利用脉冲激光的SoC芯片单粒子效应试验(

利用脉冲激光的SoC芯片单粒子效应试验(胡春媚 1，陈书明 1, 2，吴振宇1，宋睿强 1，池雅庆1(1.国防科学技术大学 计算机学院，湖南 长沙 410073；2.国防科学技术大学 并行与分布处理重点试验室，湖南 长沙 410073 )摘要：为评估脉冲激光试验对研究片上系统芯片(System on Chip, SoC)单粒子效应的有效性，构建了一个65nm SoC芯片的脉冲激光试验系统并进行了试验。提出并采用坐标定位法、有源区聚焦法，和AZ补偿法等针对大规模 倒装焊集成电路的试验方法。对SoC芯片的片上存储器，寄存器文件，RapidlO, DICE触发器等部件进行了脉冲激 光试验和分析，结果表明片上存储器对脉冲激光最为敏感，部件的激光试验与相应的重离子试验现象吻合，证明利 用脉冲激光试验可有效研究纳米工艺下大规模集成电路的单粒子效应。关键词：脉冲激光；单粒子效应；聚焦平面；单粒子翻转；单粒子功能中断中图分类号：TL99文献标志码：A文章编号：Single event effect experiment on SoC using pulsed laserHu Chunmei1, Chen Shuming1,2 , Wu Zhenyu1, Song Riuqiang1, Chi Yaqing1(1. College of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China；2. Science and Technology on Parallel and Distributed Processing Laboratory， National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)Abstract: In order to evaluate the effectiveness of pulse laser experiment aiming at the single event effect of SoC, a experiment system is established based on a 65nm SoC. The methods of coordinate setting, focusing on source and compensation about AZ on flip chip integrated circuit are proposed and employed. Pulsed laser tests are carried on SRAM, register file, RapidIO and Dice flip-flop. The results indicate that SRAM is the most sensitive area and the results on these modules are consistent with the corresponding results under heavy-ion experiment. Therefore the pulse laser is suitable for single event effect research on large-scale integrated circuit designed with nano technology.Keywords:pulse laser; single event effect; focusing plane; single event upset; single event function interrupt空间环境中的电子系统存在多种辐照效 应，其中以总剂量效应 (Total Ionization Dose, TID)和单粒子效应(Single Event Effect, SEE)最 为重要1,2。随着工艺尺寸的缩减，由于栅氧厚 度的减小，总剂量对集成电路的影响已经减弱 甚至可以忽略，这使得单粒子效应越来越成为 关注的重点3。因此，单粒子效应的试验评估 方法也越来越受到重视。一般，地面重离子试验模拟空间辐射是学 术界公认的方式，但存在试验资源较少，时间 花费较大，机时少，束流控制难等缺点。与重 离子相比，脉冲激光虽然在产生电子空穴对的 机理与重离子不同(前者为光致电离，后者为 直接电离)，但是电离径迹中电荷与pn结的相 互作用过程类似。J.S.Melinger等人进行了激光 模拟单粒子效应的机理研究和试验，研究了激 光在微电子器件和电路中的电离电荷收集机理 及单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)特征测 试方法4,5，认为激光可作为一种比重离子加速 器更实用的评估手段6,7。同时 D.McMorrow 等 人研究了脉冲激光能量等效重离子 LET 的基 本换算关系8,9。脉冲激光具有穿透深度深、脉冲连续可调、 三维方向可定位和扫描、无放射性、无须抽真 空、操作便捷等诸多优点。美国 Boeing、NRL， 法国EDAS、英国MBDA等机构已经建立了脉收稿日期：2015-XX-XX基金项目：国家自然科学基金项目资助项目( 61434007， 61376109， 61504169)作者简介：胡春媚(1975)，女，江苏沐阳人，副研究员，硕士生导师，E-mail： chmhu001冲激光单粒子效应实验装置，开展了系列的研 究10,11。国内中科院空间科学与应用研究中心， 兰州物理研究所，广州赛宝实验室，国防科学 技术大学等单位均建立了脉冲激光试验装置， 对试验方法进行了探索，并开展了对大工艺尺 寸静态存储器，光电耦合器件，运算放大器等 器件的脉冲激光研究12,13。目前，脉冲激光试验对象以中小规模电路 居多，大规模片上系统芯片的脉冲激光试验鲜 有报道，该类试验有如下新特点：1) 零点定位 困难。倒装焊形式导致无法结合版图和金属层 的形状来定位零点；2) 有源区聚焦不准。折射 系数计算法和二次光斑法 14 聚焦不够准确； 3) 被测芯片与微动平台之间的倾角使实验的 准确性将低。本文对大规模SoC芯片的脉冲激 光试验方法做了有益的探索，并结合这些方法 对自主设计的一款大规模65nm SoC芯片的多 个部件开展了脉冲激光试验。single event effect study该脉冲激光系统的主要性能指标是：激光 波长1064 nm,脉冲宽度25ps，光斑直径25 ym,脉冲重复频率11 kHz,最小扫描步距 0.1 ym,最大能量0.4mJ,能量误差土5%。1.2 SoC芯片及其调试系统介绍本文的 SoC 芯片为一款自主实现的 65nm 工艺多核数字信号处理器芯片，其组成示意图 见图2,由4个DSP核和1个RISC核构成，多核之间拥有3MB的片上共享存储器(Shared SRAM),便于核间数据共享。该SoC拥有丰富的外围设备，管芯面积达到10.3mmX9.0mm。PLLRISCcoreDSP1Shared SRAMDSP4DSP2DSP3:LU : L2.J:.CPUSwitch Bus1 试验的建立中断控制定时GPIOrapidIOI2C存储 器接 -口-1串行 通信 接口1.1 脉冲激光单粒子效应试验系统介绍图 2 SoC 芯片组成示意图图 1 脉冲激光单粒子效应试验系统组成示意图Fig.1 Schematic diagram of the pulsed laser facility for脉冲激光单粒子效应试验系统示意图参见 图 1，由脉冲激光源、光学系统、微动平台、 被测器件调测系统组成。激光源产生单一波长 的脉冲激光。光学系统由一系列光学镜片和 CCD 摄像头组成。含待测芯片的测试板(Design under Test，DUT)安装在微动平台上， 微动平台实现三维移动，实现对芯片上特定区 域的扫描。被测器件调测系统由DUT，仿真器 和调试开发软件构成。计算机用于对被测器件 调测试的实时监控，同时是摄像头的监视器并 实现对微动平台的控制。Fig.2 Schematic diagram of the SoC该SoC芯片拥有配套的硬件仿真器和集成 调试开发软件。本文进行的试验,均通过集成 调试开发软件加载程序,控制芯片的运行和停 止,实时获得片内各种可见资源和各部件的运 行状态等信息,作为试验结果的判断依据。2 大规模电路激光试验方法2.1 一般性准备本SoC芯片为倒装焊BGA塑封形式，金 属层数量为10,确定采用背部辐照方法。实验 前的预处理包含封装处理和内部处理两部分。封装处理包括移除表面金属盖板和去除封 胶，在这两个过程中，均需保证芯片电学性能 正常、管脚不受到损伤。内部处理一般指硅衬 底的减薄，图 315显示 1064nm 激光在硅的穿 透深度约1000 um。经高度尺测量，本器件衬 底厚度约为700 um左右，因此无需进行减薄 操作。图3 激光在硅中的穿透深度15Fig 3 1/e penetration depth in Si vs wavelength152.2倒装焊SoC芯片的坐标定位脉冲激光可以进行定点和扫描试验，零点 的选取对被辐照部位定位的准确性有着直接的 影响。实施正面辐照时，容易使用顶层金属或者 管芯焊盘作为移动平台的零点。对于倒装焊芯 片，所有的金属层在显微镜下不可见，也没有 裸露的管芯焊盘，因此需要采取其它定位途径。 在纳米工艺下，使用管芯的四个直角顶点作为 零点的做法缺乏足够的准确性。 wafer 上划片 槽具有一定的宽度，受划片槽和封装基板上覆 盖的绝缘浸渍漆（防焊漆）的影响，管芯顶点 在微米级的显微镜视野下不够清晰。本试验选 取封装基板的焊盘作为零点（封装基板的尺寸 可从管壳生产方获取），采用基板上管芯bump 点和焊盘相结合的定位方法，结合物理布局尺 寸精确定位。RapidlO bumpSignal bump 辅助零 OOOOOOOOOOOO ooooooooooooo OOOOOOOOOOOOO ooooooooooooooooooooooooooOOOOOOOOOOOOOOoooooOoooooo ooooooooooooo ooooooooooooo ooooooooooooo OOOOOOOOOOOOOBump 直径 90umA y=3850umy焊250um x管壳基板图 4 封装基板的 bump 和焊盘示意图（局部）Fig.4 Schematic diagram of bump and pad on packagesubstrate （part）该款SoC管芯约有800个bump点，bump 点的直径为90umo从图4可见，RapidlO （为 IP 硬核）与普通信号的 bump 的排列方式有明 显的不同，其边界处很适合辅助零点的定位。 本文选取基板上某焊盘的上顶点为零点（基板 上的焊盘具有清晰的边界），选取 signal bump 区的右上角作为辅助零点。测得A y=3850卩m, A x=250 U m，因此 x = x+Ax, y = y+ A y, 其中x和y在版图中直接测量。2.3基于Z轴调整的有源区聚焦目前，将激光聚焦到有源区的方法有两种。 第一种方法如图5 所示，先将激光聚焦到衬底 表面，然后通过公式（1） 估算微动平台上调的 尺寸，即聚焦深度。公式中tsub是衬底的厚度， nsi为折射系数（1064nm激光在硅中的折射系 数为3.56）o这种方法必须要准确测量硅衬底厚 度；第二种方法是二次光斑法14，激光聚焦到 有源区之后，部分激光会被金属层反射回芯片 背面从而形成二次光斑，通过观察二次光斑判 断芯片是否聚焦到有源区。实际操作时，二次 光斑往往过于微弱，甚至观察不到，因此这种 方法局限性也较大。图 5 背部辐照的一般聚焦方法Fig 5 Focusing method on backside laserirradiation基于Z轴调整的有源区聚焦方法，通过调 节Z轴深度探测灵敏区的纵向分布特征，从而 确定有源区焦平面位置，不需要测定硅衬底的 厚度。试验中的探测区域一般选择具有显著单 粒子效应的区域，本试验将片上shared SRAM 阵列作为灵敏探测区。选择适当的激光能量， 对不同的Z轴深度进行扫描辐照，统计SRAM 阵列中SEU的产生速率，当SEU的产生速率 最大时，表明激光聚焦到有源区。试验在8.3nJ能量下测得不同Z轴深度的 SEU产生速率如图6所示。当Z轴深度为160 Um时，SRAM的SEU产生速率最大。按照公 式（1）计算，该值为700/3.56=196.6 um，但在 该深度下并没有出现SEU错误。因此，160 um被确定为聚焦深度A Z。co215D QOO实验中，使用6.5nJ、9.5nJ和11.8nJ的能 量对片上 SRAM 和 CPU 内部的寄存器文件 (Register File，RF)进行扫描测试。测得SRAM在三种能量下的翻转截面如 图8 (a)所示，可见脉冲激光能量越大，对应的 翻转截面越大。此外，在三种激光能量下， SRAM均出现了多位翻转(MCU)，通过对出 错地址版图的分析，MCU分布的示意如图8 (b)o Bit cell在物理位置上左右相邻排列(对于 8位交织的存储体，地址相差0x20),上下相邻 行排列的单元(地址相差0x100)同时出现在 激光光斑的直径范围内，因此容易同时翻转。(2)PulieEJI1o图6不同深度下SRAM中SEU的产生速率Fig 6 SEU generation rate in SRAM with delataZ2.4扫描中的AZ补偿在试验中，受DUT板设计和手工操作误 差的影响，硅衬底可能与微动平台产生一个倾 斜角e,如图7 (a)所示。对于一个5的倾斜 角，若微动平台在XY平面内移动10mm,则 扫描结束时Z坐标将偏离40卩m,此时激光聚 焦点已不在有源区，从而产生较大误差。(a) DUT倾斜示意图(b)芯片俯视图及坐标(a) Schematic diagram of sloping DUT(b) Vertical view and coordinate of chip图 7 DUT 板与微动平台之间的倾角Fig 7 slope between DUT and XYZ stage芯片的俯视图如图7 (b)所示。确定芯片零 点坐标点 1 和点 2 坐标。假设衬底表面为一理 想平面，利用点和面的关系原理得到公式(2)， 可确定芯片内部任意一点的Z轴补偿量AZo A Z 补偿的具体实施与微动平台的扫描设置结 合进行。y z -y z x z -xz z = -1x + yxy -x y x y -xy1 2 2 1 2 1 1 23 试验现象和讨论3.1 SRAM 和 RF(a) SEU 翻转截面(a) SEU Cross-sectionaddr:0x100addr:0x2000x20(b) MCU 的分布示意(b) Distribution map of MCU图8片上SRAM的脉冲激光试验结果Fig 8 Pulsed laser test results of SRAM on chip 在三种激光能量下，寄存器文件均未出现 翻转，说明寄存器文件的单粒子敏感性比 SRAM低，经分析，在寄存器文件的每位中， 存储节点的面积只占 4.2%，比起紧密排列的 SRAM存储节点阵列，发生SEU几率小的多。在 20.3nJ 能量下，扫描至寄存器文件边界 处时，观察到由于单粒子功能中断引起的调试 系统死机，需要被测芯片断电重启，这是由于 轰击到CPU的程序运行控制部分，导致程序计数值紊乱。在兰州中科院近物所回旋加速器的 Kr离子(LET值21.6 MeVcm2/mg)下也进行 了该项试验，考虑到重离子在硅中的射程较短， 将硅衬底减薄至80卩m,试验也表明SRAM单 粒子敏感性较低，并且出现了单粒子功能中断 现象。3.2 RapidIORapidIO部件在SoC中负责片内与片外的 数据传输，串行数据速率高达2.5Gbps。试验 中使用2个RapidIO的各自1个通路(Lane) 分别完成数据的发送和接收。单个RapidIO的 版图布局示意如图 9，其中协议层维护和 RapidIO协议相关的内容；物理子层包含发送 器TX、接收器RX和PLL等部分。Lane0 LanelLane2RXiTXiTiiRXIRii、XiTXiRX协议层Lane3物理子层图9 RapidIO版图布局示意图Fig 9 Schematic diagram of RapidIO layout 对RapidIO版图进行扫描，在激光能量为 15nJ 时，出现了接收端数据误码(软错误)。结合版图分析得知，激光作用的敏感点位于协 议层，与在兰州中科院近物所Kr离子下试验 时出现的误码现象相同。在激光能量为15.4nJ和30.6nJ时，仅对物 理子层进行扫描，没有发现接收端数据有误码， 但是通过调试系统观察到错误状态寄存器 PnEsCSR出现错误标识，并且完成一次“发送 -接收”的Timer计时值明显加长。这表明虽然 物理子层在激光辐照下出现了异常，但协议层 针对物理子层的校验错，超时错等错误启动了 RapidIO 重传机制，保证数据传输的正确。可 见，RapidIO协议的重传机制提高了物理子层 的抗单粒子翻转能力。3.3 DICE触发器触发器是数字电路中的基本单元， DICE 触发器是常用抗辐射加固方法。为评估 65nm 工艺下DICE触发器的加固效果，本文对65nm 工艺下的三类DICE触发器测试芯片进行了测 试。发器”抑制了 MOS 管双极放大效应，与“双 阱 DICE 触发器”相比翻转截面减小。采用敏 感节点对分离方法的加固双阱DICE触发器” 增大了敏感晶体管对版图间距，消弱了它们之 间的电荷共享，从而阻止敏感晶体管同时收集 电荷而产生翻转，因此能减小翻转截面，而且 试验表明“加固双阱DICE触发器”的抗单粒 子能力强于“三阱DICE触发器”，加固方法有 效。相同的三类触发器结构在重离子辐照下的 情况如图10 (b)所示。试验在北京原子能研究 院的串列加速器上进行，三种LET值由低到高 分别对应Cl离子、Ti离子和Ge离子。io110The DICE fllp-Oop In twlii-wel!The OlCiE flip-flop inTha hardcnod DICE flitp-flop in turin-wo-ll101520353035Pulhe laaer fnJ)(a)激光试验结果(a) Pulsed laser test results11T怖20,30let (hiflV-cm rmg)-4fl-宀匸q/ Luuj 匚 口 Ruolm40(b) 重离子试验结果(b) Ion test results激光试验结果如图10 (a), “三阱DICE触图 10 DICE 触发器的 SEU 翻转截面 Fig 10 SEU Cross-setion on DICE 脉冲激光试验与重离子试验结果相似，同 样反映了阱工艺和敏感节点间距变化对单粒子 敏感性的影响，但是激光试验的翻转截面绝对 值大于重离子试验，并且三种结构下的翻转截 面差值没有重离子试验下明显，其原因可以归 结为：1)本文没有研究激光能量值和重离子 LET值之间的等效拟合关系，因此激光选取能 量点和重离子下 LET 值没有对应的关系；2) 在重离子试验中，电荷共享的方式为单个粒子 周围的多个 cell 进行收集电荷，产生多个错误， 据文献16,17报道，该工艺下的电荷共享直径 为23个cell。在激光试验中，由于激光的光 斑约在5um左右，其作用范围可达89个cell, 多 cell 的翻转现象比单粒子下严重，因此翻转 截面差值没有重离子下明显，但这并不影响脉 冲激光对这三种结构SEU相对强弱的评估。4 结论本文使用脉冲激光对一款自主设计的 SoC 芯片进行了单粒子脉冲试验，并对试验方法进 行了有益的探索。试验表明，基板焊盘和芯片 bump 相结合的倒装焊芯片的坐标定位方法增 强了定位的准确性；基于Z轴调整的有源区聚 焦法，提高了有源区深度聚焦的准确性，避免参考文献(Refere nces)1 Dodd P E, Massengill L W. 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