单粒子锁定的机理及优化方法

20世纪60年代，随着CMOS工艺出现，锁定现象随之被发现。CMOS器件的锁定主要是其制造工艺过程形成的寄生晶体管所引起。这些寄生晶体管形成了PNPN结构，在器件正常工作状态下，这种寄生结构处于高阻状态，对器件工作没有影响。但是这种寄生结构可能被各种方式所激发而处于导通状态，如果外部电源能够提供足够的电流，那么电路就会发生热损坏。自从20世纪90年代以来，由于CMOS器件具有功耗低、速度快和抗噪声能力强等优点，市场上一半以上的电子器件与集成电路都是采用CMOS工艺制造。也由于上述优点，CMOS器件在航天器电子设备中得到了广泛的应用。但是，空间辐射环境中的带电粒子容易在CMOS器件中引发单粒子锁定（Single Event Latchup）现象，空间辐射环境中的高能重离子和质子核反应产生的离子会在半导体硅材料中电离产生出高密度的柱状电子-空穴对，这种瞬态的电流流动会使CMOS器件中寄生的PNPN结构处于导通状态，从而形成所谓的单个粒子诱发的锁定。

卫星在轨运行实践表明，各国卫星上采用的CMOS器件或集成电路的电子设备及部件中都出现过多次单粒子锁定（SEL）现象，有的导致卫星部分功能异常，有的引发航天器仪器失效，如我国“神舟”飞船留轨舱中电子设备中出现过多次大电流状态，只有通过地面遥控指令的干涉，使其供电电源掉电后重新加电，才能消除电子设备的大电流状态。直至目前，单粒子锁定现象一直是困扰CMOS器件在航天器电子设备上应用的一个难题。

1979年，Kolasinski等人在CMOS工艺制造的1 Kbit和4 Kbit存储器中观察到了单粒子诱发的锁定现象。在他们的研究工作中，考察了加速器离子在不同照射方向下器件的锁定特性。其后，许多研究工作者相继肯定了单粒子锁定现象的存在，1983年，Stephen等人分别利用高能重离子和放射性同位素锎源裂变碎片，在CMOS器件中观察到了单粒子诱发的锁定现象，当时试验中发现，利用锎源裂变碎片测定的锁定截面要比利用67.0 MeV的Kr+离子测定的锁定截面高一个数量级，研究者将这种差异归咎于离子能量和LET值的不同。经过20世纪80年代的研究，确定了单粒子诱发锁定的基本特征参数，即单粒子锁定发生的离子LET阈值、锁定截面和锁定发生时的保持电流及电压等。并在相关问题的研究工作中，单粒子锁定现象的其他特征被发现，并进行了深入的研究。在这些研究工作中，最主要的发现和重要研究工作是单粒子锁定的温度相关性、仿真分析计算，以及影响单粒子锁定敏感性因素的分析与确定。

1986年，Kolasinski等人在研究单粒子效应的温度相关性时，发现随着器件温度的增加，发生单粒子锁定的LET阈值降低，而锁定截面增加，试验中发现，一些在室温条件下不发生单粒子锁定的器件，而在较高温度下很容易出现单粒子锁定现象。1991年，Johnston等人对单粒子锁定的温度相关性效应进行了深入的研究，为此，其专门制作了基于体硅N阱和P阱工艺的相关试验和测试样品，试验结果表明，发生单粒子锁定的LET阈值主要取决于器件敏感节点的总收集电荷和触发敏感性。总电荷收集与温度的相关性不大，但它与器件的掺杂浓度密切相关。而锁定被触发的敏感性与温度相关性较大，当温度从25℃增加到100℃时，锁定触发敏感性增大2.5倍；分析认为，当器件温度升高以后，器件内部阱区间的分布电阻变大，从而使得带电粒子产生的瞬态电流在阱区产生的电压降落增高，因而锁定触发敏感性增加。(www.xing528.com)

在单粒子锁定的计算机仿真分析研究中，Rollins等人利用PISCES器件分析软件，在计算带电离子与器件内部产生的电子-空穴对输运的基础上，分析研究了决定单粒子锁定敏感性的相关器件结构参数及器件敏感区域；其利用重离子试验测试表明，在单粒子锁定的LET阈值方面，对较轻的离子而言，试验结果与仿真计算结果相符合得很好。但对较重的离子而言，计算模型不能拟合出锁定阈值的试验结果，分析表明，这种不一致性是由于计算分析中采用的带电离子输运计算软件（Cartesian二维计算分析软件）不能准确描述带电粒子的电离径迹结构所引起，这个问题一直到20世纪90年代末期仍处于研究中。在后来的研究工作中，由于三维器件分析软件的不断应用与开发，针对单粒子锁定也开展了三维仿真分析与计算。1993年，Y.Moreau等人利用三维计算分析软件，针对1 μm工艺制作的CMOS器件，分析了其单粒子锁定的敏感性。分析从带电粒子撞击器件内部开始，详细给出了电子-空穴对径迹结构随时间的变化过程；当电子或空穴漂移时，沿着径迹结构长度方向，随着电子-空穴对径迹结构半径的不断加大，其电压可以达到4 V以上，从而导致寄生晶体管发射极-基极间处于正偏状态，因而寄生垂直PNP晶体管处于导通状态。随后，当电子或空穴的扩散使得进入器件衬底的载流子浓度加大后，导致寄生水平NPN晶体管也处于导通状态，电子开始注入寄生晶体管中，这时候只要电源能够提供足够的电流，器件将处于锁定状态。不论是对轻离子还是重离子，利用三维计算分析软件获得的器件单粒子锁定LET阈值与试验结果相一致。

随着器件结构变得越来越小，其单粒子锁定的敏感性也越来越高，也由于在轨卫星电子设备中在经过南大西洋异常区的高能质子环境时发现了单粒子锁定现象，因此从20世纪90年代初期开始，研究工作者将研究重点之一转向高能质子诱发的单粒子锁定现象的研究上，地面试验及分析表明，高能质子诱发的单粒子锁定现象是由其与硅材料发生核反应后的产物及反冲产物所引起，并不是质子的直接电离过程所造成。20世纪90年代中期，研究工作者对重离子诱发的单粒子锁定敏感性和高能质子诱发的单粒子锁定敏感性进行了比对分析，有关试验结果表明，对同一类型器件而言，利用重离子测定的单粒子锁定饱和截面和利用质子测定的单粒子锁定饱和截面之间存在很大的差别，这种差别难以从质子核反应的物理理论上加以简单说明，进一步的分析表明，这种差异与器件结构、带电离子和质子反冲核产生的电子-空穴对的收集过程等密切相关。

单粒子锁定的大量研究工作主要是针对集成电路或器件的工艺加固设计而开展的，在该方面，为了理解CMOS器件发生单粒子锁定的基本物理过程和获得有效的器件工艺加固设计方法，许多研究工作中均采用专门制作的试验样品，研究工作从试验和计算机仿真等方面取得了重要成果，为器件的抗单粒子锁定加固工艺设计提供了试验和理论上的应用指导。在加固试验评估方面，除了针对具体器件的测试试验外，仍无系统的总结研究工作报道。在试验测试评估中，除了测定给出单粒子锁定发生的离子LET阈值和锁定发生时的保持电流及电压外，许多试验结果都给出了单粒子锁定截面随离子LET变化的曲线，但对集成电路或器件单粒子锁定敏感性的评估验证方法没有系统总结。随着脉冲激光单粒子效应模拟试验技术的不断研究和发展，研究工作者也采用聚焦脉冲激光束来模拟空间重离子诱发的单粒子锁定现象。研究发现，脉冲激光束可以对器件内部锁定敏感区的分布实现定位，但缺乏对其与重离子试验结果等效性的分析，使得其在加固评估中的应用受到限制。本章节在分析单粒子锁定的基本物理过程的基础上，试图通过两类典型CMOS集成电路的单粒子锁定测试和试验研究，比对分析单粒子锁定激光模拟与加速器模拟试验结果，总结针对单粒子锁定的地面模拟试验技术和加固验证评估方法。