單粒子翻轉敏感區定位的脈沖激光試驗研究

余永濤，封國強，上官士鵬，陳 睿，韓建偉

（1.中國科學院空間科學與應用研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049）

單粒子翻轉敏感區定位的脈沖激光試驗研究

余永濤1，2，封國強1，上官士鵬1，陳 睿1，韓建偉1

（1.中國科學院空間科學與應用研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049）

利用脈沖激光單粒子翻轉敏感區定位成像系統，對靜態隨機存儲器件IDT71256開展了單粒子翻轉敏感區定位的試驗研究。為避開器件正面金屬層對激光的阻擋，試驗采用背面輻照方式進行測試。試驗結果表明，存儲單元中存儲數據類型對器件單粒子翻轉的敏感性有較大影響，由測得的單粒子翻轉敏感區分布圖經處理得到單粒子翻轉截面，結果與重離子試驗測得的翻轉截面數據一致。

單粒子效應；敏感區定位；數據類型；翻轉截面

空間粒子輻射環境容易誘發單粒子效應（SEE），它是導致航天器異常的常見空間輻射效應。因此，需對宇航器件在地面進行抗輻射性能測試，研究SEE的機理，進而采取相應的抗輻射加固措施。宇航器件的抗輻射性能測試主要是通過地面的加速器、放射源、脈沖激光等模擬手段進行。要深入研究器件的單粒子效應機理，準確獲得器件抗輻照性能的閾值、截面及敏感區域等參數，有必要使用束斑為微米級甚至亞微米級的微束對器件的不同區域進行單粒子效應測試。

脈沖激光易聚焦成微米級的微束，配合亞微米級的精密電動移動臺，可對器件的不同區域進行單粒子效應測試。脈沖激光模擬單粒子效應試驗裝置以其準確定位單粒子翻轉（SEU）的優勢，能準確獲得SEU敏感區位圖的分布情況。對于器件SEU敏感區亞微米級的定位研究，國外相關工作開展得早且較為深入［1－6］，國內的相關研究則剛起步［7－8］。靜態隨機存儲器（SRAM）以其優異的性能而廣泛用作航天器系統的存儲器件，但同時也是對空間輻射環境敏感的器件。本工作利用脈沖激光單粒子翻轉敏感區定位成像系統，采用背部輻照方式開展SRAM IDT71256單粒子翻轉效應敏感性的研究。由測得的單粒子翻轉敏感位圖分析得到SEU截面，并與重離子試驗的截面結果進行對比分析，討論準確獲得器件SEU截面及閾值的方法。本工作對宇航器件抗輻照性能的測試具有一定的借鑒意義。

1 試驗方案

1.1 脈沖激光試驗裝置與測試流程

脈沖激光單粒子效應敏感區定位成像系統示意圖如圖1所示，主要由4部分構成：激光裝置［9］、單粒子效應檢測系統、電動移動臺和同步控制裝置。利用聚焦后的脈沖激光對SRAM存儲器件進行逐點輻照，同時利用SRAM存儲器單粒子效應檢測系統對存儲器的翻轉地址、位數等進行檢測和存儲，利用電動移動臺實現存儲器不同區域的掃描測試，同步控制裝置將脈沖激光輻照、單粒子翻轉的檢測、電動移動臺的移動同步控制起來，并將每個輻照位置的激光脈沖注量、單粒子翻轉數據、物理坐標對應起來傳輸至計算機，最終將單粒子翻轉敏感位置顯示為二維圖像。

圖1 脈沖激光SEU敏感區定位成像系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed laser facility for SEU sensitivity mapping

測試系統工作流程圖如圖2所示。初始化芯片和設定試驗測試條件，包括在測試器件中寫入數據，激光聚焦定位在測試原點，調節脈沖激光能量等。測試開始時，輻照一定數量的激光脈沖。輻照完成后，單粒子效應檢測系統刷新器件存儲的數據，一旦發生翻轉，翻轉的邏輯地址及對應的物理坐標會被記錄，此坐標即是發生SEU的物理位置。然后電動移動臺移動一定的距離到下一測試位置，重復以上過程，直至完成對所選區域的掃描測試，最終可獲得器件測試區域內的SEU敏感位置分布圖。

圖2 SEU敏感區定位系統工作流程圖Fig.2 Flow diagram of SEU sensitivity mapping

在試驗過程中，電動移動臺的步距設定為1μm，每個測試位置輻照1個激光脈沖，芯片中寫入FFH、00H等類型的數據。

1.2 測試器件

測試器件為陶瓷DIP封裝的IDT71256，其必須進行開封處理才能進行激光SEU測試。為避開器件正面金屬層對激光的阻擋作用，測試采用背部輻照方式。背部輻照是對器件進行背部開封露出Si襯底，激光從背部入射。

芯片的工作電壓為（5.0±0.5）V，容量為32K×8bits，存儲陣列的位圖如圖3所示。芯片的存儲區域分為4個陣列，每個陣列由512行和128列存儲單元組成，一個存儲單元的大小約為5μm×6μm。A0～A14為地址線，I／O0～I／O7為位線。A4、A5、A6、A7、A8、A9、A12、A13、A14為行地址，其他地址線為列地址，A2、A3確定存儲單元所在的陣列，A0、A1、A10、A11確定存儲單元所在的列。每一個陣列分為8組，每組有16列，8組對應的是同一邏輯字地址的8個存儲單元，可看出，8個存儲單元在物理坐標上并非相鄰排列，而是中間間隔有15個存儲單元。

2 試驗結果及分析

2.1 激光背部輻照

任意選定一測試區域（大小為30μm× 30μm），測試區域內約有30個存儲單元，輻照激光能量為200pJ。SEU敏感區分布如圖4所示。圖4a對應的存儲數據為FFH，圖4b為00H，黑色方框區域表示激光輻照發生SEU的位置，背景為器件測試區域的顯微圖像。

圖4 背部輻照SEU敏感區分布Fig.4 SEU sensitivity mapping for backside laser test

由圖4a可看出，存儲數據為1（即寫入FFH）時，測試區域內SEU敏感區域大致呈現帶狀分布。由圖4b可看出，存儲數據為0（即寫入00H）時，測試區域內SEU敏感區域亦大致呈現帶狀排列。對比圖4a、b可看出，存儲數據相反，激光輻照發生SEU的區域不同，且兩者具有較明顯的互補性，即存儲數據類型對器件存儲單元的SEU敏感性產生影響。翻轉結果分別列于表1、2，根據器件的存儲位圖，測試區域存儲單元的邏輯地址均對應同一字地址8位存儲單元中第3位，因此，表1、2中僅給出翻轉單元的字地址。

表1 SRAM IDT71256翻轉結果（FFH）Table 1 Upset result of SRAM IDT71256 for FFH data pattern

表2 SRAM IDT71256翻轉結果（00H）Table 2 Upset result of SRAM IDT71256 for 00Hdata pattern

由表1、2可看出，器件IDT71256在寫入FFH和00H兩種情況下的翻轉邏輯地址不同，這與圖4敏感區的不同分布相對應，而其排列規律與器件的邏輯地址與物理坐標的映射關系一致。這說明該器件有些存儲單元存儲數據1時敏感，而另一些存儲單元存儲數據0時敏感，且這兩種單元在物理位置上大致相間排列。相對而言，存儲數據為1時SEU翻轉數較多，閾值能量較低。對其他區域進行測試，試驗結果與此類似。

2.2 結果分析

器件IDT71256中不同存儲單元的SEU敏感性差別較大，存儲數據會對SRAM器件SEU的敏感性產生影響，這與作者對SRAM器件SEU特性的認識不一致?？赡艿慕忉屖?，器件的結構（圖5，器件的存儲單元是4T2R結構［10］）并不完全對稱，若N1、N2兩個NMOS管的敏感性不一致，N2NMOS管相對較敏感，當其處于off狀態時，存儲數據為1，此時存儲單元敏感；反之，當其處于on狀態，而N1為off狀態時，存儲數據為0，則此時存儲單元相對不敏感。而對于其相鄰的鏡像單元，現象正好相反。這樣，存儲單元全部存儲1或0時，即會出現SEU敏感區相間分布的情形。按照以上解釋，若相鄰的存儲單元存儲的數據相反，SEU敏感區的分布應為均勻分布。但根據此器件邏輯地址與物理位置的映射關系，同一邏輯地址的8位存儲單元并非連續排列，每相鄰兩位間隔15個其他邏輯地址的存儲單元，因而不能通過在相鄰存儲單元寫入相反存儲數據進行驗證。

圖5 SRAM IDT71256存儲單元結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of SRAM IDT71256memory cell

3 激光SEU截面與重離子SEU截面對比

3.1 激光測試SEU截面

存儲數據對器件單粒子翻轉敏感性的影響還可通過SEU截面數據表現出來，可通過處理脈沖激光定位SEU敏感區的結果獲得SEU截面。改變脈沖激光輻照能量，可得到不同能量下SEU的敏感分布圖，進而可獲得測試區域的SEU截面。截面σlaser可表示為：

其中：Sseu為敏感區分布圖中發生SEU的區域面積；Ncell為測試區域內存儲單元數。

圖6為激光背部輻照條件下，存儲單元在存儲不同類型數據時測得的SEU截面，存儲數據為FFH時飽和截面約為1.9×10－7cm2· bit－1，存儲數據為00H時飽和截面約為1.1× 10－7cm2·bit－1?？煽闯?，隨輻照激光能量的增大，單個bit的翻轉截面增大。在相同的激光輻照能量下，存儲數據為FFH時，SEU的截面較大，約為存儲數據為00H時的2倍。不同的存儲數據會對器件的SEU截面產生影響，這對器件的抗輻照性能測試提出了新要求。在實際應用時，器件存儲的數據一般無規律，可認為是隨機的。而在輻照試驗中，器件通常的存儲數據為FFH、00H或55H、AAH，這與器件的真實使用情形不一致。因此，在單一存儲數據類型條件下測得的輻照試驗結果可能不能代表器件真正的抗輻照性能。估算器件在空間輻射環境中的翻轉率時，通?？紤]最惡劣情形，SEU閾值取不同存儲數據類型條件下測試閾值結果的最低值；SEU飽和截面與存儲數據類型條件下測試結果的最大值應不同。就SRAM IDT71256而言，存儲數據為FFH時的SEU敏感區分布圖與存儲數據為00H時的SEU敏感區分布圖是互補的。所以，在最惡劣的情況下，SEU飽和截面應是存儲數據為FFH時的飽和截面與存儲數據為00H時的飽和截面之和，并將SEU敏感區分布圖去除兩者的重合部分，計算結果如圖6中修正曲線所示。

圖6 SRAM IDT71256激光背部輻照SEU截面Fig.6 Laser backside test SEU cross section of SRAM IDT71256

3.2 重離子測試SEU截面

圖7 SRAM IDT71256重離子測試SEU截面Fig.7 Heavy ion test SEU cross section of SRAM IDT71256

本文對激光試驗得到的SEU截面進行重離子測試驗證，圖7為SRAM IDT71256的重離子測試SEU截面。本試驗分別測試存儲數據為FFH和AAH時SRAM IDT71256的翻轉截面?？煽闯?，隨輻照離子LET值的增大，單個bit的翻轉截面逐漸增大。存儲數據為FFH的SEU截面明顯大于存儲數據為AAH的，存儲數據為FFH時飽和截面約為1.8× 10－7cm2·bit－1，存儲數據為AAH時飽和截面約為1.5×10－7cm2·bit－1。

重離子測試SEU截面與激光試驗的結果相比，兩者所表現出的趨勢一致。存儲數據為FFH時，重離子測試SEU截面略小于激光測試的，存儲數據為AAH時，重離子測試SEU截面小于存儲數據為FFH的SEU截面，而大于存儲數據為00H的激光測試SEU截面。因為激光的光斑尺寸較大［11］，相同條件下激光測試的SEU截面較重離子測試的截面稍大。重離子測試結果表明：對于SRAM IDT71256，存儲數據類型會對器件SEU截面的測量產生影響。

4 結論

本工作利用脈沖激光單粒子翻轉效應敏感區定位成像系統，采用背部輻照方式對SRAM IDT71256開展了單粒子翻轉效應敏感區定位的試驗研究。結果表明，對于此款器件，存儲單元中存儲的數據會對器件存儲單元SEU敏感性產生較大影響。處理SEU敏感位圖可獲得SEU截面，結果與重離子測試結果符合較好。

不同類型的存儲數據可能對器件SEU截面及閾值的測量產生影響，這對器件的抗輻照性能測試提出了新要求。存儲器件抗輻照試驗中，采用單一類型存儲數據的測試條件與器件的真實使用情形不一致，測試結果可能不能表示器件真正的抗輻照性能。對于存儲器件SEU截面及閾值測試，應該綜合分析不同類型存儲數據條件下的測試數據，得到較為可靠的SEU輻照測試結果。

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Experimental Study on Pulsed Laser Single Event Upset Sensitivity Mapping

YU Yong-tao1，2，FENG Guo-qiang1，SHANGGUAN Shi-peng1，CHEN Rui1，HAN Jian-wei1
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

The pulsed laser facility for single event upset（SEU）sensitivity mapping was utilized to study SEU sensitivity mapping of SRAM IDT71256.To avoid the block of the metal layer in the front side of integrated circuit，the backside testing method was used.The experiment results show that the SEU sensitivity of the SRAM cell depends on the pattern of data stored in the memory cell.The SEU sensitivity mapping could be used to construct the corresponding SEU cross section，which is validated by the heavy ion beam test result.

single event effect；sensitivity mapping；data pattern；upset cross section

TN406

：A

：1000-6931（2015）01-0176-05

10.7538／yzk.2015.49.01.0176

2013-11-11；

2014-01-19

基礎科研計劃資助項目（A1320110028）；中國科學院支撐技術項目資助（110161501038）

余永濤（1987—），男，河南寶豐人，博士研究生，地球與空間探測技術專業