劉士全，季振凱

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

在航天輻射環(huán)境中，電離輻射產(chǎn)生的輻射效應(yīng)會(huì)對(duì)電子元器件性能產(chǎn)生影響，甚至出現(xiàn)功能失效，使得航天器工作的可靠性和安全性受到嚴(yán)重威脅，造成意想不到的損失，最終影響航天任務(wù)的順利進(jìn)行。因此，對(duì)元器件的輻射損傷效應(yīng)進(jìn)行研究，全面了解元器件的輻射損傷機(jī)理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和必要性。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）由于其自身集成度高、面積小、功耗低、實(shí)現(xiàn)功能多等特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛。國(guó)外在上世紀(jì)90年代就已對(duì)FPGA器件的輻射損傷及退火效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究[1～6]。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)SRAM型FPGA的總劑量輻射損傷及輻照后退火效應(yīng)的報(bào)道很少。為此，本文對(duì)自主研發(fā)的抗輻照SRAM型FPGA的總劑量輻射效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究，特別是探討了FPGA電參數(shù)退化與功能失效的相關(guān)性，為抗輻照加固技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

2 器件選擇及實(shí)驗(yàn)方法

在試驗(yàn)中一共用了同一型號(hào)且性能參數(shù)基本相同的兩片國(guó)外樣品FPGA芯片和兩片我所自主研發(fā)的輻照加固FPGA芯片。輻照實(shí)驗(yàn)板系統(tǒng)由FPGA、CPLD、XCF32P配置芯片組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從輻照室內(nèi)引出兩組內(nèi)核、端口電源，一組外圍電源，兩根片選信號(hào)，DONE配置成功顯示信號(hào)，輸出時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入Program控制信號(hào)和輸入時(shí)鐘信號(hào)。用硬件描述語(yǔ)言VerilogHDL對(duì)FPGA芯片編寫(xiě)源程序，燒寫(xiě)至FPGA配置芯片XCF32P內(nèi)。同時(shí)用VerilogHDL對(duì)CPLD芯片編寫(xiě)源程序，完成對(duì)配置芯片和FPGA的通道切換功能。總劑量輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，通過(guò)兩根片選信號(hào)對(duì)FPGA片選，使對(duì)應(yīng)的FPGA芯片配置信號(hào)通過(guò)CPLD與配置芯片相連，通過(guò)從CPLD連到輻照室外部的Program信號(hào)控制對(duì)應(yīng)FPGA重配置，通過(guò)從CPLD連到輻照室外部的DONE信號(hào)和輸出時(shí)鐘信號(hào)觀察對(duì)應(yīng)FPGA的工作狀態(tài)，完成對(duì)芯片功能的檢測(cè)。

圖1 總劑量輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

輸入時(shí)鐘信號(hào)引入30MHz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，F(xiàn)PGA芯片利用寄存器實(shí)現(xiàn)16分頻電路功能，然后通過(guò)移位寄存器將信號(hào)輸出，測(cè)量輻照過(guò)程中FPGA的內(nèi)核和端口電源電流、記錄電流變化與總劑量的關(guān)系。測(cè)量輻照過(guò)程中FPGA輸出波形，檢測(cè)FPGA在總劑量輻照過(guò)程中的功能失效情況。輻照前后對(duì)FPGA芯片用Teradyne公司J750 ATE測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比參數(shù)變化，得出器件隨總劑量輻射的變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)所用的輻射源是中科院上海應(yīng)用物理研究所水儲(chǔ)式4.9×1015 （Bq）60Co-γ輻射源。這是一個(gè)由24根ф150mm×452mm源棒構(gòu)成的直徑為20cm的圓形源盒。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇15rad（Si）/s和10rad（Si）/s的劑量率。兩只國(guó)外器件輻照到100krad（Si）或功能失效為止，兩只輻照加固器件先輻照到100krad（Si）。觀察并記錄電路內(nèi)核電流變化，并在30k和50k時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，若能夠完成上電重配置，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。100k的電路實(shí)驗(yàn)完成后，用干冰保存，2h內(nèi)帶回用J750進(jìn)行測(cè)試，若電參數(shù)正常，則該組電路通過(guò)實(shí)驗(yàn)；若功能失效，器件被判定不合格；若100krad（Si）器件測(cè)試合格，再追加50krad（Si），實(shí)驗(yàn)完成后，用干冰保存，帶回進(jìn)行高溫退火。高溫退火條件為：溫度100℃，時(shí)間168h，168h后測(cè)試參數(shù)，判斷退火后是否通過(guò)，退火期間通過(guò)輻照實(shí)驗(yàn)板施加偏置。依據(jù)168h高溫退火后測(cè)得的參數(shù)作為最終判據(jù)，判斷該組器件是否合格。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)電路輸出16分頻波形，測(cè)試示波器采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為10 000。兩只輻照加固的FPGA在100krad（Si）輻照過(guò)程中FPGA功能正常，輸出波形穩(wěn)定，未發(fā)生變化，干冰保存帶回用J750測(cè)試元件電參數(shù)均通過(guò)；兩只國(guó)外的FPGA在60krad（Si）時(shí)波形突然消失，功耗電流開(kāi)始明顯增大，干冰保存帶回用J750測(cè)試元件多項(xiàng)電參數(shù)失效。在后面追加的50k試驗(yàn)過(guò)程中，總計(jì)量累積到145krad（Si）時(shí)，兩顆電路輸出波形突然消失，功耗電流開(kāi)始明顯增大。在總劑量30k和50k時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，四片電路均能完成上電重配置，通過(guò)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。兩組電路電流隨總劑量變化情況如圖3和圖4所示，輻照加固FPGA電路電流在100krad（Si）以內(nèi)保持20mA不發(fā)生變化，在130krad（Si）時(shí)電流發(fā)生明顯增長(zhǎng)，在150krad（Si）時(shí)電流變?yōu)?0mA為原來(lái)的4.5倍。國(guó)外的FPGA電路電流在45krad（Si）以內(nèi)保持不變，在60krad（Si）時(shí)電流發(fā)生明顯增長(zhǎng)。此時(shí)對(duì)電路進(jìn)行高溫退火，經(jīng)過(guò)168h高溫退火后四只電路工作正常，通過(guò)所有測(cè)試，電流恢復(fù)到輻照前的數(shù)值。同時(shí)兩只輻照加固電路和兩只國(guó)外電路在150k和60k輻照結(jié)束后均無(wú)法完成上電配置，表現(xiàn)為內(nèi)核電流過(guò)大。而在高溫退火后，四只電路均已能夠正常完成上電重配置。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

帶電粒子、γ、X射線與MOS器件柵介質(zhì)作用產(chǎn)生電離總劑量輻射效應(yīng)。在電離輻射作用下，光子和帶電粒子將能量傳遞給原子，原子電離的同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)通過(guò)復(fù)合、漂移、擴(kuò)散、積累在SiO2絕緣層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷，并且在Si/SiO2界面上產(chǎn)生輻射感生氧化物電荷，從而使集成電路性能參數(shù)發(fā)生顯著變化，甚至功能失效[7～8]。

圖2 輻照實(shí)驗(yàn)電路輸出波形

圖3 60k總劑量實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)電流

圖4 150k總劑量實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)電流

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，功耗電流隨總劑量積累到一定程度后呈逐漸增大趨勢(shì)，而與此同時(shí)器件功能卻仍舊正常，但無(wú)法進(jìn)行重新配置。經(jīng)分析可知，高劑量率輻射使得FPGA電路產(chǎn)生大量陷阱電荷，從而使電流增大。但此時(shí)功耗電流仍然在電路正常工作上限100mA之內(nèi)，所以FPGA工作未受影響。但基于SRAM結(jié)構(gòu)的FPGA的特點(diǎn)是配置過(guò)程會(huì)有大電流出現(xiàn)，在正常情況下該FPGA配置時(shí)對(duì)其內(nèi)核電壓（Vccint）需要提供一個(gè)上電時(shí)間小于50ms、瞬間電流可達(dá)2A的電源。但該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著陷阱電荷的產(chǎn)生，使得上電過(guò)程中需要的瞬間電流增大，原實(shí)驗(yàn)電源無(wú)法提供滿足配置需要的瞬間大電流，所以不能正常上電配置。同時(shí)從兩組試驗(yàn)對(duì)比可知，輻照加固過(guò)的電路抗輻照能力明顯好于國(guó)外未進(jìn)行輻照加固的電路，輻照加固技術(shù)是有效的。

在退火過(guò)程中，由于氧化物陷阱電荷迅速消失[7]，N溝道MOS管負(fù)漂移的閾值電壓出現(xiàn)回漂，使得其耗盡層的反型層恢復(fù)，導(dǎo)致截止漏電流隨退火時(shí)間的增加而降低。而寄生N溝道MOS管是以鋁柵或硅柵的場(chǎng)氧為柵氧化層，以N溝道MOS管的漏、源為漏、源端的，因此寄生N溝管的場(chǎng)氧漏電流隨退火時(shí)間的關(guān)系與N溝道MOS管截止漏電流隨退火時(shí)間的關(guān)系相似。因此在退火過(guò)程后FPGA電路基本恢復(fù)正常。

4 總結(jié)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，功耗電流隨總劑量逐漸變化，反映了FPGA器件輻射損傷的大小和過(guò)程，更直觀反映了器件隨總劑量的變化關(guān)系，可作為判斷器件失效的一個(gè)敏感參數(shù)。而分頻功能、輸出高低電平功能隨總劑量是突然變化的，只反映了器件輻射損傷從量變到質(zhì)變的結(jié)果，不能用于分析器件輻射損傷的機(jī)理，但可直觀形象地反映器件的失效。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）功耗電流隨總劑量累積到一定程度后線性增大，雖然功耗電流變大，但只要在極限范圍內(nèi)，F(xiàn)PGA仍然能正常工作；

（2）SRAM型FPGA在配置過(guò)程中需要瞬間大電流，故輻照后不能立即配置；

（3）總劑量輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)功耗電流能直觀反映器件隨總劑量的變化關(guān)系，可作為判斷器件失效的一個(gè)敏感參數(shù)；

（4）輻照加固技術(shù)對(duì)元器件的抗輻射能力提升是有效的。

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