SOI晶體管和電路的瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)研究

杜川華 段丙皇 熊涔 曾超

（中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所 綿陽(yáng) 621900）

瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)又稱為瞬時(shí)劑量率（Transient Dose Rate，TDR）效應(yīng)，是指脈沖X或γ射線照射器件通過(guò)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，在器件內(nèi)部電離出電子-空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下電子-空穴對(duì)被分離并被PN 結(jié)敏感區(qū)域內(nèi)收集后形成瞬態(tài)光電流，對(duì)器件內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)甚至全局范圍產(chǎn)生影響的輻射效應(yīng)事件［1-3］。與體硅器件相比較，絕緣硅（Silicon-on-Insulator，SOI）的絕緣埋氧層把器件與硅襯底隔開，隔斷了體硅器件固有的NPNP 四層寄生結(jié)構(gòu)，消除了閉鎖效應(yīng)（Latch-Up），同時(shí)襯底區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電荷不能被器件的結(jié)收集，只有頂部硅膜內(nèi)產(chǎn)生的電荷才能被收集，大大減小了電荷收集體積，顯著降低了光電流幅值。SOI器件的單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)已有較多研究成果［4-6］，SOI 器件和電路的TDR 輻射效應(yīng)機(jī)理和效應(yīng)表征與單粒子效應(yīng)有較大差異，與體硅器件和電路的TDR輻射效應(yīng)表征也有較大差異［7-8］，目前在SOI晶體管建模仿真方面開展了初步研究［9］，需要深入開展SOI 器件和電路的TDR 效應(yīng)表征試驗(yàn)研究以支撐其在輻射環(huán)境下的應(yīng)用。

本文采用激光裝置對(duì)SOI和體硅兩種工藝三種類型晶體管開展了不同激光能量下的光電流測(cè)試，量化分析了工藝、特征尺寸和激光能量對(duì)光電流的影響。采用脈沖γ射線輻射源，開展了SOI微控制器（Micro Control Unite，MCU）電路的TDR 輻射試驗(yàn)，測(cè)試了電路功能、電參數(shù)（電流和電壓）和全觸發(fā)器鏈狀態(tài)，討論了引起SOI 器件和電路輻射效應(yīng)的主要機(jī)制。

1 晶體管激光輻照試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

特定波長(zhǎng)激光與半導(dǎo)體材料作用可模擬等效X/γ 射線輻射效應(yīng)［10-12］。1064 nm 激光光子能量為1.17 eV，在硅中的穿透深度大于500 μm，國(guó)際上已有較多采用激光等效模擬瞬時(shí)劑量率輻射［13-14］和單粒子效應(yīng)［15-16］的先例，如美國(guó)圣地亞實(shí)驗(yàn)室的1064 nm/50 ns 激光系統(tǒng)、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的1064 nm/200 ns激光系統(tǒng)和俄羅斯特殊電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的1064 nm/10 ns激光系統(tǒng)等，其主要優(yōu)點(diǎn)是激光容易控制，測(cè)試系統(tǒng)噪聲小，可實(shí)現(xiàn)微弱小信號(hào)（如μA級(jí)光電流）的精確測(cè)量。

本文對(duì)表1 所示的三種晶體管（0.13 μm SOI NMOS、0.35 μm SOI NMOS和0.35 μm Si NMOS）采用1064 nm/12 ns 的脈沖激光裝置開展了不同激光能量下的光電流測(cè)試。測(cè)試時(shí)被試器件柵、源和體連接為1個(gè)電極，漏極為1個(gè)電極。為了避免金屬層對(duì)激光的阻擋，器件區(qū)域完全裸露（圖1）。

圖1 激光試驗(yàn)器件版圖Fig.1 Layout of the tested device

表1 激光試驗(yàn)器件信息Table 1 Information on laser-tested devices

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

三種晶體管在不同漏源電壓（VDS）和不同能量激光輻照下漏端測(cè)量獲得的光電流（IDS）見圖2 所示。SOI工藝NMOS的光電流幅值受VDS影響較小，激光能量是主要影響因素；體硅NMOS光電流幅值受VDS和激光能量影響較大。在相同激光能量（0.5 mJ·mm-2）和VDS（0.5 V）條件下，0.35μm SOI NMOS 的漏端光電流（64.8 μA）是0.13 μm SOI NMOS 的漏端光電流（33.6 μA）的近兩倍，而0.35 μm Si NMOS 的漏端光電流（1874 μA）是相同尺寸SOI NMOS 的漏端光電流的28.9 倍。0.35 μm SOI NMOS 和0.35 μm Si NMOS 的漏端光電流隨時(shí)間變化波形見圖3，SOI器件的光電流恢復(fù)時(shí)間約為40 ns，而體硅器件的光電流恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)大于100 ns。

圖2 三種晶體管在不同漏源電壓VDS和激光能量下測(cè)得的光電流IDSFig.2 Photocurrent IDS vs. drain-source voltage VDS irradiated with different laser energies for the three types of transistors

圖3 兩種晶體管在不同激光能量下的IDS波形 (a) 0.35 μm SOI NMOS，(b) 0.35 μm Si NMOSFig.3 Waveform of measured photocurrent IDS of drain-source under different laser energies for two types of transistors(a) 0.35 μm SOI NMOS, (b) 0.35 μm Si NMOS

2 SOI集成電路的TDR效應(yīng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象和測(cè)試方法

針對(duì)一種0.13 μm PD-SOI MCU開展了TDR效應(yīng)試驗(yàn)。輻射模擬源γ射線平均能量約為1 MeV，脈沖寬度10～30 ns，γ劑量率范圍1×109～4.2×1011rad(Si)·s-1。

MCU 的TDR 效應(yīng)測(cè)試內(nèi)容包括：1）功能測(cè)試：MCU通過(guò)計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)周期方波信號(hào)輸出；2）電參數(shù)測(cè)試：MCU試驗(yàn)電路電源線上的瞬態(tài)浪涌電流和工作電壓；3）MCU內(nèi)部觸發(fā)器掃描：將MCU內(nèi)部的RAM 和FlipFlop 串成一條掃描鏈，試驗(yàn)前通過(guò)專用主控電路對(duì)掃描鏈寫全“1”，保持MCU 加電狀態(tài)等待輻照試驗(yàn)；脈沖γ 輻射試驗(yàn)結(jié)束后立刻通過(guò)專用主控電路讀出所有掃描鏈的數(shù)值并與試驗(yàn)前寫入數(shù)值對(duì)比，統(tǒng)計(jì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器個(gè)數(shù)。

MCU試驗(yàn)電路如圖4所示，試驗(yàn)電路上僅放置待測(cè)MCU、晶振和必要的電阻、電容。MCU 的γ 劑量率輻射效應(yīng)測(cè)試方法如圖5 所示：主控電路和MCU 試驗(yàn)電路均置于輻照間；MCU 置于正對(duì)輻射源靶面中心位置處，通過(guò)調(diào)節(jié)與靶面的距離獲得不同的γ 劑量率；試驗(yàn)電路放置在一定厚度的金屬密封盒內(nèi)以屏蔽電子和電磁干擾（本試驗(yàn)中采用2 mm鋁盒）；主控電路放置在盡量遠(yuǎn)離靶面正前方的位置處，與試驗(yàn)電路之間采用屏蔽電纜連接，主控電路采用一定厚度的鉛磚以屏蔽γ 射線輻射；主控電路和MCU試驗(yàn)電路分別獨(dú)立供電。直流穩(wěn)壓電源、示波器、電流探頭和上位機(jī)等測(cè)試設(shè)備均放置于測(cè)試間，與輻照間的試驗(yàn)電路和主控電路通過(guò)約40 m 的同軸屏蔽電纜相連；直流穩(wěn)壓電源為MCU試驗(yàn)電路提供3.3 V 和1.2 V 工作電壓，為主控電路提供5 V工作電壓；采用示波器測(cè)量MCU輸出的周期方波信號(hào)和電源電壓；采用電流探頭TEK TCPA300 聯(lián)合示波器測(cè)試MCU 試驗(yàn)電路的瞬態(tài)電源電流；上位機(jī)用于向主控電路發(fā)送控制命令并接收顯示數(shù)據(jù)。

圖4 MCU試驗(yàn)電路Fig.4 MCU test circiut

圖5 MCU試驗(yàn)電路的γ劑量率輻射試驗(yàn)測(cè)試框圖Fig.5 Block diagram of gamma dose rate test method for MCU circuit

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

MCU試驗(yàn)電路在γ劑量率＜1.0×109rad(Si)·s-1時(shí)無(wú)顯著輻射效應(yīng)，所有功能均正常，未測(cè)到顯著脈沖電流。 MCU 試驗(yàn)電路在γ 劑量率為4.2×1011rad(Si)·s-1的輻射效應(yīng)表現(xiàn)為：

1）周期方波信號(hào)短暫中斷后自動(dòng)恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間約為350 ms，典型波形如圖6所示。

圖6 MCU電路方波信號(hào)的瞬態(tài)劑量率輻射響應(yīng)（劑量率為4.2×1011 rad(Si)·s-1）Fig.6 Transient dose rate radiation response of the square wave signal of an MCU circuit (dose rate: 4.2×1011 rad(Si)·s-1)

2）電源線上的瞬態(tài)浪涌電流幅值范圍為0.18～0.23 A，典型波形如圖7所示；3.3 V工作電壓在輻射瞬間跌落到2.92 V，恢復(fù)時(shí)間約120 μs（圖8）；1.2 V工作電壓在輻射瞬間異常升高到1.64 V，恢復(fù)時(shí)間約10 μs（圖9）；晶振電壓在輻射瞬間跌落到2.84 V，恢復(fù)時(shí)間約140 μs（圖10）。

圖7 MCU電路瞬態(tài)電源電流（劑量率為4.2×1011 rad(Si)·s-1）Fig.7 Transient source current of an MCU circuit(dose rate: 4.2×1011 rad(Si)·s-1)

圖8 MCU 3.3 V電壓瞬態(tài)劑量率響應(yīng)（劑量率為4.2×1011 rad(Si)·s-1）Fig.8 Transient dose rate response of the 3.3 V MCU voltage(dose rate: 4.2×1011 rad(Si)·s-1)

圖9 MCU 1.2 V電壓瞬態(tài)劑量率響應(yīng)（劑量率為4.2×1011 rad(Si)·s-1）Fig.9 Transient dose rate response of the 1.2 V MCU voltage(dose rate: 4.2×1011 rad(Si)·s-1)

圖10 晶振電壓瞬態(tài)劑量率響應(yīng)（劑量率為4.2×1011 rad(Si)·s-1）Fig.10 Transient dose rate response of an oscillator voltage(dose rate: 4.2×1011 rad(Si)·s-1)

3）內(nèi)部觸發(fā)器掃描鏈發(fā)生了大量翻轉(zhuǎn)（從初始的狀態(tài)“1”變化為狀態(tài)“0”），在2.6×1011rad(Si)·s-1條件下觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)數(shù)量約40%（圖11）。

圖11 γ輻照后觸發(fā)器鏈邏輯狀態(tài)測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results of logic states of a trigger flip-flop chain after gamma irradiation

3 討論與分析

體硅MOS管的電荷收集敏感區(qū)域如圖12（a）所示，通常漏端和襯底的PN結(jié)為反偏，源和襯底的PN結(jié)為零偏。脈沖輻射環(huán)境下，這兩個(gè)PN結(jié)收集了輻射感生的電荷都會(huì)對(duì)器件狀態(tài)產(chǎn)生影響。PN 結(jié)穩(wěn)態(tài)光電流［17］可由式（1）近似表示：

圖12 體硅(a)和SOI MOS管(b)的電荷收集敏感區(qū)示意圖Fig.12 Schematic diagram of sensitive charge collect volume for bulk Si (a) and SOI MOS (b)

式中：q為電子電荷（1.6×10-19C）；A為結(jié)面積；g0為載流子產(chǎn)生率（4×10-13rad-1·cm-3）；γ為輻射劑量率，rad(Si)·s-1；Wt為耗盡層寬度；Ln和Lp分別為n 型和p型硅中少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度；A（Wt+Lp+Ln）即為電荷收集敏感區(qū)域，包括N+與P 襯底接觸的所有區(qū)域（最簡(jiǎn)化的情況，假設(shè)PN 結(jié)為一個(gè)立方體，除了電極所在的端面外，其余5 個(gè)端面的耗盡區(qū)及其一個(gè)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的范圍都應(yīng)計(jì)入敏感區(qū)）。

SOI MOS 管中，由于絕緣埋氧層（通常為SiO2）的存在，阻斷了NPNP寄生結(jié)構(gòu)，消除了引發(fā)閉鎖的可控硅效應(yīng)，同時(shí)襯底的電子-空穴對(duì)不會(huì)被收集，只有器件頂層硅膜中PN 結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)電子空穴對(duì)會(huì)被收集。SOI MOS 管敏感區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相同特征尺寸體硅MOS 晶體管，因此，在相同劑量率條件下SOI MOS 管的光電流遠(yuǎn)小于體硅MOS 管。SOI MOS管的電荷收集敏感區(qū)為關(guān)斷態(tài)漏極區(qū)域，如圖12（b）所示。對(duì)于NMOS，電子會(huì)在耗盡區(qū)電場(chǎng)作用下被漏極收集形成收集電流；對(duì)于PMOS，漏極收集電流主要由空穴組成。SOI器件的光電流［18］可由式（2）近似表示：

式中：V為敏感體積，V=L·W·tSi，其中L為柵長(zhǎng)，W為柵寬，tSi為硅膜厚度；β為寄生三極管的放大倍數(shù)。由于PD-SOI器件存在寄生三極管結(jié)構(gòu)［19］，通常在較高劑量率條件下該寄生結(jié)構(gòu)會(huì)開啟，放大光電流。在本文試驗(yàn)的劑量率范圍內(nèi)，未觀察到光電流突然激增。

在晶體管中產(chǎn)生的光電流，會(huì)對(duì)晶體管本身的狀態(tài)產(chǎn)生影響?；诰w管激光試驗(yàn)測(cè)得的漏端電流Idrain，通過(guò)式（3）可近似計(jì)算得到收集電荷Qph［20］：

當(dāng)收集電荷超過(guò)臨界電荷時(shí)，通常引起關(guān)閉態(tài)的晶體管被導(dǎo)通，其邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。MCU的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值大于75 MeV·cm2·mg-1，其晶體管敏感區(qū)深度（有源區(qū)硅膜厚度）約為0.2 μm，因此，其翻轉(zhuǎn)臨界電荷可近似計(jì)算為0.15 pC。采用0.13 μm SOI NMOS 晶體管的激光試驗(yàn)光電流和式（3）可估算0.13 μm SOI NMOS 晶體管在激光能量為0.24 mJ·mm-2時(shí)的收集電荷Qph約為0.19 pC，超過(guò)了臨界電荷（0.15 pC）。1064 nm 激光光子能量為1.17 eV，與硅材料帶隙1.2 eV十分接近，能夠用于模擬Si 基半導(dǎo)體器件瞬態(tài)劑量率效應(yīng)產(chǎn)生過(guò)剩載流子的物理過(guò)程和電學(xué)響應(yīng)。參考Nation給出的γ劑量率和激光能量的轉(zhuǎn)換因子［21］（Conversion Factor，CF）范圍，采用1×108～5×109rad(Si)·s-1·mJ-1的轉(zhuǎn)換因子，獲得該激光能量范圍對(duì)應(yīng)的劑量率范圍（0.1～1）×1012rad(Si)·s-1。在該劑量率范圍瞬時(shí)電流輻射試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，SOI MCU電路發(fā)生了顯著的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)?？紤]本文使用的器件工藝特征尺寸和激光脈沖寬度與文獻(xiàn)［21］不同，轉(zhuǎn)換因子絕對(duì)數(shù)值可能存在偏差，但是對(duì)輻射效應(yīng)機(jī)理的分析仍然具有較大參考價(jià)值。

當(dāng)收集電荷未超過(guò)臨界電荷時(shí)，理論上晶體管不會(huì)發(fā)生邏輯翻轉(zhuǎn)，但由于感生光電流在PCB電路中的電源和地線上傳輸，由于線路阻抗導(dǎo)致電源平面和地平面產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致電路工作電源不穩(wěn)定，也會(huì)引起電路發(fā)生邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)甚至功能中斷。例如，0.13 μm SOI NMOS 晶體管在激光能量為0.002 mJ·mm-2時(shí)的收集電荷Qph約為0.025 pC，小于晶體管翻轉(zhuǎn)的臨界電荷，采用與上文相同的轉(zhuǎn)換因子，獲得該激光能量對(duì)應(yīng)的劑量率范圍8×109～5×1010rad(Si)·s-1。在該劑量率范圍內(nèi)瞬時(shí)電離輻射試驗(yàn)結(jié)果，MCU 和晶振的電源電壓均發(fā)生了顯著波動(dòng)，并超過(guò)了電路正常工作的極限范圍。

通過(guò)以上分析可知，在較低γ劑量率條件下，晶體管的收集電荷小于臨界電荷，SOI 試驗(yàn)電路翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的主要原因是PCB試驗(yàn)電路中電壓的波動(dòng)，包括MCU電壓和晶振電壓波動(dòng)等；在較高γ劑量率條件下，晶體管的收集電荷達(dá)到或者超過(guò)臨界電荷，MCU 試驗(yàn)電路的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)是晶體管本身狀態(tài)翻轉(zhuǎn)和PCB電路中電壓波動(dòng)的共同作用結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于全介質(zhì)隔離的SOI工藝晶體管和集成電路的TDR 效應(yīng)。SOI NMOS 晶體管的激光輻照試驗(yàn)研究表明，在相同激光能量和相同特征尺寸條件下，SOI 晶體管的光電流峰值約為體硅晶體管的3.5%；SOI MCU電路的脈沖γ 劑量率試驗(yàn)研究表明，在本文試驗(yàn)的劑量率范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)閉鎖效應(yīng)，但是存在顯著的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，表現(xiàn)為觸發(fā)器狀態(tài)大量錯(cuò)誤、功能短暫中斷和狀態(tài)紊亂。光電流在電路中的傳輸引起的電壓波動(dòng)、收集電荷超過(guò)臨界電荷是引起集成電路瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)表征的主要原因。

作者貢獻(xiàn)聲明杜川華負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和論文撰寫；段丙皇負(fù)責(zé)效應(yīng)理論分析和論文修改投稿；熊涔負(fù)責(zé)輻照試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析；曾超提供技術(shù)指導(dǎo)，參與結(jié)果討論。