典型國產(chǎn)雙極工藝宇航用穩(wěn)壓器單粒子閂鎖效應(yīng)研究

汪 波，羅宇華，劉偉鑫，孔澤斌，樓建設(shè)，彭克武，付曉君，韋錫峰

(1. 上海精密計(jì)量測試研究所，上海 201109; 2. 中國電子科技集團(tuán)有限公司第二十四研究所，重慶 400060；3. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

0 引 言

航天器在軌運(yùn)行會受到地球輻射帶、銀河宇宙射線、太陽耀斑等空間天然輻射環(huán)境的影響[1-2]。這些空間輻射環(huán)境中的帶電粒子，如質(zhì)子、電子、重離子等會對宇航用半導(dǎo)體器件造成單粒子效應(yīng)、電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)，嚴(yán)重威脅到航天器的長壽命和高可靠運(yùn)行，是航天器在軌發(fā)生故障的重要原因之一[3-4]。與電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)的長時(shí)間累積過程不同，單粒子效應(yīng)是指單個(gè)高能粒子穿過半導(dǎo)體器件敏感結(jié)點(diǎn)時(shí)，在其徑跡上電離出大量電子-空穴對，這些電子-空穴對在偏置電場的作用下被敏感節(jié)點(diǎn)收集形成脈沖信號，導(dǎo)致器件狀態(tài)發(fā)生非正常改變甚至永久損傷[5]，該輻射效應(yīng)屬于一種即時(shí)的反應(yīng)過程。隨著航天器用半導(dǎo)體器件集成度不斷提高,器件的特征尺寸越來越小、臨界電荷越來越少，單粒子效應(yīng)愈加嚴(yán)重，對航天器在軌可靠運(yùn)行的威脅也逐漸增大。為了解決宇航微電子的高可靠性問題，單粒子效應(yīng)受到了廣泛研究[6-9]。研究結(jié)果表明體硅CMOS結(jié)構(gòu)由于存在寄生的PNPN結(jié)構(gòu)，容易引發(fā)單粒子閂鎖效應(yīng)。在正常狀態(tài)下寄生PNPN結(jié)構(gòu)的等效晶體管處于高阻關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)高能粒子入射后將器件內(nèi)寄生的可控硅PNPN結(jié)構(gòu)觸發(fā)開啟，形成低電阻、大電流狀態(tài)。文獻(xiàn)[10-12]研究表明大部分雙極工藝器件由于沒有PNPN寄生結(jié)構(gòu)，不存在誘發(fā)單粒子閂鎖效應(yīng)物理結(jié)構(gòu)，一般僅對單粒子瞬態(tài)效應(yīng)敏感。關(guān)于雙極工藝器件受重離子輻照后誘發(fā)單粒子閂鎖效應(yīng)尚沒有文獻(xiàn)報(bào)道。

本文對某衛(wèi)星選用的國產(chǎn)雙極工藝降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行了不同LET值重離子輻照試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測器件輸出端波形變化幅度和器件管腳電流，定量評價(jià)了器件抗單粒子瞬態(tài)效應(yīng)和單粒子閂鎖效應(yīng)。結(jié)合重離子輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用脈沖激光試驗(yàn)獲得了器件內(nèi)部單粒子閂鎖敏感區(qū)域和結(jié)構(gòu)特征，深入探討了重離子輻照下國產(chǎn)雙極工藝結(jié)構(gòu)器件產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)的物理機(jī)制。

1 試驗(yàn)樣品及重離子試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)樣品為某衛(wèi)星選用的國產(chǎn)雙極工藝LT1936降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，采用高速線性雙極工藝制造，實(shí)際應(yīng)用時(shí)裸芯片焊裝在某衛(wèi)星天線有源控制器的電源降壓變換模塊中，實(shí)現(xiàn)將輸入的13 V電壓變換成-3.3 V電壓功能。

試驗(yàn)所用輻射源為中國原子能科學(xué)研究院的HI-13串列加速器的T4單粒子效應(yīng)試驗(yàn)終端。試驗(yàn)中選取了4種粒子進(jìn)行輻照試驗(yàn)，其種類、在硅中的LET值、在硅中的射程等信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用離子信息

1.2 單粒子效應(yīng)檢測系統(tǒng)

單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)如圖1所示，由輻照試驗(yàn)電路板、程控電源、電子負(fù)載、多用表、示波器、路由器、計(jì)算機(jī)和電纜等組成。LT1936降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器裸芯片安裝在有源控制器的電源降壓變換模塊中，試驗(yàn)過程中器件表面正對加速器的束流窗口。試驗(yàn)電路板通過電纜和串口連接線與程控電源、電子負(fù)載、示波器和主控制計(jì)算機(jī)相連。主控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對示波器的控制和數(shù)據(jù)采集。遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)通過30 m長網(wǎng)線以及路由器等與主控制計(jì)算機(jī)相連，試驗(yàn)人員通過在遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)上操作測試軟件實(shí)現(xiàn)對所有儀器設(shè)備的控制并實(shí)時(shí)獲取測試數(shù)據(jù)。

圖1 單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)框圖

試驗(yàn)過程中通過示波器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和存儲電源降壓變換模塊輸出電壓變化波形，結(jié)合單機(jī)實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，若輸出電壓波形變化幅度超過±10%并且持續(xù)時(shí)間大于1μs，則判定為一次單粒子瞬態(tài)效應(yīng)。試驗(yàn)過程中上位機(jī)軟件控制程控電源實(shí)現(xiàn)器件電源管腳電流在線監(jiān)測和存儲，若電流出現(xiàn)陡增，則通過觸發(fā)閾值限流斷電，從而保護(hù)器件和電路。

1.3 單粒子效應(yīng)試驗(yàn)步驟

單粒子效應(yīng)試驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)如下：

1)試驗(yàn)前根據(jù)輻照靶室的條件，將試驗(yàn)板固定在輻照支架上，應(yīng)保證試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)支架移動(dòng)的一致性，確保入射離子輻照到被測器件的敏感區(qū)表面。

2)安裝、調(diào)試單粒子效應(yīng)檢測系統(tǒng)通信，確保各項(xiàng)功能正常。

3)從選定的較低LET值離子開始試驗(yàn)，試驗(yàn)前調(diào)整好粒子束流，保證離子能量、注量率、輻照面積和均勻性達(dá)到要求。

4)對被測器件進(jìn)行單粒子瞬態(tài)效應(yīng)輻照試驗(yàn)時(shí)，若出現(xiàn)單粒子瞬態(tài)效應(yīng)次數(shù)達(dá)到100次或者重離子注量達(dá)107ions/cm2(以先到者為準(zhǔn))，則停止輻照。

5)實(shí)時(shí)檢測并記錄器件電源電流、輸出波形，若出現(xiàn)電源電流陡增、器件無法正常工作，則記為1次單粒子閂鎖效應(yīng)。

6)完成一只受試器件的單粒子輻照試驗(yàn)后，更換離子LET值，重復(fù)步驟1～6直至完成全部LET值輻照試驗(yàn)。

為保證重離子能夠射入受試器件的靈敏區(qū)誘發(fā)單粒子效應(yīng)，試驗(yàn)前應(yīng)對受試器件進(jìn)行開帽處理。開帽可能會對受試器件造成損傷，完成開帽后應(yīng)對受試器件進(jìn)行功能測試，選擇功能仍然正常的器件進(jìn)行輻照試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果

圖2給出了27F離子(LET值為5 MeV·cm2·mg-1)輻照試驗(yàn)過程中示波器監(jiān)測的SW管腳輸出波形，從圖中可以看出試驗(yàn)開始前SW管腳的輸出信號是具有一定周期性的脈沖信號，當(dāng)27F離子轟擊器件時(shí)，導(dǎo)致SW端輸出脈沖的寬度變化，但LT1936器件輸出脈沖信號的變化并未影響天線有源控制器中電源降壓變換模塊的輸出。表2給出了不同LET值重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 單粒子瞬態(tài)效應(yīng)誘發(fā)LT1936器件輸出異常

從表2中可以看出，當(dāng)輻照重離子LET值增大至37.37 MeV·cm2·mg-1時(shí)，在重離子注量達(dá)到1.6×106ions/cm2時(shí)天線有源控制器中電源降壓變換模塊輸出電壓由-3.3 V突增為0 V，9 V隨即互鎖關(guān)機(jī)，在輸出突增為0 V過程中LT1936器件電源端電流由6 mA陡增至24 mA，SW管腳輸出脈沖信號先是變窄，隨后關(guān)斷無輸出(如圖3所示)。此時(shí)暫停74Ge離子轟擊LT1936器件，模塊仍不能恢復(fù)至正常，經(jīng)斷電重啟后模塊恢復(fù)正常工作；繼續(xù)輻照試驗(yàn)，分別在重離子累積注量為1.8×106ions/cm2，2.5×106ions/cm2，3.1×106ions/cm2，3.2×106ions/cm2，3.3×106ions/cm2時(shí)出現(xiàn)5次以上現(xiàn)象。

表2 不同LET值重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果

圖3 單粒子閂鎖效應(yīng)導(dǎo)致LT1936器件SW管腳無輸出

為進(jìn)一步確認(rèn)試驗(yàn)現(xiàn)象，更換LT1936器件后再次進(jìn)行74Ge離子(LET值為37.37 MeV·cm2·mg-1)輻照試驗(yàn)，在74Ge離子輻照累積注量分別為3.7×105ions/cm2，1.2×106ions/cm2時(shí)2次出現(xiàn)模塊輸出由-3.3 V突增至0 V，9 V隨即互鎖關(guān)機(jī)，LT1936電源管腳電流由6 mA陡增至24 mA。

2.2 脈沖激光輻射敏感區(qū)定位

為探尋LT1936器件單粒子敏感區(qū)域和結(jié)構(gòu)特征，在中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)裝置上開展了輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)選用的激光波長1064 μm，光斑直徑約2 μm，脈寬25 ns，脈沖重復(fù)頻率1 kHz，掃描步距10 μm，激光能量2 nJ。

試驗(yàn)時(shí)將應(yīng)用線路板固定到脈沖激光試驗(yàn)裝置上，設(shè)置脈沖激光源，按照器件尺寸設(shè)置工作臺，使器件按照設(shè)定的X軸掃描速度，Y軸偏移步長進(jìn)行移動(dòng)，直到掃描遍歷整個(gè)器件，掃描過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測LT1936器件管腳SW端波形、VC電壓和電源電流。圖4給出了脈沖激光掃描示意圖。

圖4 脈沖激光掃描示意圖

整個(gè)器件掃描過程中，當(dāng)脈沖激光掃描至基準(zhǔn)源區(qū)域時(shí)誘發(fā)器件發(fā)生單粒子閂鎖效應(yīng)，LT1936的SW端無輸出波形，VC信號電壓掉電至0 V，電源電流由6 mA瞬間陡增至24 mA，該異?，F(xiàn)象與74Ge離子(LET值為37.37 MeV·cm2·mg-1)輻照誘發(fā)的單粒子效應(yīng)一致。通過脈沖激光試驗(yàn)精確定位了器件輻射敏感區(qū)域(如圖5所示)。

圖5 輻射敏感區(qū)域版圖

對進(jìn)口雙極工藝降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器按照相同條件進(jìn)行了激光全芯片掃描，未出現(xiàn)電源電流陡增和功能中斷情況。

2.3 輻射損傷機(jī)理分析

圖6給出了輻射敏感區(qū)域版圖的器件剖面圖，根據(jù)國產(chǎn)雙極工藝降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器LT1936工作原理，該器件內(nèi)部的基準(zhǔn)源含有肖特基二極管，為了提高該肖特基二極管耐壓，芯片設(shè)計(jì)師在肖特基接觸的周圍設(shè)計(jì)了P+型保護(hù)環(huán)，該P(yáng)+型保護(hù)環(huán)與NPN三極管(Q管)的集電極和基極之間有可能形成一個(gè)寄生的PNP三極管(P1管)；P1管和Q管構(gòu)成了一個(gè)PNPN結(jié)構(gòu)(如圖8所示)，在LT1936器件正常工作時(shí)，由于Q管的集電極電流約3 mA，電阻R上的壓降約為0.3 V，此時(shí)P1管發(fā)射極電位低于基極電位，P1管關(guān)斷，該寄生PNPN結(jié)構(gòu)不能導(dǎo)通[13]。

圖6 敏感區(qū)器件剖面圖及寄生PNP管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)重離子入射到寄生PNP三極管P1的基區(qū)B時(shí)，通過與基區(qū)硅材料相互作用，其動(dòng)能將與晶格能量進(jìn)行交換，部分空穴和電子將獲得超越激活能的能量，電離成電子-空穴對，位于基區(qū)下側(cè)的N+區(qū)由于外加電壓VIN形成對電子的勢阱，輻射感生的大量電子-空穴對會在這種勢阱作用下發(fā)生分離[14]，形成從N+埋層到P1管基區(qū)B的瞬發(fā)電流Irad(如圖7所示)，導(dǎo)致基區(qū)B電勢低于N+埋層外接的VIN電壓；從N+埋層到基區(qū)B的瞬發(fā)電流Irad隨著LET值的增大而增大，并且基區(qū)B所在的外延層電阻率較高、方塊阻值較大，當(dāng)瞬發(fā)電流Irad增大到一定值，引起基區(qū)B的電勢低于VIN-1.4 V時(shí)，將誘發(fā)寄生PNP三極管P1導(dǎo)通。

圖7 重離子轟擊器件誘發(fā)單粒子閂鎖效應(yīng)示意圖

寄生PNP三極管P1導(dǎo)通后，電流流向NPN三極管Q的基極，在Q管的電流放大作用下，Q管的發(fā)射極輸出大電流，抬高Bias電壓；Bias在ASIC器件中為運(yùn)算放大器、振蕩器、鎖存器等模塊單元供電，Bias電壓抬高后將誘發(fā)這些模塊單元電流增大，從而為Q管發(fā)射極輸出電流提供了泄放通道，Q管的發(fā)射極電流由流過集電極串聯(lián)電阻R產(chǎn)生足夠的壓降(≥1.4 V)讓寄生PNP三極管P1持續(xù)導(dǎo)通，使寄生PNPN結(jié)構(gòu)一直維持此狀態(tài)。

2.4 故障注入模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證輻射敏感區(qū)域和輻射損傷機(jī)理分析的準(zhǔn)確性，采用電路模擬軟件Spectre在LT1936器件內(nèi)部基準(zhǔn)源添加寄生PNP結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電路級的瞬態(tài)故障注入模擬。故障注入模擬試驗(yàn)過程中，在寄生PNP三極管P1的基區(qū)B上施加一個(gè)脈沖低電壓(如圖8所示)，模擬重離子轟擊器件后的觸發(fā)效果。

圖8 電路級故障注入模擬電路圖

圖9給出了故障注入模擬試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)寄生PNP三極管P1的基區(qū)B施加瞬態(tài)低電壓脈沖后，寄生PNP三極管P1將導(dǎo)通，P1管電流灌入Q管的基極，該電流被放大，使得Q管集電極電流瞬間抬高到20 mA，同時(shí)抬高Q管發(fā)射極電壓(Bias)到10.3 V，Q管的大電流同時(shí)又拉低P1管的基極電壓，維持P1管的開啟，使該寄生結(jié)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 電路級故障注入模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.5 抗輻射工藝加固建議

國外進(jìn)口雙極工藝降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行激光試驗(yàn)并未出現(xiàn)異常，通過工藝版圖比對發(fā)現(xiàn)進(jìn)口器件內(nèi)部模塊肖特基版圖中沒有P型環(huán)，沒有多個(gè)功能模塊共用一個(gè)隔離島情況，這樣該部分中不存在PNPN結(jié)構(gòu)。結(jié)合國產(chǎn)LT1936器件輻射損傷機(jī)理和進(jìn)口試驗(yàn)結(jié)果，提出如下2項(xiàng)工藝加固改進(jìn)措施:1) 增加NPN三極管(Q管)集電極穿透環(huán)，減小串聯(lián)電阻R；2)將NPN三極管(Q管)與肖特基二極管分開到兩個(gè)隔離島，避免寄生PNP產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

研究了某衛(wèi)星選用的國產(chǎn)雙極工藝降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器抗單粒子效應(yīng)性能，研究結(jié)果表明器件發(fā)生單粒子瞬態(tài)效應(yīng)閾值小于5 MeV·cm2·mg-1。一般認(rèn)為雙極工藝器件對單粒子閂鎖效應(yīng)不敏感，但重離子輻照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在LET值為37.37 MeV·cm2·mg-1時(shí)產(chǎn)生了疑似單粒子閂鎖效應(yīng)的現(xiàn)象。采用脈沖激光單粒子試驗(yàn)精確定位了輻射敏感位置，結(jié)合半導(dǎo)體器件物理和輻射效應(yīng)理論，分析認(rèn)為由于芯片內(nèi)部多個(gè)功能模塊共用一個(gè)隔離島，同一個(gè)隔離島內(nèi)的器件之間形成的寄生PNP管與隔離島內(nèi)NPN管形成了PNPN可控硅結(jié)構(gòu)，使其在重離子入射后電離出大量的電子-空穴對導(dǎo)致晶體管通道開啟，在寄生結(jié)構(gòu)PNPN的正反饋?zhàn)饔孟?，電流被進(jìn)一步放大，形成大電流再生現(xiàn)象，誘發(fā)單粒子閂鎖效應(yīng)。采用電路模擬軟件Spectre實(shí)現(xiàn)電參數(shù)級的瞬態(tài)故障注入模擬，復(fù)現(xiàn)了單粒子閂鎖效應(yīng)現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了該國產(chǎn)雙極工藝器件輻射敏感位置產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)的物理機(jī)制。后續(xù)我們將持續(xù)關(guān)注雙極工藝器件的單粒子效應(yīng)，進(jìn)一步研究國產(chǎn)器件在優(yōu)化電參數(shù)時(shí)引起工藝結(jié)構(gòu)的改變與單粒子閂鎖效應(yīng)的關(guān)系。