PDSOI CMOS SRAM總劑量輻射及退火效應的研究

李 明 余學峰 盧 健 高 博 崔江維 周 東許發月 席善斌 王 飛

1 (中國科學院新疆理化技術研究所 烏魯木齊 830011)

2 (新疆電子信息材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011)

3 (中國科學院研究生院 北京 100049)

部分耗盡絕緣體上硅(partial-depletion-siliconon-insulator, PD SOI)技術，以其獨特的材料結構有效地克服了體硅材料的不足，如無閂鎖效應、較高的跨導和電流驅動能力、低壓低功耗，以及優良抗單粒子和瞬時輻射的能力[1]，使該技術在軍事、宇航等可靠性要求高和抗輻射能力強的領域里得到廣泛應用。隨著集成電路及航天技術的發展，靜態隨機存儲器(SRAM)廣泛應用于航天器和衛星的控制系統中，但空間復雜的輻射環境會對SRAM器件造成輻射損傷，尤其是SOI工藝SRAM對總劑量非常敏感，嚴重威脅航天器工作的可靠性和安全性。因此，研究SOI工藝SRAM器件的輻射損傷機理具有現實意義和必要性。

上世紀90年代，國外開展SOI工藝SRAM的輻射效應和加固技術的研究[2?5]，工藝水平提高和集成度增長的同時，器件的抗輻射能力有所突破。我國對大規模SOI集成電路輻射效應的研究處于探索階段[6?8]，雖實現并提高了中小規模 SOI集成電路的抗輻射能力，但與宇航和國防需求尚有一定差距，并缺乏對星用 SRAM器件輻射損傷進行試驗和評估的可靠方法和手段。

本文通過研究器件靜態、動態功耗電流和功能出錯隨總劑量的變化關系及其相關性，探討 SOI SRAM的總劑量敏感參數和功能失效預警參量，分析輻射缺陷對器件參數的損傷影響并討論評估技術的參數表征，以研究SOI SRAM輻射損傷效應、提高器件輻射加固水平，為大規模SOI集成電路總劑量損傷評估方法和抗輻射加固提供實驗依據和基礎。

1 輻照實驗

測試系統由美國 Altera公司 Cyclone系列的EP1C6型FPGA實驗系統、PC機、示波器和萬用表組成。在靜態偏置條件下進行在線輻照后，移位并用FPGA系統對SRAM進行讀寫控制測試。測試功能參數時，主要監測SRAM的數據讀寫功能：對所有存儲單元寫入固定的數，再讀取數據并比較其與寫入數據的差異，以測試存儲單元數據位出錯的數目，同時用萬用表測試器件的靜態功耗電流與動態讀寫功耗電流。

輻照前后測試的器件參數和功能參數有：靜態功耗電流，即SRAM芯片的使能管腳E1=VL(低電平)，E2=VL，讀出使能管腳GB=X(高、低電平不定)，寫入使能管腳WB=X狀態時的電源電流；動態讀寫功耗電流，也即對SRAM存儲單元進行讀寫操作時的動態功耗電流，以及存儲單元錯誤數。

實驗樣品采用0.8 μm CMOS PDSOI工藝制造的128 Kbits SRAM，輻照實驗在中國科學院新疆理化技術研究所60Co γ射線源上進行，劑量率 0.5 Gy(Si)/s，輻照總劑量為750 Gy(Si)，測試劑量點分別為100、200、400、500、650、750 Gy(Si)。為探討加電偏置條件下SOI工藝SRAM的總劑量輻射損傷機理，所加輻照偏置條件為：靜態加電，VCC接高電平VDD，VSS接地，地址端間隔接高低電平(5 V或0 V)，數據傳輸端接VDD/2，其余接高電平?？倓┝枯椪蘸?，在SRAM器件的偏置條件與輻照實驗一致情況下，先后進行25oC恒溫退火36 h和100oC恒溫退火168 h實驗。

2 實驗結果

圖1為三種功耗電流隨輻照總劑量及退火時間的響應關系。由圖1(a)，總劑量<500 Gy(Si)時，靜態功耗電流 Iss(■)變化不明顯，隨后出現指數式增加。由圖1(b)，退火初期，Iss快速恢復，在室溫退火700 min后，退火過程趨于緩慢。高溫退火中(圖1c)，Iss快速減小，最終恢復到初始值附近。動態寫功耗電流(●)隨總劑量及退火時間的變化規律與 Iss相似。動態讀功耗電流 Idd(▲)的變化規律為：在100–400 Gy(Si) 總劑量范圍，Idd隨總劑量急劇增大；400 Gy(Si)后急劇下降，之后又出現回升。室溫退火初期(圖 1b)，Idd快速恢復并趨于平緩；168 h高溫退火(圖1c)中，Idd先急劇增大，隨而后緩慢減小，并保持恢復趨勢。

圖1 功耗電流隨總劑量及室溫和高溫退火時間的變化Fig.1 Power supply current v.s. total dose and annealing time at room or high temperature.

圖2為SRAM的存儲單元數據錯誤數隨總劑量及退火時間的變化關系。由圖2(a)，在0–200 Gy(Si)時，存儲單元讀寫功能正常，未出現數據位翻轉。隨著總劑量增加，出現大量功能錯誤數，總劑量超過450 Gy(Si)后，錯誤數逐漸達到飽和。由圖2(b)和(c)，室溫退火較緩慢，而高溫退火使器件功能迅速恢復正常。

圖2 錯誤數隨總劑量及室溫和高溫退火時間的變化Fig.2 Errors v.s. total dose and annealing time at room or high temperature.

圖3為功耗電流和出錯數隨總劑量變化的關系圖。由圖3(a)，Iss隨總劑量增加的變化趨勢與出錯數隨總劑量響應趨勢基本一致，但滯后于功能錯誤數，二者的相關性不大。而圖3(b)，Idd的退化優先于錯誤數的變化，表現極大相關性，對錯誤數的產生具有一定預警性。因此，相比于Iss，Idd較適合作為該器件功能失效的預警量。

實驗結果顯示，所選用SOI SRAM器件為總劑量輻照敏感器件。隨著總劑量的增加，器件的電學參數和功能參數均有明顯變化，當總劑量達到一定程度，參數出現劇烈變化。Idd適合作為器件功能失效的預警量。靜態和動態讀寫功耗電流的室溫和高溫退火迅速使參數恢復正常，而功能錯誤數的室溫退火較高溫退火明顯緩慢。

圖3 功耗電流與出錯數隨總劑量變化關系(a) 靜態功耗電流與出錯數對比，(b) 動態功耗電流與出錯數對比Fig.3 Power supply current and errors as a function of total dose.(a) static current and error numbers, (b) dynamic read current and error numbers

3 分析與討論

電離輻射在 SiO2絕緣層中產生氧化物陷阱電荷并在Si/SiO2界面產生界面態陷阱電荷，兩種陷阱電荷導致器件的閾值電壓發生漂移，進而對PD SOI MOSFETS及該工藝SRAM集成電路性能產生顯著影響，甚至造成功能失效。圖4為SRAM存儲的基本單元，對于由NMOS和PMOS晶體管組成的大規模集成電路CMOS SRAM，雖無法直接研究單管的輻射損傷情況，但可結合CMOS器件的電離輻射損傷機理，對0.8 μm-CMOS PDSOI SRAM的總劑量輻射效應進行探究。

圖4 SRAM的存儲單元Fig.4 Schematics of storage unit of the SRAM.

對于PD SOI器件，總劑量輻射敏感的區域包括正柵氧化層、場氧區域和背柵埋氧層區。因此，電離輻照感生功耗電流由 N溝道截止時的泄漏電流、寄生N溝管的場氧側向漏電流及背柵漏電流構成[8]。因電離輻照在SRAM存儲單元N溝管的正柵氧化層和隱埋氧化層累積了氧化物正電荷和界面態陷阱電荷，在二者共同作用下，使正柵和背柵的閾值電壓負向漂移，特性轉移，出現正柵溝道截止狀態漏電流和背柵反型導通漏電流，因閾值電壓隨輻照總劑量增大而負向漂移，從而使正柵和背柵漏電流隨累積劑量增大。同時，PDSOI NMOSFET的源極、漏極和硅島的側面形成側向漏電溝道，場氧漏電流隨總劑量累加而增大。

輻射產生的氧化物和界面態陷阱電荷的數目與氧化層有很大關系，隨著工藝水平的提高，正柵氧化層厚度減薄，器件的抗輻射能力增強，因此，較厚的背柵氧化層和場氧層的輻射漏電流成為SOI器件電流增大的關鍵因素。尤其在質量較差且厚度較大的埋氧化層和場氧化層中，會有大量的氧化物陷阱電荷累積，大大增加了背柵和場氧漏電，可通過提高注入劑量以增加閾值電壓并減小漏電流。本實驗所用0.8 μm PDSOI CMOS工藝的SRAM器件，有較厚的柵氧層和埋氧層，以及伴隨高集成度的大量寄生N溝管，這幾種漏電流是功耗電流隨著總劑量增大的主要原因。總劑量>500 Gy(Si)，靜態和動態寫功耗電流指數增大，呈現遞增規律(圖1)?？倓┝繛?00–400 Gy(Si)以及650–750 Gy(Si)時，動態讀功耗電流隨三種漏電流增大，使功耗電流在100–400 Gy(Si)中迅速增大，但在400 Gy(Si)處出現下降，由多次重復實驗的類似結果及相應的退火恢復規律推斷，可能由于靈敏放大器的失效所導致。

靈敏放大器由兩級構成：第一級是NMOS交叉耦合放大器，提供小增益將信號放大，并將讀出信號電平移動至3 V左右；第二級是PMOS電流鏡負載的差分放大器，負責較大倍數的信號放大，推拉輸出級把讀出電平拉至電源和地電位，并提高讀出信號驅動能力，最后的三態輸出緩沖負責驅動大負載的全局數據線。8位SRAM器件內部有8個同時工作的靈敏放大器，讀出放大器引起的功耗對整個器件功耗有較大貢獻。隨著總劑量的累積，放大器的增益減小[9]，對位線電平的推拉能力減弱，位線上的電壓擺幅變大，電路的傳播速度變慢，靈敏放大器功能弱化，因此在相同的位線預充時間內，器件功耗降低，Idd明顯減小，類似于靈敏放大器不參與寫數據過程的功耗電流增大規律。高溫退火時，可看到功耗電流突然增大，放大器功能恢復正常。有關Idd出現突變現象的推論有待進一步分析驗證。

晶體管的閾值電壓隨總劑量的累積而負向漂移，使 CMOS電路的輸出低電平上升和高電平下降。隨著輻照總劑量的累積，閾值電壓漂移增大，使原來截止的NMOS晶體管導通而PMOS晶體管處于飽和導通狀態，導致輸出高電平下降，當達到高電平最小閾值時，出現“1”到“0”的位翻轉現象；反之則出現“0”到“1”的位翻轉現象。由圖2，總劑量超過200 Gy(Si)時，開始出現大量位翻轉錯誤，可見只有當總劑量累積到一定程度，才會引起功能的突變出錯。

當進行25oC和100oC恒溫退火時，因氧化物正電荷的退火，負向漂移的閾值電壓發生回漂，使輻照引起正柵N溝道耗盡層和背柵界面的反型得到恢復，從而使兩種漏電流隨退火時間的增加而降低；寄生N溝管的場氧漏電流隨退火時間的關系與N溝道截止漏電流情況相似。因此，靜態和動態寫功耗電流在兩種退火溫度下隨退火時間體現出遞減恢復的過程(圖1)，經25oC恒溫36 h和100oC恒溫168 h退火，最終恢復到初始值附近。Idd在室溫退火中一直減小，但在高溫退火初期先迅速增大而后才緩慢減小，整個退火過程表現出參數恢復正常的趨勢。閾值電壓因輻射產生的氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷隨溫度和時間的退火而回漂，使CMOS電路的輸出高電平上升和低電平下降，隨著退火過程繼續進行，輸出高低電平最終達到存儲單元“1”到“0”或者“0”到“1”的正確位翻轉閾值要求，出現存儲單元正確位翻轉，使功能錯誤數減少，功能迅速恢復正常(圖2所示)。

4 結語

(1) SRAM為總劑量敏感器件，靜態和動態功耗電流為總劑量輻照效應的敏感參數，Idd可作為器件功能失效的預警量，SRAM功能錯誤數在總劑量累積到一定程度出現失效。

(2) 較體硅器件而言，輻射引起的隱埋氧化層電荷是構成PDSOI器件漏電流的重要成因之一，可通過注入雜質劑量提高閾值電壓，減少漏電流。

(3) 在不同溫度條件下，主要是氧化物正電荷的退火導致靜態、動態功耗電流和功能錯誤數的恢復。

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