[發明專利]一種CMOS器件抗單粒子閉鎖的加固方法

有效

• 申請號: 201610065541.1
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105679658B
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發明（設計）人: 郭紅霞;潘霄宇;羅尹虹;丁李利;張鳳祁;魏佳男;趙雯;王園明;劉玉輝
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: H01L21/263
• 分類號: H01L21/263;G01R31/26
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 楊亞婷

本發明公開了一種CMOS器件抗單粒子閉鎖的加固方法，對CMOS器件進行中子輻照，通過中子輻照引入位移損傷,使器件CMOS反相器內部寄生雙極晶體管的電流增益降低到不致發生P?N?P?N閉鎖，該加固方法是一種外部加固方法，不增加生產器件的工藝步驟，不用針對單粒子閉鎖效應重新設計器件版圖，不增加原有系統的復雜性。因此，不會改變器件的固有尺寸，也不會增加外圍電路。

技術領域

本發明涉及一種CMOS器件抗單粒子閉鎖的加固方法，尤其適用于商用CMOS器件抗單粒子閉鎖的加固。

技術背景

小衛星作為當前航天領域的一個重要研究方向，對于國防建設具有重大意義。為了降低研發成本、減輕質量以及縮短研發周期，在小衛星中采用商用CMOS器件是航天技術新的發展方向。

商用CMOS器件是指能夠從市場上直接購買得到的現貨器件，包含兩層意思：一是指產品的級別是商業級或工業級，以區別于軍用級和宇航級；二是產品有現貨供應，不需要專門定制。目前，發達國家對于軍用級和宇航級器件實行出口限制，而商用現貨器件的引進相對比較寬松。而且商用器件的生產廠家多，選擇余地大。一般的軍用級、宇航級抗輻照器件的成本為1000到10000美元，而商用CMOS器件的成本為1到100美元。因此，小衛星上采用商用CMOS器件會大大降低研發升本，縮短研發周期。

由于未采用專門的加固措施,商用CMOS器件自身抗輻射能力弱于軍用級和宇航級器件。可以預見的是，當采用商用CMOS器件的小衛星放在宇宙空間輻射環境中，就會受到輻射效應的影響產生性能退化甚至損傷。

單粒子閉鎖(Single Event Latchup，SEL)是宇宙空間輻射環境對電子器件產生的輻射效應之一，它能在極短的時間內對硬件造成永久性的破壞，危害極大，因此宇航用電子器件是應該完全避免發生單粒子閉鎖效應的。目前，行業規定小衛星上使用的器件抗單粒子閉鎖的LET(Linear Energy Transfer)閾值應不低于75MeV·cm²/mg。這也就為商用CMOS器件在小衛星上的使用提出了更高的加固要求。

CMOS器件內部寄生的P-N-P-N四層結構如圖1所示，類似于晶閘管結構。其中豎向的PNP管中，P⁺源極(接VDD)作為發射極E、N阱作為基極B、P型外延層作為集電極C；橫向的NPN管中，N⁺源極作為發射極E、P型外延層作為基極B、N阱作為集電極C。

這種結構可以等效為兩個三極管(PNP和NPN)正反饋連接如圖2所示，在遭受重離子轟擊時，半導體芯片內會產生大量的電子-空穴對，這些電子-空穴對在外電場和內建電場的共同作用下漂移或擴散，從而形成電流。這些電流流過P阱電阻R_P時如果產生足夠大的壓降，就會使寄生NPN晶體管的基極-發射極導通，使NPN管進入放大模式，同時NPN管的導通會使得有電流流過N阱電阻R_N，同樣產生壓降導致豎向的PNP管基極-發射極也正向偏置開啟，這樣PNP管也進入放大模式。PNP管的導通也使得流過R_P的電流增加，使得NPN管進一步導通。如此循環，最終導致兩個寄生晶體管都飽和，在電源和地之間產生就會構成一個低阻通道，形成足以維持下去的大電流，這就是單粒子閉鎖現象。在這種狀態下，由于電流升高導致芯片溫度急劇升高，進而會導致器件燒毀。

CMOS器件形成閉鎖的必要條件如下：

(1)寄生NPN和PNP雙極晶體管的電流增益乘積，即β_npn·β_pnp＞1。

(2)P-N-P-N四層結構處于正向偏壓，并使寄生的NPN或PNP晶體管的發射極-基極處于正向偏壓從而引起寄生晶體管導通。

(3)電源能向P-N-P-N四層結構提供的電流大于維持電流I_H。