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(bào)社主辦，陜西省半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)、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(gè)行業(yè)，F(xiàn)PGA應(yīng)用的時(shí)候會(huì)有輻射效應(yīng)，這是在什么樣特殊的環(huán)境下應(yīng)用的時(shí)候會(huì)考慮這樣的問題呢?主要是空間應(yīng)用?？臻g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(bào)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(gè)，涉及這樣一些電子系統(tǒng)的時(shí)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(gè)是宇宙射線，另外一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)候，到一定總劑量的時(shí)候這個(gè)電子系統(tǒng)就會(huì)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(gè)電子系統(tǒng)就會(huì)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(shí)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(gè)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(dòng)，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(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)，一個(gè)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(gè)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(huì)產(chǎn)生銳意損傷，這對電子效應(yīng)會(huì)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(gè)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(shí)上我們在一個(gè)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(yùn)用，及非平衡狀態(tài)下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，就會(huì)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(huì)引起電源之間的短路，即閂鎖效應(yīng)。再一個(gè)，剛才我們講到了總劑量效應(yīng)，它會(huì)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(gè)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(gè)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?cái)嗔Ｗ釉诜雌玃N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(jì)晶體管物理尺寸，使得Qcollection大于Qcritical難以滿足。再一個(gè)就是閂鎖，閂鎖的解決措施有三個(gè)，一個(gè)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(gè)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(gè)地方加了一個(gè)環(huán)，它加這個(gè)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(gè)就是增加外延層，降低兩個(gè)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(gè)地方每一個(gè)器件通過這樣的一個(gè)氧化層把它隔離掉，這個(gè)解決全介隔離，就是把每一個(gè)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(gè)晶體管在這個(gè)地方屬于柵，在長氧區(qū)和制造晶體管這個(gè)地方有一個(gè)過渡區(qū)，這個(gè)地方叫做鳥嘴區(qū)，當(dāng)然在小尺寸的器件，這個(gè)地方它采用一些特殊的工藝，這個(gè)地方的影響會(huì)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(shí)候這個(gè)地方就提前開啟了，這個(gè)就是我們常說的鳥嘴效應(yīng)。為了避開這個(gè)鳥嘴區(qū)，常常采用環(huán)柵設(shè)計(jì)。這個(gè)就是我們在抗輻射加固的時(shí)候常常采用的一種辦法，外面加一個(gè)保護(hù)環(huán)，一個(gè)是提高抗單粒子的(英)效應(yīng)，這就是我們在設(shè)計(jì)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(shí)候，那個(gè)時(shí)候的氧化層非常厚，總劑量效應(yīng)對于我們整個(gè)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(gè)時(shí)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(huì)成為我們整個(gè)電子系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)主要矛盾。它的原因是什么呢?由于在大尺寸的時(shí)候，如果是一個(gè)粒子從這個(gè)圓中心打過去的時(shí)候，它所影響的面積非常有限，可是同樣的一個(gè)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(gè)區(qū)域我們現(xiàn)在有更多的晶體管處在這個(gè)當(dāng)中，因此單粒子效應(yīng)變化越來越嚴(yán)重了。這個(gè)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(huì)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(huì)對我的電力狀態(tài)產(chǎn)生影響。第三個(gè)，解決措施。設(shè)計(jì)加固一共有四個(gè)措施，一個(gè)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(gè)地方采用了FPGA轉(zhuǎn)ASIC的方式來實(shí)現(xiàn)，在一些電子系統(tǒng)當(dāng)中，因?yàn)樗闹笜?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!