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宇宙遍布著(zhù)各種高能量的輻射粒子，這些粒子會(huì )對元器件帶來(lái)影響，如何進(jìn)行抗輻射設計成為了工程師針對邏輯類(lèi)數字電路、存儲器以及某些功率器件的一個(gè)必要考量。
宇宙空間中存在能量高而數量極低的輻射粒子，這些粒子會(huì )造成瞬態(tài)巨大的電離能量沉積。沉積的能量可以用線(xiàn)性能量沉積LET值來(lái)度量。下面兩個(gè)圖引用了國際空間站軌道ISS監測到的空間軌道粒子能譜，并計算獲得了相應的LET值。從圖中可以看出，LET值越高的粒子其豐度越低。
盡管這些大LET值的粒子存在較少，但它們對半導體元器件的影響極大，尤其是對邏輯器件和存儲器件。幸運的是，高LET值粒子在空間中的分布極少，它們對器件的影響類(lèi)似于一個(gè)個(gè)間斷的獨立事件，不會(huì )持續發(fā)生甚至出現粒子之間的重疊耦合。因此，我們將這種由高LET值粒子引發(fā)的器件異常行為定義為單粒子事件效應（Single Event Effect-SEE）。
來(lái)源;張戰剛，SRAM單粒子效應地面加速器模擬試驗研究，中國科學(xué)院大學(xué)，博士學(xué)位論文 2013
高LET值離子穿透器件會(huì )在其入射軌跡上產(chǎn)生強電離效應。單位路徑上沉積的能量就是LET值， LET越高，電離產(chǎn)生的電子-空穴越多。如果離子軌跡穿過(guò)了器件的耗盡區（強電場(chǎng)區），這些電離產(chǎn)生的電子-空穴在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移，并被器件的高低電位點(diǎn)收集，從而產(chǎn)生脈沖電流。這種脈沖電流存在兩種作用：
其一，電流攜帶的電荷被收集，從而改變各端電極的電位，從而引起邏輯狀態(tài)翻轉（高電位變成低電位/低電位變成高電位）。
其二，電流脈沖作為電流激勵會(huì )誘發(fā)某些寄生結構的開(kāi)啟，如可控硅結構，從而誘發(fā)閂鎖（Latch-up）事件，甚至是某些雪崩擊穿或燒毀。
在工程上，對于邏輯類(lèi)數字電路、存儲器以及某些功率器件，對單粒子效應的考核主要考慮單粒子翻轉和單粒子閂鎖。而對于某些功率器件，還需要考核單粒子燒毀。
圖片示例
試驗標準國內目前采用QJ 10005-2008《宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南》和GJB 7242-2011《單粒子效應試驗方法和程序》來(lái)指導航天用器件的單粒子試驗。試驗程序如下圖所示，包含了試驗過(guò)程中對閂鎖、燒毀和翻轉三種現象的監測。同時(shí)，還兼顧了用于摸底LET閾值和飽和截面的程序。
試驗流程
不同結構、工藝和功能的半導體元器件，在遭受相同LET值的粒子轟擊時(shí)，其發(fā)生單粒子翻轉的概率是不同的。這主要是因為器件對單粒子效應的敏感程度各不相同。為了描述這種敏感程度，一般采用以下幾個(gè)度量標準：
1、翻轉截面：它描述了單位粒子注量下產(chǎn)生翻轉的數量，單位為cm2/device。翻轉截面的大小取決于器件的結構和粒子的LET值。換句話(huà)說(shuō)，相同LET值下，翻轉截面越大，說(shuō)明器件對單粒子翻轉的敏感度越高
2、飽和截面：隨著(zhù)LET值的增加，器件的翻轉截面并不會(huì )一直上升，而是會(huì )達到一個(gè)平臺，這個(gè)平臺對應的截面就是飽和截面。
3、LET閾值：這是定義翻轉截面為1%的飽和截面時(shí)對應的LET值。也就是說(shuō)，LET閾值就是能最小程度地引起器件翻轉的LET值。
這些度量標準的存在，使工程師們能夠更好地理解半導體元器件對于單粒子效應的敏感程度，從而為器件的設計和制造提供參考。
為進(jìn)行單粒子試驗工程師需要獲得具有較大LET的粒子，一般都要采用能量達到GeV/nucleon的帶電粒子。這就需要用的加速器，GJB 7242-2011中主要推薦兩種加速器，即串列靜電加速器和回旋加速器。兩者各有特點(diǎn)，適用于不同需求場(chǎng)景：
1、串列靜電加速器，高能粒子容易獲得，可連續變換粒子種類(lèi)和能量，適用于翻轉截面摸底試驗，但其對粒子加速能力有限，故只能獲得能量較低的帶電粒子，這造成其穿透深度有限，故不適用于敏感區較深的器件，硅中射程一般在幾十微米。
2、回旋加速器，其加速能力強，可獲得較大能量的帶電粒子，穿透深度高，硅中射程在幾百微米，但其不易改變粒子的種類(lèi)和能量，適用于考核試驗。
考核試驗時(shí)對試驗源參數的選擇單粒子效應較其他輻射效應而言，其不確定性更大。因此對單粒子效應的考核需要充分考慮空間實(shí)際情況，來(lái)選擇考核粒子LET值范圍。如下圖所示為GEO（其他軌道幾乎與GEO相同），隨著(zhù)LET值的增大，粒子強度呈現九級“瀑布"式分布，且不同分布上，粒子種類(lèi)也存在差異。
由圖中可見(jiàn)，按照粒子的通量存在兩大板塊，其一為L(cháng)ET值在26 MeV cm2/mg以下的區域，這部分是高能粒子的主力，如果器件在LET閾值小于15-26這個(gè)區間，意味著(zhù)器件在空間應用時(shí)會(huì )頻繁發(fā)生軟錯誤。所以一般工程抗考核時(shí)，對翻轉閾值≤ 26 MeV cm2/mg不建議使用。
另外一個(gè)區域是達到105 MeV cm2/mg時(shí)，此時(shí)粒子通量極低，可基本忽略。所以對于器件翻轉閾值大于105 MeV cm2/mg時(shí)，可認為該器件對單粒子效應免疫。
對于某些功率器件，其內部敏感區普遍處于較深的位置，粒子必須有足夠的能量穿透到器件，觸發(fā)其可控硅結構方能發(fā)生閂鎖。具有這種能力的粒子，基本上其粒子LET峰值在75 MeV cm2/mg以下。所以當器件在75 MeV cm2/mg考核下，不發(fā)生閂鎖，可認為對單粒子鎖定免疫。同時(shí)也不希望在更高通量的粒子下發(fā)生閂鎖，所以建議器件的閂鎖閾值下限要高于37 MeV cm2/mg。
綜合上述，對于單粒子翻轉的考核，粒子LET考核要考慮低于15-26 MeV cm2/mg，一旦低于15 MeV cm2/mg則為不可用 。而單粒子閂鎖的考核范圍為37-75 MeV cm2/mg。
對單粒子試驗的粒子通量（單位時(shí)間，單位面積的粒子數），注量（單位面積，累積粒子數）和累積錯誤數的規定主要從以下幾個(gè)方面考量：
1、對粒子通量，原則上應盡可能接近實(shí)際應用，不希望兩個(gè)粒子作用時(shí)間存在交疊，交疊可能產(chǎn)生嚴重的單粒子現象。同時(shí)要考慮加速器所能給定的z低通量，以及兼顧試驗成本（通量越低，試驗時(shí)間越長(cháng)，試驗成本越高）。
2、對注量的要求，主要是防止總劑量效應的發(fā)生，根據工程經(jīng)驗，當重離子累積注量不超過(guò)107 ions/cm2時(shí)，重離子輻射的累積總劑量效應可以忽略；
3、對累積錯誤數的考慮，單粒子效應試驗本質(zhì)上是一種統計試驗，是以小子樣評估為基礎，實(shí)踐中，盡量獲得更多的錯誤數據，以保證評估的置信度，標準中要求至少累積100個(gè)錯誤。
4、為保證試驗的置信度，盡量累積多的錯誤，但同時(shí)不能超過(guò)總劑量效應發(fā)生的累積粒子數，所以以記錄到的錯誤和達到的累積粒子數最先觸及的條件作為試驗中止條件。
受試器件的準備在進(jìn)行單粒子試驗時(shí)，受試器件的處置方法極為重要。首先，工程師必須確保器件的封裝不會(huì )阻礙試驗源重離子到達器件的敏感區，否則將無(wú)法觀(guān)察到任何單粒子現象的發(fā)生，從而導致試驗失敗。因此，工程師需要參照標準給定能量的Si中射程，在試驗前充分評估并保證粒子能夠到達敏感區的方法。
為了實(shí)現這個(gè)目標，工程師可以通過(guò)機械或化學(xué)開(kāi)封的方式將裸芯片暴露出來(lái)。對于倒裝器件，應采用機械研磨或切削進(jìn)行襯底減薄。如果使用環(huán)形加速器進(jìn)行試驗，應盡可能保證器件襯底低于100μm。無(wú)論是通過(guò)機械開(kāi)封還是襯底減薄的方式，我們都應確保器件能夠保持正常的加電和工作狀態(tài)。
對于功率器件，如果正面金屬層較厚，工程師應采用背面襯底減薄的方式進(jìn)行評估和考核試驗。這樣可以確保試驗的準確性和可靠性，同時(shí)也能有效地保護器件不受損傷。總的來(lái)說(shuō)，對受試器件的處置是一個(gè)需要綜合考慮多種因素的過(guò)程，旨在保證試驗的成功進(jìn)行和結果的準確性。
對測試系統的要求參考GB/T 39343-2020《宇航用處理器器件單粒子試驗設計與程序》，進(jìn)行單粒子試驗的電路板及測試系統應考慮如下：
1、能夠承載待測器件，可采用焊接，也可采用Socket裝夾；
2、能夠施加供電電壓，并可根據需要改變電壓；
3、能夠對器件進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，能夠抓取讀寫(xiě)單元的地址信息，包括物理地址；
4、上位機軟件能夠記錄讀操作的數據，并可與預期值比較，并根據錯誤的物理地址信息區分SEU和MBU；
5、控制回路和待測器件承載板盡量采取字母板的方式，以避免輻射粒子對控制回路器件影響，導致試驗噪聲；
6、線(xiàn)纜進(jìn)行必要屏蔽，避免電噪聲；
7、ECC糾錯盡量關(guān)閉，否則單位翻轉監測不到，只能監測多位翻轉；
8、軟錯誤可能對供電電壓十分敏感，盡量將可能的供電狀態(tài)都進(jìn)行獨立的試驗，這是因為很多用戶(hù)十分關(guān)注軟錯誤率與供電狀態(tài)之間的關(guān)系。
9、減少死時(shí)間：讀與寫(xiě)間隔內，發(fā)生錯誤是無(wú)法被監控到，會(huì )導致錯誤率的低估；
10、re-rewritten的向量寫(xiě)補碼；
11、禁止整體寫(xiě)、整體讀，如此會(huì )使死時(shí)間增加50%，錯誤率低估一倍；
12、 建議即時(shí)讀寫(xiě)，即一個(gè)地址進(jìn)行兩個(gè)訪(fǎng)問(wèn)循環(huán)，其中一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)位讀訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)比較錯誤和記錄錯誤，另一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)循環(huán)寫(xiě)入補碼；
13、 要進(jìn)行地址碼和存儲數據一一核實(shí)，會(huì )存在地址譯碼電路翻轉造成的錯誤寫(xiě)入。
廣電計量半導體服務(wù)優(yōu)勢● 牽頭工信部“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺建設項目" ，參與工信部“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng )新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺"等多個(gè)項目；
●牽頭建設江蘇省發(fā)改委“江蘇省第三代半導體器件性能測試與材料分析工程研究中心"
● 在集成電路及SiC領(lǐng)域是技術(shù)能力全面、認可度高的第三方檢測機構之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個(gè)型號的芯片驗證；并支持完成多款型號芯片的工程化和量產(chǎn)。
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