吴 昊，朱 翔，韩建伟，上官士鹏，马英起，李 悦，赵 旭，杨 涵

(1.中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)

CMOS集成电路因其功耗低、速度快和抗干扰能力强等众多优点成为当今大规模集成电路主流工艺技术。CMOS电路的阱工艺会产生寄生PNPN结构，即可控硅电路。这种寄生结构正常状态下处于高阻状态，但会被多种方式激活形成低阻抗大电流状态，导致锁定效应[1-4]。空间环境中电离能力强的宇宙线粒子或辐射带质子以及陆地中子在正常工作的器件内部产生足够强的瞬时电流脉冲就是激活方式的一种，即单粒子锁定效应(SEL)[5-9]。商用器件性能高、成本低、研发周期短，并能满足部分航天器的要求，在航天任务中使用商用器件已成为一种趋势。但商用器件的抗辐射能力普遍较差，随着半导体工艺尺寸的减少，高密度商用SRAM芯片展现出对SEL极端敏感的特性。空间应用时频繁的锁定现象严重冲击航天器安全[10]。开展SRAM单粒子锁定试验，依据SRAM发生单粒子锁定时的特性采取相应保障措施，是抗单粒子设计的一项重要内容[11]。对空间电子系统高可靠、长寿工作具有重大现实意义。

抗单粒子锁定防护策略主要分为版图设计、工艺改进和电路级防护3种。文献[12]通过在P衬底上生长深P阱(DPW)的方法，在不增加器件对单粒子翻转敏感度的前提下，提高了抗单粒子锁定的能力。文献[13]指出CMOS电路增加保护环设计，相对于传统的双阱设计，可降低50%的单粒子锁定发生概率。但上述两种防护策略不适用于已完成设计成产的商用器件，电路级防护成为一种有效的手段。文献[14-15]对SRAM K6R4016V1D和IDT71V416S进行了电路级防护研究，研究表明，两款芯片采用串接电阻的防护方法仅能起到减小锁定电流的作用，不能达到阻止锁定发生的目的。文献[16]对一种CMOS工艺LDO的单粒子锁定效应及维持电流的特性进行研究。结果表明，采用限流处理后能有效退出SEL状态，但未对电源限流给出一个精确的范围。

本文利用脉冲激光单粒子效应实验装置，对CMOS工艺SRAM CY62167DV30LL进行单粒子锁定研究，提出两种电路级防护方法，并利用激光脉冲装置验证防护效果。

1 试验样品及激光脉冲单粒子试验

1.1 试验样品与试验条件

试验样品选用CYPRESS公司CY62167DV30LL型号SRAM，试验样品主要参数列于表1。工作电压为2.2～3.6 V，可配置为1 M×16或2 M×8两种工作模式。脉冲激光无法穿透器件金属层，采用正面辐照时能量无法全部到达器件有源区。试验选用1 064 nm红外波段激光，在典型CMOS工艺掺杂浓度的Si衬底中穿透深度大于700 μm。激光脉冲试验前，对样品进行背部开封装处理，以露出衬底进行背部辐照。

表1 试验样品主要参数Table 1 Main parameters of test samples

试验在中国科学院国家空间科学中心脉冲激光单粒子效应试验装置上进行，脉冲激光装置主要技术参数如表2所列。

表2 脉冲激光单粒子效应实验装置主要技术参数Table 2 Main technical parameters of pulse laser single event effect experimental device

1.2 试验系统

激光脉冲单粒子试验系统如图1所示，试验系统由脉冲激光器、光路、CCD、三维移动台、控制计算机、电源、电流表、试验电路板组成。试验电路板由主控芯片及待测样品组成。将试验电路板固定于三维移动台上，三维移动台的位置和移动方式由控制计算机编程控制。脉冲激光器产生的激光经过相应光路调节和物镜聚焦后辐照试验样品，待测样品表面和激光光斑可由CCD相机成像在控制计算机显示。试验样品由直流电源供电，电流由电流表读出，器件电压通过万用表测得。

图1 激光脉冲单粒子试验系统Fig.1 Laser pulse single event effect test system

1.3 试验方法及内容

转动三维移动台调平旋钮使待测样品衬底水平，调整三维移动台竖直高度使激光聚焦在待测样品衬底表面，CCD相机成像在控制计算机显示明亮聚焦光斑，再次升高三维移动台，明亮光斑变弱逐渐消失直至再次出现，即激光聚焦到器件金属布线层，再将器件下移2 μm,此时激光聚焦在器件有源区。本文工作重点是器件在发生单粒子锁定的前提下通过电路级防护退出锁定的方法研究，不涉及锁定阈值及反应截面，不关注激光在器件敏感单元沉积能量大小及等效重离子LET值，所有试验均在激光能量400 pJ，光斑聚焦直径2 μm下进行。三维移动台设置遍历扫描模式，x轴扫描步距5 μm，y轴匀速运动5 000 μm·s-1，激光脉冲频率1 000 Hz,激光注量4×106cm-2。图2为脉冲激光扫描示意图。

图2 脉冲激光扫描示意图Fig.2 Schematic of pulse laser scanning

当试验样品电流增大为器件规定最大工作电流的1.5倍以上，器件出现功能失效且需重新上电才能恢复正常时认为发生单粒子锁定效应。激光扫描发生锁定后，停止三维移动台扫描程序，器件保持锁定状态。逐步降低电源电压，记录多组锁定电流及器件电压值。继续降低工作电压，直到器件退出锁定状态，记录退出锁定状态时电源电压值。因为待测器件要在大电流状态下进行操作并记录多组试验数据，为防止器件因锁定电流过大造成局部温度升高致器件烧毁，在器件与电源间串联电阻降低锁定电流以达到保护器件目的。在电阻50、40、30 Ω下分别进行3次试验。

1.4 试验结果与分析

PNPN双端器件正向I-V特性曲线如图3所示。本文定义试验样品发生锁定后器件电流为锁定电流ISEL，发生锁定后器件电压为锁定电压USEL，曲线1与曲线2拐点处的电流、电压分别为维持电流Ihold、维持电压Uhold。CMOS电路寄生PNPN机构发生锁定后，会呈现出纯电阻电路特性[17]。SRAM触发单粒子锁定后，可等效为电阻进行电路分析，等效电路如图4所示，3种试验条件下SRAM锁定时的等效电阻值、Ihold、Uhold为同一值。通过测得数据线性拟合出待测样品Ihold和Uhold。

图3 PNPN双端器件正向I-V曲线Fig.3 Current-voltage characteristic of latch-up PNPN structure

图4 试验样品锁定态等效分析电路图Fig.4 Equivalent analysis circuit diagram of test sample in latch-up state

图5a右上部分为不同试验条件下发生单粒子锁定后ISEL与电源电压U的变化关系。图5b为图5a左下部分放大图，即退锁定时电源电压对应的Ihold。3种试验条件下电源电压与器件电流拟合曲线公式及维持电流列于表3。

图5 锁定电流与电源电压变化关系(a)与局部放大图(b)Fig.5 Relationship between latch-up current and power supply voltage (a)and partial enlargement (b)

表3 电源电压与锁定电流拟合公式Table 3 Fitting formula between supply voltage and latchup current

图6a右上部分为不同试验条件下发生单粒子锁定后USEL与电源电压U的变化关系。图6b为图6a左下部分放大图，即退锁定时电源电压对应的Uhold。3种试验条件下电源电压与器件电压拟合曲线公式及维持电压列于表4。不同试验条件下推算的维持电压与维持电流差值较小，符合理论推断。

表4 电源电压与锁定电压拟合公式Table 4 Fitting formula between supply voltage and latch-up voltage

图6 锁定电压与电源电压变化关系(a)与局部放大图(b)Fig.6 Relationship between latch-up voltage and power supply voltage (a)and partial enlargement (b)

2 SEL电路级防护设计

CMOS器件发生单粒子锁定后继续保持锁定的条件是进行电路级防护设计的前提。寄生PNPN结构被激活形成低阻抗大电流状态后，继续保持锁定需要满足3个条件：1)晶体管的增益必须满足βPNPβNPN≥1，即能形成正反馈电流放大作用；2)U>Uhold，电源必须大于保持电压；3)I>Ihold，电源须具有能提供大于等于PNPN结构保持电流的能力[17]。只要3个条件中的任意条件不具备，都可使器件退出锁定状态。条件1需对器件采用版图设计、工艺设计等器件级防护策略，本文依据条件2、3采取电路级防护策略。

2.1 电源限流防护设计

2.1.1电源限流防护机理及分析 基于保持锁定的第3个条件I>Ihold，采用电源限流的防护设计，即令电源提供的最大输出能力小于锁定维持电流Ihold，PNPN可控硅电路无法进入持续的正反馈过程使CMOS器件锁定状态不能保持而解除锁定状态。采用此种防护方法的前提是器件维持电流要大于正常工作电流，且两者的差值即限制电流可选取的范围。限制电流与器件工作电流及维持电流的关系如图7所示。可采用恒流源电路对器件输入电流进行限流控制，如图8所示，电路由LM317稳压集成电路、可调电阻器、稳压管、滤波电容组成[18]。通过控制可调电阻器调节输出电流，稳压二极管稳定测试器件的电压，同时分流多余电流。输出的恒定电流需大于负载工作电流变动范围上限。若负载工作电流变动较大，当工作电流较低时，会导致很大一部分电流作用于稳压二极管上，导致能源的浪费。

图7 限制电流与维持电流和器件工作电流的关系Fig.7 Relationship among limiting current,holding current and working current of device

图8 恒流源电路原理图Fig.8 Schematic diagram of constant current source circuit

2.1.2电源限流试验验证 打开激光脉冲，三维移动台遍历式扫描直到发生单粒子锁定，停止三维移动台扫描程序，试验电路板重新上电使器件退出锁定。按照扫描相反方向手动逐步移动三维移动台，找到单粒子锁定敏感点。在该物理坐标下，每次打开激光器，均会触发单粒子锁定。对电源进行不同限流设置，每次设置后打开激光脉冲，观察器件电流。维持电流取表3中间值约10.3 mA。预测电源限流小于该值时，器件可退出单粒子锁定。

在电源不同限流条件下，试验结果列于表5。电源限流大于等于15 mA时，激光脉冲辐照敏感点，发生单粒子锁定，锁定电流为电源限流。电源限流小于等于10 mA时，SRAM电流波动。器件触发锁定后，寄生PNPN结构导通电阻迅速下降，电流迅速提高。因电源限流，输出能力达不到Ihold而退出锁定，因激光继续辐照，再次触发锁定。器件电压电流特性在图3中曲线1和曲线2拐点处不断震荡。关闭脉冲激光，器件迅速推出锁定。试验结果表明，进行电源限流防护设计后，虽然器件发生了单粒子锁定，但由于切断了电源提供PNPN结构保持电流的能力，使锁定状态不能保持，器件退出锁定状态。

表5 电源限流不同时激光脉冲辐照试验现象Table 5 Phenomena of laser pulse irradiation test under different current limiting values of power supply

在限流10 mA和30 mA条件下遍历扫描芯片，限流10 mA时，全芯片扫描未发生单粒子锁定,限流30 mA时，在图2的x轴方向585 μm处发生单粒子锁定。电流随时间曲线如图9所示。

图9 限流10 mA(a)与限流30 mA(b)的电流-时间变化曲线Fig.9 Current-time curve of current limiting 10 mA (a)and 30 mA (b)

全芯片写入数据，采取电源限流前后对SEL敏感点辐照，电流异常后关闭快门，隔断激光脉冲。回读数据，结果列于表6。

表6 采取电源限流前后辐照敏感点对数据的影响Table 6 Influence of irradiation sensitive points on data before and after power current limiting

试验结果表明，可采取恒流源等电源限流手段进行电路级防护设计。限制电流I取值范围为Isb

2.2 分压电阻防护设计

2.2.1分压电阻防护机理及分析 基于保持锁定的第2个条件U>Uhold，采用分压电阻的防护设计，在电源与SRAM间串接电阻，如图10所示。串联电阻一直是作为降低锁定电流的一种方法，器件触发锁定后，寄生PNPN结构完全导通，电源和地之间形成大电流通路，此时电阻会分压，降低器件电压，导致锁定电流降低，电阻分压也会降低，最后电压电流会平衡在1个稳定状态。串联电阻越大，电流越小，但串联电阻分压越大。若在动态平衡过程中器件电压小于维持电压Uhold，则PNPN结构无法进入正反馈状态，锁定状态不能保持从而达到退锁定的目的。

图10 分压电阻防护设计示意图Fig.10 Schematic of protection design for divider resistor

2.2.2分压电阻试验验证 试验前期步骤与2.1.2节相同。电源与SRAM间串接电阻器。打开激光脉冲辐照单粒子锁定敏感点。记录锁定电压，关闭脉冲激光，调节电阻，重复试验，试验结果如图11所示。串接小于等于60 Ω电阻时，器件发生单粒子锁定，锁定电压随电阻增大而减小。串接70 Ω及以上电阻时，器件电流出现波动现象，即动态平衡过程中器件电压小于维持电压Uhold不断退出锁定又不断被触发。关闭激光脉冲，器件恢复正常工作电流，迅速退出锁定。

在串接电阻10 Ω和80 Ω条件下遍历扫描芯片，串接80 Ω电阻时，全芯片扫描未发生单粒子锁定,串接10 Ω电阻时，在图2的x轴方向830 μm处发生单粒子锁定。电流随时间曲线如图12所示。

器件能否采取分压电阻的防护策略受器件工作电流、分压电阻与锁定电压关系曲线、维持电压三者共同决定。从图11可看出，随着电阻的增加，锁定电压并非线性降低，而是近似于反比关系，阻值越大，电阻降低锁定电压的能力越弱。但因为CMOS工艺集成芯片的高输入阻抗特性，器件正常工作时电阻分压近似于线性增加，所以在保证器件工作电压的前提下，串联电阻能否达到避免单粒子锁定发生的目的因器件而异。此款SRAM在工作频率1 MHz条件下标准工作电流为2 mA，串接70 Ω电阻分压0.14 V，工作电压2.2～3.6 V，属于器件电压允许的容差范围，实测读写功能正常。

全芯片写入数据，采取分压电阻前后对SEL敏感点辐照，电流异常后关闭快门，隔断激光脉冲。回读数据，结果列于表7。

表7 采取分压电阻前后辐照敏感点对数据的影响Table 7 Influence of sensitive points on data before and after using voltage divider resistance

试验结果表明，可采取分压电阻手段进行电路级防护设计。分压电阻R取值范围为Rhold

3 结论

本文针对CMOS工艺SRAM CY62167DV30LL进行了一系列激光脉冲辐照试验，研究了其单粒子锁定特性。根据试验数据定量计算出其锁定效应的维持电压和维持电流。基于其电特性与维持锁定的条件，提出分压电阻和电源限流两种电路级防护方法，两种防护方法均易实现且不影响器件功能，具有较高的工程实用可行性。

1)此款SRAM的维持电压Vhold范围为1.5～1.6 V，维持电流Ihold范围为9.9～11.2 mA。

2)针对此款芯片，采取电源限流手段成功达到使器件退出单粒子锁定的目的，限制电流范围应大于器件标准工作电流2 mA，小于维持电流10.3 mA。

3)针对此款芯片，采取串接分压电阻手段成功达到使器件退出单粒子锁定的目的，标准工作条件下电阻最小取值在60～70 Ω之间，最大值为500 Ω。

此种电路级防护策略不能完全避免SEL的发生及因大电流瞬间造成的SRAM数据错误，但可使器件快速退出锁定状态。一方面可避免器件进入持续稳定大电流的锁定态毁坏器件；另一方面可极大降低数据异常数，并使错误限制在以敏感点为中心较小的范围。从而可通过对数据进行交错式存储，并利用传统的检错纠错手段保证数据正确。