高溫環境下SRAM 器件單粒子鎖定效應試驗研究

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

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

為了能夠結合器件在軌應用的實際工作環境，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，結構如圖1所示。

圖1 體硅工藝SRAM 器件功能結構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）輻照試驗發現，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測，溫度控制器通過PID控制調整MCH的輸出功率，最終使器件溫度監測值和設定值一致。器件加熱結構如圖2所示。

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

2 試驗結果

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，環境溫度為125℃時，器件單粒子鎖定截面增加1個數量級；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，器件發生單粒子鎖定的概率較低工作電壓下更大，且在不同環境溫度下均表現出該特性。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，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。可以看出：隨溫度升高，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寄生結構框圖及其等效電路如圖7所示。由于CMOS器件的工藝特點，使互補結構中產生寄生雙極晶體管。當入射粒子在敏感區（如T1基極）產生瞬態電流導致T1導通時，集電極電流增加使在RN上產生足夠壓降，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，即發生單粒子鎖定。

圖7 CMOS寄生結構框圖及其等效電路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

結合式(1)與式(2)，得到 ，即硅半導體的電阻隨溫度升高呈指數增加。在離子入射產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，產生的壓降增大，使寄生晶體管更容易導通，進而觸發鎖定，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生，與試驗結果一致。

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，分別為凍結區、非本征區和本征區，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 以下為凍結區，沒有足夠的熱量使雜質原子完全電離，150～550 K 范圍內有足夠的熱量使雜質電離。在凍結區，寄生PNPN 結構處于高阻關閉狀態，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增加，使寄生結構變為低阻開啟狀態，因此低溫條件下也會發生鎖定效應。

為分析器件發生鎖定現象時電學性能的溫度變化規律，對其表征參數進行研究。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。CMOS結構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時出現最大值。在室溫以上的溫度范圍內，遷移率呈線性減小規律，因此其觸發鎖定效應的維持電流、維持電壓也隨溫度升高而減小，即表現出隨溫度升高，器件單粒子鎖定效應敏感性增加的現象。而在低溫端，隨溫度的升高，電子遷移率增加，因此其觸發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，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境下發現單粒子鎖定效應[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據，結果顯示：隨著器件環境溫度升高，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個數量級；器件工作電壓升高，發生單粒子鎖定的概率增大，且在不同環境溫度下規律一致；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。可見，高溫、高電壓下器件具有更高的單粒子鎖定敏感性。而相關研究表明，在低溫環境中器件同樣可能觸發單粒子鎖定。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進行環境影響分析。