质子SEL影响因素分析47

1、质子SEL影响因素分析汪俊1,2师谦2邓文基1（1华南理工大学微电子所，广东广州，510640；2电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室，广东广州510610）摘要：本文主要对质子单粒子闩锁（SEL）的影响因素进行了分析，首先介绍了质子SEL原理，然后对电 路质子SEL有重要影响的四个影响因素一封装、新材料的应用、质子能量和质子入射方向进行了详细分析。 分析结果表明，要研究最坏情况下地球辐射带中质子SEL，需要在较高环境温度情况下（一般取125。0， 使用能量大于400MeV的质子在斜入射和垂直入射时对SEL进行同时研究。关键字：单粒子闩锁，闩锁横截面，线能量传输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引言随着器件进入深亚微米阶段，质子单粒子闩锁（SEL）表现的越来越明显，越来越受到 人们重视，这和深亚微米阶段新材料的应用以及器件特征尺寸缩小等是分不开的。在深亚微 米阶段，电路质子SEL影响因素的分析非常重要（特别是电路处于质子SEL的最坏环境以 及其它条件情况下），这样可以了解电路在相应质子环境下受质子SEL的影响情况，通过分 析质子SEL对电路进行相应加固，使电路达到人们可接受的抗质子SEL的程度，下面首先 介绍质子SEL原理。1质子SEL原理在介绍电路质子SEL的影响因素前，首先介绍质子SEL的原理。SEL主要发生在存在 PNPN或NPNP的四层结构中。CMOS电路中就存在这样

6、的结构，该结构在CMOS电路中 导致的是寄生三极管效应，也就是所谓的闩锁效应，是由于两个寄生三极管（一个横向和一 个纵向寄生三极管）的产生，然后由于外界噪声使得其中一个三极管导通，最终两个寄生三 极管间形成正反馈，导致电路处在大电流状态，这时只要外电路能提供电路此时所需要的维 持电流和电压，电路就会处于这种大电流状态，并最终可能烧毁电路。质子SEL是当单个质子入射到电路敏感区后，质子与电路中原子的原子核发生核反应 产生一个轻核和一个重反冲核（研究发现质子与有些高Z原子的原子核的核反应会产生两 个重反冲核），然后重反冲核在器件中沉积能量，并在其径迹上产生电子空穴对等离子体， 从而在器件内部产生一

7、条通路，形成一个大瞬时电流，这个噪声若达到使CMOS中寄生三 极管导通并能形成正反馈后，此时若电源电压或电流在寄生三极管工作的维持电压或电流以上，电路就产生了 SEL。1图1就是这样一个简单的四层结构，只要有这样的结构存在，电路就有可能在外界噪声 的作用下产生SEL。图2是对其触发原理的解释图，从图中可以看出，当产生的噪声达到寄 生电路所需要的触发电流和触发电压时，寄生三极管触发导通并形成正反馈，然后电路中电 流增大，并达到电源电压所能提供的电路最大电流。在这种大电流状态下，最终可能烧毁电 路。23图1简单的NPNP四层结构图2闩锁触发原理图2 SEL影响因素分析对器件或电路SEL影响因素的分

8、析，可以了解器件或电路的SEL特性。对电路在最坏 SEL情况下的分析最终可能决定器件或电路的应用。在质子SEL测试中，入射质子的方向、 入射质子能量、电路的材料和外封装等都将影响电路SEL特性，下面将对这些因素进行分 析，并对影响因素的最坏情况进行说明。2.1封装在实际应用中，电路或器件都是经过封装的。不论封装使用的是何种材料，当质子从器 件或电路的封装材料入射到器件中时，将会造成能量损失。据文献4中研究表明，在塑封 的器件或电路中，不同能量的质子经过封装材料后能量的损失不同，对于能量为50MeV的 质子，当质子经过封装材料后，质子的能量损失约为20%，而对于质子能量为105MeV的 质子来说

9、，通过封装材料后仅损失能量的5%。质子能量的大小会影响质子和原子核反应所产生的反冲核的能量以及其线能量传输（LET）值的大小，质子能量越大，产生的反冲核能量越大，产生的LET值也增大；同时 对反冲核的运动方向将会起很大作用，质子能量大时，产生的反冲核（这里均指重反冲核） 在器件中的运动方向将会和入射质子的运动方向相一致，若质子能量小，产生的反冲核在器 件中的运动方向和质子入射方向相反。从能量损失和重反冲核的运动角度考虑最终均增加低 能质子的闩锁横截面的减小，这说明封装材料对低能质子的作用效果大于高能质子。由于封 装是在电路的侧面，这样会认为质子垂直入射可能会更容易产生SEL，实际研究表明，虽然

10、 斜入射时封装会造成质子能量损失，但斜入射会减小电路的有效阈值LET，综上所述，实 际研究情况下，还需对质子垂直入射和小角度斜入射时质子SEL进行同时研究，并最终确 定质子SEL最坏情况。452.2新材料使用在质子SEL的研究中，为了节约成本，人们常使用一定LET值的重离子进行实验来检 测器件在质子环境下的SEL情况。人们在质子核反应的研究中发现，低能质子与低原子序 数的原子原子核（包括Si原子核）发生核反应最多产生LET为11MeV-cm2/mg的反冲核。 当质子能量达到500MeV时，其反冲核的LET也仅能达到13MeV-cm2/mg。根据上述结果人们使用了 LET值大于质子与硅原子核反应

11、产生的反冲核的最高LET值的重离子进行实验来 模拟质子能量最大情况下质子SEL。但实际应用中通过重离子检测没有发生SEL的电路在 空间质子环境中发生了 SEL。对地球辐射带的研究表明，在地球辐射带中，最高质子的能量约为400MeV，这个能量 下质子与电路中原子的原子核发生核反应产生反冲核的LET应该比13 MeV-cm2/mg小，不 会在上述情况下产生SEL，SEL产生应该是由于器件内部产生了 LET值大于器件SEL阈值 LET的粒子，研究发现是由于新材料的使用。随着器件进入深亚微米阶段，为了解决布线，物理实现等问题，使用了很多新材料。例 如铜布线代替了铝布线等。这些高原子序数材料（铜，钛，钨

12、等）的使用，对质子SEL的 产生造成了重要影响。上述问题的产生是由于人们在研究质子与器件原子原子核发生核反应 时，仅考虑质子与硅原子和氧原子等小原子序数原子的原子核的核反应，在这些核反应中， 质子与硅核反应产生的反冲核的LET较氧产生的反冲核LET大。考虑质子与作用较大的硅 产生的反冲核的作用时，仅能产生最大LET值约为13 MeV-cm2/mg的反冲核，使用重离子 代替质子反冲核的实验未考虑到质子与器件中其它材料原子核反应可能产生的反冲核，导致 产生对SEL敏感的器件对SEL完全不敏感的结论。研究发现，在深亚微米器件中使用的新 高原子序数材料一铜、钛和钨等的原子原子核与质子发生核反应后产生了

13、 LET值非常大的 反冲核，其中质子与钨原子的原子核发生核反应产生两个重反冲核，并能产生最大LET值 约为35 MeV-cm2/mg的反冲核。回7图3是500MeV质子与不同原子原子核核反应产生反冲核的LET值与SEL横截面关系 曲线。从500MeV质子与深亚微米器件中原子原子核发生核反应生成的反冲核LET值可以 发现，在质子能量为500MeV的情况下，质子与氧原子核发生核反应产生的反冲核最大LET 值约为8MeV-cm7mg，与铜原子核发生核反应产生的反冲核最大LET值约为20 MeV-cm2/mg，与钛原子核发生核反应产生的反冲核最大LET值约为23 MeV-cm2/mg，其中 质子与钨原

14、子核发生核反应产生的反冲核LET值最大，达到约35 MeV-cm/mg，这是由于 钨的原子序数较大的原因。可见在使用重离子代替质子核反应产生的反冲核时，最坏情况下 应使用重离子LET值大于35 MeV-cmVmg的重离子。凶随着新的高原子序数材料在新器件和电路中的不断应用，这将影响质子对器件的SEL 特性，使得器件对质子SEL越来越敏感。10203040LET。一UU)10203040LET。一UU)匚口=口山仍 SS2OdnLlulE_J图3 图3 500MeV质子与各原子原子 核产生反冲核的LET （线能量传 输）与SEL横截面关系曲线图4温度为85 C时，不同厂家 SRAM电路在质子能量

15、变化时的 闭锁横截面曲线2.3质子能量研究表明，在质子能量增加时，质子与器件中原子原子核发生核反应所产生的反冲核的LET变化非常小，虽然如此，研究质子能量与SEL的关系还是有必要的。对低能质子SEL 的研究发现，研究低能质子SEL时，会产生某些对质子SEL敏感的电路产生对质子SEL不 敏感的结果。文献9中使用能量最高为100MeV的质子进行实验，结果表明该电路对SEL 完全不敏感，但该器件在使用时发生了 SEL，对质子SEL敏感。图4中也可看出，检测D 厂家生产的产品时，若仅使用质子能量为200MeV以下的质子进行实验，就会发现电路不 会产生SEL，得出该电路抗质子SEL的结论。由于地球辐射带

16、中质子的最大能量约400MeV，为了保证卫星等航天器能在这种质子环 境中运行时其中的器件不受质子影响。应使用高能质子对器件SEL特性研究。从上述封装对质子SEL的影响可知，不同能量的质子对器件SEL的影响不同。对于不 同能量的质子，在通过封装材料时，低能质子和高能质子所造成的能量损失不同，造成对器 件SEL的影响不同；不同能量的质子与器件中原子的原子核发生核反应产生的反冲核能量 也不一样，质子能量越高，产生的反冲核能量越大，LET越大，反冲核的入射范围也大， 导致高能质子容易产生SEL。反冲核在器件中的运动方向直接和质子的能量和入射方向有关，当入射质子的能量非常 大时，产生的反冲核的运动方向和

17、质子入射方向相一致（不一定相同），当质子能量较小时， 发生核反应所产生的反冲核与质子入射方向相反，这一点可以从动力学得到解释。当质子径 迹朝向器件SEL敏感区或附近时，高能质子由于其产生的反冲核方向和质子一致，所以产 生SEL的几率增大。102.4质子入射角度粒子的入射角度在单粒子效应的研究中一直都是个研究重点，它对单粒子效应的影响非 常大，这对SEL也不例外，可以从以下方面对其进行分析：要使器件产生SEL，一般情况下入射角度越小产生SEL的几率越大，也就是说最坏情 况是粒子小角度入射时，但从封装与SEL的关系研究中发现，小角度入射将会使得粒子入 射要经过封装材料，这样将会影响入射质子能量并最

18、终影响SEL的产生。从入射角度与入射质子能量增加的关系考虑，能量小时小角度入射所产生的SEL横截 面大，但随着质子能量的增加，质子所产生的SEL横截面与粒子入射角度的关系越来越小， 造成这种现象的产生是因为当质子能量非常大时，产生的反冲核的LET达到了器件的阈值 LET，使得角度变化对SEL的影响变小。对上述封装、器件新材料的使用、质子能量和质子入射角度的分析可以看出，器件质子 SEL的最坏情况是，在环境温度较高时，能量大于400MeV质子在垂直入射和小角度斜入 射时器件的SEL情况。若使用重离子代替质子与原子核反应生成的反冲核时，使用的重离 子LET要大于35MeV-cm2/mg，因为质子与

19、钨原子核发生核反应生成的最大LET约为35 MeV-cm2/mg，但随着其它新高原子序数材料的使用，上述最坏情况应随之改变。11 3结束语对质子SEL影响因素的分析是为了解电路在质子环境下SEL的情况，对电路在质子SEL 最坏情况下的研究可以使人们通过相应加固措施保证在轨航天器在质子环境中稳定的运行。 上述分析均是地球辐射带中质子情况，若需研究地球辐射带外辐射环境下质子SEL情况， 还需考虑其它辐射环境中质子的具体情况。为了保证电路中不发生SEL，可以使用深渠隔离 或直接使用完全抗SEL的SOI器件。参考文献：卢希庭，原子核物理（修改版），北京，原子能出版社，2000.G. Bruguier

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