激光模擬瞬態(tài)劑量率閂鎖效應電流特征機制研究*

陳錢 馬英起 陳睿 朱翔 李悅 韓建偉3)?

1)(中國科學院國家空間科學中心，北京 100190)

2)(中國科學院大學地球與行星科學學院,北京 100049)

3)(中國科學院大學天文與空間科學學院,北京 100049)

1 引 言

原子核在發(fā)生衰變后產(chǎn)生的新核往往處于高能量級,要向低能級躍遷就會輻射出伽馬射線,一般原子核衰變和核反應均可產(chǎn)生伽馬射線.伽馬射線帶有高能量且有著極強的高穿透性.1958年,Bell實驗室的工程師Roger首次在地面實驗中觀測到二極管的瞬態(tài)伽馬輻射響應[1],并于1963年與Wirth共同提出瞬態(tài)伽馬輻射會在半導體器件中電離產(chǎn)生光電流,進而影響器件[2].體硅工藝半導體器件和電路在高劑量率的瞬態(tài)伽馬射線輻射環(huán)境中工作時,會受到干擾甚至遭到破壞性損壞,這種影響被稱為瞬態(tài)劑量率效應,為了研究器件在伽馬輻射環(huán)境下的可靠性問題,研究人員開展了大量的研究工作.瞬態(tài)劑量率的實驗研究主要依賴于電子直線加速器和閃光X射線脈沖源等裝置來開展[3],國內(nèi)研究者主要利用“強光一號”閃光加速器開展相關(guān)的研究[4,5].自20世紀90年代開始,利用脈沖激光模擬瞬態(tài)劑量率效應引起了研究人員的廣泛關(guān)注.高劑量率的伽馬射線作用于半導體器件,由于伽馬射線光子能量高,是通過康普頓效應引發(fā)電離,從而產(chǎn)生大量電子-空穴對,進而形成光電流;而脈沖激光與半導體材料相互作用,由于激光光子能量相對較低,是通過光電效應產(chǎn)生電子-空穴對形成光電流,兩者在產(chǎn)生機理上存在一點差異,但最終都是通過產(chǎn)生電子-空穴對來形成光電流.通過在單管產(chǎn)生相同電荷量的光電流分別所需要的伽馬射線環(huán)境和激光輻照環(huán)境,來定量獲得兩者的等效關(guān)系,同時為了將兩者更好地對應,選擇激光的光功率密度為描述激光輻照環(huán)境的物理量.這就是脈沖激光模擬瞬態(tài)劑量率效應的基礎[6,7].激光模擬瞬態(tài)劑量率效應已經(jīng)得到了實驗與理論上的論證[8,9].同時激光模擬裝置具有實驗方便安全、信噪比高、能量和光斑大小連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點[10],也使得其與電子直線加速器以及閃光X射線脈沖源等不同,能夠用于精細實驗研究瞬態(tài)劑量率效應的特征、規(guī)律與機制.由于伽馬射線具有很強的穿透性,其在材料中的能量損失分布近似是均勻的,因而在考慮使用脈沖激光也需要盡量保證激光束在材料中沉積均勻的能量.有研究指出,波長為1.06 μm的激光束可在硅中700 μm的范圍內(nèi)沉積近似均勻的能量[11],這個深度范圍幾乎可以滿足大部分硅器件的實驗需求.另外還使用脈寬為10和35 ns的激光器開展了瞬態(tài)光電流測量實驗,實驗結(jié)果表明,激光器的脈寬越大產(chǎn)生的瞬態(tài)光電流的脈寬也會越大.在激光器脈寬最終選擇上,參考了“強光一號”閃光加速器的脈沖寬度20 ns,最終選擇波長為1064 nm,脈寬為10 ns的激光器作為模擬源.

體硅工藝互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路中不可避免地會形成PNPN寄生結(jié)構(gòu),輻照產(chǎn)生的光電流有可能導通這些寄生PNPN結(jié)構(gòu)誘發(fā)閂鎖.閂鎖效應通常表現(xiàn)為大電流,會對器件的正常工作造成極大的影響,一旦發(fā)生,通常只有通過斷電-重上電操作才能解除器件的閂鎖狀態(tài).若不及時發(fā)現(xiàn)并采取措施,這種過電流狀態(tài)產(chǎn)生的熱量會損壞器件,嚴重時會造成器件燒毀.相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),對于大規(guī)模集成電路,存在分布式效應,即襯底接觸/擴展電阻耦合所有并聯(lián)電流路徑,使得在管芯的一個區(qū)域中流動的電流可以在另外獨立的區(qū)域中觸發(fā)閂鎖路徑[12],這也是瞬態(tài)劑量率閂鎖效應的復雜獨特之處.研究人員在CMOS集成電路的瞬態(tài)劑量率閂鎖測試中,發(fā)現(xiàn)某些器件存在閂鎖窗口現(xiàn)象,在低劑量率時器件發(fā)生閂鎖,在中等劑量率時器件閂鎖消失或減緩,高劑量率時器件再次出現(xiàn)閂鎖或增強.實驗還發(fā)現(xiàn)一些器件具有非常窄劑量的閉鎖窗口,且閂鎖窗口的閂鎖電流與永久閂鎖的閂鎖電流有所不同[13,14].瞬態(tài)劑量率導致的閂鎖窗口效應給對器件閂鎖評估帶來極大的困擾,即閂鎖閾值精準判定存在困難.國內(nèi)外研究人員對此閂鎖窗口現(xiàn)象的機制從理論上提出了一些分析,如瞬態(tài)光電流在電路中產(chǎn)生了電壓降,導致器件閂鎖的維持電壓不足,使其出現(xiàn)閂鎖窗口;器件中有多個閂鎖路徑,在輻照下,多個閂鎖路徑被觸發(fā),相互競爭電流,由于各路徑維持電流無法被滿足,使器件局部出現(xiàn)退鎖等可能存在的機制[15-19].但由于相關(guān)物理機理較為復雜,目前還沒有能給出一個定論.本文通過實驗和仿真的相關(guān)研究,希望能對此問題提供一些參考.關(guān)于瞬態(tài)劑量率閂鎖效應和單粒子閂鎖效應的對比：瞬態(tài)劑量率閂鎖效應是由于伽馬射線通過康普頓效應產(chǎn)生瞬態(tài)光電流導致器件中存在的PNPN結(jié)構(gòu)被導通從而產(chǎn)生閂鎖,由于瞬態(tài)光電流的全局性,以及寄生的PNPN結(jié)構(gòu)分布較廣,會在器件中出現(xiàn)多處PNPN結(jié)構(gòu)被導通的情況出現(xiàn).單粒子閂鎖效應則是由于單個重離子入射到器件中通過電離產(chǎn)生電子-空穴對被收集從而誘發(fā)某處PNPN結(jié)構(gòu)被導通.閂鎖機制是相同的,但由于瞬態(tài)劑量率效應是一個更大范圍的全局性效應,會在器件中表現(xiàn)出更復雜的現(xiàn)象.

本文利用脈沖激光源模擬瞬態(tài)劑量率閂鎖效應,選擇一款0.18 μm體硅CMOS工藝解串器作為研究對象,利用激光能量精細可調(diào)的優(yōu)勢,獲得該器件的閂鎖閾值以及其閂鎖電流變化特征的實驗數(shù)據(jù),通過對閂鎖的等效電路構(gòu)建仿真模型,利用HSPICE進行電路級仿真,探究瞬態(tài)劑量率多路徑閂鎖特征和物理機制.

2 激光模擬實驗

2.1 實驗對象

實驗對象為一款0.18 μm的體硅CMOS工藝解串器,實驗中器件的正常工作電壓為3.3 V,正常工作電流約為1 mA.激光實驗前,需要對實驗對象進行背部開封裝處理,使其背部襯底完全暴露出來.

2.2 實驗裝置

中國科學院國家空間科學中心激光模擬瞬態(tài)劑量率輻照裝置如圖1所示,主要由激光器、光路系統(tǒng)、載物系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和計算機組成.脈沖激光器作為觸發(fā)裝置,發(fā)射脈沖激光;光路系統(tǒng)包括快門、光學衰減部分、光斑測量部件和能量測量部件,負責調(diào)控和測量脈沖激光的光參量;載物系統(tǒng)包括三維移動臺及其控制裝置,起到固定實驗樣品和調(diào)節(jié)輻照區(qū)域的作用;檢測系統(tǒng)包括直流電源和示波器等,主要功能是對實驗樣品供電和對實驗結(jié)果進行檢測;計算機作為控制終端協(xié)調(diào)各分系統(tǒng).裝置主要技術(shù)指標列于表1.

圖1 激光實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1.Schematic diagram of the laser test system.

表1 實驗裝置技術(shù)指標Table 1.Test equipment technical parameters.

2.3 實驗方案

將樣品固定于三維移動臺上,由直流電源對其供電,脈沖激光垂直器件背部襯底表面進行全芯片輻照,通過光路系統(tǒng)對激光能量進行調(diào)控和記錄來模擬不同劑量率的輻照環(huán)境.閂鎖效應判定：實驗器件供電電流在短時間內(nèi)突然增大至正常工作電流的1.5倍以上,器件功能失效并且需要將電源斷電、重新上電才能恢復正常時,則判定發(fā)生閂鎖.實驗過程中使用直流電源對器件工作電流進行監(jiān)測.一旦出現(xiàn)閂鎖,立即斷開電源從而保護電路不被燒毀.閂鎖閾值確定：輻照實驗中,若不發(fā)生閂鎖,則通過光路系統(tǒng)逐步提高光功率密度,重復進行實驗直至閂鎖;當發(fā)生閂鎖時,則逐步降低光功率密度重復實驗,直至器件不發(fā)生閂鎖;最后記錄下器件發(fā)生閂鎖的最小光功率密度和器件不發(fā)生閂鎖的最大光功率密度,即為該器件的閂鎖閾值.

閂鎖電流實驗是為了探究器件是否存在閂鎖窗口和閂鎖電流的變化及其原因.在獲得閂鎖閾值的實驗基礎上,增大激光的光功率密度,分別在不同偏壓條件下進行實驗,記錄不同光功率密度下器件發(fā)生閂鎖時的閂鎖電流情況.

2.4 閂鎖閾值結(jié)果

實驗獲得了該器件的激光模擬瞬態(tài)劑量率閂鎖閾值為 (8.5 ± 1.2)×104W/cm2.

2.5 閂鎖電流特征結(jié)果

圖2為該器件在不同偏置電壓和光功率密度下的閂鎖電流情況.在同一光功率密度下,器件在偏置電壓2.7 V時不出現(xiàn)閂鎖,在偏置電壓2.8 V時出現(xiàn)閂鎖,閂鎖電流隨偏置電壓的進一步增大而增大.偏置電壓2.7 V時,器件不發(fā)生閂鎖,增大光功率密度對器件無任何影響.偏置電壓2.8,2.9,3.0 V時,器件發(fā)生閂鎖,增大光功率密度對于器件閂鎖電流亦無影響.偏置電壓3.3和3.6 V時,光功率密度在 1.9×106—1.6×107W/cm2之間時,與更低和更高光功率密度的輻照相比,器件閂鎖電流反而出現(xiàn)了下降,即呈現(xiàn)出了劑量率效應誘發(fā)的閂鎖“窗口”現(xiàn)象.

圖2 閂鎖電流變化圖Fig.2.Latch current change diagram.

3 瞬態(tài)劑量率多路徑閂鎖機制分析

圖3所示為CMOS集成電路中的襯底和阱中天然存在的寄生PNPN結(jié)構(gòu)的閂鎖示意圖.如圖3所示,當器件受到電流擾動Ig,會使得Q1處于正偏狀態(tài)時,由等效電路可知：

由于IRs和IRw較小(IRs和IRw分別表示流經(jīng)Rs和Rw的電流),可以忽略.此時IC2≈β1β2Ig(其中β1,β2分別為 Q1,Q2 的增益系數(shù)),當β1×β2＞ 1,形成正反饋,從而產(chǎn)生大電流導致閂鎖.基于閂鎖等效電路模型,可以將閂鎖過程分為觸發(fā)過程和維持過程.觸發(fā)過程：當瞬態(tài)光電流Ig和器件的β1,β2能同時滿足上述閂鎖過程的觸發(fā)條件,使得該路徑被觸發(fā),形成正反饋.維持過程：器件的外部供電電壓Vdd大于器件閂鎖維持電壓時,正反饋產(chǎn)生大電流能夠維持,使整個回路中出現(xiàn)持續(xù)的大電流狀態(tài).觸發(fā)電流僅起到最初觸發(fā)導通作用,并不會影響最終電路的閂鎖電流.將這樣的PNPN結(jié)構(gòu)稱為閂鎖路徑,剛好能夠滿足條件的觸發(fā)電流被稱為閾值觸發(fā)電流.

圖3 PNPN結(jié)構(gòu)閂鎖示意圖Fig.3.Latch diagram of PNPN structure.

瞬態(tài)劑量率的多路徑閂鎖機制：集成電路中會存在多條不同的閂鎖路徑,它們有著不同的閾值觸發(fā)電流、閂鎖電流和維持電壓.電路遭受全芯片輻照時,會通過光電效應產(chǎn)生瞬態(tài)電流,此時光功率密度越大,產(chǎn)生的瞬態(tài)電流也越大.當產(chǎn)生的瞬態(tài)電流導致電路最敏感的閂鎖路徑(即最容易被觸發(fā)且能維持閂鎖的路徑)發(fā)生閂鎖時,此時瞬態(tài)電流即為閾值觸發(fā)電流,產(chǎn)生該瞬態(tài)電流所對應的光功率密度,稱之為電路的閂鎖閾值.在閂鎖閾值之上繼續(xù)增大光功率密度,產(chǎn)生瞬態(tài)電流會更大,其會觸發(fā)電路中其他閂鎖路徑,當更多的閂鎖路徑被觸發(fā)后,出現(xiàn)閂鎖路徑的切換從而導致閂鎖電流發(fā)生變化,甚至于出現(xiàn)閂鎖窗口現(xiàn)象.

閂鎖閾值結(jié)果中器件的閂鎖閾值為(8.5 ±1.2)×104W/cm2,此時在器件中產(chǎn)生瞬態(tài)光電流使得器件中最敏感的閂鎖路徑被觸發(fā),同時此時的外界偏置電壓足以維持該路徑發(fā)生閂鎖,從而在電路中產(chǎn)生持續(xù)的大電流狀態(tài).激光實驗的閂鎖電流特征結(jié)果中,在同一光功率密度下,器件在偏置電壓為2.7 V時不發(fā)生閂鎖,此時閂鎖路徑被觸發(fā),但可能由于偏置電壓不足以維持閂鎖;偏置電壓大于等于2.8 V的幾組實驗中均出現(xiàn)閂鎖,且閂鎖電流隨電壓增大而增大,表明2.8 V是該路徑維持閂鎖的維持電壓,閂鎖電流與偏置電壓正相關(guān).偏置電壓為3.3和3.6 V時,在光功率密度1.9×106—1.6×107W/cm2之間,出現(xiàn)了閂鎖電流的下降,推測這是由于有額外的閂鎖路徑在此光功率密度區(qū)間觸發(fā)閂鎖,導致初始閂鎖路徑退出閂鎖;當光功率密度大于1.6×107W/cm2時,產(chǎn)生的瞬態(tài)光電流在電路中產(chǎn)生的電壓降,使得額外閂鎖路徑退出閂鎖,初始閂鎖路徑再次發(fā)生閂鎖,閂鎖電流又恢復至最初狀態(tài).在偏置電壓2.8,2.9和3.0 V時,閂鎖電流不隨光功率密度的變化而發(fā)生變化,能在該光功率密度區(qū)間被觸發(fā)的閂鎖路徑在較低的偏置電壓下無法被維持,無法對初始的閂鎖路徑造成影響.

4 HSPICE仿真研究

針對上述分析和推測的瞬態(tài)劑量率的多路徑閂鎖機制,依據(jù)閂鎖等效電路模型構(gòu)建SPICE模型,對多路徑閂鎖機制進行HSPICE電路仿真探究.基于等效電路模型分析,若電路結(jié)構(gòu)為多條路徑相互串聯(lián),則該電路發(fā)生閂鎖的前提是,串聯(lián)著的多條閂鎖路徑同時被觸發(fā)導通,同時電源電壓足以維持每條路徑發(fā)生閂鎖,整個電路才能出現(xiàn)閂鎖大電流狀態(tài),因此多個串聯(lián)的PNPN結(jié)構(gòu)可以等效為一個整體的PNPN結(jié)構(gòu),同時閂鎖電流為各PNPN結(jié)構(gòu)的閂鎖電流之和,不會隨著光功率密度的變化而發(fā)生電流變化.若多條閂鎖路徑相互并聯(lián),則分為兩種情況：第一,多條閂鎖路徑相同,則相同的閂鎖路徑會有著相同的路徑參數(shù)(閾值觸發(fā)電流、閂鎖電流和維持電壓),在瞬態(tài)光電流影響下會同時發(fā)生閂鎖,同樣不會出現(xiàn)閂鎖電流的變化;第二,多條閂鎖路徑互不相同,此時每條路徑有著不同的路徑參數(shù),由于瞬態(tài)劑量率的全局光電流的變化,會出現(xiàn)不同路徑觸發(fā)導通并相互影響,最終出現(xiàn)路徑之間的變換,從而會出現(xiàn)閂鎖電流的“窗口現(xiàn)象”.因而可以初步判定各路徑之間應該是并聯(lián)狀態(tài),且各路徑之間有所不同,即存在不同路徑有不同的路徑參數(shù).選擇不同的路徑參數(shù)的兩條路徑相互并聯(lián)(路徑參數(shù)如表2所列),建立如圖4所示的多路徑并聯(lián)的仿真模型進行仿真研究,同時在每條路徑中注入相同大小的觸發(fā)電流來模擬瞬態(tài)劑量率的多路徑閂鎖機制,從而探究多路徑閂鎖機制對閂鎖電流的影響.

表2 路徑參數(shù)Table 2.Path parameters.

圖4 多路徑閂鎖SPICE仿真模型Fig.4.Multi-path latching SPICE simulation model.

分別獲得電源電壓為6和5 V時的仿真結(jié)果,如圖5和圖6所示.

結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電源電壓為6 V時,觸發(fā)電流19—21 mA之間該模型出現(xiàn)了閂鎖電流的窗口現(xiàn)象.

5 仿真結(jié)果分析

將仿真結(jié)果進行整理匯總,列于表3.

對仿真過程中各路徑電流情況進行分析,偏置電壓6 V時閂鎖電流的窗口效應是由于出現(xiàn)了閂鎖路徑的切換所致.觸發(fā)電流14—19 mA之間,路徑1觸發(fā)并維持閂鎖,整個電路中電流46 mA,即為路徑1在6 V時的閂鎖電流;當觸發(fā)電流為20 mA時,路徑1和2均被觸發(fā),由于分布電阻R2的存在,電流流經(jīng)路徑2,路徑1不發(fā)生閂鎖,此時電流為38 mA,相當于路徑2在5 V時的閂鎖電流(電路中分布電阻R1有1 V的分壓);當觸發(fā)電流大于20 mA時,路徑1和2均被觸發(fā),由于分布電阻R1的分壓大于1 V,路徑2的電壓小于維持電壓5 V,路徑2無法被維持,最終路徑1發(fā)生閂鎖,閂鎖電流再次變?yōu)?6 mA.而偏置電壓5 V時,由于路徑2的閂鎖維持電壓不能被滿足,路徑2始終不發(fā)生閂鎖,路徑1在觸發(fā)電流大于14 mA時發(fā)生閂鎖且整個電路閂鎖電流不發(fā)生變化.

圖5 6 V時各路徑電流情況 (a)整個電路;(b)路徑1;(c)路徑2Fig.5.Each path current at 6 V：(a)Whole entire circuit;(b)path 1;(c)path 2.

圖6 5 V時各路徑電流情況 (a)整個電路;(b)路徑1;(c)路徑2Fig.6.Each path current at 5 V：(a)Whole entire circuit;(b)path 1;(c)path 2.

6 結(jié) 論

針對0.18 μm的體硅CMOS工藝解串器開展了激光模擬瞬態(tài)劑量率效應實驗,結(jié)果表明：1)其瞬態(tài)劑量率閂鎖效應的激光光功率密度閾值為(8.5 ± 1.2)×104W/cm2以及其閂鎖維持電壓為2.8 V;2)實驗發(fā)現(xiàn)了閂鎖電流的窗口現(xiàn)象.

依據(jù)閂鎖等效電路模型構(gòu)建SPICE模型進行電路級仿真,仿真結(jié)果表明：1)閂鎖電流和閂鎖維持電壓以及閂鎖閾值觸發(fā)電流都與閂鎖路徑本身電路結(jié)構(gòu)有關(guān);2)閂鎖電流的窗口現(xiàn)象是多路徑閂鎖機制中閂鎖路徑發(fā)生切換所致,由于各條閂鎖路徑的閂鎖電流不同,當發(fā)生閂鎖路徑切換時,就會出現(xiàn)閂鎖電流的窗口現(xiàn)象;3)閂鎖路徑切換的根本原因是各閂鎖路徑的維持電壓不同,電路中的分布電阻在瞬態(tài)光電流下的分壓使得部分發(fā)生閂鎖的路徑出現(xiàn)維持電壓不足,無法維持閂鎖.

研究表明：脈沖激光可以有效模擬瞬態(tài)劑量率閂鎖效應,且具有實驗方便安全、信噪比高、能量和光斑大小連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點.