0.13 μm部分耗盡SOI工藝反相器鏈SET脈寬傳播

上官士鵬， 朱翔， 陳睿， 馬英起， 李賽， 韓建偉

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

單粒子效應(yīng)(Single Event Effect，SEE)是制約集成電路應(yīng)用于空間環(huán)境的重要因素。隨著半導(dǎo)體工藝尺寸逐漸減小到微納尺度，單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient，SET)效應(yīng)和多位翻轉(zhuǎn)(Multi-Bits Upset,MBU)成為微納工藝電路發(fā)生軟錯(cuò)誤的主要來源。為了評(píng)估器件的SET效應(yīng)并指導(dǎo)器件的抗輻射加固，地面評(píng)估模擬試驗(yàn)器件的SET效應(yīng)包含重離子和脈沖激光2種手段[1-6]，利用這2種手段在器件內(nèi)產(chǎn)生的瞬態(tài)脈寬值為皮秒(10-12s)量級(jí)，測(cè)試SET脈寬分為儀器直接測(cè)量和芯片片上測(cè)量2種方法。儀器直接測(cè)量SET脈寬多采用探針臺(tái)加高頻率(10 GHz以上)示波器的方法[2-4]；芯片片上測(cè)量多采用加異步鎖存器的方法[7-8]，國(guó)內(nèi)采用此方法的多為仿真結(jié)果[9-10]，流片實(shí)現(xiàn)并同時(shí)利用重離子和脈沖激光試驗(yàn)測(cè)試的較少。

本文設(shè)計(jì)了一種反相器鏈(DFF)上鎖存器測(cè)量脈寬電路，并利用國(guó)內(nèi)0.13 μm部分耗盡絕緣體上硅(PD-SOI)工藝流片實(shí)現(xiàn)。利用重離子和脈沖激光2種試驗(yàn)手段，研究了反相器鏈的SET脈寬傳播，并通過比對(duì)2種試驗(yàn)手段的脈寬結(jié)果，建立了脈沖激光正面入射器件到達(dá)有源區(qū)的有效能量與重離子線性能量傳輸(LET值)的等價(jià)關(guān)系，且給出了誤差分析。同時(shí)，激光能量較高時(shí)會(huì)引起反相器鏈的寄生雙極放大現(xiàn)象。

1 反相器鏈片上脈寬測(cè)量原理

高能粒子轟擊反相器鏈上的MOS管漏端時(shí)，會(huì)電離出電子空穴對(duì)，在PN結(jié)反偏電場(chǎng)的作用下，收集的電荷產(chǎn)生電流脈沖，導(dǎo)致反相器節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生SET瞬態(tài)電壓脈沖，沿著反相器鏈向下傳播。根據(jù)脈寬寬度的不同，脈沖的前沿可以傳播到反相器鏈上的一個(gè)或多個(gè)反相器的信號(hào)輸入端，如SET脈寬足夠?qū)拰⒁来蝹鞅檎麠l反相器鏈。

以脈寬為2個(gè)反相器延時(shí)時(shí)間的SET脈沖在反相器鏈上傳輸?shù)那闆r舉例。反相器鏈上傳播時(shí)，SET脈沖將影響2個(gè)反相器的輸出。任意時(shí)刻，受影響的反相器的數(shù)量與瞬態(tài)脈沖的寬度成正比。脈寬越寬，受影響的反相器的數(shù)量越多。仿真表明，對(duì)于所有脈寬為(N-0.5)t～(N+0.5)t之間的脈沖(N為傳播的反相器鏈的數(shù)量，t為脈寬在單個(gè)反相器上的延時(shí)時(shí)間)，將有N級(jí)反相器受到影響。因此，脈寬的測(cè)量精度為±0.5t。圖1為SET脈寬傳播示意圖。

用反相器延時(shí)時(shí)間的倍數(shù)來標(biāo)定SET脈沖的時(shí)間寬度。為了獲取反相器鏈上各個(gè)反相器的輸出狀態(tài)，在每級(jí)反相器的輸出端加上異步鎖存器，如圖2所示。當(dāng)SET脈沖傳播到每個(gè)反相器時(shí)，其對(duì)應(yīng)的異步鎖存器的數(shù)據(jù)將發(fā)生改變。SET脈沖通過后，反相器的輸出狀態(tài)和儲(chǔ)存在異步鎖存器的數(shù)據(jù)將返回原始值(當(dāng)在反相器的輸出端增加異步鎖存器負(fù)載后，將會(huì)改變反相器鏈的時(shí)間特性，從而對(duì)標(biāo)定的脈寬精度產(chǎn)生影響，要保證異步鎖存器的輸入電容負(fù)載盡可能小)。

通過控制信號(hào)，在特定的時(shí)刻控制所有的異步鎖存器，使每個(gè)異步鎖存器保持相對(duì)應(yīng)的反相器的輸出邏輯狀態(tài)。當(dāng)芯片因輻照產(chǎn)生SET脈沖在反相器鏈上傳輸時(shí)，異步鎖存器信號(hào)為高時(shí)，邏輯分析儀會(huì)測(cè)得輸出信號(hào)，與初始值進(jìn)行比較，就可以發(fā)現(xiàn)輸出端邏輯發(fā)生變化的反相器個(gè)數(shù)，如圖3所示。

以反相器的傳輸延時(shí)為單位，標(biāo)定出SET脈寬(脈寬的測(cè)量以電壓值閾值(VDD/2)為標(biāo)準(zhǔn))。通過計(jì)算發(fā)生翻轉(zhuǎn)的異步鎖存器個(gè)數(shù)乘以電路延時(shí)t，測(cè)得SET脈寬。圖3(a)為控制異步鎖存器輸出的時(shí)鐘信號(hào)。圖3(b)為異步鎖存器控制信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為低時(shí)，鎖存器存儲(chǔ)每級(jí)反相器的輸出端狀態(tài)，信號(hào)為高時(shí)，輸出鎖存器狀態(tài)。圖3(c)為無SET脈沖發(fā)生時(shí)，鎖存器的初始狀態(tài)。圖3(d)為有SET脈沖發(fā)生時(shí)，鎖存器的狀態(tài)與初始狀態(tài)比較，反相器鏈第5級(jí)輸出端受到脈沖影響，其異步鎖存器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為高，脈寬可估算為(1±0.5)t。圖3(e)展示了一個(gè)更寬的SET脈沖在反相器鏈上傳輸?shù)那闆r，共有4個(gè)異步鎖存器狀態(tài)受到SET脈沖影響(第2～5個(gè))，脈寬為(4±0.5)t。

圖1 SET脈寬傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of SET pulse width transmission

圖2 異步鎖存器測(cè)試SET原理Fig.2 Principle of asynchronous latch testing SET

圖3 異步鎖存器測(cè)試SET脈寬Fig.3 Pulse width of asynchronous latch testing SET

2 SET脈寬傳播試驗(yàn)

2.1 器件參數(shù)

利用國(guó)內(nèi)0.13 μm PD-SOI CMOS工藝，設(shè)計(jì)了30級(jí)的反相器鏈。反相器鏈制作在p型標(biāo)準(zhǔn)SOI上，埋氧層厚度為100 nm。可測(cè)量的SET脈寬范圍為105～3 150 ps，精度為±52.5 ps(每級(jí)延時(shí)105 ps，30級(jí))。反相器鏈的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為1.2 V。每級(jí)反相器的輸出端加上異步鎖存器，芯片版圖如圖4所示。

圖4 0.13 μm PD-SOI CMOS反相器鏈芯片版圖Fig.4 Chip layout of 0.13 μm PD-SOI CMOS DFF

2.2 重離子加速器試驗(yàn)

利用中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所回旋加速器(HIRFL)對(duì)反相器鏈進(jìn)行了輻照。采用的86Kr離子的輻照信息如表1所示。

利用86Kr離子對(duì)器件輻照35 min，累積注量為2.1×107/cm2。1.2 V T柵反相器鏈的異步鎖存器共發(fā)生8次狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，平均4 min翻轉(zhuǎn)1次，1次翻轉(zhuǎn)無脈寬輸出視為無效，有效翻轉(zhuǎn)為7次。7次翻轉(zhuǎn)測(cè)得的脈寬值如表2所示。

在2.1×107/cm2注量的86Kr離子輻照下，測(cè)得反相器鏈中傳播的脈寬寬度均值為402ps(脈寬寬度均值為翻轉(zhuǎn)次數(shù)乘以脈寬除以總的翻轉(zhuǎn)次數(shù)之和)，相當(dāng)于器件中的SET脈寬傳播3級(jí)。

表1 粒子輻照條件Table 1 Particle irradiation condition

表2 86Kr離子測(cè)試反相器鏈SET脈寬值Table 2 SET testing pulse width values of DFF by 86Kr ion

2.3 脈沖激光模擬SET試驗(yàn)

利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心1 064 nm皮秒脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)裝置[11-12]，對(duì)1.2 V T柵反相器鏈采用正面輻照方法掃描器件中的反相器鏈位置。測(cè)試實(shí)物圖見圖5。為了降低試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)誤差，每種激光能量掃描測(cè)試反相器鏈5次，得到的脈寬求均值，見圖6。

透過器件鈍化層的激光能量由鈍化層厚度決定，因器件鈍化層厚度未知且難測(cè)得，將透射率均值設(shè)為81%，同時(shí)器件金屬布線反射的激光能量約有50%(透射率為50%)，兩者相乘則到達(dá)器件有源區(qū)的激光有效能量約為表面入射激光能量的40%。

最低激光能量為1 250 pJ(到達(dá)器件有源區(qū)的激光有效能量約為500 pJ)時(shí)觸發(fā)了器件的SET現(xiàn)象，測(cè)得的脈寬均值為400 ps。

激光能量為2 000～4 500 pJ時(shí)，反相器鏈?zhǔn)艿捷椪债a(chǎn)生脈寬均值約為680 ps。SET脈寬達(dá)到飽和狀態(tài)，相當(dāng)于SET脈寬傳播約6級(jí)。當(dāng)激光能量為5000pJ(激光有效能量為2000pJ)時(shí)，芯片受到輻照產(chǎn)生的SET脈寬寬度有明顯的上升趨勢(shì)，激光能量為5 500 pJ(激光有效能量為2 200 pJ)時(shí)，反相器鏈?zhǔn)艿捷椪债a(chǎn)生脈寬均值為900 ps，相當(dāng)于SET脈寬傳播約8級(jí)。繼續(xù)增大激光能量，芯片燒毀。由實(shí)測(cè)的脈寬可以看出，激光能量為5 500 pJ(激光有效能量為2 200 pJ)時(shí)測(cè)得的脈寬比激光能量為4 500 pJ時(shí)測(cè)得的脈寬展寬了32.4%。

圖5 脈沖激光正面測(cè)試反相器鏈Fig.5 Pulsed laser testing DFF by front side

圖6 激光有效能量與反相器鏈SET脈寬關(guān)系Fig.6 Relationship between laser effective energy and DFF SET pulse width

漏極收集電荷公式為[13]

(1)

式中：Qcollect為產(chǎn)生的總的電荷量，單位為fC；ID為單位時(shí)間沉積的電荷量；LET為線性能量傳輸，單位為MeV·cm2/mg；Qdep為單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的電荷量，單位為fC；tsilicon為硅膜的厚度，單位為μm；10.365為倍增因子，由硅的密度和硅材料中產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)需要的平均能量3.6 eV計(jì)算得到。硅膜的厚度一定，LET值越大，漏極電流越大，載流子濃度高，被漏極收集的幾率大，漏極總的收集電荷越多。激光能量為2 000 pJ(等效LET值為65.6 MeV·cm2/mg)時(shí)，漏極收集的電流達(dá)到飽和。繼續(xù)增大激光能量，漏極的電流保持穩(wěn)定，使SET脈寬并未增大。但是當(dāng)激光能量增大到5 000 pJ(等效LET值為164.0 MeV·cm2/mg)時(shí)，電荷使得漏/阱結(jié)合阱/襯底結(jié)坍塌，導(dǎo)致晶體管電勢(shì)擾動(dòng)，從而寄生的雙極型晶體管導(dǎo)通[13-14]，漏極的電流增大使SET脈寬值又繼續(xù)增加。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.4.1 激光有效能量與重離子LET值對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過對(duì)比脈沖激光與重離子的試驗(yàn)結(jié)果可知，激光能量為1 500 pJ(到達(dá)有源區(qū)的激光有效能量為600 pJ)時(shí)，與重離子LET值為37.6 MeV·cm2/mg時(shí)得到的 SET脈寬均值都約為400 ps，結(jié)果接近。

脈沖激光等效LET值(ELET)的依據(jù)是“脈沖激光和重離子在器件敏感區(qū)域單位距離上產(chǎn)生等量的電離電荷”，則激光的等效LET值理論上可以表述為[11，15]

(2)

式中：ef為重離子和1 064 nm激光分別產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)所需能量的比值；ρ為硅材料的質(zhì)量密度，均為常數(shù)；Eeff為激光到達(dá)有源區(qū)觸發(fā)單粒子效應(yīng)的有效能量。進(jìn)一步考慮Eeff的表達(dá)式，以及其在厚度為d的單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域內(nèi)的“平均”吸收系數(shù)α′，則ELET可表述為

(3)

即決定激光等效LET值的具體數(shù)值除了Eeff外，還依賴“平均”吸收系數(shù)α′和厚度d。相對(duì)于穿透深度數(shù)百微米的1 064 nm激光，單粒子效應(yīng)電荷收集長(zhǎng)度d為一小量，在該長(zhǎng)度被吸收(沉積)的激光能量相對(duì)于Eeff來說也是一小量(α′d是小量)。這樣，激光等效LET值的表達(dá)式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(4)

決定激光等效LET值的主要參數(shù)是激光在器件單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域的有效能量Eeff和平均吸收系數(shù)α′。平均吸收系數(shù)α′由器件有源區(qū)、阱區(qū)的摻雜濃度決定。因器件有源區(qū)、阱區(qū)的摻雜濃度一般不可獲得，即使獲得也不是均勻分布，所以平均吸收系數(shù)α′由試驗(yàn)擬合獲得。考慮到獲取吸收系數(shù)取值的實(shí)際困難，對(duì)于不同類型的器件，若其單粒子效應(yīng)最敏感的區(qū)域的激光吸收系數(shù)α′相差不大，則激光等效LET值主要依賴于激光到達(dá)有源區(qū)的激光有效能量Eeff。

ELET=τEeff

(5)

大量試驗(yàn)及理論研究證明[11，15]，系數(shù)τ為0.082。激光能量為1 500 pJ(到達(dá)有源區(qū)的激光有效能量為600 pJ)時(shí)，與重離子LET值為37.6 MeV·cm2/mg時(shí)的結(jié)果相近，1 500 pJ表面入射激光能量等效LET值為49.2 MeV·cm2/mg，比重離子LET值(37.6 MeV·cm2/mg)大約31%。

2.4.2 激光等效LET值與重離子LET值誤差的原因

造成激光有效能量等效LET值與重離子LET值誤差有以下幾方面原因。

1) 重離子的徑跡寬度約為0.1～0.5 μm，中心濃度可達(dá)1023cm-3，比典型半導(dǎo)體器件的摻雜濃度還要高。1 064 nm波長(zhǎng)脈沖激光試驗(yàn)裝置的光斑直徑約為2 μm，具有相同LET值的脈沖激光和重離子相比，徑跡寬大、中心電荷濃度低。為了能夠產(chǎn)生足夠多的載流子以觸發(fā)器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，相對(duì)于重離子LET值，需要更高的激光能量。脈沖激光的此特點(diǎn)使得激光有效能量等效LET值天然地要高于實(shí)際需要的重離子LET值，這是激光有效能量換算成等效LET值誤差中一個(gè)關(guān)鍵因素。

2) 器件鈍化層對(duì)激光的反射率為周期函數(shù)[12，16]，根據(jù)鈍化層厚度的不同，表面入射激光能量的透射率T為0.68～0.95，如圖7所示。本文實(shí)際測(cè)算激光有效能量時(shí)，激光穿過鈍化層透射率采用均值0.81，這會(huì)導(dǎo)致約±13%的誤差。

3) 器件采用SOI工藝，相對(duì)于體硅工藝，芯片的源/漏極相互隔離，引起單粒子效應(yīng)敏感區(qū)面積小[17]，被器件吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì)的有效激光能量少。現(xiàn)有的有效能量計(jì)算模型只是計(jì)算到達(dá)有源區(qū)的激光能量，并未準(zhǔn)確分析被器件源/漏極吸收引起單粒子效應(yīng)的有效能量，得到的等效LET值要偏大，具體偏大量要結(jié)合更精細(xì)的仿真研究。

4) 測(cè)得的SET脈寬本身有一定范圍。LET值為37.6 MeV·cm2/mg的重離子的脈寬值為210～525 ps，激光能量為1 500 pJ時(shí)的脈寬值為100～525 ps，激光的變化范圍更寬，而對(duì)比時(shí)采用的是均值，這也帶來誤差。

3 結(jié) 論

利用脈沖激光和重離子2種試驗(yàn)手段，驗(yàn)證了0.13 μm PD-SOI工藝反相器鏈的異步鎖存脈寬測(cè)試電路的有效性，并得到以下結(jié)論：

1) 通過試驗(yàn)和理論分析，建立了激光正面測(cè)試器件單粒子效應(yīng)的激光有效能量測(cè)算方法，該方法普適于利用激光正面模擬試驗(yàn)芯片的單粒子效應(yīng)。

2) 通過2種試驗(yàn)手段結(jié)果的對(duì)比，建立了激光有效能量與重離子LET值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)激光定量評(píng)估器件的抗單粒子效應(yīng)能力及加固效果有重要意義。

下一步的研究工作應(yīng)建立不同種類器件發(fā)生單粒子效應(yīng)時(shí)有源區(qū)的激光有效能量吸收模型，量化激光有效能量換算為L(zhǎng)ET值的誤差。