0.18 μm CMOS电路瞬时剂量率效应实验研究

王桂珍，林东生，齐 超，白小燕，杨善潮，李瑞宾，马 强，金晓明，刘 岩

(西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024)

超深亚微米集成电路以其高性能和高集成度等特点，广泛应用于电子系统。但随着特征尺寸的缩小、电路灵敏体积的减小、临界电荷的下降、寄生晶体管放大倍数的增加、布线电阻的增大等，导致大规模集成电路在辐射环境中出现与以前中小规模集成电路不同的瞬时剂量率效应现象、特点和规律。因此，小尺寸集成电路的使用，在带来高性能的同时，在辐射环境中更加敏感、脆弱，其瞬时剂量率效应已成为抗辐射加固技术研究的重点。

国外有关超深亚微米器件瞬时剂量率效应的研究开始于20世纪90年代中后期，国内于21世纪也开始超深亚微米电路的瞬时剂量率效应研究。研究[1-4]认为，超深亚微米电路具有天然的抗总剂量辐射能力，但原来不突出的场氧化层中陷阱电荷在超深亚微米总剂量效应中成为主要因素；由于尺寸的缩小和电压的降低，使超深亚微米电路的单粒子损伤更加严重，出现以前大尺寸电路中不曾有的多位翻转等效应，并出现了低能质子单粒子效应。对于瞬时剂量率效应，有两种不同的观点，一种观点认为随着电路尺寸的缩小，PN结面积减小，辐射感生的光电流降低，瞬时剂量率损伤降低；另一种观点认为，随着尺寸的降低，CMOS电路的寄生晶体管的放大倍数增加，会导致瞬时剂量率损伤加重。

与X射线一样，激光可使半导体材料电离，这是利用脉冲激光开展瞬时剂量率效应实验的基础。美国从1965年开始，一直利用激光开展器件瞬时剂量率效应的研究[5-6]。本文开展不同尺寸CMOS反相器、CMOS静态随机存储器(SRAM)的瞬时剂量率效应实验，获取辐射损伤阈值，分析小尺寸电路的瞬时剂量率损伤机制。

1 CMOS反相器的瞬时剂量率效应实验

1.1 实验方法

实验电路为某种0.18 μm的CMOS反相器，宽长比20/0.18(PMOS)、10/0.18(NMOS)，同时选择微米级4069反相器进行辐照实验，比较工艺尺寸对瞬时剂量率效应的影响。辐照时，反相器输入端接地，输出端为高电平，实验测量CMOS反相器输出端在辐照瞬间的响应。辐照时进行电源电流测量。

辐射模拟源为西北核技术研究所的YAG脉冲激光器。激光波长为1 064 nm，脉冲宽度为10 ns。此波长的激光不会在电路中产生总剂量损伤，所以可对同一电路反复进行辐照。

激光辐照实验系统框图如图1所示。从激光器发射的激光经全反射透镜改变激光方向，再经一面50%反射镜使50%激光改变方向，照射到一激光测量仪(能量计或光电管)上，另外50%的激光穿过透镜，经一定倍数的衰减，照射到一个用于聚光的透镜上，使照射到试验电路板上的光斑大小略大于实验器件灵敏区面积。

图1 激光辐照实验系统

用光电管测量激光的脉冲波形，监测脉冲激光的有效宽度；利用能量计测量每次辐照的激光能量；测量激光光斑的大小。通过激光脉冲宽度、激光能量及光斑大小的测量，确定激光功率密度。实验中通过调整激光器的高压及衰减片的衰减倍数，即可改变照射到器件灵敏区的激光功率密度，模拟不同剂量率的辐照环境。本次辐照实验中，光斑大小及脉冲激光宽度不变，故文中未计算激光功率密度，仅给出激光能量。

1.2 实验结果

图2为实验测量结果。从图2可看出，对于反相器4069，当激光能量为0.032 4 mJ时，电源电流明显增加，输出状态由辐照前的高电平变为低电平，重新加电后，电源电流和电路功能恢复正常，电路发生瞬时剂量率闩锁；对于0.18 μm反相器，当激光能量为24.2 mJ时，电源电流无明显变化，输出状态发生扰动，持续4.5 μs后，恢复正常。

图2 不同能量激光辐照下4069反相器(a)和0.18 μm反相器(b)的辐射响应

从图2还可看出，对于0.18 μm反相器，当激光能量为24.2 mJ时，反相器的效应仍为剂量率扰动，而对于微米级的4069反相器，激光能量为0.032 4 mJ时，反相器发生剂量率闩锁。因此，超深亚微米CMOS反相器的抗瞬时剂量率性能远优于微米级CMOS反相器。

2 CMOS SRAM的瞬时剂量率效应实验

2.1 实验电路及模拟辐射源

实验电路为特征尺寸为1.5～0.18 μm、存储容量为64K～4M的5种CMOS SRAM，存储器型号及其参数列于表1。

表1 存储器型号及其参数

实验在西北核技术研究所的“强光一号”加速器短脉冲辐射状态下进行，脉冲宽度为(25±5) ns。为了确定在瞬时辐照时电路的总剂量极限值，首先对电路进行总剂量效应实验。每种电路选择3只，在西北核技术研究所的钴源上进行辐照，剂量率为0.5 Gy(Si)/s，得到电路的总剂量翻转阈值，取总剂量翻转阈值的10%作为该种电路瞬时剂量率辐照实验时的总剂量极限值。

2.2 实验方法

辐照实验选同批次器件。每次同时辐照8只电路，获取不同剂量率辐照下的效应特性。8只电路分别加电，且在辐照板上的电源端均加有电容，避免在瞬态辐照时因供电不足而造成的效应测量的不准确。实验电路可重复进行瞬时辐照，但累积总剂量不得超过该批电路的总剂量极限值。

实验采用全地址测量方法。辐照前在SRAM所有存储单元中写入55H，辐照时电路处于加电状态及片选无效状态，这样可降低辐照瞬间的各种干扰对SRAM存储内容的影响；辐照后对所有存储单元的内容进行测量，同时测量电源电流。不断电进行读写功能测试，若读写功能不正常，则重新加电后进行读写功能测试。

瞬时辐照后电源电流未明显增大，没有存储内容发生变化，SRAM瞬时剂量率效应为剂量率扰动；辐照后电源电流未明显增大，有存储内容发生变化，SRAM瞬时剂量率效应为瞬时剂量率翻转；辐照后电源电流明显增大，读写功能不正常，重新加电后，读写功能及电源电流恢复正常，则SRAM发生剂量率闩锁；辐照后电源电流明显增大，读写功能不正常，重新加电后，读写功能及电源电流仍不正常，则SRAM发生剂量率永久损伤。

2.3 辐射环境测量方法

2.4 实验结果

图3 不同尺寸SRAM的翻转率随剂量率的变化

图3为几种特征尺寸存储器翻转率随剂量率的变化。对于不同尺寸SRAM，效应规律基本一致。SRAM的剂量率翻转存在阈值，当辐照剂量率低于翻转阈值时，翻转数为0，无存储单元发生翻转。剂量率达到翻转阈值时，发生翻转，且翻转数随剂量率的增大迅速增大，在某一剂量率值时，翻转数达到饱和，不再随剂量率的增加而增大。

SRAM翻转阈值与特征尺寸的关系如图4所示。由图4可看出，HM6264、HM62256、HM628512A、HM628512B及HM62V8100的翻转阈值分别为7、9、13、13和4.5 MGy(Si)/s，其中，HM628512A和HM628512B的翻转阈值相同，HM62V8100的翻转阈值最低。特征尺寸为1.5～0.5 μm时，翻转阈值随尺寸的减小而增大，而特征尺寸为0.35～0.18 μm时，损伤阈值随尺寸的减小而减小。实验结果表明，特征尺寸与瞬时剂量率损伤阈值之间不是单调变化的关系。

图4 SRAM翻转阈值与特征尺寸的关系

3 小尺寸CMOS电路瞬时剂量率损伤机制分析

3.1 CMOS电路的瞬时剂量率损伤机制

CMOS反相器结构的瞬时剂量率效应有剂量率扰动和剂量率闩锁。CMOS反相器结构及辐射感生的光电流如图5所示。在CMOS反相器输出为“1”的状态下，N沟晶体管截止，P沟晶体管导通，PMOSFET的漏极与P阱二极管处于反向偏置，在瞬时γ辐照下，此PN结产生的光电流I2较大，I2从漏极流向P阱，导致输出电容放电，输出电平降低；在输出为“0”的状态下，P沟晶体管截止，N沟晶体管导通，NMOSFET的漏极与衬底二极管处于反向偏置，在瞬时γ辐照下，此PN结产生的光电流I3从衬底流向漏极，此光电流对输出电容充电，导致输出电平升高。当脉冲过后，光电流消失，输出状态恢复。这种效应即为剂量率扰动。

图5 CMOS反相器产生的局部光电流

图6 CMOS反相器中的寄生晶体管结构

CMOS电路存在寄生结构，图6为CMOS反相器中的寄生晶体管结构。反向器中寄生有两个纵向PNP晶体管(LT1，LT2)和两个横向NPN晶体管(VT1，VT2)。N阱既是每个纵向PNP管的基区，又是每个横向NPN管的集电区。同样，P型衬底既是横向NPN管的基区，又是每个纵向PNP管的集电区。寄生的纵向PNP结构和横向NPN结构形成4层PNPN结构，某一个晶体管的发射极为另一个晶体管的基极，两个晶体管组成的PNPN 4层架构构成正反馈网络，当CMOS电路正常工作时，PNPN 4层结构处在高阻断开状态。若瞬时辐射在任一个晶体管的基区产生的电流使晶体管开启，在其发射极就有放大的电流，此电流又为另一个晶体管的基极电流，迫使另一个晶体管开启，这样，电流迅速增加，若不断电，就有可能烧毁器件。这种效应即为剂量率闩锁。

在SRAM存储器中，存储单元的基本结构就是一对互反馈反相器。对于单个存储单元，其辐射损伤机制与反相器相同，存储单元产生的光电流使存储电路节点的电容发生充放电，改变存储内容，使存储单元发生翻转。但对存储器集成电路来说，存储单元产生的光电流是局部光电流，这种局部光电流直接流入或经放大后流入电路的电源线或地线，在布线上产生全局光电流。此全局光电流会造成存储单元电源电压的降低，导致其噪声容限的降低，在局部光电流作用下，发生翻转。

对于小规模的CMOS反相器，其瞬时剂量率损伤主要是由局部光电流引起，而对于大规模的CMOS SRAM，其瞬时剂量率损伤是局部光电流和全局光电流共同作用的结果。

3.2 小尺寸CMOS电路的辐射损伤机制

对于MOS电路，按照按比例缩小原则，器件的横向尺寸和纵向尺寸按比例缩小后，漏极与阱PN结、源极与阱PN结面积按比例减小，漏区和源区的掺杂浓度按比例增加。对图6中所示的寄生晶体管来说，发射极的掺杂浓度提高，基区的宽度缩短，会使寄生晶体管的放大倍数增加。

CMOS反相器的瞬时剂量率损伤主要由局部光电流引起。对于0.18 μm CMOS反相器，阱和衬底的结面积、源漏极结面积远比微米级的小，导致辐射感生的光电流减小；这样，注入到阱和衬底的电流就很小，辐射引起的电源电流的瞬时增加幅度及CMOS反相器输出的瞬时扰动就小，导致超深亚微米电路的抗瞬时剂量率性能高于微米级电路。

而对于CMOS存储器，其瞬时剂量率损伤由局部光电流和全局光电流共同作用引起。对于小尺寸存储器，特征尺寸降低，PN结面积即降低，辐射感生的光电流随之降低，这将提高电路的损伤阈值；但特征尺寸的降低，使寄生晶体管结构缩小，放大倍数增加，全局光电流增加，进而引起电路损伤阈值的降低。CMOS电路的瞬时剂量率损伤存在这两种相互竞争的机制，导致电路损伤性能与特征尺寸的关系较复杂。从CMOS存储器的测量结果看，剂量率损伤阈值随特征尺寸的非单调变化的关系，就是由这两种竞争机制导致的。

4 结论

对于CMOS电路，特征尺寸的缩小对其抗瞬时剂量率性能的影响与电路的规模有关。对于0.18 μm CMOS反相器，其抗瞬时剂量率性能远优于微米级反相器；而0.18 μm CMOS SRAM的抗瞬时剂量率性能远低于微米级及亚微米级存储器。

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