SRAM單粒子鎖定效應(yīng)電路級防護設(shè)計研究

吳 昊，朱 翔，韓建偉，上官士鵬，馬英起，李 悅，趙 旭，楊 涵

(1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

CMOS集成電路因其功耗低、速度快和抗干擾能力強等眾多優(yōu)點成為當今大規(guī)模集成電路主流工藝技術(shù)。CMOS電路的阱工藝會產(chǎn)生寄生PNPN結(jié)構(gòu)，即可控硅電路。這種寄生結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)下處于高阻狀態(tài)，但會被多種方式激活形成低阻抗大電流狀態(tài)，導致鎖定效應(yīng)[1-4]?？臻g環(huán)境中電離能力強的宇宙線粒子或輻射帶質(zhì)子以及陸地中子在正常工作的器件內(nèi)部產(chǎn)生足夠強的瞬時電流脈沖就是激活方式的一種，即單粒子鎖定效應(yīng)(SEL)[5-9]。商用器件性能高、成本低、研發(fā)周期短，并能滿足部分航天器的要求，在航天任務(wù)中使用商用器件已成為一種趨勢。但商用器件的抗輻射能力普遍較差，隨著半導體工藝尺寸的減少，高密度商用SRAM芯片展現(xiàn)出對SEL極端敏感的特性。空間應(yīng)用時頻繁的鎖定現(xiàn)象嚴重沖擊航天器安全[10]。開展SRAM單粒子鎖定試驗，依據(jù)SRAM發(fā)生單粒子鎖定時的特性采取相應(yīng)保障措施，是抗單粒子設(shè)計的一項重要內(nèi)容[11]。對空間電子系統(tǒng)高可靠、長壽工作具有重大現(xiàn)實意義。

抗單粒子鎖定防護策略主要分為版圖設(shè)計、工藝改進和電路級防護3種。文獻[12]通過在P襯底上生長深P阱(DPW)的方法，在不增加器件對單粒子翻轉(zhuǎn)敏感度的前提下，提高了抗單粒子鎖定的能力。文獻[13]指出CMOS電路增加保護環(huán)設(shè)計，相對于傳統(tǒng)的雙阱設(shè)計，可降低50%的單粒子鎖定發(fā)生概率。但上述兩種防護策略不適用于已完成設(shè)計成產(chǎn)的商用器件，電路級防護成為一種有效的手段。文獻[14-15]對SRAM K6R4016V1D和IDT71V416S進行了電路級防護研究，研究表明，兩款芯片采用串接電阻的防護方法僅能起到減小鎖定電流的作用，不能達到阻止鎖定發(fā)生的目的。文獻[16]對一種CMOS工藝LDO的單粒子鎖定效應(yīng)及維持電流的特性進行研究。結(jié)果表明，采用限流處理后能有效退出SEL狀態(tài)，但未對電源限流給出一個精確的范圍。

本文利用脈沖激光單粒子效應(yīng)實驗裝置，對CMOS工藝SRAM CY62167DV30LL進行單粒子鎖定研究，提出兩種電路級防護方法，并利用激光脈沖裝置驗證防護效果。

1 試驗樣品及激光脈沖單粒子試驗

1.1 試驗樣品與試驗條件

試驗樣品選用CYPRESS公司CY62167DV30LL型號SRAM，試驗樣品主要參數(shù)列于表1。工作電壓為2.2～3.6 V，可配置為1 M×16或2 M×8兩種工作模式。脈沖激光無法穿透器件金屬層，采用正面輻照時能量無法全部到達器件有源區(qū)。試驗選用1 064 nm紅外波段激光，在典型CMOS工藝摻雜濃度的Si襯底中穿透深度大于700 μm。激光脈沖試驗前，對樣品進行背部開封裝處理，以露出襯底進行背部輻照。

表1 試驗樣品主要參數(shù)Table 1 Main parameters of test samples

試驗在中國科學院國家空間科學中心脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置上進行，脈沖激光裝置主要技術(shù)參數(shù)如表2所列。

表2 脈沖激光單粒子效應(yīng)實驗裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of pulse laser single event effect experimental device

1.2 試驗系統(tǒng)

激光脈沖單粒子試驗系統(tǒng)如圖1所示，試驗系統(tǒng)由脈沖激光器、光路、CCD、三維移動臺、控制計算機、電源、電流表、試驗電路板組成。試驗電路板由主控芯片及待測樣品組成。將試驗電路板固定于三維移動臺上，三維移動臺的位置和移動方式由控制計算機編程控制。脈沖激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過相應(yīng)光路調(diào)節(jié)和物鏡聚焦后輻照試驗樣品，待測樣品表面和激光光斑可由CCD相機成像在控制計算機顯示。試驗樣品由直流電源供電，電流由電流表讀出，器件電壓通過萬用表測得。

圖1 激光脈沖單粒子試驗系統(tǒng)Fig.1 Laser pulse single event effect test system

1.3 試驗方法及內(nèi)容

轉(zhuǎn)動三維移動臺調(diào)平旋鈕使待測樣品襯底水平，調(diào)整三維移動臺豎直高度使激光聚焦在待測樣品襯底表面，CCD相機成像在控制計算機顯示明亮聚焦光斑，再次升高三維移動臺，明亮光斑變?nèi)踔饾u消失直至再次出現(xiàn)，即激光聚焦到器件金屬布線層，再將器件下移2 μm,此時激光聚焦在器件有源區(qū)。本文工作重點是器件在發(fā)生單粒子鎖定的前提下通過電路級防護退出鎖定的方法研究，不涉及鎖定閾值及反應(yīng)截面，不關(guān)注激光在器件敏感單元沉積能量大小及等效重離子LET值，所有試驗均在激光能量400 pJ，光斑聚焦直徑2 μm下進行。三維移動臺設(shè)置遍歷掃描模式，x軸掃描步距5 μm，y軸勻速運動5 000 μm·s-1，激光脈沖頻率1 000 Hz,激光注量4×106cm-2。圖2為脈沖激光掃描示意圖。

圖2 脈沖激光掃描示意圖Fig.2 Schematic of pulse laser scanning

當試驗樣品電流增大為器件規(guī)定最大工作電流的1.5倍以上，器件出現(xiàn)功能失效且需重新上電才能恢復(fù)正常時認為發(fā)生單粒子鎖定效應(yīng)。激光掃描發(fā)生鎖定后，停止三維移動臺掃描程序，器件保持鎖定狀態(tài)。逐步降低電源電壓，記錄多組鎖定電流及器件電壓值。繼續(xù)降低工作電壓，直到器件退出鎖定狀態(tài)，記錄退出鎖定狀態(tài)時電源電壓值。因為待測器件要在大電流狀態(tài)下進行操作并記錄多組試驗數(shù)據(jù)，為防止器件因鎖定電流過大造成局部溫度升高致器件燒毀，在器件與電源間串聯(lián)電阻降低鎖定電流以達到保護器件目的。在電阻50、40、30 Ω下分別進行3次試驗。

1.4 試驗結(jié)果與分析

PNPN雙端器件正向I-V特性曲線如圖3所示。本文定義試驗樣品發(fā)生鎖定后器件電流為鎖定電流ISEL，發(fā)生鎖定后器件電壓為鎖定電壓USEL，曲線1與曲線2拐點處的電流、電壓分別為維持電流Ihold、維持電壓Uhold。CMOS電路寄生PNPN機構(gòu)發(fā)生鎖定后，會呈現(xiàn)出純電阻電路特性[17]。SRAM觸發(fā)單粒子鎖定后，可等效為電阻進行電路分析，等效電路如圖4所示，3種試驗條件下SRAM鎖定時的等效電阻值、Ihold、Uhold為同一值。通過測得數(shù)據(jù)線性擬合出待測樣品Ihold和Uhold。

圖3 PNPN雙端器件正向I-V曲線Fig.3 Current-voltage characteristic of latch-up PNPN structure

圖4 試驗樣品鎖定態(tài)等效分析電路圖Fig.4 Equivalent analysis circuit diagram of test sample in latch-up state

圖5a右上部分為不同試驗條件下發(fā)生單粒子鎖定后ISEL與電源電壓U的變化關(guān)系。圖5b為圖5a左下部分放大圖，即退鎖定時電源電壓對應(yīng)的Ihold。3種試驗條件下電源電壓與器件電流擬合曲線公式及維持電流列于表3。

圖5 鎖定電流與電源電壓變化關(guān)系(a)與局部放大圖(b)Fig.5 Relationship between latch-up current and power supply voltage (a)and partial enlargement (b)

表3 電源電壓與鎖定電流擬合公式Table 3 Fitting formula between supply voltage and latchup current

圖6a右上部分為不同試驗條件下發(fā)生單粒子鎖定后USEL與電源電壓U的變化關(guān)系。圖6b為圖6a左下部分放大圖，即退鎖定時電源電壓對應(yīng)的Uhold。3種試驗條件下電源電壓與器件電壓擬合曲線公式及維持電壓列于表4。不同試驗條件下推算的維持電壓與維持電流差值較小，符合理論推斷。

表4 電源電壓與鎖定電壓擬合公式Table 4 Fitting formula between supply voltage and latch-up voltage

圖6 鎖定電壓與電源電壓變化關(guān)系(a)與局部放大圖(b)Fig.6 Relationship between latch-up voltage and power supply voltage (a)and partial enlargement (b)

2 SEL電路級防護設(shè)計

CMOS器件發(fā)生單粒子鎖定后繼續(xù)保持鎖定的條件是進行電路級防護設(shè)計的前提。寄生PNPN結(jié)構(gòu)被激活形成低阻抗大電流狀態(tài)后，繼續(xù)保持鎖定需要滿足3個條件：1)晶體管的增益必須滿足βPNPβNPN≥1，即能形成正反饋電流放大作用；2)U>Uhold，電源必須大于保持電壓；3)I>Ihold，電源須具有能提供大于等于PNPN結(jié)構(gòu)保持電流的能力[17]。只要3個條件中的任意條件不具備，都可使器件退出鎖定狀態(tài)。條件1需對器件采用版圖設(shè)計、工藝設(shè)計等器件級防護策略，本文依據(jù)條件2、3采取電路級防護策略。

2.1 電源限流防護設(shè)計

2.1.1電源限流防護機理及分析 基于保持鎖定的第3個條件I>Ihold，采用電源限流的防護設(shè)計，即令電源提供的最大輸出能力小于鎖定維持電流Ihold，PNPN可控硅電路無法進入持續(xù)的正反饋過程使CMOS器件鎖定狀態(tài)不能保持而解除鎖定狀態(tài)。采用此種防護方法的前提是器件維持電流要大于正常工作電流，且兩者的差值即限制電流可選取的范圍。限制電流與器件工作電流及維持電流的關(guān)系如圖7所示。可采用恒流源電路對器件輸入電流進行限流控制，如圖8所示，電路由LM317穩(wěn)壓集成電路、可調(diào)電阻器、穩(wěn)壓管、濾波電容組成[18]。通過控制可調(diào)電阻器調(diào)節(jié)輸出電流，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定測試器件的電壓，同時分流多余電流。輸出的恒定電流需大于負載工作電流變動范圍上限。若負載工作電流變動較大，當工作電流較低時，會導致很大一部分電流作用于穩(wěn)壓二極管上，導致能源的浪費。

圖7 限制電流與維持電流和器件工作電流的關(guān)系Fig.7 Relationship among limiting current,holding current and working current of device

圖8 恒流源電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of constant current source circuit

2.1.2電源限流試驗驗證 打開激光脈沖，三維移動臺遍歷式掃描直到發(fā)生單粒子鎖定，停止三維移動臺掃描程序，試驗電路板重新上電使器件退出鎖定。按照掃描相反方向手動逐步移動三維移動臺，找到單粒子鎖定敏感點。在該物理坐標下，每次打開激光器，均會觸發(fā)單粒子鎖定。對電源進行不同限流設(shè)置，每次設(shè)置后打開激光脈沖，觀察器件電流。維持電流取表3中間值約10.3 mA。預(yù)測電源限流小于該值時，器件可退出單粒子鎖定。

在電源不同限流條件下，試驗結(jié)果列于表5。電源限流大于等于15 mA時，激光脈沖輻照敏感點，發(fā)生單粒子鎖定，鎖定電流為電源限流。電源限流小于等于10 mA時，SRAM電流波動。器件觸發(fā)鎖定后，寄生PNPN結(jié)構(gòu)導通電阻迅速下降，電流迅速提高。因電源限流，輸出能力達不到Ihold而退出鎖定，因激光繼續(xù)輻照，再次觸發(fā)鎖定。器件電壓電流特性在圖3中曲線1和曲線2拐點處不斷震蕩。關(guān)閉脈沖激光，器件迅速推出鎖定。試驗結(jié)果表明，進行電源限流防護設(shè)計后，雖然器件發(fā)生了單粒子鎖定，但由于切斷了電源提供PNPN結(jié)構(gòu)保持電流的能力，使鎖定狀態(tài)不能保持，器件退出鎖定狀態(tài)。

表5 電源限流不同時激光脈沖輻照試驗現(xiàn)象Table 5 Phenomena of laser pulse irradiation test under different current limiting values of power supply

在限流10 mA和30 mA條件下遍歷掃描芯片，限流10 mA時，全芯片掃描未發(fā)生單粒子鎖定,限流30 mA時，在圖2的x軸方向585 μm處發(fā)生單粒子鎖定。電流隨時間曲線如圖9所示。

圖9 限流10 mA(a)與限流30 mA(b)的電流-時間變化曲線Fig.9 Current-time curve of current limiting 10 mA (a)and 30 mA (b)

全芯片寫入數(shù)據(jù)，采取電源限流前后對SEL敏感點輻照，電流異常后關(guān)閉快門，隔斷激光脈沖。回讀數(shù)據(jù)，結(jié)果列于表6。

表6 采取電源限流前后輻照敏感點對數(shù)據(jù)的影響Table 6 Influence of irradiation sensitive points on data before and after power current limiting

試驗結(jié)果表明，可采取恒流源等電源限流手段進行電路級防護設(shè)計。限制電流I取值范圍為Isb

2.2 分壓電阻防護設(shè)計

2.2.1分壓電阻防護機理及分析 基于保持鎖定的第2個條件U>Uhold，采用分壓電阻的防護設(shè)計，在電源與SRAM間串接電阻，如圖10所示。串聯(lián)電阻一直是作為降低鎖定電流的一種方法，器件觸發(fā)鎖定后，寄生PNPN結(jié)構(gòu)完全導通，電源和地之間形成大電流通路，此時電阻會分壓，降低器件電壓，導致鎖定電流降低，電阻分壓也會降低，最后電壓電流會平衡在1個穩(wěn)定狀態(tài)。串聯(lián)電阻越大，電流越小，但串聯(lián)電阻分壓越大。若在動態(tài)平衡過程中器件電壓小于維持電壓Uhold，則PNPN結(jié)構(gòu)無法進入正反饋狀態(tài)，鎖定狀態(tài)不能保持從而達到退鎖定的目的。

圖10 分壓電阻防護設(shè)計示意圖Fig.10 Schematic of protection design for divider resistor

2.2.2分壓電阻試驗驗證 試驗前期步驟與2.1.2節(jié)相同。電源與SRAM間串接電阻器。打開激光脈沖輻照單粒子鎖定敏感點。記錄鎖定電壓，關(guān)閉脈沖激光，調(diào)節(jié)電阻，重復(fù)試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。串接小于等于60 Ω電阻時，器件發(fā)生單粒子鎖定，鎖定電壓隨電阻增大而減小。串接70 Ω及以上電阻時，器件電流出現(xiàn)波動現(xiàn)象，即動態(tài)平衡過程中器件電壓小于維持電壓Uhold不斷退出鎖定又不斷被觸發(fā)。關(guān)閉激光脈沖，器件恢復(fù)正常工作電流，迅速退出鎖定。

在串接電阻10 Ω和80 Ω條件下遍歷掃描芯片，串接80 Ω電阻時，全芯片掃描未發(fā)生單粒子鎖定,串接10 Ω電阻時，在圖2的x軸方向830 μm處發(fā)生單粒子鎖定。電流隨時間曲線如圖12所示。

器件能否采取分壓電阻的防護策略受器件工作電流、分壓電阻與鎖定電壓關(guān)系曲線、維持電壓三者共同決定。從圖11可看出，隨著電阻的增加，鎖定電壓并非線性降低，而是近似于反比關(guān)系，阻值越大，電阻降低鎖定電壓的能力越弱。但因為CMOS工藝集成芯片的高輸入阻抗特性，器件正常工作時電阻分壓近似于線性增加，所以在保證器件工作電壓的前提下，串聯(lián)電阻能否達到避免單粒子鎖定發(fā)生的目的因器件而異。此款SRAM在工作頻率1 MHz條件下標準工作電流為2 mA，串接70 Ω電阻分壓0.14 V，工作電壓2.2～3.6 V，屬于器件電壓允許的容差范圍，實測讀寫功能正常。

全芯片寫入數(shù)據(jù)，采取分壓電阻前后對SEL敏感點輻照，電流異常后關(guān)閉快門，隔斷激光脈沖?；刈x數(shù)據(jù)，結(jié)果列于表7。

表7 采取分壓電阻前后輻照敏感點對數(shù)據(jù)的影響Table 7 Influence of sensitive points on data before and after using voltage divider resistance

試驗結(jié)果表明，可采取分壓電阻手段進行電路級防護設(shè)計。分壓電阻R取值范圍為Rhold

3 結(jié)論

本文針對CMOS工藝SRAM CY62167DV30LL進行了一系列激光脈沖輻照試驗，研究了其單粒子鎖定特性。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)定量計算出其鎖定效應(yīng)的維持電壓和維持電流?；谄潆娞匦耘c維持鎖定的條件，提出分壓電阻和電源限流兩種電路級防護方法，兩種防護方法均易實現(xiàn)且不影響器件功能，具有較高的工程實用可行性。

1)此款SRAM的維持電壓Vhold范圍為1.5～1.6 V，維持電流Ihold范圍為9.9～11.2 mA。

2)針對此款芯片，采取電源限流手段成功達到使器件退出單粒子鎖定的目的，限制電流范圍應(yīng)大于器件標準工作電流2 mA，小于維持電流10.3 mA。

3)針對此款芯片，采取串接分壓電阻手段成功達到使器件退出單粒子鎖定的目的，標準工作條件下電阻最小取值在60～70 Ω之間，最大值為500 Ω。

此種電路級防護策略不能完全避免SEL的發(fā)生及因大電流瞬間造成的SRAM數(shù)據(jù)錯誤，但可使器件快速退出鎖定狀態(tài)。一方面可避免器件進入持續(xù)穩(wěn)定大電流的鎖定態(tài)毀壞器件；另一方面可極大降低數(shù)據(jù)異常數(shù)，并使錯誤限制在以敏感點為中心較小的范圍。從而可通過對數(shù)據(jù)進行交錯式存儲，并利用傳統(tǒng)的檢錯糾錯手段保證數(shù)據(jù)正確。