0.18 μm CMOS電路瞬時(shí)劑量率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

王桂珍，林東生，齊 超，白小燕，楊善潮，李瑞賓，馬 強(qiáng)，金曉明，劉 巖

(西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

超深亞微米集成電路以其高性能和高集成度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)。但隨著特征尺寸的縮小、電路靈敏體積的減小、臨界電荷的下降、寄生晶體管放大倍數(shù)的增加、布線電阻的增大等，導(dǎo)致大規(guī)模集成電路在輻射環(huán)境中出現(xiàn)與以前中小規(guī)模集成電路不同的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)現(xiàn)象、特點(diǎn)和規(guī)律。因此，小尺寸集成電路的使用，在帶來高性能的同時(shí)，在輻射環(huán)境中更加敏感、脆弱，其瞬時(shí)劑量率效應(yīng)已成為抗輻射加固技術(shù)研究的重點(diǎn)。

國(guó)外有關(guān)超深亞微米器件瞬時(shí)劑量率效應(yīng)的研究開始于20世紀(jì)90年代中后期，國(guó)內(nèi)于21世紀(jì)也開始超深亞微米電路的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)研究。研究[1-4]認(rèn)為，超深亞微米電路具有天然的抗總劑量輻射能力，但原來不突出的場(chǎng)氧化層中陷阱電荷在超深亞微米總劑量效應(yīng)中成為主要因素；由于尺寸的縮小和電壓的降低，使超深亞微米電路的單粒子損傷更加嚴(yán)重，出現(xiàn)以前大尺寸電路中不曾有的多位翻轉(zhuǎn)等效應(yīng)，并出現(xiàn)了低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)。對(duì)于瞬時(shí)劑量率效應(yīng)，有兩種不同的觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為隨著電路尺寸的縮小，PN結(jié)面積減小，輻射感生的光電流降低，瞬時(shí)劑量率損傷降低；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著尺寸的降低，CMOS電路的寄生晶體管的放大倍數(shù)增加，會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)劑量率損傷加重。

與X射線一樣，激光可使半導(dǎo)體材料電離，這是利用脈沖激光開展瞬時(shí)劑量率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。美國(guó)從1965年開始，一直利用激光開展器件瞬時(shí)劑量率效應(yīng)的研究[5-6]。本文開展不同尺寸CMOS反相器、CMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，獲取輻射損傷閾值，分析小尺寸電路的瞬時(shí)劑量率損傷機(jī)制。

1 CMOS反相器的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)電路為某種0.18 μm的CMOS反相器，寬長(zhǎng)比20/0.18(PMOS)、10/0.18(NMOS)，同時(shí)選擇微米級(jí)4069反相器進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，比較工藝尺寸對(duì)瞬時(shí)劑量率效應(yīng)的影響。輻照時(shí)，反相器輸入端接地，輸出端為高電平，實(shí)驗(yàn)測(cè)量CMOS反相器輸出端在輻照瞬間的響應(yīng)。輻照時(shí)進(jìn)行電源電流測(cè)量。

輻射模擬源為西北核技術(shù)研究所的YAG脈沖激光器。激光波長(zhǎng)為1 064 nm，脈沖寬度為10 ns。此波長(zhǎng)的激光不會(huì)在電路中產(chǎn)生總劑量損傷，所以可對(duì)同一電路反復(fù)進(jìn)行輻照。

激光輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。從激光器發(fā)射的激光經(jīng)全反射透鏡改變激光方向，再經(jīng)一面50%反射鏡使50%激光改變方向，照射到一激光測(cè)量?jī)x(能量計(jì)或光電管)上，另外50%的激光穿過透鏡，經(jīng)一定倍數(shù)的衰減，照射到一個(gè)用于聚光的透鏡上，使照射到試驗(yàn)電路板上的光斑大小略大于實(shí)驗(yàn)器件靈敏區(qū)面積。

圖1 激光輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

用光電管測(cè)量激光的脈沖波形，監(jiān)測(cè)脈沖激光的有效寬度；利用能量計(jì)測(cè)量每次輻照的激光能量；測(cè)量激光光斑的大小。通過激光脈沖寬度、激光能量及光斑大小的測(cè)量，確定激光功率密度。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整激光器的高壓及衰減片的衰減倍數(shù)，即可改變照射到器件靈敏區(qū)的激光功率密度，模擬不同劑量率的輻照環(huán)境。本次輻照實(shí)驗(yàn)中，光斑大小及脈沖激光寬度不變，故文中未計(jì)算激光功率密度，僅給出激光能量。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。從圖2可看出，對(duì)于反相器4069，當(dāng)激光能量為0.032 4 mJ時(shí)，電源電流明顯增加，輸出狀態(tài)由輻照前的高電平變?yōu)榈碗娖剑匦录与姾?，電源電流和電路功能恢?fù)正常，電路發(fā)生瞬時(shí)劑量率閂鎖；對(duì)于0.18 μm反相器，當(dāng)激光能量為24.2 mJ時(shí)，電源電流無明顯變化，輸出狀態(tài)發(fā)生擾動(dòng)，持續(xù)4.5 μs后，恢復(fù)正常。

圖2 不同能量激光輻照下4069反相器(a)和0.18 μm反相器(b)的輻射響應(yīng)

從圖2還可看出，對(duì)于0.18 μm反相器，當(dāng)激光能量為24.2 mJ時(shí)，反相器的效應(yīng)仍為劑量率擾動(dòng)，而對(duì)于微米級(jí)的4069反相器，激光能量為0.032 4 mJ時(shí)，反相器發(fā)生劑量率閂鎖。因此，超深亞微米CMOS反相器的抗瞬時(shí)劑量率性能遠(yuǎn)優(yōu)于微米級(jí)CMOS反相器。

2 CMOS SRAM的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)電路及模擬輻射源

實(shí)驗(yàn)電路為特征尺寸為1.5～0.18 μm、存儲(chǔ)容量為64K～4M的5種CMOS SRAM，存儲(chǔ)器型號(hào)及其參數(shù)列于表1。

表1 存儲(chǔ)器型號(hào)及其參數(shù)

實(shí)驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所的“強(qiáng)光一號(hào)”加速器短脈沖輻射狀態(tài)下進(jìn)行，脈沖寬度為(25±5) ns。為了確定在瞬時(shí)輻照時(shí)電路的總劑量極限值，首先對(duì)電路進(jìn)行總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。每種電路選擇3只，在西北核技術(shù)研究所的鈷源上進(jìn)行輻照，劑量率為0.5 Gy(Si)/s，得到電路的總劑量翻轉(zhuǎn)閾值，取總劑量翻轉(zhuǎn)閾值的10%作為該種電路瞬時(shí)劑量率輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)的總劑量極限值。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

輻照實(shí)驗(yàn)選同批次器件。每次同時(shí)輻照8只電路，獲取不同劑量率輻照下的效應(yīng)特性。8只電路分別加電，且在輻照板上的電源端均加有電容，避免在瞬態(tài)輻照時(shí)因供電不足而造成的效應(yīng)測(cè)量的不準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)電路可重復(fù)進(jìn)行瞬時(shí)輻照，但累積總劑量不得超過該批電路的總劑量極限值。

實(shí)驗(yàn)采用全地址測(cè)量方法。輻照前在SRAM所有存儲(chǔ)單元中寫入55H，輻照時(shí)電路處于加電狀態(tài)及片選無效狀態(tài)，這樣可降低輻照瞬間的各種干擾對(duì)SRAM存儲(chǔ)內(nèi)容的影響；輻照后對(duì)所有存儲(chǔ)單元的內(nèi)容進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量電源電流。不斷電進(jìn)行讀寫功能測(cè)試，若讀寫功能不正常，則重新加電后進(jìn)行讀寫功能測(cè)試。

瞬時(shí)輻照后電源電流未明顯增大，沒有存儲(chǔ)內(nèi)容發(fā)生變化，SRAM瞬時(shí)劑量率效應(yīng)為劑量率擾動(dòng)；輻照后電源電流未明顯增大，有存儲(chǔ)內(nèi)容發(fā)生變化，SRAM瞬時(shí)劑量率效應(yīng)為瞬時(shí)劑量率翻轉(zhuǎn)；輻照后電源電流明顯增大，讀寫功能不正常，重新加電后，讀寫功能及電源電流恢復(fù)正常，則SRAM發(fā)生劑量率閂鎖；輻照后電源電流明顯增大，讀寫功能不正常，重新加電后，讀寫功能及電源電流仍不正常，則SRAM發(fā)生劑量率永久損傷。

2.3 輻射環(huán)境測(cè)量方法

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同尺寸SRAM的翻轉(zhuǎn)率隨劑量率的變化

圖3為幾種特征尺寸存儲(chǔ)器翻轉(zhuǎn)率隨劑量率的變化。對(duì)于不同尺寸SRAM，效應(yīng)規(guī)律基本一致。SRAM的劑量率翻轉(zhuǎn)存在閾值，當(dāng)輻照劑量率低于翻轉(zhuǎn)閾值時(shí)，翻轉(zhuǎn)數(shù)為0，無存儲(chǔ)單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)。劑量率達(dá)到翻轉(zhuǎn)閾值時(shí)，發(fā)生翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)數(shù)隨劑量率的增大迅速增大，在某一劑量率值時(shí)，翻轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到飽和，不再隨劑量率的增加而增大。

SRAM翻轉(zhuǎn)閾值與特征尺寸的關(guān)系如圖4所示。由圖4可看出，HM6264、HM62256、HM628512A、HM628512B及HM62V8100的翻轉(zhuǎn)閾值分別為7、9、13、13和4.5 MGy(Si)/s，其中，HM628512A和HM628512B的翻轉(zhuǎn)閾值相同，HM62V8100的翻轉(zhuǎn)閾值最低。特征尺寸為1.5～0.5 μm時(shí)，翻轉(zhuǎn)閾值隨尺寸的減小而增大，而特征尺寸為0.35～0.18 μm時(shí)，損傷閾值隨尺寸的減小而減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，特征尺寸與瞬時(shí)劑量率損傷閾值之間不是單調(diào)變化的關(guān)系。

圖4 SRAM翻轉(zhuǎn)閾值與特征尺寸的關(guān)系

3 小尺寸CMOS電路瞬時(shí)劑量率損傷機(jī)制分析

3.1 CMOS電路的瞬時(shí)劑量率損傷機(jī)制

CMOS反相器結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)有劑量率擾動(dòng)和劑量率閂鎖。CMOS反相器結(jié)構(gòu)及輻射感生的光電流如圖5所示。在CMOS反相器輸出為“1”的狀態(tài)下，N溝晶體管截止，P溝晶體管導(dǎo)通，PMOSFET的漏極與P阱二極管處于反向偏置，在瞬時(shí)γ輻照下，此PN結(jié)產(chǎn)生的光電流I2較大，I2從漏極流向P阱，導(dǎo)致輸出電容放電，輸出電平降低；在輸出為“0”的狀態(tài)下，P溝晶體管截止，N溝晶體管導(dǎo)通，NMOSFET的漏極與襯底二極管處于反向偏置，在瞬時(shí)γ輻照下，此PN結(jié)產(chǎn)生的光電流I3從襯底流向漏極，此光電流對(duì)輸出電容充電，導(dǎo)致輸出電平升高。當(dāng)脈沖過后，光電流消失，輸出狀態(tài)恢復(fù)。這種效應(yīng)即為劑量率擾動(dòng)。

圖5 CMOS反相器產(chǎn)生的局部光電流

圖6 CMOS反相器中的寄生晶體管結(jié)構(gòu)

CMOS電路存在寄生結(jié)構(gòu)，圖6為CMOS反相器中的寄生晶體管結(jié)構(gòu)。反向器中寄生有兩個(gè)縱向PNP晶體管(LT1，LT2)和兩個(gè)橫向NPN晶體管(VT1，VT2)。N阱既是每個(gè)縱向PNP管的基區(qū)，又是每個(gè)橫向NPN管的集電區(qū)。同樣，P型襯底既是橫向NPN管的基區(qū)，又是每個(gè)縱向PNP管的集電區(qū)。寄生的縱向PNP結(jié)構(gòu)和橫向NPN結(jié)構(gòu)形成4層PNPN結(jié)構(gòu)，某一個(gè)晶體管的發(fā)射極為另一個(gè)晶體管的基極，兩個(gè)晶體管組成的PNPN 4層架構(gòu)構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)CMOS電路正常工作時(shí)，PNPN 4層結(jié)構(gòu)處在高阻斷開狀態(tài)。若瞬時(shí)輻射在任一個(gè)晶體管的基區(qū)產(chǎn)生的電流使晶體管開啟，在其發(fā)射極就有放大的電流，此電流又為另一個(gè)晶體管的基極電流，迫使另一個(gè)晶體管開啟，這樣，電流迅速增加，若不斷電，就有可能燒毀器件。這種效應(yīng)即為劑量率閂鎖。

在SRAM存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)單元的基本結(jié)構(gòu)就是一對(duì)互反饋反相器。對(duì)于單個(gè)存儲(chǔ)單元，其輻射損傷機(jī)制與反相器相同，存儲(chǔ)單元產(chǎn)生的光電流使存儲(chǔ)電路節(jié)點(diǎn)的電容發(fā)生充放電，改變存儲(chǔ)內(nèi)容，使存儲(chǔ)單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)。但對(duì)存儲(chǔ)器集成電路來說，存儲(chǔ)單元產(chǎn)生的光電流是局部光電流，這種局部光電流直接流入或經(jīng)放大后流入電路的電源線或地線，在布線上產(chǎn)生全局光電流。此全局光電流會(huì)造成存儲(chǔ)單元電源電壓的降低，導(dǎo)致其噪聲容限的降低，在局部光電流作用下，發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

對(duì)于小規(guī)模的CMOS反相器，其瞬時(shí)劑量率損傷主要是由局部光電流引起，而對(duì)于大規(guī)模的CMOS SRAM，其瞬時(shí)劑量率損傷是局部光電流和全局光電流共同作用的結(jié)果。

3.2 小尺寸CMOS電路的輻射損傷機(jī)制

對(duì)于MOS電路，按照按比例縮小原則，器件的橫向尺寸和縱向尺寸按比例縮小后，漏極與阱PN結(jié)、源極與阱PN結(jié)面積按比例減小，漏區(qū)和源區(qū)的摻雜濃度按比例增加。對(duì)圖6中所示的寄生晶體管來說，發(fā)射極的摻雜濃度提高，基區(qū)的寬度縮短，會(huì)使寄生晶體管的放大倍數(shù)增加。

CMOS反相器的瞬時(shí)劑量率損傷主要由局部光電流引起。對(duì)于0.18 μm CMOS反相器，阱和襯底的結(jié)面積、源漏極結(jié)面積遠(yuǎn)比微米級(jí)的小，導(dǎo)致輻射感生的光電流減??；這樣，注入到阱和襯底的電流就很小，輻射引起的電源電流的瞬時(shí)增加幅度及CMOS反相器輸出的瞬時(shí)擾動(dòng)就小，導(dǎo)致超深亞微米電路的抗瞬時(shí)劑量率性能高于微米級(jí)電路。

而對(duì)于CMOS存儲(chǔ)器，其瞬時(shí)劑量率損傷由局部光電流和全局光電流共同作用引起。對(duì)于小尺寸存儲(chǔ)器，特征尺寸降低，PN結(jié)面積即降低，輻射感生的光電流隨之降低，這將提高電路的損傷閾值；但特征尺寸的降低，使寄生晶體管結(jié)構(gòu)縮小，放大倍數(shù)增加，全局光電流增加，進(jìn)而引起電路損傷閾值的降低。CMOS電路的瞬時(shí)劑量率損傷存在這兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制，導(dǎo)致電路損傷性能與特征尺寸的關(guān)系較復(fù)雜。從CMOS存儲(chǔ)器的測(cè)量結(jié)果看，劑量率損傷閾值隨特征尺寸的非單調(diào)變化的關(guān)系，就是由這兩種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

對(duì)于CMOS電路，特征尺寸的縮小對(duì)其抗瞬時(shí)劑量率性能的影響與電路的規(guī)模有關(guān)。對(duì)于0.18 μm CMOS反相器，其抗瞬時(shí)劑量率性能遠(yuǎn)優(yōu)于微米級(jí)反相器；而0.18 μm CMOS SRAM的抗瞬時(shí)劑量率性能遠(yuǎn)低于微米級(jí)及亞微米級(jí)存儲(chǔ)器。

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