瞬態(tài)閉鎖試驗(yàn)在0.13 μm大規(guī)模集成電路中引起的潛在損傷

杜川華，趙洪超，鄧 燕

(中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

核爆等環(huán)境可產(chǎn)生較高劑量率的輻射。高劑量率輻射會(huì)在半導(dǎo)體器件的PN結(jié)敏感區(qū)引發(fā)瞬態(tài)光電流[1]，較小或中等幅值的光電流會(huì)干擾器件的電平信號(hào)或引起邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，在較大集成密度的芯片中，會(huì)誘發(fā)電壓路軌塌陷效應(yīng)(RSC)[2-6]；較大幅值的光電流會(huì)觸發(fā)體硅CMOS電路中固有的寄生PNPN結(jié)構(gòu)導(dǎo)通，形成閉鎖[7-12]，在電源和地之間形成近似短路的大電流狀態(tài)。當(dāng)電流密度超過(guò)損傷閾值，溫升會(huì)引起器件內(nèi)部金屬互連線的局部熔融和熱力學(xué)效應(yīng)。同時(shí)，高劑量率輻射產(chǎn)生的累積電離總劑量在器件內(nèi)部氧化層中形成氧化層陷阱電荷，會(huì)引起閾值電壓等電學(xué)參數(shù)退化及漏電流增加。以上因素均會(huì)造成集成電路器件的潛在損傷或永久失效，引起顯著的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

為理解瞬態(tài)劑量率輻射對(duì)大規(guī)模集成電路造成的損傷，為集成電路的輻射效應(yīng)評(píng)估、加固設(shè)計(jì)及可靠性評(píng)估提供參考，本文以一種0.13 μm體硅CMOS處理器為研究對(duì)象，開展瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)，分析瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)引起的閉鎖效應(yīng)對(duì)集成電路造成的潛在損傷和損傷機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

HX-1芯片為一款基于POWERPC架構(gòu)的32位處理器，工作電壓為3.3 V，100-pin QFP封裝，內(nèi)部功能模塊主要包括中央處理器CPU、SRAM、ROM、嵌入式EFlash、總線接口(I2C、SPI、CAN)、PIT定時(shí)器、串行通信接口SCI和IO端口。電路的電源輸入端放置0.1 μF和47 μF并聯(lián)的旁路電容，以阻止電壓突降和抑制電源噪聲。試驗(yàn)電路的主要功能為輸出兩路不同頻率(1 kHz和100 Hz)的方波信號(hào)。

采用長(zhǎng)線連接和加電實(shí)時(shí)測(cè)試的方法進(jìn)行試驗(yàn)電路的輻射效應(yīng)測(cè)試。瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)的測(cè)試框圖如圖1所示。試驗(yàn)電路放置在輻照間的試驗(yàn)平臺(tái)上，并根據(jù)所需的劑量率放置在正對(duì)輻射源的一定距離處。直流電壓源、示波器、電流探頭和電流表等測(cè)試設(shè)備放置在測(cè)試間。試驗(yàn)電路與測(cè)試設(shè)備均通過(guò)約40 m長(zhǎng)的屏蔽電纜連接。直流電壓源提供給試驗(yàn)電路3.3 V工作電壓，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，考慮長(zhǎng)線的損耗，通常將電壓源的電壓設(shè)置為3.5 V。需測(cè)試的瞬態(tài)信號(hào)的時(shí)間范圍為ns～μs量級(jí)，要求測(cè)試設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間足夠短，本次試驗(yàn)采用兩臺(tái)帶寬為1 GHz的示波器測(cè)試電路的瞬態(tài)信號(hào)，一臺(tái)示波器測(cè)試電路功能，即輸出方波信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)波形，另一臺(tái)示波器聯(lián)合電流探頭TCPA300測(cè)試電源電流的瞬態(tài)響應(yīng)波形，電流探頭的測(cè)量精度可達(dá)1 mA。為屏蔽電磁干擾引入的噪聲，采用厚度為1.5 mm的鋁盒屏蔽試驗(yàn)電路。穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射效應(yīng)的測(cè)試方法與瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)測(cè)試方法的差異為：采用高精度的電流表替代電流探頭進(jìn)行電源電流的連續(xù)高精度測(cè)試；環(huán)境噪聲較小，去除了鋁屏蔽盒；功能測(cè)試采用連續(xù)采樣測(cè)試模式。

圖1 處理器瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)的測(cè)試框圖Fig.1 Transient dose rate radiation effect test diagram of processor

瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)中，邏輯電平產(chǎn)生大于30%的偏離判定為翻轉(zhuǎn)。出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)后，若電平信號(hào)較快地自動(dòng)恢復(fù)到正確邏輯狀態(tài)，功能正常，則判定電路內(nèi)部發(fā)生數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)(如內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器、時(shí)鐘、SRAM等)；出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)后，若電平信號(hào)不能自動(dòng)恢復(fù)到正確邏輯狀態(tài)，功能中斷，需通過(guò)軟件刷新才能恢復(fù)正常，則判定電路發(fā)生程序或配置翻轉(zhuǎn)(如內(nèi)部EFlash、關(guān)鍵配置寄存器等)；出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)后，若電平不能自動(dòng)恢復(fù)到正確邏輯狀態(tài)，功能中斷，對(duì)外部指令無(wú)響應(yīng)，且伴隨持續(xù)大電流，則判定電路發(fā)生閉鎖。穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)中，輸出方波的頻率或幅值變化超過(guò)正常值的10%判定為功能失效。試驗(yàn)前，已驗(yàn)證了試驗(yàn)電路中除被測(cè)器件外的其他元器件均無(wú)大電流閉鎖效應(yīng)，且對(duì)累積電離總劑量不敏感。

2 試驗(yàn)結(jié)果

4塊試驗(yàn)電路分為兩組(1#和2#)，每組分別包括兩塊樣品電路。1#試驗(yàn)電路只進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)，2#試驗(yàn)電路先進(jìn)行瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)。

在60Co源上完成1#試驗(yàn)電路的穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)，輻射劑量率為0.5 Gy(Si)/s。試驗(yàn)期間，電路處于加電工作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，處理器電路發(fā)生功能失效時(shí)的總劑量為1 030 Gy(Si)，電源電流從初始的111 mA增加到225 mA，增加比例約為102.7%。

在強(qiáng)光一號(hào)脈沖加速器上完成2#試驗(yàn)電路的瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)，輻射劑量率范圍為106～109Gy(Si)/s，脈沖有效寬度為20～30 ns。表1列出2#試驗(yàn)電路的瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)電路共經(jīng)歷5次瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)，其中發(fā)生4次閉鎖效應(yīng)，1次翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。發(fā)生閉鎖效應(yīng)時(shí)輸出方波的瞬態(tài)波形如圖2所示，波形消失且無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)。電源電流的瞬態(tài)波形如圖3所示，出現(xiàn)較強(qiáng)的脈沖電流，隨劑量率的不同，電流峰值范圍為0.7～1.5 A，持續(xù)時(shí)間約為600 μs。由于未對(duì)電路限流及采用閉鎖保護(hù)電路，每次發(fā)生閉鎖效應(yīng)后，通過(guò)手動(dòng)切斷供電電源，器件在閉鎖大電流狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間約為10～30 s。每次閉鎖試驗(yàn)后，經(jīng)測(cè)試試驗(yàn)電路的功能均正常，電源電流有顯著增加。5次瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)后2#樣品電路的累積總劑量約為128.3 Gy(Si)。

表1 2#試驗(yàn)電路的瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Transient dose rate radiation test data of 2# test circuit

圖2 處理器閉鎖時(shí)輸出方波的瞬態(tài)波形Fig.2 Output signal transient wave of processor during latchup

圖3 處理器閉鎖時(shí)電源電流的瞬態(tài)波形Fig.3 Supply current transient wave of processor during latchup

2#試驗(yàn)電路在室溫環(huán)境下放置1個(gè)月后，經(jīng)測(cè)試電路的功能正常，電源電流為104 mA，再在60Co源上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，電路仍處于加電工作狀態(tài)，輻射劑量率為0.5 Gy(Si)/s。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)電路發(fā)生功能失效時(shí)的電離總劑量為600 Gy(Si)(包括瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)的累積劑量)，電源電流增加到140 mA，增加約為34.6%。圖4為1#和2#試驗(yàn)電路的電源電流隨電離總劑量的變化。由圖4可知，在電離總劑量達(dá)到500 Gy(Si)前，1#與2#試驗(yàn)電路的電源電流增加速率基本一致，當(dāng)電離總劑量超過(guò)500 Gy(Si)時(shí)，2#試驗(yàn)電路的電源電流突然劇烈增加，在電離總劑量為600 Gy(Si)時(shí)發(fā)生功能失效。通過(guò)斷電并重新加電測(cè)試仍未能恢復(fù)電路功能，說(shuō)明電路已發(fā)生破壞性的永久損傷。

圖4 1#和2#試驗(yàn)電路電源電流隨電離總劑量的變化Fig.4 Supply current versus ionizion total dose for sample 1# and sample 2#

3 潛在損傷效應(yīng)分析

僅經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)的1#試驗(yàn)電路與經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率和穩(wěn)態(tài)電離總劑量串聯(lián)輻射試驗(yàn)的2#試驗(yàn)電路，表現(xiàn)出的參數(shù)變化和功能失效閾值有顯著差異：1) 1#試驗(yàn)電路的功能失效閾值為1 030 Gy(Si)，2#試驗(yàn)電路的功能失效閾值為600 Gy(Si)；2) 1#試驗(yàn)電路發(fā)生功能失效時(shí)的電源電流為225 mA，2#試驗(yàn)電路經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)后電源電流為125 mA，放置1個(gè)月后電源電流降為104 mA，再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗(yàn)時(shí)發(fā)生功能失效時(shí)的電源電流為140 mA。以上試驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)試數(shù)據(jù)表明，2#試驗(yàn)電路經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率引起的閉鎖試驗(yàn)后，雖然功能測(cè)試均正常，但電路內(nèi)部已發(fā)生潛在損傷，主要原因可能是高劑量率下的電離總劑量效應(yīng)和閉鎖電流引起的熱損傷效應(yīng)。

3.1 高劑量率的電離總劑量效應(yīng)

γ射線的電離總劑量效應(yīng)是光子在器件內(nèi)部絕緣材料(氧化層)中電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，形成氧化物陷阱電荷及界面態(tài)電荷，導(dǎo)致器件漏電流增加和電學(xué)參數(shù)退化。文獻(xiàn)[13]研究表明，氧化層電荷的累積與劑量率有密切關(guān)聯(lián)，尤其是在較高劑量率輻射下，由于氧化層陷阱電荷復(fù)合較少，而界面態(tài)電荷無(wú)足夠的建立時(shí)間，晶體管的閾值電壓均由于氧化層陷阱電荷累積產(chǎn)生負(fù)向偏移。如一款柵氧化層厚度為60 nm的晶體管，當(dāng)受到劑量率為6×107Gy(Si)/s的脈沖輻照時(shí)，氧化層陷阱電荷引起的閾值電壓偏移約為-1.5 V，而界面態(tài)電荷引起的閾值電壓偏移約為0.3 V。10 keV X射線源的等效系數(shù)近似為0.01 Gy(Si)≈0.018 Gy(SiO2)，其他輻射源的等效系數(shù)近似為0.01 Gy(Si)≈0.01 Gy(SiO2)。負(fù)向閾值電壓偏移會(huì)顯著增加漏電流，從而引起電路的靜態(tài)電流增加，導(dǎo)致潛在失效。文獻(xiàn)[14]研究表明：在0.002～1 Gy(Si)/s的較低劑量率環(huán)境下，晶體管柵氧化層的漏電流是電路參數(shù)失效的主要影響因素；在18～104Gy(Si)/s的中等劑量率環(huán)境下，晶體管寄生場(chǎng)氧化區(qū)的漏電流是電路參數(shù)失效的主要因素。因此可推論，在105～109Gy(Si)/s的高劑量率環(huán)境下，器件場(chǎng)氧化區(qū)電荷的大量累積仍是電源電流增加和失效的主要影響因素之一。

3.2 閉鎖電流引起的熱損傷

圖5 閉鎖引起模數(shù)轉(zhuǎn)換器的潛在損傷電鏡掃描圖Fig.5 Scanning electron microgragh of latent damage due to latchup in ADC

光子在器件PN結(jié)耗盡區(qū)及耗盡區(qū)兩側(cè)一擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)電離的電子空穴對(duì)被收集形成瞬態(tài)光電流。閉鎖狀態(tài)下的瞬態(tài)光電流近似為短路電流，遠(yuǎn)超器件可承受的最大電流密度。大多數(shù)集成電路設(shè)計(jì)時(shí)可承受的最大電流密度小于5×105A/cm2。針對(duì)一些特定工藝尺寸和絕緣層厚度的CMOS器件在高電流脈沖引起的互連失效的研究表明[15]，若電流密度達(dá)到107～108A/cm2，會(huì)造成器件的潛在損傷甚至失效。主要原因是較高的電流密度引起金屬互連的溫度升高，導(dǎo)致金屬熔融；同時(shí)由于金屬和絕緣材料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配引起應(yīng)力，使得融化的金屬噴射而破壞互連線。圖5為一款模數(shù)轉(zhuǎn)換器在閉鎖試驗(yàn)后的電鏡掃描圖。金屬層下面絕緣層的熱阻越高，對(duì)金屬層失效的影響越顯著，因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)自由空間的金屬可自由擴(kuò)展，而在絕緣襯底上的金屬薄膜則會(huì)受到限制，因此即使電流引起的溫升并未達(dá)到金屬的熔點(diǎn)，也可能導(dǎo)致其產(chǎn)生損傷[16]，如Al的失效溫度為300 ℃，遠(yuǎn)小于其熔點(diǎn)600 ℃。

電流在金屬互連線中引起的溫升可由式(1)[17]計(jì)算：

(1)

式中：Θ為金屬的溫升；R為電阻；J(t)為電流密度；C為金屬熱電容；m為連線的質(zhì)量。

Layton等[17]針對(duì)一款模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7809)的研究表明，當(dāng)金屬互連中通過(guò)75 mA電流時(shí)產(chǎn)生8.8×105A/cm2的電流密度，持續(xù)時(shí)間10 μs，假定無(wú)熱耗散，采用式(1)計(jì)算得到的溫升小于83 ℃。Banerjee等[18]針對(duì)一種4層金屬結(jié)構(gòu)在200 ns脈沖大電流的研究表明，當(dāng)電流密度達(dá)到107～108A/m2時(shí)，若不采取任何保護(hù)措施，金屬連線的溫升可達(dá)1 000 ℃以上。

雖然閉鎖效應(yīng)會(huì)引起潛在損傷，但一般不會(huì)直接或立刻造成器件失效，可能的原因是：1) 發(fā)生金屬熔融噴射的個(gè)數(shù)太少，不會(huì)引起完全的互連失效和器件功能失效；2) 即使發(fā)生某處互連失效，但在金屬和絕緣材料之間的金屬覆層仍可維持電連接。然而，損傷區(qū)域的互連橫截面遠(yuǎn)小于正常狀態(tài)的橫截面，這使器件或電路繼續(xù)工作或開展其他試驗(yàn)時(shí)，已存在的潛在損傷將大幅降低器件的損傷閾值，更易于發(fā)生新的失效。這也是2#試驗(yàn)電路經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)后，雖然功能仍正常，但電離總劑量失效閾值大幅降低的主要原因。

4 結(jié)論

本文研究了一種國(guó)產(chǎn)0.13 μm CMOS集成電路的瞬態(tài)劑量率效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)，分析了閉鎖效應(yīng)引起的潛在損傷機(jī)理，得到如下結(jié)論。

1) 4次瞬態(tài)劑量率輻射試驗(yàn)累積的電離總劑量為128.3 Gy(Si)，閉鎖電流峰值范圍為0.7～1.5 A，閉鎖持續(xù)時(shí)間為10～30 s。

2) 閉鎖效應(yīng)對(duì)集成電路造成了潛在損傷，導(dǎo)致電路的總劑量功能失效閾值從1 030 Gy(Si)降低至600 Gy(Si)。

3) 引起潛在損傷的主要原因是：高劑量率下場(chǎng)氧化層的大量電荷累積引起漏電流增加；高強(qiáng)度閉鎖大電流引起器件內(nèi)部金屬互連被破壞。采用串聯(lián)試驗(yàn)方式評(píng)估器件或電路的抗瞬態(tài)輻射性能時(shí)，需充分考慮閉鎖效應(yīng)可能引起的潛在損傷。