質(zhì)子SEL影響因素分析47

1、質(zhì)子SEL影響因素分析汪俊1,2師謙2鄧文基1（1華南理工大學(xué)微電子所，廣東廣州，510640；2電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國家級重點實驗室，廣東廣州510610）摘要：本文主要對質(zhì)子單粒子閂鎖（SEL）的影響因素進(jìn)行了分析，首先介紹了質(zhì)子SEL原理，然后對電 路質(zhì)子SEL有重要影響的四個影響因素一封裝、新材料的應(yīng)用、質(zhì)子能量和質(zhì)子入射方向進(jìn)行了詳細(xì)分析。 分析結(jié)果表明，要研究最壞情況下地球輻射帶中質(zhì)子SEL，需要在較高環(huán)境溫度情況下（一般取125。0， 使用能量大于400MeV的質(zhì)子在斜入射和垂直入射時對SEL進(jìn)行同時研究。關(guān)鍵字：單粒子閂鎖，閂鎖橫截面，線能量傳輸Analysis o

2、f influential factors in proton SELWANG Jun1,2,SHI Qian2,DENG Wen-ji（Microelectronics institute of South China university of Technology,Guang,zhou 510640,China;2.Relibility physics and application Technology of electronic product. Guangzhou510610,China.）Abstract: This article primary analyzed the in

3、fluential factors in proton SEL, first we introduced the principle of proton SEL, then we analyzed four influential factors in proton SEL in detail, they are Package, the application of new material, proton energy and incident angle of proton. According to the result, if we want to investigate the p

4、roton SEL in worst case in the Earths radiation belts, we must use proton which energy is above 400MeV , investigated proton SEL in normal incidence and oblique incidenc together at a higher temperature （we always use 125 C）.Key words: Single-event latchup , latchup cross section, linear energy tran

5、sfer引言隨著器件進(jìn)入深亞微米階段，質(zhì)子單粒子閂鎖（SEL）表現(xiàn)的越來越明顯，越來越受到 人們重視，這和深亞微米階段新材料的應(yīng)用以及器件特征尺寸縮小等是分不開的。在深亞微 米階段，電路質(zhì)子SEL影響因素的分析非常重要（特別是電路處于質(zhì)子SEL的最壞環(huán)境以 及其它條件情況下），這樣可以了解電路在相應(yīng)質(zhì)子環(huán)境下受質(zhì)子SEL的影響情況，通過分 析質(zhì)子SEL對電路進(jìn)行相應(yīng)加固，使電路達(dá)到人們可接受的抗質(zhì)子SEL的程度，下面首先 介紹質(zhì)子SEL原理。1質(zhì)子SEL原理在介紹電路質(zhì)子SEL的影響因素前，首先介紹質(zhì)子SEL的原理。SEL主要發(fā)生在存在 PNPN或NPNP的四層結(jié)構(gòu)中。CMOS電路中就存在這樣

6、的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在CMOS電路中 導(dǎo)致的是寄生三極管效應(yīng)，也就是所謂的閂鎖效應(yīng)，是由于兩個寄生三極管（一個橫向和一 個縱向寄生三極管）的產(chǎn)生，然后由于外界噪聲使得其中一個三極管導(dǎo)通，最終兩個寄生三 極管間形成正反饋，導(dǎo)致電路處在大電流狀態(tài)，這時只要外電路能提供電路此時所需要的維 持電流和電壓，電路就會處于這種大電流狀態(tài)，并最終可能燒毀電路。質(zhì)子SEL是當(dāng)單個質(zhì)子入射到電路敏感區(qū)后，質(zhì)子與電路中原子的原子核發(fā)生核反應(yīng) 產(chǎn)生一個輕核和一個重反沖核（研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子與有些高Z原子的原子核的核反應(yīng)會產(chǎn)生兩 個重反沖核），然后重反沖核在器件中沉積能量，并在其徑跡上產(chǎn)生電子空穴對等離子體， 從而在器件內(nèi)部產(chǎn)生一

7、條通路，形成一個大瞬時電流，這個噪聲若達(dá)到使CMOS中寄生三 極管導(dǎo)通并能形成正反饋后，此時若電源電壓或電流在寄生三極管工作的維持電壓或電流以上，電路就產(chǎn)生了 SEL。1圖1就是這樣一個簡單的四層結(jié)構(gòu)，只要有這樣的結(jié)構(gòu)存在，電路就有可能在外界噪聲 的作用下產(chǎn)生SEL。圖2是對其觸發(fā)原理的解釋圖，從圖中可以看出，當(dāng)產(chǎn)生的噪聲達(dá)到寄 生電路所需要的觸發(fā)電流和觸發(fā)電壓時，寄生三極管觸發(fā)導(dǎo)通并形成正反饋，然后電路中電 流增大，并達(dá)到電源電壓所能提供的電路最大電流。在這種大電流狀態(tài)下，最終可能燒毀電 路。23圖1簡單的NPNP四層結(jié)構(gòu)圖2閂鎖觸發(fā)原理圖2 SEL影響因素分析對器件或電路SEL影響因素的分

8、析，可以了解器件或電路的SEL特性。對電路在最壞 SEL情況下的分析最終可能決定器件或電路的應(yīng)用。在質(zhì)子SEL測試中，入射質(zhì)子的方向、 入射質(zhì)子能量、電路的材料和外封裝等都將影響電路SEL特性，下面將對這些因素進(jìn)行分 析，并對影響因素的最壞情況進(jìn)行說明。2.1封裝在實際應(yīng)用中，電路或器件都是經(jīng)過封裝的。不論封裝使用的是何種材料，當(dāng)質(zhì)子從器 件或電路的封裝材料入射到器件中時，將會造成能量損失。據(jù)文獻(xiàn)4中研究表明，在塑封 的器件或電路中，不同能量的質(zhì)子經(jīng)過封裝材料后能量的損失不同，對于能量為50MeV的 質(zhì)子，當(dāng)質(zhì)子經(jīng)過封裝材料后，質(zhì)子的能量損失約為20%，而對于質(zhì)子能量為105MeV的 質(zhì)子來說

9、，通過封裝材料后僅損失能量的5%。質(zhì)子能量的大小會影響質(zhì)子和原子核反應(yīng)所產(chǎn)生的反沖核的能量以及其線能量傳輸（LET）值的大小，質(zhì)子能量越大，產(chǎn)生的反沖核能量越大，產(chǎn)生的LET值也增大；同時 對反沖核的運動方向?qū)鸷艽笞饔?，質(zhì)子能量大時，產(chǎn)生的反沖核（這里均指重反沖核） 在器件中的運動方向?qū)腿肷滟|(zhì)子的運動方向相一致，若質(zhì)子能量小，產(chǎn)生的反沖核在器 件中的運動方向和質(zhì)子入射方向相反。從能量損失和重反沖核的運動角度考慮最終均增加低 能質(zhì)子的閂鎖橫截面的減小，這說明封裝材料對低能質(zhì)子的作用效果大于高能質(zhì)子。由于封 裝是在電路的側(cè)面，這樣會認(rèn)為質(zhì)子垂直入射可能會更容易產(chǎn)生SEL，實際研究表明，雖然

10、 斜入射時封裝會造成質(zhì)子能量損失，但斜入射會減小電路的有效閾值LET，綜上所述，實 際研究情況下，還需對質(zhì)子垂直入射和小角度斜入射時質(zhì)子SEL進(jìn)行同時研究，并最終確 定質(zhì)子SEL最壞情況。452.2新材料使用在質(zhì)子SEL的研究中，為了節(jié)約成本，人們常使用一定LET值的重離子進(jìn)行實驗來檢 測器件在質(zhì)子環(huán)境下的SEL情況。人們在質(zhì)子核反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，低能質(zhì)子與低原子序 數(shù)的原子原子核（包括Si原子核）發(fā)生核反應(yīng)最多產(chǎn)生LET為11MeV-cm2/mg的反沖核。 當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到500MeV時，其反沖核的LET也僅能達(dá)到13MeV-cm2/mg。根據(jù)上述結(jié)果人們使用了 LET值大于質(zhì)子與硅原子核反應(yīng)

11、產(chǎn)生的反沖核的最高LET值的重離子進(jìn)行實驗來 模擬質(zhì)子能量最大情況下質(zhì)子SEL。但實際應(yīng)用中通過重離子檢測沒有發(fā)生SEL的電路在 空間質(zhì)子環(huán)境中發(fā)生了 SEL。對地球輻射帶的研究表明，在地球輻射帶中，最高質(zhì)子的能量約為400MeV，這個能量 下質(zhì)子與電路中原子的原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生反沖核的LET應(yīng)該比13 MeV-cm2/mg小，不 會在上述情況下產(chǎn)生SEL，SEL產(chǎn)生應(yīng)該是由于器件內(nèi)部產(chǎn)生了 LET值大于器件SEL閾值 LET的粒子，研究發(fā)現(xiàn)是由于新材料的使用。隨著器件進(jìn)入深亞微米階段，為了解決布線，物理實現(xiàn)等問題，使用了很多新材料。例 如銅布線代替了鋁布線等。這些高原子序數(shù)材料（銅，鈦，鎢

12、等）的使用，對質(zhì)子SEL的 產(chǎn)生造成了重要影響。上述問題的產(chǎn)生是由于人們在研究質(zhì)子與器件原子原子核發(fā)生核反應(yīng) 時，僅考慮質(zhì)子與硅原子和氧原子等小原子序數(shù)原子的原子核的核反應(yīng)，在這些核反應(yīng)中， 質(zhì)子與硅核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核的LET較氧產(chǎn)生的反沖核LET大?？紤]質(zhì)子與作用較大的硅 產(chǎn)生的反沖核的作用時，僅能產(chǎn)生最大LET值約為13 MeV-cm2/mg的反沖核，使用重離子 代替質(zhì)子反沖核的實驗未考慮到質(zhì)子與器件中其它材料原子核反應(yīng)可能產(chǎn)生的反沖核，導(dǎo)致 產(chǎn)生對SEL敏感的器件對SEL完全不敏感的結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，在深亞微米器件中使用的新 高原子序數(shù)材料一銅、鈦和鎢等的原子原子核與質(zhì)子發(fā)生核反應(yīng)后產(chǎn)生了

13、 LET值非常大的 反沖核，其中質(zhì)子與鎢原子的原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生兩個重反沖核，并能產(chǎn)生最大LET值 約為35 MeV-cm2/mg的反沖核。回7圖3是500MeV質(zhì)子與不同原子原子核核反應(yīng)產(chǎn)生反沖核的LET值與SEL橫截面關(guān)系 曲線。從500MeV質(zhì)子與深亞微米器件中原子原子核發(fā)生核反應(yīng)生成的反沖核LET值可以 發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)子能量為500MeV的情況下，質(zhì)子與氧原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核最大LET 值約為8MeV-cm7mg，與銅原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核最大LET值約為20 MeV-cm2/mg，與鈦原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核最大LET值約為23 MeV-cm2/mg，其中 質(zhì)子與鎢原

14、子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核LET值最大，達(dá)到約35 MeV-cm/mg，這是由于 鎢的原子序數(shù)較大的原因。可見在使用重離子代替質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核時，最壞情況下 應(yīng)使用重離子LET值大于35 MeV-cmVmg的重離子。兇隨著新的高原子序數(shù)材料在新器件和電路中的不斷應(yīng)用，這將影響質(zhì)子對器件的SEL 特性，使得器件對質(zhì)子SEL越來越敏感。10203040LET。一UU)10203040LET。一UU)匚口=口山仍 SS2OdnLlulE_J圖3 圖3 500MeV質(zhì)子與各原子原子 核產(chǎn)生反沖核的LET （線能量傳 輸）與SEL橫截面關(guān)系曲線圖4溫度為85 C時，不同廠家 SRAM電路在質(zhì)子能量

15、變化時的 閉鎖橫截面曲線2.3質(zhì)子能量研究表明，在質(zhì)子能量增加時，質(zhì)子與器件中原子原子核發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的反沖核的LET變化非常小，雖然如此，研究質(zhì)子能量與SEL的關(guān)系還是有必要的。對低能質(zhì)子SEL 的研究發(fā)現(xiàn)，研究低能質(zhì)子SEL時，會產(chǎn)生某些對質(zhì)子SEL敏感的電路產(chǎn)生對質(zhì)子SEL不 敏感的結(jié)果。文獻(xiàn)9中使用能量最高為100MeV的質(zhì)子進(jìn)行實驗，結(jié)果表明該電路對SEL 完全不敏感，但該器件在使用時發(fā)生了 SEL，對質(zhì)子SEL敏感。圖4中也可看出，檢測D 廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品時，若僅使用質(zhì)子能量為200MeV以下的質(zhì)子進(jìn)行實驗，就會發(fā)現(xiàn)電路不 會產(chǎn)生SEL，得出該電路抗質(zhì)子SEL的結(jié)論。由于地球輻射帶

16、中質(zhì)子的最大能量約400MeV，為了保證衛(wèi)星等航天器能在這種質(zhì)子環(huán) 境中運行時其中的器件不受質(zhì)子影響。應(yīng)使用高能質(zhì)子對器件SEL特性研究。從上述封裝對質(zhì)子SEL的影響可知，不同能量的質(zhì)子對器件SEL的影響不同。對于不 同能量的質(zhì)子，在通過封裝材料時，低能質(zhì)子和高能質(zhì)子所造成的能量損失不同，造成對器 件SEL的影響不同；不同能量的質(zhì)子與器件中原子的原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的反沖核能量 也不一樣，質(zhì)子能量越高，產(chǎn)生的反沖核能量越大，LET越大，反沖核的入射范圍也大， 導(dǎo)致高能質(zhì)子容易產(chǎn)生SEL。反沖核在器件中的運動方向直接和質(zhì)子的能量和入射方向有關(guān)，當(dāng)入射質(zhì)子的能量非常 大時，產(chǎn)生的反沖核的運動方向和

17、質(zhì)子入射方向相一致（不一定相同），當(dāng)質(zhì)子能量較小時， 發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的反沖核與質(zhì)子入射方向相反，這一點可以從動力學(xué)得到解釋。當(dāng)質(zhì)子徑 跡朝向器件SEL敏感區(qū)或附近時，高能質(zhì)子由于其產(chǎn)生的反沖核方向和質(zhì)子一致，所以產(chǎn) 生SEL的幾率增大。102.4質(zhì)子入射角度粒子的入射角度在單粒子效應(yīng)的研究中一直都是個研究重點，它對單粒子效應(yīng)的影響非 常大，這對SEL也不例外，可以從以下方面對其進(jìn)行分析：要使器件產(chǎn)生SEL，一般情況下入射角度越小產(chǎn)生SEL的幾率越大，也就是說最壞情 況是粒子小角度入射時，但從封裝與SEL的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，小角度入射將會使得粒子入 射要經(jīng)過封裝材料，這樣將會影響入射質(zhì)子能量并最

18、終影響SEL的產(chǎn)生。從入射角度與入射質(zhì)子能量增加的關(guān)系考慮，能量小時小角度入射所產(chǎn)生的SEL橫截 面大，但隨著質(zhì)子能量的增加，質(zhì)子所產(chǎn)生的SEL橫截面與粒子入射角度的關(guān)系越來越小， 造成這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為當(dāng)質(zhì)子能量非常大時，產(chǎn)生的反沖核的LET達(dá)到了器件的閾值 LET，使得角度變化對SEL的影響變小。對上述封裝、器件新材料的使用、質(zhì)子能量和質(zhì)子入射角度的分析可以看出，器件質(zhì)子 SEL的最壞情況是，在環(huán)境溫度較高時，能量大于400MeV質(zhì)子在垂直入射和小角度斜入 射時器件的SEL情況。若使用重離子代替質(zhì)子與原子核反應(yīng)生成的反沖核時，使用的重離 子LET要大于35MeV-cm2/mg，因為質(zhì)子與

19、鎢原子核發(fā)生核反應(yīng)生成的最大LET約為35 MeV-cm2/mg，但隨著其它新高原子序數(shù)材料的使用，上述最壞情況應(yīng)隨之改變。11 3結(jié)束語對質(zhì)子SEL影響因素的分析是為了解電路在質(zhì)子環(huán)境下SEL的情況，對電路在質(zhì)子SEL 最壞情況下的研究可以使人們通過相應(yīng)加固措施保證在軌航天器在質(zhì)子環(huán)境中穩(wěn)定的運行。 上述分析均是地球輻射帶中質(zhì)子情況，若需研究地球輻射帶外輻射環(huán)境下質(zhì)子SEL情況， 還需考慮其它輻射環(huán)境中質(zhì)子的具體情況。為了保證電路中不發(fā)生SEL，可以使用深渠隔離 或直接使用完全抗SEL的SOI器件。參考文獻(xiàn)：盧希庭，原子核物理（修改版），北京，原子能出版社，2000.G. Bruguier

20、and J-M. Palau, Single Particle-Induced Latchup, IEEE transaction on nuclear science,1996,43（2）:522-532.R. G. Useinov, Analytical Model of Radiation Induced or Single Event Latchup in CMOS Integrated Circuits,IEEE transaction on nuclear science,2006,53(4):1834-1838.J. R. Schwank,M. R. Shaneyfelt,J.

21、Baggio, Effects of Angle of Incidence on Proton and Neutron-Induced Single-Event Latchup, IEEE transaction on nuclear science , 2006, 53(6) : 3122-3131.A. I. Chumakov, A. N. Egorov, O. B. Mavritsky, Single Event Latchup Threshold Estimation Based on Laser Dose Rate Test Results, IEEE transaction on

22、nuclear science ,1997, 44(6):2034-2039.J. R. Schwank,M. R. Shaneyfelt,J. Baggio, Effects of Particle Energy on Proton-Induced Single-Event Latchup, IEEE transaction on nuclear science ,2005,52(6):2622-2629.J. Barak, J. Levinson, A. Akkerman, A New Approach to the Analysis of SEU and SEL Data to Obtain the Sensitive Volume Thickness, IEEE transaction on nuclear science,1996,43(3):907-911.Phi