SOI晶体管和电路的瞬时电离辐射效应研究

杜川华 段丙皇 熊涔 曾超

（中国工程物理研究院 电子工程研究所 绵阳 621900）

瞬时电离辐射效应又称为瞬时剂量率（Transient Dose Rate，TDR）效应，是指脉冲X或γ射线照射器件通过光电效应和康普顿效应，在器件内部电离出电子-空穴对，在电场作用下电子-空穴对被分离并被PN 结敏感区域内收集后形成瞬态光电流，对器件内部大量节点甚至全局范围产生影响的辐射效应事件［1-3］。与体硅器件相比较，绝缘硅（Silicon-on-Insulator，SOI）的绝缘埋氧层把器件与硅衬底隔开，隔断了体硅器件固有的NPNP 四层寄生结构，消除了闭锁效应（Latch-Up），同时衬底区内产生的电荷不能被器件的结收集，只有顶部硅膜内产生的电荷才能被收集，大大减小了电荷收集体积，显著降低了光电流幅值。SOI器件的单粒子效应和总剂量效应已有较多研究成果［4-6］，SOI 器件和电路的TDR 辐射效应机理和效应表征与单粒子效应有较大差异，与体硅器件和电路的TDR辐射效应表征也有较大差异［7-8］，目前在SOI晶体管建模仿真方面开展了初步研究［9］，需要深入开展SOI 器件和电路的TDR 效应表征试验研究以支撑其在辐射环境下的应用。

本文采用激光装置对SOI和体硅两种工艺三种类型晶体管开展了不同激光能量下的光电流测试，量化分析了工艺、特征尺寸和激光能量对光电流的影响。采用脉冲γ射线辐射源，开展了SOI微控制器（Micro Control Unite，MCU）电路的TDR 辐射试验，测试了电路功能、电参数（电流和电压）和全触发器链状态，讨论了引起SOI 器件和电路辐射效应的主要机制。

1 晶体管激光辐照试验

1.1 试验对象

特定波长激光与半导体材料作用可模拟等效X/γ 射线辐射效应［10-12］。1064 nm 激光光子能量为1.17 eV，在硅中的穿透深度大于500 μm，国际上已有较多采用激光等效模拟瞬时剂量率辐射［13-14］和单粒子效应［15-16］的先例，如美国圣地亚实验室的1064 nm/50 ns 激光系统、美国海军研究实验室的1064 nm/200 ns激光系统和俄罗斯特殊电子系统实验室的1064 nm/10 ns激光系统等，其主要优点是激光容易控制，测试系统噪声小，可实现微弱小信号（如μA级光电流）的精确测量。

本文对表1 所示的三种晶体管（0.13 μm SOI NMOS、0.35 μm SOI NMOS和0.35 μm Si NMOS）采用1064 nm/12 ns 的脉冲激光装置开展了不同激光能量下的光电流测试。测试时被试器件栅、源和体连接为1个电极，漏极为1个电极。为了避免金属层对激光的阻挡，器件区域完全裸露（图1）。

图1 激光试验器件版图Fig.1 Layout of the tested device

表1 激光试验器件信息Table 1 Information on laser-tested devices

1.2 试验结果

三种晶体管在不同漏源电压（VDS）和不同能量激光辐照下漏端测量获得的光电流（IDS）见图2 所示。SOI工艺NMOS的光电流幅值受VDS影响较小，激光能量是主要影响因素；体硅NMOS光电流幅值受VDS和激光能量影响较大。在相同激光能量（0.5 mJ·mm-2）和VDS（0.5 V）条件下，0.35μm SOI NMOS 的漏端光电流（64.8 μA）是0.13 μm SOI NMOS 的漏端光电流（33.6 μA）的近两倍，而0.35 μm Si NMOS 的漏端光电流（1874 μA）是相同尺寸SOI NMOS 的漏端光电流的28.9 倍。0.35 μm SOI NMOS 和0.35 μm Si NMOS 的漏端光电流随时间变化波形见图3，SOI器件的光电流恢复时间约为40 ns，而体硅器件的光电流恢复时间远大于100 ns。

图2 三种晶体管在不同漏源电压VDS和激光能量下测得的光电流IDSFig.2 Photocurrent IDS vs. drain-source voltage VDS irradiated with different laser energies for the three types of transistors

图3 两种晶体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集成电路的TDR效应试验

2.1 试验对象和测试方法

针对一种0.13 μm PD-SOI MCU开展了TDR效应试验。辐射模拟源γ射线平均能量约为1 MeV，脉冲宽度10～30 ns，γ剂量率范围1×109～4.2×1011rad(Si)·s-1。

MCU 的TDR 效应测试内容包括：1）功能测试：MCU通过计数方式实现周期方波信号输出；2）电参数测试：MCU试验电路电源线上的瞬态浪涌电流和工作电压；3）MCU内部触发器扫描：将MCU内部的RAM 和FlipFlop 串成一条扫描链，试验前通过专用主控电路对扫描链写全“1”，保持MCU 加电状态等待辐照试验；脉冲γ 辐射试验结束后立刻通过专用主控电路读出所有扫描链的数值并与试验前写入数值对比，统计发生翻转的触发器个数。

MCU试验电路如图4所示，试验电路上仅放置待测MCU、晶振和必要的电阻、电容。MCU 的γ 剂量率辐射效应测试方法如图5 所示：主控电路和MCU 试验电路均置于辐照间；MCU 置于正对辐射源靶面中心位置处，通过调节与靶面的距离获得不同的γ 剂量率；试验电路放置在一定厚度的金属密封盒内以屏蔽电子和电磁干扰（本试验中采用2 mm铝盒）；主控电路放置在尽量远离靶面正前方的位置处，与试验电路之间采用屏蔽电缆连接，主控电路采用一定厚度的铅砖以屏蔽γ 射线辐射；主控电路和MCU试验电路分别独立供电。直流稳压电源、示波器、电流探头和上位机等测试设备均放置于测试间，与辐照间的试验电路和主控电路通过约40 m 的同轴屏蔽电缆相连；直流稳压电源为MCU试验电路提供3.3 V 和1.2 V 工作电压，为主控电路提供5 V工作电压；采用示波器测量MCU输出的周期方波信号和电源电压；采用电流探头TEK TCPA300 联合示波器测试MCU 试验电路的瞬态电源电流；上位机用于向主控电路发送控制命令并接收显示数据。

图4 MCU试验电路Fig.4 MCU test circiut

图5 MCU试验电路的γ剂量率辐射试验测试框图Fig.5 Block diagram of gamma dose rate test method for MCU circuit

2.2 试验结果

MCU试验电路在γ剂量率＜1.0×109rad(Si)·s-1时无显著辐射效应，所有功能均正常，未测到显著脉冲电流。 MCU 试验电路在γ 剂量率为4.2×1011rad(Si)·s-1的辐射效应表现为：

1）周期方波信号短暂中断后自动恢复，恢复时间约为350 ms，典型波形如图6所示。

图6 MCU电路方波信号的瞬态剂量率辐射响应（剂量率为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）电源线上的瞬态浪涌电流幅值范围为0.18～0.23 A，典型波形如图7所示；3.3 V工作电压在辐射瞬间跌落到2.92 V，恢复时间约120 μs（图8）；1.2 V工作电压在辐射瞬间异常升高到1.64 V，恢复时间约10 μs（图9）；晶振电压在辐射瞬间跌落到2.84 V，恢复时间约140 μs（图10）。

图7 MCU电路瞬态电源电流（剂量率为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)

图8 MCU 3.3 V电压瞬态剂量率响应（剂量率为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)

图9 MCU 1.2 V电压瞬态剂量率响应（剂量率为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)

图10 晶振电压瞬态剂量率响应（剂量率为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）内部触发器扫描链发生了大量翻转（从初始的状态“1”变化为状态“0”），在2.6×1011rad(Si)·s-1条件下触发器翻转数量约40%（图11）。

图11 γ辐照后触发器链逻辑状态测试结果Fig.11 Test results of logic states of a trigger flip-flop chain after gamma irradiation

3 讨论与分析

体硅MOS管的电荷收集敏感区域如图12（a）所示，通常漏端和衬底的PN结为反偏，源和衬底的PN结为零偏。脉冲辐射环境下，这两个PN结收集了辐射感生的电荷都会对器件状态产生影响。PN 结稳态光电流［17］可由式（1）近似表示：

图12 体硅(a)和SOI MOS管(b)的电荷收集敏感区示意图Fig.12 Schematic diagram of sensitive charge collect volume for bulk Si (a) and SOI MOS (b)

式中：q为电子电荷（1.6×10-19C）；A为结面积；g0为载流子产生率（4×10-13rad-1·cm-3）；γ为辐射剂量率，rad(Si)·s-1；Wt为耗尽层宽度；Ln和Lp分别为n 型和p型硅中少子的扩散长度；A（Wt+Lp+Ln）即为电荷收集敏感区域，包括N+与P 衬底接触的所有区域（最简化的情况，假设PN 结为一个立方体，除了电极所在的端面外，其余5 个端面的耗尽区及其一个少子扩散长度的范围都应计入敏感区）。

SOI MOS 管中，由于绝缘埋氧层（通常为SiO2）的存在，阻断了NPNP寄生结构，消除了引发闭锁的可控硅效应，同时衬底的电子-空穴对不会被收集，只有器件顶层硅膜中PN 结耗尽区内电子空穴对会被收集。SOI MOS 管敏感区域远远小于相同特征尺寸体硅MOS 晶体管，因此，在相同剂量率条件下SOI MOS 管的光电流远小于体硅MOS 管。SOI MOS管的电荷收集敏感区为关断态漏极区域，如图12（b）所示。对于NMOS，电子会在耗尽区电场作用下被漏极收集形成收集电流；对于PMOS，漏极收集电流主要由空穴组成。SOI器件的光电流［18］可由式（2）近似表示：

式中：V为敏感体积，V=L·W·tSi，其中L为栅长，W为栅宽，tSi为硅膜厚度；β为寄生三极管的放大倍数。由于PD-SOI器件存在寄生三极管结构［19］，通常在较高剂量率条件下该寄生结构会开启，放大光电流。在本文试验的剂量率范围内，未观察到光电流突然激增。

在晶体管中产生的光电流，会对晶体管本身的状态产生影响。基于晶体管激光试验测得的漏端电流Idrain，通过式（3）可近似计算得到收集电荷Qph［20］：

当收集电荷超过临界电荷时，通常引起关闭态的晶体管被导通，其逻辑状态发生翻转。MCU的单粒子翻转阈值大于75 MeV·cm2·mg-1，其晶体管敏感区深度（有源区硅膜厚度）约为0.2 μm，因此，其翻转临界电荷可近似计算为0.15 pC。采用0.13 μm SOI NMOS 晶体管的激光试验光电流和式（3）可估算0.13 μm SOI NMOS 晶体管在激光能量为0.24 mJ·mm-2时的收集电荷Qph约为0.19 pC，超过了临界电荷（0.15 pC）。1064 nm 激光光子能量为1.17 eV，与硅材料带隙1.2 eV十分接近，能够用于模拟Si 基半导体器件瞬态剂量率效应产生过剩载流子的物理过程和电学响应。参考Nation给出的γ剂量率和激光能量的转换因子［21］（Conversion Factor，CF）范围，采用1×108～5×109rad(Si)·s-1·mJ-1的转换因子，获得该激光能量范围对应的剂量率范围（0.1～1）×1012rad(Si)·s-1。在该剂量率范围瞬时电流辐射试验数据表明，SOI MCU电路发生了显著的翻转效应。考虑本文使用的器件工艺特征尺寸和激光脉冲宽度与文献［21］不同，转换因子绝对数值可能存在偏差，但是对辐射效应机理的分析仍然具有较大参考价值。

当收集电荷未超过临界电荷时，理论上晶体管不会发生逻辑翻转，但由于感生光电流在PCB电路中的电源和地线上传输，由于线路阻抗导致电源平面和地平面产生波动，导致电路工作电源不稳定，也会引起电路发生逻辑状态翻转甚至功能中断。例如，0.13 μm SOI NMOS 晶体管在激光能量为0.002 mJ·mm-2时的收集电荷Qph约为0.025 pC，小于晶体管翻转的临界电荷，采用与上文相同的转换因子，获得该激光能量对应的剂量率范围8×109～5×1010rad(Si)·s-1。在该剂量率范围内瞬时电离辐射试验结果，MCU 和晶振的电源电压均发生了显著波动，并超过了电路正常工作的极限范围。

通过以上分析可知，在较低γ剂量率条件下，晶体管的收集电荷小于临界电荷，SOI 试验电路翻转效应的主要原因是PCB试验电路中电压的波动，包括MCU电压和晶振电压波动等；在较高γ剂量率条件下，晶体管的收集电荷达到或者超过临界电荷，MCU 试验电路的翻转效应是晶体管本身状态翻转和PCB电路中电压波动的共同作用结果。

4 结语

本文研究了基于全介质隔离的SOI工艺晶体管和集成电路的TDR 效应。SOI NMOS 晶体管的激光辐照试验研究表明，在相同激光能量和相同特征尺寸条件下，SOI 晶体管的光电流峰值约为体硅晶体管的3.5%；SOI MCU电路的脉冲γ 剂量率试验研究表明，在本文试验的剂量率范围内未发现闭锁效应，但是存在显著的翻转效应，表现为触发器状态大量错误、功能短暂中断和状态紊乱。光电流在电路中的传输引起的电压波动、收集电荷超过临界电荷是引起集成电路瞬态剂量率辐射效应表征的主要原因。

作者贡献声明杜川华负责实验方案设计、数据处理和论文撰写；段丙皇负责效应理论分析和论文修改投稿；熊涔负责辐照试验测试和数据分析；曾超提供技术指导，参与结果讨论。