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芯片在某些特定的使用場(chǎng)景下需要考慮輻射對(duì)芯片應(yīng)用可靠性的影響，比如航空航天領(lǐng)域，那么如何對(duì)芯片開展這類的測(cè)試來確認(rèn)是否滿足這些場(chǎng)景下的使用可靠性呢？

本文將從單粒子效應(yīng)入手，以TI的一顆宇航級(jí)負(fù)載開關(guān)為例，簡(jiǎn)單介紹單粒子效應(yīng)的測(cè)試流程與方法。

1. 什么是單粒子效應(yīng)

單粒子效應(yīng)（SEE）包括：

1）單粒子鎖定（SEL）

2）單粒子燒毀（SEB）

3）單粒子?xùn)艠O擊穿（SEGR）

CMOS電路有SEL敏感性的潛在風(fēng)險(xiǎn)，如果由高能離子通過引起的過量電流注入足夠高，觸發(fā)寄生交叉耦合PNP和NPN雙極結(jié)構(gòu)的形成（在p襯底和n阱以及n+和p+接觸之間形成），則可能發(fā)生SEL。由單粒子觸發(fā)的寄生雙極結(jié)構(gòu)會(huì)形成高導(dǎo)電路徑（導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)電流，通常比正常工作電流高幾個(gè)數(shù)量級(jí)）。這種電源和地之間的電流會(huì)持續(xù)或鎖定，直到電源被移除、器件復(fù)位或器件被高電流狀態(tài)破壞。

DMOS在關(guān)閉狀態(tài)下容易受到SEB/SEGR的影響。然而，器件也在所有可能的情況下（啟用和禁用）進(jìn)行了評(píng)估。SEB與SEL類似，當(dāng)重離子撞擊DMOSFET的寄生BJT時(shí)發(fā)生。當(dāng)具有足夠能量的重離子擊中p體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過量電荷，引起電壓降。該電壓降正向偏置寄生NPN的發(fā)射極-基極結(jié)（由N+源極、P基極區(qū)域和N漂移區(qū)域形成）。如果這種情況發(fā)生在DMOSFET處于高漏極偏置時(shí)，寄生npn BJT的二次擊穿可能發(fā)生，導(dǎo)致DMOS永久損壞。

當(dāng)重離子擊中DMOS的頸部區(qū)域（柵極下方）時(shí)，會(huì)在氧化物和硅上產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于DMOS的漏極到源極的正偏置場(chǎng)，漂移將過量電子和空穴分離。空穴被驅(qū)動(dòng)到氧化物上方，而電子被傳輸?shù)铰O。氧化物上收集的空穴在柵極氧化物的另一側(cè)產(chǎn)生等量的電子鏡像。由于事件后的電荷注入和收集比電子-空穴對(duì)的傳輸和復(fù)合快，柵極氧化物上可能會(huì)產(chǎn)生電壓瞬態(tài)。如果該電壓累積高于氧化物擊穿電壓，則可能在氧化物上引起永久性損壞，導(dǎo)致破壞性柵極擊穿。

2. 輻射測(cè)試準(zhǔn)備：器件和測(cè)試板準(zhǔn)備

本次研究的對(duì)象是TPS7H2211-SP，它是一款航天級(jí)、4.5-V至14-V輸入、BiCMOS工藝、3.5-A負(fù)載開關(guān)。

測(cè)試樣品準(zhǔn)備

測(cè)試板準(zhǔn)備：使用修改后的TPS7H2211EVM-CVAL評(píng)估板來評(píng)估TPS7H2211-SP在重離子下的性能和特性。用于重離子測(cè)試活動(dòng)的板與官方TPS7H2211EVM-CVAL板的唯一區(qū)別是輸出電壓（VOUT

out）平面的分離。

3. 輻照設(shè)施和設(shè)置

本次介紹的SEE研究使用的重離子種類由TAMU回旋加速器輻射效應(yīng)設(shè)施提供，使用超導(dǎo)回旋加速器和先進(jìn)的電子回旋共振（ECR）離子源。在使用的通量下，離子束具有良好的通量穩(wěn)定性和高輻照均勻性，適用于1英寸直徑的圓形橫截面區(qū)域。

4. 測(cè)試設(shè)置和程序

TPS7H2211-SP采用TI線性BiCMOS 7（LBC7，250-nm工藝）制造，后端（BEOL）堆棧由四層標(biāo)準(zhǔn)厚度鋁金屬組成。基于標(biāo)稱層厚度，從鈍化層表面到硅表面的總堆棧高度為13.5 μm，如圖5-1所示。考慮到通過1-mil厚的Aramica束流端口窗口、40-mm空氣間隙和TPS7H2211-SP上的BEOL堆棧的能量損失，使用SEUSS 2020軟件（由德州農(nóng)工大學(xué)回旋加速器研究所提供，基于最新的SRIM-2013模型）確定了硅襯底表面的有效LET、深度和離子范圍。

SEE測(cè)試在安裝在修改后的TPS7H2211EVM-CVAL上的TPS7H2211-SP器件上進(jìn)行。器件電源通過J6（VIN-1in-1）和J10（GND）輸入為頂部供電，J18（VIN-2inin-2）和J22（GND）輸入為底部供電，使用N6765A精密電源和N6705機(jī)架上的4線配置。使用Chroma E-Load（電子負(fù)載）在恒定電流（CC）和恒定電阻（CR）模式下將器件加載到3.5A進(jìn)行SEE測(cè)試活動(dòng)。

對(duì)于SEL和SEB/SEGR，器件被供電至最大推薦工作電壓14V，并加載最大負(fù)載3.5A。對(duì)于SEB/SEGR表征，器件在啟用和禁用模式下進(jìn)行了測(cè)試。通過將TP9（頂部）和TP24（底部）連接到GND來禁用器件。

使用一個(gè)National Instruments™（NI）PXIe-5162示波器卡和一個(gè)National Instruments™（NI）PXIe-5172示波器卡監(jiān)控SEE事件。5172示波器用于監(jiān)控和觸發(fā)VOUTout out，使用圍繞標(biāo)稱輸出電壓±3%的窗口觸發(fā)。5162示波器用于監(jiān)控和觸發(fā)軟啟動(dòng)（SS）信號(hào)，觸發(fā)條件為VIN-0.3 V，使用上升沿/正觸發(fā)。兩個(gè)示波器都安裝在NI PXIe-1095機(jī)箱上。

5. 測(cè)試結(jié)果示例

注：TPS7H2211-SP的總電離劑量（TID）額定值為100 krad（Si）。在SEE測(cè)試過程中，每次運(yùn)行的重離子輻照劑量約為10 krad（Si）/10^7 ions/cm²。所有器件的累積TID暴露量控制在100 krad（Si）的額定值以下。