单粒子锁定与温度的关系探究

到20世纪80年代中期，单个粒子引起的CMOS电路的锁定现象已是众所周知的一种单粒子效应，但是，关于锁定的重要特征尚未全面明晰。这其中就包括温度对SEL的影响特征问题，开发建模工具以及确定影响锁定灵敏度的其他关键因素等。Kolasinski等人在对温度依赖性的具体研究中，发现温度升高会导致锁定阈值降低，并且截面会随温度升高而增加（见图3-31）。此外，在高温下测试时，在室温下未锁定的部件很容易发生锁定。这表明在电子器件和集成电路的加固保障测试过程中，在最高使用温度下对被试器件进行测试评估的重要性。

相关试验研究工作表明，采用的测试结构的饱和横截面随温度而增加，这主要是由于锁定触发条件依赖于温度导致的有效面积的增大和扩散电荷的增加，所以饱和横截面具有固有的温度敏感性。其他试验研究也发现，这些相同的机制也支配着SRAM器件的饱和锁定横截面的特征。专门测试结构的试验结果表明，为了使饱和横截面随温度显著增加，不需要存在着多个锁定路径。专门测试结构的试验也表明，由于阱电阻和正向压降的温度敏感性，单粒子锁定的LET阈值随着温度增高而增加，发生锁定的路径也比较明确。试验结果表明，对于三种不同的工艺，观察到LET阈值的差异很大，与P型外延N阱工艺相比，体型P阱工艺实际上更不易诱发SEL，尽管这并不相关于温度敏感性，但这种试验结果表明了衬底掺杂程度对单粒子锁定敏感性的重要作用。

与其他辐射效应不同，单粒子锁定具有非常强的温度依赖性，在锁定评估和测试过程中必须将其考虑在内（见第4章说明）。图3-31和图3-32分别给出了测试结构和复杂电路的锁定阈值和横截面与温度的关系。从图中可以看出，与室温结果相比，发生锁定的LET阈值在100℃降低了约一半。LET阈值的显著降低是由两个主要因素引起的，一个是双极性结构的固有特性，即“在温度升高的情况下，正向电压（VBE）降低（约为-2 mV/℃），另外，高温下阱电阻的增加也是一主要因素。结果净效应表现为，与室温下的LET阈值相比，LET阈值在100℃情况下约降低了一半。其中，大约30%的下降是由于VBE的下降所引起，余下的降低系数是由阱电阻的增加所引起。尽管电阻率的温度系数取决于掺杂水平，但是对于低于1018cm-3的掺杂水平来说，这种机制还是合理的。对于许多CMOS器件以及测试结构，在器件处于高温条件下辐照时，许多试验测试证实了发生锁定的LET阈值将会明显降低的这一特征。

图3-31　单粒子锁定与温度的相关性

（a）N阱测试结构；（b）体硅工艺64K SRAM

温度不但影响LET阈值，而且也影响饱和截面大小。其原因是，随着器件触发阈值下降，在给定的LET值下，更多的阱面积会影响横截面。图3-31中专门测试结构的试验结果清楚地表明了这一点。对于该电路，不饱和截面的增大是由两个因素引起的，一个是增大了低LET阈值的阱区域的有效面积，另一个是随温度升高，可以打开的路径数量总数将会增加。(www.xing528.com)

图3-32　单粒子锁定敏感性与温度的相关性

在单粒子锁定特性方面，这种密切的温度相关性十分重要，需要特别予以关注。因为在室温下不表现出锁定的电子器件和集成电路可能会在高温下出现锁定现象。因此，室温条件下的测试不能全面评估单粒子诱发锁定的敏感性。显然，在敏感性评估和加固保障测试中，不仅需要在应用中预期最高温度下测试电子器件和集成电路，而且还必须仔细指定获得测试结果的具体温度数值或范围。这样一来，温度控制设备将会在单粒子效应的重离子测试中增加一定的难度，从后面第4章中可以知道，试验过程需要在器件上提供直接的束流照射路径（器件去掉封装）以及在真空系统中与器件建立可靠热接触的复杂性。

到20世纪90年代中期，Johnston等人对温度对SEL的影响进行了进一步研究。使用具有体硅N阱和P阱CMOS工艺的测试结构，基于外延N阱的结构以及具有体硅P阱CMOS工艺的64K SRAM，他们的试验测试结果表明，发生锁定的阈值取决于收集的总电荷和触发灵敏度。收集的总电荷与温度的变化不太敏感，但掺杂水平密切关联；而触发灵敏度随着温度从25℃到100℃的增加而增加2.5倍，这主要是由于阱中压降的增加以及扩散电阻的增加。测试结果证明，这种效应与衬底类型和所测试器件的工艺差异无关。结果表明，由于扩散电荷收集的增加，横截面增加了2.0倍；从测试结构分析知道，随着电荷收集的增加，对阱接触电阻较低的区域可以实现相同的发射极正向偏置，并触发锁定，不需要存在额外的锁定路径来解释饱和截面随温度增加的现象。