典型國產雙極工藝宇航用穩壓器單粒子閂鎖效應研究

汪 波，羅宇華，劉偉鑫，孔澤斌，樓建設，彭克武，付曉君，韋錫峰

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

0 引 言

航天器在軌運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境的影響[1-2]。這些空間輻射環境中的帶電粒子，如質子、電子、重離子等會對宇航用半導體器件造成單粒子效應、電離總劑量效應和位移損傷效應，嚴重威脅到航天器的長壽命和高可靠運行，是航天器在軌發生故障的重要原因之一[3-4]。與電離總劑量效應和位移損傷效應的長時間累積過程不同，單粒子效應是指單個高能粒子穿過半導體器件敏感結點時，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點收集形成脈沖信號，導致器件狀態發生非正常改變甚至永久損傷[5]，該輻射效應屬于一種即時的反應過程。隨著航天器用半導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，單粒子效應愈加嚴重，對航天器在軌可靠運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，單粒子效應受到了廣泛研究[6-9]。研究結果表明體硅CMOS結構由于存在寄生的PNPN結構，容易引發單粒子閂鎖效應。在正常狀態下寄生PNPN結構的等效晶體管處于高阻關斷狀態，當高能粒子入射后將器件內寄生的可控硅PNPN結構觸發開啟，形成低電阻、大電流狀態。文獻[10-12]研究表明大部分雙極工藝器件由于沒有PNPN寄生結構，不存在誘發單粒子閂鎖效應物理結構，一般僅對單粒子瞬態效應敏感。關于雙極工藝器件受重離子輻照后誘發單粒子閂鎖效應尚沒有文獻報道。

本文對某衛星選用的國產雙極工藝降壓型開關穩壓器進行了不同LET值重離子輻照試驗，試驗過程中實時監測器件輸出端波形變化幅度和器件管腳電流，定量評價了器件抗單粒子瞬態效應和單粒子閂鎖效應。結合重離子輻照試驗數據，采用脈沖激光試驗獲得了器件內部單粒子閂鎖敏感區域和結構特征，深入探討了重離子輻照下國產雙極工藝結構器件產生閂鎖效應的物理機制。

1 試驗樣品及重離子試驗

1.1 試驗樣品與試驗條件

試驗樣品為某衛星選用的國產雙極工藝LT1936降壓型開關穩壓器，采用高速線性雙極工藝制造，實際應用時裸芯片焊裝在某衛星天線有源控制器的電源降壓變換模塊中，實現將輸入的13 V電壓變換成-3.3 V電壓功能。

試驗所用輻射源為中國原子能科學研究院的HI-13串列加速器的T4單粒子效應試驗終端。試驗中選取了4種粒子進行輻照試驗，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 試驗所用離子信息

1.2 單粒子效應檢測系統

單粒子效應測試系統如圖1所示，由輻照試驗電路板、程控電源、電子負載、多用表、示波器、路由器、計算機和電纜等組成。LT1936降壓型開關穩壓器裸芯片安裝在有源控制器的電源降壓變換模塊中，試驗過程中器件表面正對加速器的束流窗口。試驗電路板通過電纜和串口連接線與程控電源、電子負載、示波器和主控制計算機相連。主控制計算機實現對示波器的控制和數據采集。遠程控制計算機通過30 m長網線以及路由器等與主控制計算機相連，試驗人員通過在遠程控制計算機上操作測試軟件實現對所有儀器設備的控制并實時獲取測試數據。

圖1 單粒子效應測試系統框圖

試驗過程中通過示波器實時在線監測和存儲電源降壓變換模塊輸出電壓變化波形，結合單機實際應用狀態，若輸出電壓波形變化幅度超過±10%并且持續時間大于1μs，則判定為一次單粒子瞬態效應。試驗過程中上位機軟件控制程控電源實現器件電源管腳電流在線監測和存儲，若電流出現陡增，則通過觸發閾值限流斷電，從而保護器件和電路。

1.3 單粒子效應試驗步驟

單粒子效應試驗步驟和注意事項如下：

1)試驗前根據輻照靶室的條件，將試驗板固定在輻照支架上，應保證試驗裝置與試驗支架移動的一致性，確保入射離子輻照到被測器件的敏感區表面。

2)安裝、調試單粒子效應檢測系統通信，確保各項功能正常。

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

4)對被測器件進行單粒子瞬態效應輻照試驗時，若出現單粒子瞬態效應次數達到100次或者重離子注量達107ions/cm2(以先到者為準)，則停止輻照。

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

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

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

2 試驗結果與分析

2.1 重離子輻照試驗結果

圖2給出了27F離子(LET值為5 MeV·cm2·mg-1)輻照試驗過程中示波器監測的SW管腳輸出波形，從圖中可以看出試驗開始前SW管腳的輸出信號是具有一定周期性的脈沖信號，當27F離子轟擊器件時，導致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值重離子輻照試驗結果。

圖2 單粒子瞬態效應誘發LT1936器件輸出異常

從表2中可以看出，當輻照重離子LET值增大至37.37 MeV·cm2·mg-1時，在重離子注量達到1.6×106ions/cm2時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隨即互鎖關機，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，隨后關斷無輸出(如圖3所示)。此時暫停74Ge離子轟擊LT1936器件，模塊仍不能恢復至正常，經斷電重啟后模塊恢復正常工作；繼續輻照試驗，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時出現5次以上現象。

表2 不同LET值重離子輻照試驗結果

圖3 單粒子閂鎖效應導致LT1936器件SW管腳無輸出

為進一步確認試驗現象，更換LT1936器件后再次進行74Ge離子(LET值為37.37 MeV·cm2·mg-1)輻照試驗，在74Ge離子輻照累積注量分別為3.7×105ions/cm2，1.2×106ions/cm2時2次出現模塊輸出由-3.3 V突增至0 V，9 V隨即互鎖關機，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定位

為探尋LT1936器件單粒子敏感區域和結構特征，在中國科學院空間科學與應用研究中心脈沖激光單粒子效應試驗裝置上開展了輻照試驗。試驗選用的激光波長1064 μm，光斑直徑約2 μm，脈寬25 ns，脈沖重復頻率1 kHz，掃描步距10 μm，激光能量2 nJ。

試驗時將應用線路板固定到脈沖激光試驗裝置上，設置脈沖激光源，按照器件尺寸設置工作臺，使器件按照設定的X軸掃描速度，Y軸偏移步長進行移動，直到掃描遍歷整個器件，掃描過程中實時監測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

整個器件掃描過程中，當脈沖激光掃描至基準源區域時誘發器件發生單粒子閂鎖效應，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，該異常現象與74Ge離子(LET值為37.37 MeV·cm2·mg-1)輻照誘發的單粒子效應一致。通過脈沖激光試驗精確定位了器件輻射敏感區域(如圖5所示)。

圖5 輻射敏感區域版圖

對進口雙極工藝降壓型開關穩壓器按照相同條件進行了激光全芯片掃描，未出現電源電流陡增和功能中斷情況。

2.3 輻射損傷機理分析

圖6給出了輻射敏感區域版圖的器件剖面圖，根據國產雙極工藝降壓型開關穩壓器LT1936工作原理，該器件內部的基準源含有肖特基二極管，為了提高該肖特基二極管耐壓，芯片設計師在肖特基接觸的周圍設計了P+型保護環，該P+型保護環與NPN三極管(Q管)的集電極和基極之間有可能形成一個寄生的PNP三極管(P1管)；P1管和Q管構成了一個PNPN結構(如圖8所示)，在LT1936器件正常工作時，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P1管發射極電位低于基極電位，P1管關斷，該寄生PNPN結構不能導通[13]。

圖6 敏感區器件剖面圖及寄生PNP管結構示意圖

當重離子入射到寄生PNP三極管P1的基區B時，通過與基區硅材料相互作用，其動能將與晶格能量進行交換，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，位于基區下側的N+區由于外加電壓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生分離[14]，形成從N+埋層到P1管基區B的瞬發電流Irad(如圖7所示)，導致基區B電勢低于N+埋層外接的VIN電壓；從N+埋層到基區B的瞬發電流Irad隨著LET值的增大而增大，并且基區B所在的外延層電阻率較高、方塊阻值較大，當瞬發電流Irad增大到一定值，引起基區B的電勢低于VIN-1.4 V時，將誘發寄生PNP三極管P1導通。

圖7 重離子轟擊器件誘發單粒子閂鎖效應示意圖

寄生PNP三極管P1導通后，電流流向NPN三極管Q的基極，在Q管的電流放大作用下，Q管的發射極輸出大電流，抬高Bias電壓；Bias在ASIC器件中為運算放大器、振蕩器、鎖存器等模塊單元供電，Bias電壓抬高后將誘發這些模塊單元電流增大，從而為Q管發射極輸出電流提供了泄放通道，Q管的發射極電流由流過集電極串聯電阻R產生足夠的壓降(≥1.4 V)讓寄生PNP三極管P1持續導通，使寄生PNPN結構一直維持此狀態。

2.4 故障注入模擬試驗驗證

為了驗證輻射敏感區域和輻射損傷機理分析的準確性，采用電路模擬軟件Spectre在LT1936器件內部基準源添加寄生PNP結構，實現電路級的瞬態故障注入模擬。故障注入模擬試驗過程中，在寄生PNP三極管P1的基區B上施加一個脈沖低電壓(如圖8所示)，模擬重離子轟擊器件后的觸發效果。

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結果，當寄生PNP三極管P1的基區B施加瞬態低電壓脈沖后，寄生PNP三極管P1將導通，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，同時抬高Q管發射極電壓(Bias)到10.3 V，Q管的大電流同時又拉低P1管的基極電壓，維持P1管的開啟，使該寄生結構進入穩定狀態。

圖9 電路級故障注入模擬試驗結果

2.5 抗輻射工藝加固建議

國外進口雙極工藝降壓型開關穩壓器進行激光試驗并未出現異常，通過工藝版圖比對發現進口器件內部模塊肖特基版圖中沒有P型環，沒有多個功能模塊共用一個隔離島情況，這樣該部分中不存在PNPN結構。結合國產LT1936器件輻射損傷機理和進口試驗結果，提出如下2項工藝加固改進措施:1) 增加NPN三極管(Q管)集電極穿透環，減小串聯電阻R；2)將NPN三極管(Q管)與肖特基二極管分開到兩個隔離島，避免寄生PNP產生。

3 結 論

研究了某衛星選用的國產雙極工藝降壓型開關穩壓器抗單粒子效應性能，研究結果表明器件發生單粒子瞬態效應閾值小于5 MeV·cm2·mg-1。一般認為雙極工藝器件對單粒子閂鎖效應不敏感，但重離子輻照試驗發現在LET值為37.37 MeV·cm2·mg-1時產生了疑似單粒子閂鎖效應的現象。采用脈沖激光單粒子試驗精確定位了輻射敏感位置，結合半導體器件物理和輻射效應理論，分析認為由于芯片內部多個功能模塊共用一個隔離島，同一個隔離島內的器件之間形成的寄生PNP管與隔離島內NPN管形成了PNPN可控硅結構，使其在重離子入射后電離出大量的電子-空穴對導致晶體管通道開啟，在寄生結構PNPN的正反饋作用下，電流被進一步放大，形成大電流再生現象，誘發單粒子閂鎖效應。采用電路模擬軟件Spectre實現電參數級的瞬態故障注入模擬，復現了單粒子閂鎖效應現象，進一步驗證了該國產雙極工藝器件輻射敏感位置產生閂鎖效應的物理機制。后續我們將持續關注雙極工藝器件的單粒子效應，進一步研究國產器件在優化電參數時引起工藝結構的改變與單粒子閂鎖效應的關系。