體硅集成電路版圖抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)研究

田海燕，胡永強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 概述

隨著人類對宇宙探索的不斷深入，越來越多的電子設(shè)備被用于航空航天領(lǐng)域。而在太空環(huán)境應(yīng)用中存在的大量高能質(zhì)子、中子、α粒子、重離子等都會(huì)對電子設(shè)備中的半導(dǎo)體器件產(chǎn)生影響，繼而嚴(yán)重威脅航天器的可靠性和壽命。因此，為滿足不斷擴(kuò)大的航空航天領(lǐng)域的需求，增強(qiáng)半導(dǎo)體器件在輻射環(huán)境中工作的可靠性和穩(wěn)定性，對半導(dǎo)體器件輻射效應(yīng)的研究以及輻射效應(yīng)加固已成為太空領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

目前，體硅CMOS工藝作為半導(dǎo)體器件制成的主流工藝，其特征尺寸已經(jīng)進(jìn)入深亞微米，甚至100 nm以下。由該工藝條件制成的半導(dǎo)體集成電路在太空領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，會(huì)受到輻射引起的總劑量效應(yīng)影響和單粒子效應(yīng)影響。輻射效應(yīng)對半導(dǎo)體集成電路的影響表現(xiàn)為器件閾值電壓漂移、電路靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)電流增加、電路邏輯功能發(fā)生錯(cuò)誤等。所以，采用普通的器件及電路設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足太空及軍事領(lǐng)域應(yīng)用的需求，需要采用特殊的抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)。

本文首先分析了輻射效應(yīng)對器件產(chǎn)生的影響，并從版圖抗輻射設(shè)計(jì)加固的角度出發(fā)，介紹了幾種抗輻射版圖的設(shè)計(jì)方法，從而提高了電路的抗輻射性能，進(jìn)而提高了電路的可靠性。失，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略該機(jī)制對器件的影響。

2 輻射效應(yīng)分析

2.1 總劑量效應(yīng)對器件的影響

2.1.1 總劑量效應(yīng)對器件柵氧化層的影響

無論是硅柵還是金屬柵器件，在柵與襯底間均有一層50～200 nm的SiO2層，在輻射條件下，在SiO2/Si界面處會(huì)引起正電荷的堆積。這樣的正電荷堆積會(huì)引起器件閾值電壓的漂移，最終影響器件的性能。同輻射引入的俘獲空穴數(shù)量相對應(yīng)的閾值電壓變化可以表示為[1]：

式中：bh是氧化物中產(chǎn)生的空穴體密度被俘獲后形成的固定正電荷部分；參數(shù)h1是從Si/SiO2界面指向氧化物的距離，在此距離內(nèi)被俘獲的空穴可以同襯底向柵隧穿的電子復(fù)合。只有當(dāng)氧化物厚度小于2×h1（6 nm）時(shí)，才觀察不到顯著的空穴俘獲[2]。

圖1所示為典型的NMOS和PMOS管的I-V特性曲線隨輻射電離總劑量的增加而逐漸漂移的過程。圖中X軸為柵極電壓VG，Y軸為漏極電流ID。0表示未輻照前器件的I-V特性曲線；1、2、3、4表示不同輻照劑量下器件的I-V特性曲線。隨著時(shí)間的增加，電離總劑量增大，閾值電壓漂移就越大。對于NMOS管，柵極所接的正電壓大于閾值電壓時(shí)，晶體管開始導(dǎo)通。對于PMOS晶體管，柵極所接的負(fù)電壓小于閾值電壓時(shí)，晶體管導(dǎo)通。根據(jù)圖1（a），NMOS管隨著電離總劑量的增大，閾值電壓向負(fù)方向漂移，表現(xiàn)為閾值電壓減小。本該截止的晶體管變?yōu)閷?dǎo)通，原來該導(dǎo)通的晶體管需要截止時(shí)無法截止。同樣，根據(jù)圖1（b），PMOS管隨著電離總劑量的增大，閾值電壓向負(fù)方向漂移，表現(xiàn)為閾值電壓增加。本該導(dǎo)通的晶體管變?yōu)榻刂梗瓉碓摻刂沟木w管需要導(dǎo)通時(shí)無法導(dǎo)通。根據(jù)式（1），NMOS管與PMOS管的閾值電壓漂移量近似與柵氧化層的厚度tox的平方成正比。

但值得慶幸的是，隨著工藝關(guān)鍵尺寸的縮小，器件的柵氧化層厚度也隨之減小，器件的I-V特性漂移量降低。進(jìn)入0.18 μm之后，柵氧化層厚度低于12 nm，由輻射引起的閾值電壓漂移明顯減小甚至消

圖1 NMOS管和PMOS管在輻照條件下的I-V特性漂移

2.1.2 總劑量效應(yīng)引起的器件源漏區(qū)域漏電

采用自對準(zhǔn)工藝制作的NMOS管，多晶硅柵淀積在薄氧化層上，源/漏由沒有被多晶硅覆蓋的有源區(qū)注入形成，這種工藝制造出的電路密集度高，但使多晶硅柵在場氧和柵氧過渡區(qū)產(chǎn)生了邊緣寄生晶體管，該寄生晶體管對總劑量效應(yīng)十分敏感。在輻射條件下，SiO2場區(qū)邊緣堆積的正電荷會(huì)使邊緣寄生晶體管發(fā)生漏電。隨著輻射劑量的增加，邊緣寄生晶體管漏電流也迅速上升，當(dāng)漏電流增加到接近本征晶體管的開態(tài)電流時(shí)，晶體管會(huì)永久開啟，導(dǎo)致器件失效。圖2（a）為該漏電機(jī)制頂面示意圖，圖2（b）為該漏電機(jī)制剖面示意圖。

圖2 源/漏區(qū)域漏電頂層與剖面示意圖

2.1.3 總劑量效應(yīng)引起的場氧下漏電

場氧化層本來是為相鄰MOS管之間絕緣隔離的。但由于總劑量效應(yīng)，在場氧中會(huì)電離電子-空穴對，空穴在Si/SiO2系統(tǒng)的SiO2一側(cè)堆積形成的界面態(tài)會(huì)使場氧下反型，形成電子漏電通路。其漏電機(jī)制如圖3所示。場氧下反型形成的漏電通路能延伸到鄰近的MOS管源/漏區(qū)，這將增大VDD到VSS的靜態(tài)漏電流。

圖3 總劑量效應(yīng)引起的場氧下漏電

2.2 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)對器件的影響

單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)發(fā)生在含有存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的時(shí)序電路中，我們以鎖存器為例，解釋單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理。圖4為簡單的鎖存器結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸出節(jié)點(diǎn)受到單粒子入射形成“漏斗效應(yīng)”，產(chǎn)生大量的電荷，如圖5所示。在電場作用下，電離產(chǎn)生的電荷在器件中漂移，最終影響鎖存器的狀態(tài)。

圖4 簡單的鎖存器輸出節(jié)點(diǎn)受輻射影響

圖5 單粒子入射在器件內(nèi)部形成的“漏斗效應(yīng)”

當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為“0”時(shí)，NMOS管對地處于導(dǎo)通。此時(shí)，PMOS管的漏端與N阱形成的P-N結(jié)處于反偏狀態(tài)，形成的內(nèi)建電場方向從N阱指向PMOS漏端。當(dāng)PMOS漏端受到單粒子入射，電離出很多電子-空穴對。在電場的作用下，大量的空穴向PMOS的漏端漂移，而電子向N阱漂移。當(dāng)正電荷漂移至PMOS漏端的數(shù)量達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，就會(huì)改變原來存儲(chǔ)“0”的狀態(tài)，變?yōu)榇鎯?chǔ)“1”。原理如圖6（a）所示。

同樣，當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為“1”時(shí)，PMOS管對電源處于導(dǎo)通。此時(shí)NMOS管的漏端與P-襯底形成的P-N結(jié)處于反偏狀態(tài)，形成的內(nèi)建電場方向從NMOS管的漏端指向P-襯底。當(dāng)NMOS漏端受到單粒子入射，電離出很多的電子-空穴對。在電場的作用下，大量的電子向NMOS漏端漂移，而空穴向P-襯底漂移。當(dāng)負(fù)電荷漂移至NMOS漏端的數(shù)量達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，就會(huì)改變原來存儲(chǔ)“1”的狀態(tài)，變?yōu)榇鎯?chǔ)“0”，其原理如圖6（b）所示。

圖6 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)受單粒子效應(yīng)的影響

從上面的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)發(fā)生的條件是在CMOS電路結(jié)構(gòu)中存在反偏的P-N結(jié)，通過內(nèi)建電場實(shí)現(xiàn)電荷的漂移，從而影響原有的邏輯狀態(tài)。

3 版圖加固方法

隨著工藝尺寸的不斷減小，體硅MOS器件柵氧化層的厚度也不斷減薄。所以，總劑量效應(yīng)引起的閾值電壓漂移可以忽略。而總劑量效應(yīng)引起的器件源/漏區(qū)域漏電及場氧下漏電只能通過版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行抗輻射加固。而某些特定的單粒子效應(yīng)也可以通過版圖設(shè)計(jì)的手段進(jìn)行加固。

3.1 總劑量效應(yīng)版圖加固方法

首先，可選擇的器件版圖結(jié)構(gòu)是環(huán)形柵的結(jié)構(gòu)，以NMOS管為例，如圖7所示。圖7（a）圖中D端代表器件漏端區(qū)域，S端代表器件的源端區(qū)域，G為NMOS管的柵極，黑色方塊為接觸孔，外圍為P+注入的保護(hù)環(huán)。利用該版圖結(jié)構(gòu)，消除了原始MOS器件在邊緣處的寄生管，使MOS器件內(nèi)源/漏端之間不存在漏電通路；并且，加入P+保護(hù)環(huán)后，對不同NMOS器件之間由于總劑量效應(yīng)引起的場氧化層下反型后導(dǎo)致的電子漏電，能起到吸收的作用。其縱向的剖面圖如圖7（b）所示。從剖面圖也可以看出，由于柵的隔離，使器件源/漏之間消除了側(cè)邊寄生管，進(jìn)而消除了總劑量效應(yīng)引起的漏電通路。

圖7 環(huán)形柵 NMOS管示意圖

雖然通過環(huán)形柵結(jié)構(gòu)能夠改善MOS管在總劑量輻照條件下的漏電，但采用環(huán)形柵之后，MOS管的W/L比例就受到了很大的限制，而且很耗費(fèi)面積。一個(gè)環(huán)形柵的MOS器件最小W/L比為4∶1，用此結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)小比例或者倒比例MOS管幾乎是不可能的。

當(dāng)在抗輻射版圖設(shè)計(jì)時(shí)遇到倒比例MOS管，可以采用如圖8的版圖結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，同樣也是利用了柵極和柵氧化層，將MOS管的源端與漏端隔離，消除了原先存在的邊緣寄生管，從而消除了總劑量條件下器件內(nèi)部源/漏端之間的漏電。周圍也是采用P+環(huán)將器件和周圍器件隔離，保證了在總劑量輻射條件下不同器件之間不存在漏電。圖9為類似倒比例管的MOS管加固結(jié)構(gòu)。

在加固的單元結(jié)構(gòu)中，為了避免總劑量效應(yīng)引起的場區(qū)漏電，設(shè)計(jì)時(shí)采用了類似增強(qiáng)型PMOS管的結(jié)構(gòu)，以隔離單元之間的漏電通路，原理如圖10所示。此結(jié)構(gòu)在場氧中加入了柵控結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵接負(fù)電壓，從襯底中吸收正電荷，從而吸收由輻射導(dǎo)致漏電通道中的電子，使漏電通道被帶正電荷的區(qū)域隔離。與傳統(tǒng)的有源區(qū)周邊P+環(huán)隔離結(jié)構(gòu)相比，該設(shè)計(jì)不但消除了N+有源區(qū)與P+有源區(qū)之間由工藝尺寸要求的最小間距限制，節(jié)省了單元面積，同時(shí)還可以通過調(diào)節(jié)產(chǎn)生負(fù)電壓的負(fù)電荷泵級(jí)數(shù)，從而輸出更負(fù)的電壓，以應(yīng)對由于不同輻射劑量而導(dǎo)致的漏電量不同。

圖8 倒比例NMOS管示意圖

圖9 類似倒比例管的MOS管加固結(jié)構(gòu)

圖10 存儲(chǔ)單元隔離結(jié)構(gòu)

3.2 單粒子昆傾效應(yīng)（Quenching）的版圖加固

隨著工藝尺寸的不斷縮小，單粒子效應(yīng)對器件的影響將不僅僅局限于某一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而是會(huì)在臨近節(jié)點(diǎn)之間出現(xiàn)電荷分享。此單粒子效應(yīng)電荷分享機(jī)制就為昆傾效應(yīng)（Quenching）。例如，在設(shè)計(jì)與非門、或非門邏輯時(shí)，常常會(huì)將兩個(gè)串聯(lián)的MOS管版圖畫成如圖11所示的結(jié)構(gòu)。此版圖結(jié)構(gòu)制成的電路在受到單粒子效應(yīng)影響時(shí)，會(huì)同時(shí)影響到兩個(gè)MOS管的有源區(qū)，如圖12所示。

圖11 普通串聯(lián)MOS管版圖結(jié)構(gòu)

圖12 單粒子效應(yīng)對普通串聯(lián)MOS管影響

為減小此分享機(jī)制的存在，可以將兩個(gè)串聯(lián)的MOS版圖結(jié)構(gòu)換成如圖13的結(jié)構(gòu)。在受到單粒子效應(yīng)影響時(shí)，該版圖結(jié)構(gòu)將兩個(gè)MOS管的共用有源區(qū)隔離，從而消除了電荷分享機(jī)制的存在，如圖14所示，進(jìn)而提高器件的可靠性。

圖13 加固后串聯(lián)MOS管版圖結(jié)構(gòu)

圖14 單粒子效應(yīng)對加固后串聯(lián)MOS管影響

4 小結(jié)

為了滿足抗輻射電路設(shè)計(jì)的需求，本文首先分析了輻射效應(yīng)對器件產(chǎn)生的影響， 并從版圖抗輻射設(shè)計(jì)加固的角度出發(fā)，介紹了抗總劑量的環(huán)形柵、倒比例器件，以及抗單粒子昆傾效應(yīng)（Quenching）抗輻射版圖的設(shè)計(jì)方法。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，通過上述幾種版圖設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，可以提高電路的抗輻射性能，進(jìn)而提高了電路的可靠性。

[1] C Claeys, E Simoen. 先進(jìn)半導(dǎo)體材料及器件的輻射效應(yīng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2008.

[2] Walters M, Reisman A. Radiation-induced neutral electron trap generation in electrically biased insulated gate field effect transistor gate insulators [J]. Electrochem Soc,1991, 138∶ 2756-2762.