間的短路,，即閂鎖效應(yīng),。再一個,，剛才我們講到了總劑量效應(yīng),，它會改變表面，對于由表面影響到器件內(nèi)部的一些特性,?？倓┝啃?yīng)就是通過(英)產(chǎn)生的特性變化，它的閾值發(fā)生了變化,。第二個是通過束縛變化,，最后導(dǎo)致溝道的遷移率也發(fā)生了改變,。

　　接下來我們提出解決問題的措施。一個是對于單粒子翻轉(zhuǎn)的解決措施,，主要的措施是通過外延的方式截斷粒子在反偏PN結(jié)的軌跡,，減小電荷收集效應(yīng)見效電廠產(chǎn)生的“漏斗效應(yīng)”，提高CMOS電路的抗SEU能力,。合理設(shè)計晶體管物理尺寸,，使得Qcollection大于Qcritical難以滿足。再一個就是閂鎖,，閂鎖的解決措施有三個,，一個是SEL解決措施，這是我們一般常規(guī)工藝制造的晶體管,，它是N管和P管處在兩個不同的地方,，沒有一些特殊的措施，對于抗輻射的電路來說,，這個地方加了一個環(huán),，它加這個環(huán)的目的就是盡可能把在晶體管周圍由于碰撞產(chǎn)生的電荷，盡快通過收集環(huán),，以免對電路產(chǎn)生更多的影響,。再一個就是增加外延層，降低兩個寄生極晶體管的放大倍數(shù)積,。采用全介質(zhì)隔離,，消除生的PNPN四層結(jié)構(gòu)。這個地方每一個器件通過這樣的一個氧化層把它隔離掉,，這個解決全介隔離,，就是把每一個晶體管周圍都拿氧化層把它隔離開，這樣就把PNPN的結(jié)構(gòu)徹底隔斷了,。在半導(dǎo)體表面,，它這種電學(xué)上的聯(lián)系已經(jīng)把它徹底隔斷了。

　　剛才介紹的是如何消除這種單粒子效應(yīng),，接下來介紹一下總劑量效應(yīng),。整個晶體管在這個地方屬于柵，在長氧區(qū)和制造晶體管這個地方有一個過渡區(qū),，這個地方叫做鳥嘴區(qū),，當(dāng)然在小尺寸的器件，這個地方它采用一些特殊的工藝,，這個地方的影響會減少,。對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,，沒有采用STI(音)的工藝,。它所受到的總劑量的影響非常大，就是說它閾值變化的幅度要比晶體管內(nèi)部,，或者是本身晶體管的變化幅度要大很多,，就是說在輻射劑量到一定的時候這個地方就提前開啟了，這個就是我們常說的鳥嘴效應(yīng),。為了避開這個鳥嘴區(qū),，常常采用環(huán)柵設(shè)計。這個就是我們在抗輻射加固的時候常常采用的一種辦法,，外面加一個保護(hù)環(huán),，一個是提高抗單粒子的(英)效應(yīng)，這就是我們在設(shè)計方面所采取的措施,。在工藝方面,，我們采用外延等等一些特殊的工藝。目前工藝尺寸的變化帶來的抗輻射加固主要問題的變化,，在大尺寸器件的時候,，那個時候的氧化層非常厚，總劑量效應(yīng)對于我們整個電路的影響占主要的矛盾,。大概是從0.25微米以后,，到28納米這款的產(chǎn)品都推出了，這個時候晶體管的尺寸變小了,，最容易受到影響的是這種單粒子效應(yīng),，單粒子效應(yīng)就會成為我們整個電子系統(tǒng)當(dāng)中的一個主要矛盾。它的原因是什么呢?由于在大尺寸的時候,，如果是一個粒子從這個圓中心打過去的時候,，它所影響的面積非常有限，可是同樣的一個粒子的話,，穿過現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件,，它影響的區(qū)域還是原來那么大，可是現(xiàn)在在這個區(qū)域我們現(xiàn)在有更多的晶體管處在這個當(dāng)中,，因此單粒子效應(yīng)變化越來越嚴(yán)重了,。這個是我們這里面有相應(yīng)的參數(shù)來描述這種變化。這種單粒子效應(yīng)隨著電路尺寸的減小,，電路工作的速度會越來越快,，單粒子產(chǎn)生的脈沖跟我們工作當(dāng)中相比擬，單粒子形成的脈沖會對我的電力狀態(tài)產(chǎn)生影響,。第三個,，解決措施。設(shè)計加固一共有四個措施,，一個是器件級,，第二是電路級，第三是系統(tǒng)級,。

　　再談一談FPGA目前在空間應(yīng)用的情況,。MASA和ESA對FPGA在航天器上的應(yīng)用一直比較慎重，主要用ASIC,，所使用的少量FPGA也全部是輻射加固型的,。品種既有AntiFuse也有SRAM。國內(nèi)FPGA自10年前開始逐步應(yīng)用于航天器,，目前的應(yīng)用非常廣泛,。包括系統(tǒng)與分系統(tǒng)都有應(yīng)用。規(guī)模超過100萬門的不許應(yīng)用,?？刂脐P(guān)鍵系統(tǒng)中以AntiFuse型為主，非關(guān)鍵部分中以SRAM型為主,。目前在航天產(chǎn)品中的FPGA必須具有非常高固有可靠性和良好空間環(huán)境適應(yīng)能力,。在質(zhì)量等級方面應(yīng)至少達(dá)到Q級以上，在抗空間輻射能力方面,，TID指標(biāo)應(yīng)達(dá)到100K,，SEL指標(biāo)應(yīng)達(dá)到80Mev。針對中國航天產(chǎn)品中的應(yīng)用情況以及FPGA的特殊要求,，而FPGA它有一定的特殊性,，因此逐漸在這個地方采用了FPGA轉(zhuǎn)ASIC的方式來實現(xiàn)，在一些電子系統(tǒng)當(dāng)中,，因為它的指標(biāo)要求比較特殊,，因此還是逐漸地在采用FPGA轉(zhuǎn)ASIC的應(yīng)用需求。謝謝大家!