一种SRAM存储器抗瞬时电离辐射效应加固方法技术领域
本发明涉及一种SRAM存储器抗瞬时电离辐射效应加固方法。
背景技术
瞬时电离辐射效应是核爆炸辐射环境对电子器件影响最为严重的辐射效应之一。
它能在极短的时间内在器件内部形成光电流，可以导致数字电路的存储数据发生翻转，导
致器件功能失效，甚至直接将器件烧毁。随着半导体工艺集成度的提高，越来越多的CMOS工
艺集成电路被应用在军用卫星或战略武器上以实现更先进的性能。为保证军用卫星和战略
武器在恶劣环境下的可靠性，瞬时电离辐射条件下数据翻转和闩锁效应的加固措施十分重
要。
为了降低研发成本、实现优异功能以及缩短研发周期，在武器中采用商用SRAM存
储器是军用卫星和武器系统新的发展方向。商用SRAM存储器是指能够从市场上直接购买得
到的现货器件，可以避免发达国家对于军用级和宇航级器件施行的出口限制。商用器件的
生产厂家多，性能强大，价格低廉。因此，在国产CMOS工艺集成电路加固水平不及发达国家
水平的情况下，在战略武器和军用卫星上采用商用SRAM存储器会大大降低研发升本，缩短
研发周期。但与军用级和宇航级集成电路不同的是，商用SRAM存储器未采用专门的加固措
施,其抗辐射能力较弱。可以预见的是，当采用商用SRAM存储器的军用卫星或战略武器受到
核打击时，就会受到辐射效应的严重影响产生性能退化甚至烧毁。
SRAM存储器的闩锁效应主要是由于其内部寄生的晶体管结构造成的，这些寄生结
构可以在瞬时电离辐射下被激活(形成闩锁)，这种情况下寄生晶体管形成一种低阻状态并
使集成电路的功能发生失效。导致闩锁效应的主要晶体管结构是寄生的四层PNPN结构，如
图1所示，四层分别可以表示为正极、正极栅、负极栅、负极。这种PNPN结构可以表示为两只
通过正反馈组合在一起的晶体管，如图2所示。在受到瞬时电离辐射时，半导体材料内会在
短时间内产生大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对在外电场和内建电场的共同作用下漂
移或扩散，从而形成瞬时光电流。这些电流流过P阱电阻时如果产生足够大的压降，就会使
寄生NPN晶体管的基极-发射极导通，使NPN管进入放大模式，同时NPN管的导通会使得有电
流流过N阱电阻，同样产生压降导致竖向的PNP管基极-发射极也正向偏置开启，这样PNP管
也进入放大模式。PNP管的导通也使得流过P阱电阻的电流增加，使得NPN管进一步导通。如
此循环，最终导致两个寄生晶体管饱和，在电源和地之间产生就会构成一个低阻通道，形成
足以维持下去的大电流，这就是瞬时电离辐射闩锁效应。在这种状态下，由于电流升高导致
芯片温度急剧升高，甚至会导致器件烧毁。CMOS器件在瞬时电离辐射条件下的数据翻转主
要是由于当脉冲辐射产生的光电流足够大时，由于寄生电容充电，当晶体管导通或截止或
输出电压超过器件“0”和“1”逻辑噪声容限时，就能使得数字电路的逻辑电平翻转，存储器
因写读错误而丢失数据或信息出错，数据翻转效应可导致电子系统的功能紊乱甚至失效。
CMOS器件瞬时电离辐射闩锁效应可以表达为：
CMOS器件瞬时电离辐射数据翻转效应的光电流可以表达为：
从原理上避免瞬时电离辐射闩锁效应应当尽量降低寄生晶体管增益以获得较低
的晶体管增益乘积，当βnpn·βpnp＝1时，理论上需要无穷大的维持电流才会发生闩锁，此时
闩锁效应不会发生；另外尽量降低光电流可以减小CMOS工艺电路发生瞬时数据翻转的产
生，从式(2)可见，光电流的大小在确定的剂量率和器件结构前提下，和载流子寿命τ有关，
降低载流子寿命可以有效的减小光电流，当光电流产生的影响小于器件“0”和“1”逻辑噪声
容限时就不会发生数据翻转效应。
CMOS器件形成闩锁的必要条件如下：
(1)寄生NPN和PNP双极晶体管的电流增益乘积大于1；
(2)P-N-P-N四层结构处于正向偏压，并使寄生的NPN或PNP晶体管的发射极-基极
处于正向偏压从而引起寄生晶体管导通；
(3)电源向P-N-P-N四层结构提供的电流大于维持电流IH。
目前解决瞬时电离辐射闩锁效应的方法较少，而且大多数方法是针对单粒子闩锁
效应，一般从闩锁条件中第二、第三个条件出发。例如专利申请201010603955《一种抗单粒
子闩锁效应的标准单元设计方法》在芯片的驱动模块与其余模块之间加入n阱少数载流子
保护环，使得靠近少数载流子环的衬底浓度减小，并增加衬底电阻，从而防止芯片中寄生晶
体管导通发生闩锁效应。专利申请2007101185433《一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解
除电路》中采用的通过电压比较器识别闩锁故障，切断全部电源供电通路，直到闩锁效应解
除再重新上电。
目前针对瞬时电离辐射导致的数据翻转效应进行加固的方法也很少，其中大多数
也是空间单粒子效应相关的加固方法。专利申请201310397216《抗辐射加固存储单元电路》
是采用冗余设计和双路循环反馈技术实现抗单粒子翻转和闩锁效应加固，但该方法的冗余
设计只适用于低翻转率的单粒子效应，在强流脉冲电离辐射环境下由于大量的数据错误，
冗余设计并不能发挥纠错作用。
发明内容
为了解决现有的SRAM存储器在强流脉冲电离辐射环境下产生闩锁效应和数据翻
转效应的技术问题，本发明提供一种SRAM存储器抗瞬时电离辐射效应加固方法。
本发明的技术解决方案是：一种SRAM存储器抗瞬时电离辐射效应加固方法，其特
殊之处在于：包括以下步骤：
1】对SRAM存储器样本进行全参数测试，筛选出参数差异性小于5％的样本，将得到
的性能指标参数作为参考标准；
2】在步骤1】筛选出的样本中任意选择多只器件进行辐照实验，得到电离辐射总剂
量失效阈值；
3】在步骤2】筛选后的剩余样本中任意选择多只器件，使用不同注量的反应堆中子
对其进行辐照处理；
4】对经过不同注量中子辐照后的样本进行全参数测试，筛选出符合参考标准的样
本；
5】在步骤3】筛选后的剩余样本中任意选择多只器件，与步骤4】中筛选 出的样本
一起进行瞬时电离辐射实验，获得翻转效应曲线和闩锁效应曲线；
6】分别从翻转效应曲线和闩锁效应曲线中得到翻转效应阈值和闩锁效应阈值；分
析翻转效应阈值和闩锁效应阈值与步骤4】中的中子注量的关系，得到满足加固要求条件下
的最小中子注量值；
7】按照步骤6】中得到的最小中子注量值对需要加固的SRAM存储器进行中子辐照。
步骤2】中的辐照实验是在钴源上开展的γ射线辐照实验，辐照过程中对器件加偏
置并进行读写操作，当读写出现错误时的辐照剂量值为电离辐射总剂量失效阈值。
步骤3】中每个辐照注量下的器件数量均大于步骤2】中辐照实验的样本数量。
步骤3】中进行辐照处理的过程中将器件管脚全部短接。
步骤3】中的反应堆伴生γ总剂量低于步骤2】中确定的电离辐射总剂量失效阈值。
步骤5】中进行瞬时电离辐射实验时，将多个器件沿瞬时脉冲射线发射方向依次排
列，利用热释光剂量片测量器件受到的辐射剂量。
步骤5】中进行瞬时电离辐射实验时，对器件进行反复实验，每个器件的累积脉冲
总电离剂量低于步骤2】中确定的电离辐射总剂量失效阈值的10％。
本发明的有益效果在于：本发明采用的加固方法是在不改变电路设计和工艺步骤
的前提下利用反应堆中子辐照提高商用SRAM存储器瞬时电离辐射闩锁效应阈值以及提高
抗瞬时电离辐射翻转效应阈值，该方法是对商用SRAM存储器进行的外部处理，不改变原有
器件结构和固有尺寸，也不会增加外围电路。方法实现容易，降低了研发成本。
附图说明
图1为典型的CMOS器件寄生PNPN结构示意图。
图2为闩锁正反馈回路示意图。
图3为SRAM存储器抗瞬时电离辐射效应加固方法流程图。
图4为数据翻转效应示意图。
图5为数据闩锁效应示意图。
图6为SRAM存储器闩锁阈值和中子注量关系图。
图7为SRAM存储器数据翻转阈值和中子注量关系图。
具体实施方式
本发明通过中子辐照引入的位移损伤，使CMOS内部寄生双极晶体管的电流增益
降，提高导致闩锁的维持电流阈值，从而避免闩锁效应。同时，中子辐射可以严重降低少数
载流子寿命，使得瞬时电离辐射导致的光电流降低，防止光电流的影响超出存储单元的逻
辑噪声容限，减小数据发生翻转的概率。最终，通过不同注量的中子辐照找到明显改善器件
抗瞬时电离辐射能力的最佳等效1MeV中子注量。
如图3所示，本发明SRAM存储器抗瞬时电离辐射效应加固方法的较佳实施例步骤
流程如下：
(1)选择待加固的商用SRAM存储器同批次样本，并对器件样本进行全参数测试，得
到该器件的各项性能指标参数作为参考标准。筛选出一致性良好的样本作为辐照对象，辐
照对象的参数差异性需小于5％。
(2)在样本中选择6只器件在钴源上开展电离辐射总剂量实验，辐照过程中器件加
偏置，并进行读写操作。当读写出现错误时，辐照的剂量值为样本的总剂量效应失效阈值。
(3)选择等效1MeV中子注量为1×1012n/cm2～1×1014n/cm2之间的4到6个注量值，
分别对样本进行中子辐照，每个辐照注量下的样本数量应大于6只，以确保结果的可靠。辐
照过程中样本的管脚全部短接，尽量减小电离辐射总剂量效应的影响，同时反应堆伴生γ
总剂量应不超过SRAM存储器总剂量效应阈值。
(4)对经过不同注量中子辐照后的样本进行全参数测试，判断中子辐照后器件参
数是否依然符合技术指标要求，对于超出指标要求的中子注量值可以认定为过度辐照。
(5)对中子预辐照后功能完好的器件以及未经中子预辐照的样本分别进行相同瞬
时电离辐射环境的效应实验(用于对比中子辐照前后的阈值变化)，通过瞬时电离辐射实
验，每只器件每次实验可获得一个翻转数据(或闩锁电流)与剂量率的对应关系，进而获得
正常样品和中子辐照处理后样品的翻转效应曲线 和闩锁效应曲线；典型的数据翻转效应
和闩锁效应如图4和图5所示。实验中器件可以沿着瞬时脉冲射线发射的方向依次排列以减
少实验成本，并利用热释光剂量片测量器件受到的辐射剂量。在瞬时电离辐射实验中器件
可以反复实验，但是其累积的脉冲总电离剂量不得超出其稳态总剂量效应失效阈值的
10％。
(6)通过步骤(5)获得样本器件的闩锁阈值和数据翻转效应阈值，对闩锁阈值和中
子注量的关系、翻转阈值和中子注量的关系进行分析，如图4、图5中得到的满足加固要求条
件下的最小中子注量(同时器件的功能参数指标应处于正常范围)，就可以将之作为该器件
的加固标准中子预辐照注量。图4中过高的中子辐照可能会对器件的其他功能或参数造成
不必要的影响，因此能够满足加固标准的中子注量即可作为最佳辐照注量。
(7)利用最佳中子注量值对批量SRAM存储器进行辐照加固。