高温环境下SRAM 器件单粒子锁定效应试验研究

李晓亮，梅 博，李鹏伟，孙 毅，吕 贺，莫日根，于庆奎，张洪伟

（中国航天宇航元器件工程中心，北京100094）

0 引言

执行深空探测任务的航天器面临严酷的空间环境，包括高低温交变、高能带电粒子辐射、高真空、微重力，还有与星体相关的尘暴等环境[1]。对于作为电子系统主要部件的CMOS 集成电路来说，高能带电粒子入射至器件敏感区时可能触发寄生晶体管导通而引发单粒子锁定效应，因此抗单粒子锁定能力是其空间应用中最受关注的性能指标之一。器件一旦发生单粒子锁定效应，可能导致功能丧失，并伴有远大于工作状态的大电流产生，对电子系统造成严重威胁。而单粒子锁定效应的发生不仅与入射粒子相关，与器件的工作电压、环境温度也均有密切关系[2-5]。

为了能够结合器件在轨应用的实际工作环境，有效评估器件单粒子锁定的敏感程度，以保证其宇航应用的安全性，本文针对SRAM器件开展电、热条件综合作用下的单粒子锁定效应研究。

1 试验方案

1.1 试验样品

本研究以体硅工艺的SRAM器件作为研究对象。该器件为非抗辐射加固产品，工作温度范围-55～125℃，存储器在版图上主要由4个存储体、I/O和电源端口、时序控制模块、译码组合逻辑电路组成，结构如图1所示。

图1 体硅工艺SRAM 器件功能结构Fig.1 Functional structure of SRAM device fabricated by bulk silicon process

1.2 辐照装置

利用中国原子能科学研究院HI-13串列加速器开展不同电、热条件下的单粒子锁定效应试验，经Kr 离子（LET 值为37.8 MeV·cm2/mg）、Cl 离子（LET 值为13.1 MeV·cm2/mg）辐照试验发现，常温下体硅工艺SRAM器件对单粒子锁定效应十分敏感，截面约为10-3/cm2。为有效开展高温环境辐照试验研究，选用更低LET 值的C、F离子，具体信息见表1。

表1 单粒子锁定试验所用离子信息Table 1 Properties of ions for the single event latch-up test

1.3 温控设置

采用陶瓷加热片（MCH）在器件背面加热，用Pt100温度传感器进行温度监测，温度控制器通过PID控制调整MCH的输出功率，最终使器件温度监测值和设定值一致。器件加热结构如图2所示。

图2 器件加热示意Fig.2 Schematic diagram of device heating

2 试验结果

利用C离子（LET=1.7 MeV·cm2/mg）在VH=3.3 V和VL=2.8 V 两种工作电压下分别对体硅工艺SRAM进行不同环境温度的单粒子辐照试验，器件单粒子锁定截面随温度的变化如图3所示。

图3 不同工作电压下单粒子锁定截面随温度的变化（C 离子）Fig.3 Cross section of single event latch-up vs.temperature at different operating voltages(Cion)

从图3可以看出：随着环境温度的升高，器件单粒子锁定敏感性明显增加——相比室温条件，环境温度为125℃时，器件单粒子锁定截面增加1个数量级；随着温度升高，高工作电压下单粒子锁定截面相比低工作电压下增加更为显著，即同一温度下工作电压较高时，器件发生单粒子锁定的概率较低工作电压下更大，且在不同环境温度下均表现出该特性。由此表明热、电应力综合作用下，器件单粒子锁定敏感性增加。

在不同环境温度下，器件单粒子锁定截面随入射离子LET 值的变化如图4所示：随着LET 值的增加，器件单粒子锁定截面增加。不同离子辐照时，器件单粒子锁定截面随温度的变化如图5所示：温度增加，器件单粒子锁定敏感性均增加，与离子种类无关，且锁定截面呈饱和趋势。

图4 不同温度下单粒子锁定截面随LET值的变化Fig.4 Cross section of single event latchup against LET value at different tempeartures

图5 不同离子辐照时单粒子锁定截面随温度的变化Fig.5 Cross section of single event latchup against temperaturefor different ions

器件在C、F离子辐照下的单粒子锁定截面差值随温度的变化曲线如图6所示。可以看出：随温度升高，器件单粒子锁定截面差值增加，截面差值的增量随温度的升高呈饱和趋势。

图6 单粒子锁定截面差值随温度的变化Fig.6 The curve of single event latchup cross section differenceagainst temperature

3 分析与讨论

3.1 单粒子锁定效应机理

CMOS寄生结构框图及其等效电路如图7所示。由于CMOS器件的工艺特点，使互补结构中产生寄生双极晶体管。当入射粒子在敏感区（如T1基极）产生瞬态电流导致T1导通时，集电极电流增加使在RN上产生足够压降，则T2导通；T2集电极电流增加进一步促使T1工作电流增加，形成正反馈，瞬态电流不断被放大，直至饱和，使器件电源端和地之间形成低电阻通道，电路中电流瞬间增大，即发生单粒子锁定。

图7 CMOS寄生结构框图及其等效电路Fig.7 Block diagram and equivalent circuit diagram of CMOS parasitic structure

3.2 温度和工作电压对单粒子锁定的影响分析

在半导体器件中，电阻率可用载流子浓度和迁移率表征，其中：载流子浓度为

式中：n和p分别为电子和空穴的浓度；q为单位电量；μn和μp分别为电子和空穴的迁移率。

载流子迁移率为

ρ ∝T3/2

结合式(1)与式(2)，得到 ，即硅半导体的电阻随温度升高呈指数增加。在离子入射产生相同电荷沉积量的情况下，衬底中电阻随温度升高而增加，产生的压降增大，使寄生晶体管更容易导通，进而触发锁定，增加器件的单粒子锁定敏感性[6]。

图8[7]给出了器件在重离子入射下源极收集电流随温度变化的仿真结果。随着温度升高，本征载流子浓度迅速增加，电流密度随之增大，收集电流不断增加并趋于饱和。此外，随工作电压增加，器件中电场强度增大，源极对体电流的收集能力增强，相比VL的情况，当电压向上拉偏时，收集电流增大，促使单粒子锁定效应发生，与试验结果一致。

图8 源极最大收集电流随温度变化情况[7]Fig.8 The maximum collection current of source against temperature[7]

为进一步研究温度对单粒子锁定效应的影响，进行了全温度范围分析。在硅器件中，热能对于激发施主、受主电离具有显著影响，进而影响载流子浓度，可以将载流子浓度随温度变化曲线划分成3个不同阶段，分别为冻结区、非本征区和本征区，如图9所示[8]。

图9 电子浓度随温度变化Fig.9 Electron concentration at low, moderate,and high temperatures

150 K 以下为冻结区，没有足够的热量使杂质原子完全电离，150～550 K 范围内有足够的热量使杂质电离。在冻结区，寄生PNPN 结构处于高阻关闭状态，但在具有外部电场的情况下，一旦达到浅层碰撞电离（SLII）阈值，载流子浓度则呈指数增加，使寄生结构变为低阻开启状态，因此低温条件下也会发生锁定效应。

为分析器件发生锁定现象时电学性能的温度变化规律，对其表征参数进行研究。电流密度与电导率成正比，而电导率与离子浓度和电子迁移率相关。CMOS结构中电子迁移率随温度的变化如图10所示：随温度升高，迁移率先增加后减小，在150 K时出现最大值。在室温以上的温度范围内，迁移率呈线性减小规律，因此其触发锁定效应的维持电流、维持电压也随温度升高而减小，即表现出随温度升高，器件单粒子锁定效应敏感性增加的现象。而在低温端，随温度的升高，电子迁移率增加，因此其触发锁定效应的维持电流、维持电压也随温度升高而增大，即在150 K 以下的温度范围内，随温度降低，器件单粒子锁定敏感性呈增加趋势，如图11所示，已有文献报道在低温环境下发现单粒子锁定效应[4]。

图10 不同深度电子迁移率随温度变化Fig.10 The electron mobility at different depths with the increase of temperature

图11 锁定维持电流和电压随温度的变化Fig.11 Holding current and voltage against the temperature

4 结束语

通过对体硅SRAM器件开展电、热应力综合作用下的单粒子辐照试验，获取了不同带电离子辐照下的试验数据，结果显示：随着器件环境温度升高，单粒子锁定敏感性增加，相比常温条件下，125℃时的器件单粒子锁定截面增加1个数量级；器件工作电压升高，发生单粒子锁定的概率增大，且在不同环境温度下规律一致；不同离子辐照下，器件单粒子锁定截面随温度升高均呈增加趋势，锁定截面差值亦随之增加并趋于饱和。可见，高温、高电压下器件具有更高的单粒子锁定敏感性。而相关研究表明，在低温环境中器件同样可能触发单粒子锁定。因此，对于深空探测应用器件，其单粒子锁定能力评估有必要在更宽温度范围内进行环境影响分析。