0.18 μm CMOS電路瞬時劑量率效應實驗研究

王桂珍，林東生，齊 超，白小燕，楊善潮，李瑞賓，馬 強，金曉明，劉 巖

(西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，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，廣泛應用于電子系統。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的增加、布線電阻的增大等，導致大規模集成電路在輻射環境中出現與以前中小規模集成電路不同的瞬時劑量率效應現象、特點和規律。因此，小尺寸集成電路的使用，在帶來高性能的同時，在輻射環境中更加敏感、脆弱，其瞬時劑量率效應已成為抗輻射加固技術研究的重點。

國外有關超深亞微米器件瞬時劑量率效應的研究開始于20世紀90年代中后期，國內于21世紀也開始超深亞微米電路的瞬時劑量率效應研究。研究[1-4]認為，超深亞微米電路具有天然的抗總劑量輻射能力，但原來不突出的場氧化層中陷阱電荷在超深亞微米總劑量效應中成為主要因素；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重，出現以前大尺寸電路中不曾有的多位翻轉等效應，并出現了低能質子單粒子效應。對于瞬時劑量率效應，有兩種不同的觀點，一種觀點認為隨著電路尺寸的縮小，PN結面積減小，輻射感生的光電流降低，瞬時劑量率損傷降低；另一種觀點認為，隨著尺寸的降低，CMOS電路的寄生晶體管的放大倍數增加，會導致瞬時劑量率損傷加重。

與X射線一樣，激光可使半導體材料電離，這是利用脈沖激光開展瞬時劑量率效應實驗的基礎。美國從1965年開始，一直利用激光開展器件瞬時劑量率效應的研究[5-6]。本文開展不同尺寸CMOS反相器、CMOS靜態隨機存儲器(SRAM)的瞬時劑量率效應實驗，獲取輻射損傷閾值，分析小尺寸電路的瞬時劑量率損傷機制。

1 CMOS反相器的瞬時劑量率效應實驗

1.1 實驗方法

實驗電路為某種0.18 μm的CMOS反相器，寬長比20/0.18(PMOS)、10/0.18(NMOS)，同時選擇微米級4069反相器進行輻照實驗，比較工藝尺寸對瞬時劑量率效應的影響。輻照時，反相器輸入端接地，輸出端為高電平，實驗測量CMOS反相器輸出端在輻照瞬間的響應。輻照時進行電源電流測量。

輻射模擬源為西北核技術研究所的YAG脈沖激光器。激光波長為1 064 nm，脈沖寬度為10 ns。此波長的激光不會在電路中產生總劑量損傷，所以可對同一電路反復進行輻照。

激光輻照實驗系統框圖如圖1所示。從激光器發射的激光經全反射透鏡改變激光方向，再經一面50%反射鏡使50%激光改變方向，照射到一激光測量儀(能量計或光電管)上，另外50%的激光穿過透鏡，經一定倍數的衰減，照射到一個用于聚光的透鏡上，使照射到試驗電路板上的光斑大小略大于實驗器件靈敏區面積。

圖1 激光輻照實驗系統

用光電管測量激光的脈沖波形，監測脈沖激光的有效寬度；利用能量計測量每次輻照的激光能量；測量激光光斑的大小。通過激光脈沖寬度、激光能量及光斑大小的測量，確定激光功率密度。實驗中通過調整激光器的高壓及衰減片的衰減倍數，即可改變照射到器件靈敏區的激光功率密度，模擬不同劑量率的輻照環境。本次輻照實驗中，光斑大小及脈沖激光寬度不變，故文中未計算激光功率密度，僅給出激光能量。

1.2 實驗結果

圖2為實驗測量結果。從圖2可看出，對于反相器4069，當激光能量為0.032 4 mJ時，電源電流明顯增加，輸出狀態由輻照前的高電平變為低電平，重新加電后，電源電流和電路功能恢復正常，電路發生瞬時劑量率閂鎖；對于0.18 μm反相器，當激光能量為24.2 mJ時，電源電流無明顯變化，輸出狀態發生擾動，持續4.5 μs后，恢復正常。

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

從圖2還可看出，對于0.18 μm反相器，當激光能量為24.2 mJ時，反相器的效應仍為劑量率擾動，而對于微米級的4069反相器，激光能量為0.032 4 mJ時，反相器發生劑量率閂鎖。因此，超深亞微米CMOS反相器的抗瞬時劑量率性能遠優于微米級CMOS反相器。

2 CMOS SRAM的瞬時劑量率效應實驗

2.1 實驗電路及模擬輻射源

實驗電路為特征尺寸為1.5～0.18 μm、存儲容量為64K～4M的5種CMOS SRAM，存儲器型號及其參數列于表1。

表1 存儲器型號及其參數

實驗在西北核技術研究所的“強光一號”加速器短脈沖輻射狀態下進行，脈沖寬度為(25±5) ns。為了確定在瞬時輻照時電路的總劑量極限值，首先對電路進行總劑量效應實驗。每種電路選擇3只，在西北核技術研究所的鈷源上進行輻照，劑量率為0.5 Gy(Si)/s，得到電路的總劑量翻轉閾值，取總劑量翻轉閾值的10%作為該種電路瞬時劑量率輻照實驗時的總劑量極限值。

2.2 實驗方法

輻照實驗選同批次器件。每次同時輻照8只電路，獲取不同劑量率輻照下的效應特性。8只電路分別加電，且在輻照板上的電源端均加有電容，避免在瞬態輻照時因供電不足而造成的效應測量的不準確。實驗電路可重復進行瞬時輻照，但累積總劑量不得超過該批電路的總劑量極限值。

實驗采用全地址測量方法。輻照前在SRAM所有存儲單元中寫入55H，輻照時電路處于加電狀態及片選無效狀態，這樣可降低輻照瞬間的各種干擾對SRAM存儲內容的影響；輻照后對所有存儲單元的內容進行測量，同時測量電源電流。不斷電進行讀寫功能測試，若讀寫功能不正常，則重新加電后進行讀寫功能測試。

瞬時輻照后電源電流未明顯增大，沒有存儲內容發生變化，SRAM瞬時劑量率效應為劑量率擾動；輻照后電源電流未明顯增大，有存儲內容發生變化，SRAM瞬時劑量率效應為瞬時劑量率翻轉；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正常，則SRAM發生劑量率閂鎖；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發生劑量率永久損傷。

2.3 輻射環境測量方法

2.4 實驗結果

圖3 不同尺寸SRAM的翻轉率隨劑量率的變化

圖3為幾種特征尺寸存儲器翻轉率隨劑量率的變化。對于不同尺寸SRAM，效應規律基本一致。SRAM的劑量率翻轉存在閾值，當輻照劑量率低于翻轉閾值時，翻轉數為0，無存儲單元發生翻轉。劑量率達到翻轉閾值時，發生翻轉，且翻轉數隨劑量率的增大迅速增大，在某一劑量率值時，翻轉數達到飽和，不再隨劑量率的增加而增大。

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

圖4 SRAM翻轉閾值與特征尺寸的關系

3 小尺寸CMOS電路瞬時劑量率損傷機制分析

3.1 CMOS電路的瞬時劑量率損傷機制

CMOS反相器結構的瞬時劑量率效應有劑量率擾動和劑量率閂鎖。CMOS反相器結構及輻射感生的光電流如圖5所示。在CMOS反相器輸出為“1”的狀態下，N溝晶體管截止，P溝晶體管導通，PMOSFET的漏極與P阱二極管處于反向偏置，在瞬時γ輻照下，此PN結產生的光電流I2較大，I2從漏極流向P阱，導致輸出電容放電，輸出電平降低；在輸出為“0”的狀態下，P溝晶體管截止，N溝晶體管導通，NMOSFET的漏極與襯底二極管處于反向偏置，在瞬時γ輻照下，此PN結產生的光電流I3從襯底流向漏極，此光電流對輸出電容充電，導致輸出電平升高。當脈沖過后，光電流消失，輸出狀態恢復。這種效應即為劑量率擾動。

圖5 CMOS反相器產生的局部光電流

圖6 CMOS反相器中的寄生晶體管結構

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

在SRAM存儲器中，存儲單元的基本結構就是一對互反饋反相器。對于單個存儲單元，其輻射損傷機制與反相器相同，存儲單元產生的光電流使存儲電路節點的電容發生充放電，改變存儲內容，使存儲單元發生翻轉。但對存儲器集成電路來說，存儲單元產生的光電流是局部光電流，這種局部光電流直接流入或經放大后流入電路的電源線或地線，在布線上產生全局光電流。此全局光電流會造成存儲單元電源電壓的降低，導致其噪聲容限的降低，在局部光電流作用下，發生翻轉。

對于小規模的CMOS反相器，其瞬時劑量率損傷主要是由局部光電流引起，而對于大規模的CMOS SRAM，其瞬時劑量率損傷是局部光電流和全局光電流共同作用的結果。

3.2 小尺寸CMOS電路的輻射損傷機制

對于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、源極與阱PN結面積按比例減小，漏區和源區的摻雜濃度按比例增加。對圖6中所示的寄生晶體管來說，發射極的摻雜濃度提高，基區的寬度縮短，會使寄生晶體管的放大倍數增加。

CMOS反相器的瞬時劑量率損傷主要由局部光電流引起。對于0.18 μm CMOS反相器，阱和襯底的結面積、源漏極結面積遠比微米級的小，導致輻射感生的光電流減小；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增加幅度及CMOS反相器輸出的瞬時擾動就小，導致超深亞微米電路的抗瞬時劑量率性能高于微米級電路。

而對于CMOS存儲器，其瞬時劑量率損傷由局部光電流和全局光電流共同作用引起。對于小尺寸存儲器，特征尺寸降低，PN結面積即降低，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，使寄生晶體管結構縮小，放大倍數增加，全局光電流增加，進而引起電路損傷閾值的降低。CMOS電路的瞬時劑量率損傷存在這兩種相互競爭的機制，導致電路損傷性能與特征尺寸的關系較復雜。從CMOS存儲器的測量結果看，劑量率損傷閾值隨特征尺寸的非單調變化的關系，就是由這兩種競爭機制導致的。

4 結論

對于CMOS電路，特征尺寸的縮小對其抗瞬時劑量率性能的影響與電路的規模有關。對于0.18 μm CMOS反相器，其抗瞬時劑量率性能遠優于微米級反相器；而0.18 μm CMOS SRAM的抗瞬時劑量率性能遠低于微米級及亞微米級存儲器。

參考文獻：

[1] HASS J, GAMBLES J W. Single event transients in deep submicron CMOS[J].Circuits and Systems, 1999, 1: 122-125.

[2] BENEDETTO J, EATON P, AVERY K. Heavy ion-induced digital single-event transients in deep submicron processes[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2004, 51(6): 3 480-3 485.

[3] 郭紅霞，羅尹虹，姚志斌，等. 亞微米特征工藝尺寸靜態隨機存儲器單粒子效應實驗研究[J]. 原子能科學技術，2010,44(12):1 498-1 504.

GUO Hongxia, LUO Yinhong, YAO Zhibin, et al. Experimental research of SEU and SEL in HIGH Density SRAMs with sub-micron feature sizes[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(12): 1 498-1 504(in Chinese).

[4] DING Lili, YAO Zhibin, GUO Hongxia, et al. Worse case total dose radiation effects in deep-submicron SRAM circuits[J]. Journal of Semiconductors, 2012, 33(7): 075010.

[5] RABURN W D, BUCHNER S P, KANG K, et al. Comparison of threshold transient upset levels induced by flash X-rays and pulsed lasers[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1988, 35(6): 1 512-1 516.

[6] JOHNSTON A H. Charge generation and collection in p-n juncttons excited with pulsed infrared lasers[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1993, 40(6): 1 694-1 702.