李曉亮，梅 博，李鵬偉，孫 毅，呂 賀，莫日根，于慶奎，張洪偉

（中國航天宇航元器件工程中心，北京100094）

0 引言

執(zhí)行深空探測任務的航天器面臨嚴酷的空間環(huán)境，包括高低溫交變、高能帶電粒子輻射、高真空、微重力，還有與星體相關(guān)的塵暴等環(huán)境[1]。對于作為電子系統(tǒng)主要部件的CMOS 集成電路來說，高能帶電粒子入射至器件敏感區(qū)時可能觸發(fā)寄生晶體管導通而引發(fā)單粒子鎖定效應，因此抗單粒子鎖定能力是其空間應用中最受關(guān)注的性能指標之一。器件一旦發(fā)生單粒子鎖定效應，可能導致功能喪失，并伴有遠大于工作狀態(tài)的大電流產(chǎn)生，對電子系統(tǒng)造成嚴重威脅。而單粒子鎖定效應的發(fā)生不僅與入射粒子相關(guān)，與器件的工作電壓、環(huán)境溫度也均有密切關(guān)系[2-5]。

為了能夠結(jié)合器件在軌應用的實際工作環(huán)境，有效評估器件單粒子鎖定的敏感程度，以保證其宇航應用的安全性，本文針對SRAM器件開展電、熱條件綜合作用下的單粒子鎖定效應研究。

1 試驗方案

1.1 試驗樣品

本研究以體硅工藝的SRAM器件作為研究對象。該器件為非抗輻射加固產(chǎn)品，工作溫度范圍-55～125℃，存儲器在版圖上主要由4個存儲體、I/O和電源端口、時序控制模塊、譯碼組合邏輯電路組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 體硅工藝SRAM 器件功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Functional structure of SRAM device fabricated by bulk silicon process

1.2 輻照裝置

利用中國原子能科學研究院HI-13串列加速器開展不同電、熱條件下的單粒子鎖定效應試驗，經(jīng)Kr 離子（LET 值為37.8 MeV·cm2/mg）、Cl 離子（LET 值為13.1 MeV·cm2/mg）輻照試驗發(fā)現(xiàn)，常溫下體硅工藝SRAM器件對單粒子鎖定效應十分敏感，截面約為10-3/cm2。為有效開展高溫環(huán)境輻照試驗研究，選用更低LET 值的C、F離子，具體信息見表1。

表1 單粒子鎖定試驗所用離子信息Table 1 Properties of ions for the single event latch-up test

1.3 溫控設(shè)置

采用陶瓷加熱片（MCH）在器件背面加熱，用Pt100溫度傳感器進行溫度監(jiān)測，溫度控制器通過PID控制調(diào)整MCH的輸出功率，最終使器件溫度監(jiān)測值和設(shè)定值一致。器件加熱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 器件加熱示意Fig.2 Schematic diagram of device heating

2 試驗結(jié)果

利用C離子（LET=1.7 MeV·cm2/mg）在VH=3.3 V和VL=2.8 V 兩種工作電壓下分別對體硅工藝SRAM進行不同環(huán)境溫度的單粒子輻照試驗，器件單粒子鎖定截面隨溫度的變化如圖3所示。

圖3 不同工作電壓下單粒子鎖定截面隨溫度的變化（C 離子）Fig.3 Cross section of single event latch-up vs.temperature at different operating voltages(Cion)

從圖3可以看出：隨著環(huán)境溫度的升高，器件單粒子鎖定敏感性明顯增加——相比室溫條件，環(huán)境溫度為125℃時，器件單粒子鎖定截面增加1個數(shù)量級；隨著溫度升高，高工作電壓下單粒子鎖定截面相比低工作電壓下增加更為顯著，即同一溫度下工作電壓較高時，器件發(fā)生單粒子鎖定的概率較低工作電壓下更大，且在不同環(huán)境溫度下均表現(xiàn)出該特性。由此表明熱、電應力綜合作用下，器件單粒子鎖定敏感性增加。

在不同環(huán)境溫度下，器件單粒子鎖定截面隨入射離子LET 值的變化如圖4所示：隨著LET 值的增加，器件單粒子鎖定截面增加。不同離子輻照時，器件單粒子鎖定截面隨溫度的變化如圖5所示：溫度增加，器件單粒子鎖定敏感性均增加，與離子種類無關(guān)，且鎖定截面呈飽和趨勢。

圖4 不同溫度下單粒子鎖定截面隨LET值的變化Fig.4 Cross section of single event latchup against LET value at different tempeartures

圖5 不同離子輻照時單粒子鎖定截面隨溫度的變化Fig.5 Cross section of single event latchup against temperaturefor different ions

器件在C、F離子輻照下的單粒子鎖定截面差值隨溫度的變化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯弘S溫度升高，器件單粒子鎖定截面差值增加，截面差值的增量隨溫度的升高呈飽和趨勢。

圖6 單粒子鎖定截面差值隨溫度的變化Fig.6 The curve of single event latchup cross section differenceagainst temperature

3 分析與討論

3.1 單粒子鎖定效應機理

CMOS寄生結(jié)構(gòu)框圖及其等效電路如圖7所示。由于CMOS器件的工藝特點，使互補結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生寄生雙極晶體管。當入射粒子在敏感區(qū)（如T1基極）產(chǎn)生瞬態(tài)電流導致T1導通時，集電極電流增加使在RN上產(chǎn)生足夠壓降，則T2導通；T2集電極電流增加進一步促使T1工作電流增加，形成正反饋，瞬態(tài)電流不斷被放大，直至飽和，使器件電源端和地之間形成低電阻通道，電路中電流瞬間增大，即發(fā)生單粒子鎖定。

圖7 CMOS寄生結(jié)構(gòu)框圖及其等效電路Fig.7 Block diagram and equivalent circuit diagram of CMOS parasitic structure

3.2 溫度和工作電壓對單粒子鎖定的影響分析

在半導體器件中，電阻率可用載流子濃度和遷移率表征，其中：載流子濃度為

式中：n和p分別為電子和空穴的濃度；q為單位電量；μn和μp分別為電子和空穴的遷移率。

載流子遷移率為

ρ ∝T3/2

結(jié)合式(1)與式(2)，得到 ，即硅半導體的電阻隨溫度升高呈指數(shù)增加。在離子入射產(chǎn)生相同電荷沉積量的情況下，襯底中電阻隨溫度升高而增加，產(chǎn)生的壓降增大，使寄生晶體管更容易導通，進而觸發(fā)鎖定，增加器件的單粒子鎖定敏感性[6]。

圖8[7]給出了器件在重離子入射下源極收集電流隨溫度變化的仿真結(jié)果。隨著溫度升高，本征載流子濃度迅速增加，電流密度隨之增大，收集電流不斷增加并趨于飽和。此外，隨工作電壓增加，器件中電場強度增大，源極對體電流的收集能力增強，相比VL的情況，當電壓向上拉偏時，收集電流增大，促使單粒子鎖定效應發(fā)生，與試驗結(jié)果一致。

圖8 源極最大收集電流隨溫度變化情況[7]Fig.8 The maximum collection current of source against temperature[7]

為進一步研究溫度對單粒子鎖定效應的影響，進行了全溫度范圍分析。在硅器件中，熱能對于激發(fā)施主、受主電離具有顯著影響，進而影響載流子濃度，可以將載流子濃度隨溫度變化曲線劃分成3個不同階段，分別為凍結(jié)區(qū)、非本征區(qū)和本征區(qū)，如圖9所示[8]。

圖9 電子濃度隨溫度變化Fig.9 Electron concentration at low, moderate,and high temperatures

150 K 以下為凍結(jié)區(qū)，沒有足夠的熱量使雜質(zhì)原子完全電離，150～550 K 范圍內(nèi)有足夠的熱量使雜質(zhì)電離。在凍結(jié)區(qū)，寄生PNPN 結(jié)構(gòu)處于高阻關(guān)閉狀態(tài)，但在具有外部電場的情況下，一旦達到淺層碰撞電離（SLII）閾值，載流子濃度則呈指數(shù)增加，使寄生結(jié)構(gòu)變?yōu)榈妥栝_啟狀態(tài)，因此低溫條件下也會發(fā)生鎖定效應。

為分析器件發(fā)生鎖定現(xiàn)象時電學性能的溫度變化規(guī)律，對其表征參數(shù)進行研究。電流密度與電導率成正比，而電導率與離子濃度和電子遷移率相關(guān)。CMOS結(jié)構(gòu)中電子遷移率隨溫度的變化如圖10所示：隨溫度升高，遷移率先增加后減小，在150 K時出現(xiàn)最大值。在室溫以上的溫度范圍內(nèi)，遷移率呈線性減小規(guī)律，因此其觸發(fā)鎖定效應的維持電流、維持電壓也隨溫度升高而減小，即表現(xiàn)出隨溫度升高，器件單粒子鎖定效應敏感性增加的現(xiàn)象。而在低溫端，隨溫度的升高，電子遷移率增加，因此其觸發(fā)鎖定效應的維持電流、維持電壓也隨溫度升高而增大，即在150 K 以下的溫度范圍內(nèi)，隨溫度降低，器件單粒子鎖定敏感性呈增加趨勢，如圖11所示，已有文獻報道在低溫環(huán)境下發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定效應[4]。

圖10 不同深度電子遷移率隨溫度變化Fig.10 The electron mobility at different depths with the increase of temperature

圖11 鎖定維持電流和電壓隨溫度的變化Fig.11 Holding current and voltage against the temperature

4 結(jié)束語

通過對體硅SRAM器件開展電、熱應力綜合作用下的單粒子輻照試驗，獲取了不同帶電離子輻照下的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：隨著器件環(huán)境溫度升高，單粒子鎖定敏感性增加，相比常溫條件下，125℃時的器件單粒子鎖定截面增加1個數(shù)量級；器件工作電壓升高，發(fā)生單粒子鎖定的概率增大，且在不同環(huán)境溫度下規(guī)律一致；不同離子輻照下，器件單粒子鎖定截面隨溫度升高均呈增加趨勢，鎖定截面差值亦隨之增加并趨于飽和?？梢?，高溫、高電壓下器件具有更高的單粒子鎖定敏感性。而相關(guān)研究表明，在低溫環(huán)境中器件同樣可能觸發(fā)單粒子鎖定。因此，對于深空探測應用器件，其單粒子鎖定能力評估有必要在更寬溫度范圍內(nèi)進行環(huán)境影響分析。