典型国产双极工艺宇航用稳压器单粒子闩锁效应研究

汪 波，罗宇华，刘伟鑫，孔泽斌，楼建设，彭克武，付晓君，韦锡峰

(1. 上海精密计量测试研究所，上海 201109; 2. 中国电子科技集团有限公司第二十四研究所，重庆 400060；3. 上海卫星工程研究所，上海 201109)

0 引 言

航天器在轨运行会受到地球辐射带、银河宇宙射线、太阳耀斑等空间天然辐射环境的影响[1-2]。这些空间辐射环境中的带电粒子，如质子、电子、重离子等会对宇航用半导体器件造成单粒子效应、电离总剂量效应和位移损伤效应，严重威胁到航天器的长寿命和高可靠运行，是航天器在轨发生故障的重要原因之一[3-4]。与电离总剂量效应和位移损伤效应的长时间累积过程不同，单粒子效应是指单个高能粒子穿过半导体器件敏感结点时，在其径迹上电离出大量电子-空穴对，这些电子-空穴对在偏置电场的作用下被敏感节点收集形成脉冲信号，导致器件状态发生非正常改变甚至永久损伤[5]，该辐射效应属于一种即时的反应过程。随着航天器用半导体器件集成度不断提高,器件的特征尺寸越来越小、临界电荷越来越少，单粒子效应愈加严重，对航天器在轨可靠运行的威胁也逐渐增大。为了解决宇航微电子的高可靠性问题，单粒子效应受到了广泛研究[6-9]。研究结果表明体硅CMOS结构由于存在寄生的PNPN结构，容易引发单粒子闩锁效应。在正常状态下寄生PNPN结构的等效晶体管处于高阻关断状态，当高能粒子入射后将器件内寄生的可控硅PNPN结构触发开启，形成低电阻、大电流状态。文献[10-12]研究表明大部分双极工艺器件由于没有PNPN寄生结构，不存在诱发单粒子闩锁效应物理结构，一般仅对单粒子瞬态效应敏感。关于双极工艺器件受重离子辐照后诱发单粒子闩锁效应尚没有文献报道。

本文对某卫星选用的国产双极工艺降压型开关稳压器进行了不同LET值重离子辐照试验，试验过程中实时监测器件输出端波形变化幅度和器件管脚电流，定量评价了器件抗单粒子瞬态效应和单粒子闩锁效应。结合重离子辐照试验数据，采用脉冲激光试验获得了器件内部单粒子闩锁敏感区域和结构特征，深入探讨了重离子辐照下国产双极工艺结构器件产生闩锁效应的物理机制。

1 试验样品及重离子试验

1.1 试验样品与试验条件

试验样品为某卫星选用的国产双极工艺LT1936降压型开关稳压器，采用高速线性双极工艺制造，实际应用时裸芯片焊装在某卫星天线有源控制器的电源降压变换模块中，实现将输入的13 V电压变换成-3.3 V电压功能。

试验所用辐射源为中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器的T4单粒子效应试验终端。试验中选取了4种粒子进行辐照试验，其种类、在硅中的LET值、在硅中的射程等信息如表1所示。

表1 试验所用离子信息

1.2 单粒子效应检测系统

单粒子效应测试系统如图1所示，由辐照试验电路板、程控电源、电子负载、多用表、示波器、路由器、计算机和电缆等组成。LT1936降压型开关稳压器裸芯片安装在有源控制器的电源降压变换模块中，试验过程中器件表面正对加速器的束流窗口。试验电路板通过电缆和串口连接线与程控电源、电子负载、示波器和主控制计算机相连。主控制计算机实现对示波器的控制和数据采集。远程控制计算机通过30 m长网线以及路由器等与主控制计算机相连，试验人员通过在远程控制计算机上操作测试软件实现对所有仪器设备的控制并实时获取测试数据。

图1 单粒子效应测试系统框图

试验过程中通过示波器实时在线监测和存储电源降压变换模块输出电压变化波形，结合单机实际应用状态，若输出电压波形变化幅度超过±10%并且持续时间大于1μs，则判定为一次单粒子瞬态效应。试验过程中上位机软件控制程控电源实现器件电源管脚电流在线监测和存储，若电流出现陡增，则通过触发阈值限流断电，从而保护器件和电路。

1.3 单粒子效应试验步骤

单粒子效应试验步骤和注意事项如下：

1)试验前根据辐照靶室的条件，将试验板固定在辐照支架上，应保证试验装置与试验支架移动的一致性，确保入射离子辐照到被测器件的敏感区表面。

2)安装、调试单粒子效应检测系统通信，确保各项功能正常。

3)从选定的较低LET值离子开始试验，试验前调整好粒子束流，保证离子能量、注量率、辐照面积和均匀性达到要求。

4)对被测器件进行单粒子瞬态效应辐照试验时，若出现单粒子瞬态效应次数达到100次或者重离子注量达107ions/cm2(以先到者为准)，则停止辐照。

5)实时检测并记录器件电源电流、输出波形，若出现电源电流陡增、器件无法正常工作，则记为1次单粒子闩锁效应。

6)完成一只受试器件的单粒子辐照试验后，更换离子LET值，重复步骤1～6直至完成全部LET值辐照试验。

为保证重离子能够射入受试器件的灵敏区诱发单粒子效应，试验前应对受试器件进行开帽处理。开帽可能会对受试器件造成损伤，完成开帽后应对受试器件进行功能测试，选择功能仍然正常的器件进行辐照试验。

2 试验结果与分析

2.1 重离子辐照试验结果

图2给出了27F离子(LET值为5 MeV·cm2·mg-1)辐照试验过程中示波器监测的SW管脚输出波形，从图中可以看出试验开始前SW管脚的输出信号是具有一定周期性的脉冲信号，当27F离子轰击器件时，导致SW端输出脉冲的宽度变化，但LT1936器件输出脉冲信号的变化并未影响天线有源控制器中电源降压变换模块的输出。表2给出了不同LET值重离子辐照试验结果。

图2 单粒子瞬态效应诱发LT1936器件输出异常

从表2中可以看出，当辐照重离子LET值增大至37.37 MeV·cm2·mg-1时，在重离子注量达到1.6×106ions/cm2时天线有源控制器中电源降压变换模块输出电压由-3.3 V突增为0 V，9 V随即互锁关机，在输出突增为0 V过程中LT1936器件电源端电流由6 mA陡增至24 mA，SW管脚输出脉冲信号先是变窄，随后关断无输出(如图3所示)。此时暂停74Ge离子轰击LT1936器件，模块仍不能恢复至正常，经断电重启后模块恢复正常工作；继续辐照试验，分别在重离子累积注量为1.8×106ions/cm2，2.5×106ions/cm2，3.1×106ions/cm2，3.2×106ions/cm2，3.3×106ions/cm2时出现5次以上现象。

表2 不同LET值重离子辐照试验结果

图3 单粒子闩锁效应导致LT1936器件SW管脚无输出

为进一步确认试验现象，更换LT1936器件后再次进行74Ge离子(LET值为37.37 MeV·cm2·mg-1)辐照试验，在74Ge离子辐照累积注量分别为3.7×105ions/cm2，1.2×106ions/cm2时2次出现模块输出由-3.3 V突增至0 V，9 V随即互锁关机，LT1936电源管脚电流由6 mA陡增至24 mA。

2.2 脉冲激光辐射敏感区定位

为探寻LT1936器件单粒子敏感区域和结构特征，在中国科学院空间科学与应用研究中心脉冲激光单粒子效应试验装置上开展了辐照试验。试验选用的激光波长1064 μm，光斑直径约2 μm，脉宽25 ns，脉冲重复频率1 kHz，扫描步距10 μm，激光能量2 nJ。

试验时将应用线路板固定到脉冲激光试验装置上，设置脉冲激光源，按照器件尺寸设置工作台，使器件按照设定的X轴扫描速度，Y轴偏移步长进行移动，直到扫描遍历整个器件，扫描过程中实时监测LT1936器件管脚SW端波形、VC电压和电源电流。图4给出了脉冲激光扫描示意图。

图4 脉冲激光扫描示意图

整个器件扫描过程中，当脉冲激光扫描至基准源区域时诱发器件发生单粒子闩锁效应，LT1936的SW端无输出波形，VC信号电压掉电至0 V，电源电流由6 mA瞬间陡增至24 mA，该异常现象与74Ge离子(LET值为37.37 MeV·cm2·mg-1)辐照诱发的单粒子效应一致。通过脉冲激光试验精确定位了器件辐射敏感区域(如图5所示)。

图5 辐射敏感区域版图

对进口双极工艺降压型开关稳压器按照相同条件进行了激光全芯片扫描，未出现电源电流陡增和功能中断情况。

2.3 辐射损伤机理分析

图6给出了辐射敏感区域版图的器件剖面图，根据国产双极工艺降压型开关稳压器LT1936工作原理，该器件内部的基准源含有肖特基二极管，为了提高该肖特基二极管耐压，芯片设计师在肖特基接触的周围设计了P+型保护环，该P+型保护环与NPN三极管(Q管)的集电极和基极之间有可能形成一个寄生的PNP三极管(P1管)；P1管和Q管构成了一个PNPN结构(如图8所示)，在LT1936器件正常工作时，由于Q管的集电极电流约3 mA，电阻R上的压降约为0.3 V，此时P1管发射极电位低于基极电位，P1管关断，该寄生PNPN结构不能导通[13]。

图6 敏感区器件剖面图及寄生PNP管结构示意图

当重离子入射到寄生PNP三极管P1的基区B时，通过与基区硅材料相互作用，其动能将与晶格能量进行交换，部分空穴和电子将获得超越激活能的能量，电离成电子-空穴对，位于基区下侧的N+区由于外加电压VIN形成对电子的势阱，辐射感生的大量电子-空穴对会在这种势阱作用下发生分离[14]，形成从N+埋层到P1管基区B的瞬发电流Irad(如图7所示)，导致基区B电势低于N+埋层外接的VIN电压；从N+埋层到基区B的瞬发电流Irad随着LET值的增大而增大，并且基区B所在的外延层电阻率较高、方块阻值较大，当瞬发电流Irad增大到一定值，引起基区B的电势低于VIN-1.4 V时，将诱发寄生PNP三极管P1导通。

图7 重离子轰击器件诱发单粒子闩锁效应示意图

寄生PNP三极管P1导通后，电流流向NPN三极管Q的基极，在Q管的电流放大作用下，Q管的发射极输出大电流，抬高Bias电压；Bias在ASIC器件中为运算放大器、振荡器、锁存器等模块单元供电，Bias电压抬高后将诱发这些模块单元电流增大，从而为Q管发射极输出电流提供了泄放通道，Q管的发射极电流由流过集电极串联电阻R产生足够的压降(≥1.4 V)让寄生PNP三极管P1持续导通，使寄生PNPN结构一直维持此状态。

2.4 故障注入模拟试验验证

为了验证辐射敏感区域和辐射损伤机理分析的准确性，采用电路模拟软件Spectre在LT1936器件内部基准源添加寄生PNP结构，实现电路级的瞬态故障注入模拟。故障注入模拟试验过程中，在寄生PNP三极管P1的基区B上施加一个脉冲低电压(如图8所示)，模拟重离子轰击器件后的触发效果。

图8 电路级故障注入模拟电路图

图9给出了故障注入模拟试验结果，当寄生PNP三极管P1的基区B施加瞬态低电压脉冲后，寄生PNP三极管P1将导通，P1管电流灌入Q管的基极，该电流被放大，使得Q管集电极电流瞬间抬高到20 mA，同时抬高Q管发射极电压(Bias)到10.3 V，Q管的大电流同时又拉低P1管的基极电压，维持P1管的开启，使该寄生结构进入稳定状态。

图9 电路级故障注入模拟试验结果

2.5 抗辐射工艺加固建议

国外进口双极工艺降压型开关稳压器进行激光试验并未出现异常，通过工艺版图比对发现进口器件内部模块肖特基版图中没有P型环，没有多个功能模块共用一个隔离岛情况，这样该部分中不存在PNPN结构。结合国产LT1936器件辐射损伤机理和进口试验结果，提出如下2项工艺加固改进措施:1) 增加NPN三极管(Q管)集电极穿透环，减小串联电阻R；2)将NPN三极管(Q管)与肖特基二极管分开到两个隔离岛，避免寄生PNP产生。

3 结 论

研究了某卫星选用的国产双极工艺降压型开关稳压器抗单粒子效应性能，研究结果表明器件发生单粒子瞬态效应阈值小于5 MeV·cm2·mg-1。一般认为双极工艺器件对单粒子闩锁效应不敏感，但重离子辐照试验发现在LET值为37.37 MeV·cm2·mg-1时产生了疑似单粒子闩锁效应的现象。采用脉冲激光单粒子试验精确定位了辐射敏感位置，结合半导体器件物理和辐射效应理论，分析认为由于芯片内部多个功能模块共用一个隔离岛，同一个隔离岛内的器件之间形成的寄生PNP管与隔离岛内NPN管形成了PNPN可控硅结构，使其在重离子入射后电离出大量的电子-空穴对导致晶体管通道开启，在寄生结构PNPN的正反馈作用下，电流被进一步放大，形成大电流再生现象，诱发单粒子闩锁效应。采用电路模拟软件Spectre实现电参数级的瞬态故障注入模拟，复现了单粒子闩锁效应现象，进一步验证了该国产双极工艺器件辐射敏感位置产生闩锁效应的物理机制。后续我们将持续关注双极工艺器件的单粒子效应，进一步研究国产器件在优化电参数时引起工艺结构的改变与单粒子闩锁效应的关系。