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. 中國科學院國家空間科學中心， 北京 100190； 2. 中國科學院大學， 北京 100049)

單粒子效應(Single Event Effect，SEE)是制約集成電路應用于空間環(huán)境的重要因素。隨著半導體工藝尺寸逐漸減小到微納尺度，單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient，SET)效應和多位翻轉(zhuǎn)(Multi-Bits Upset,MBU)成為微納工藝電路發(fā)生軟錯誤的主要來源。為了評估器件的SET效應并指導器件的抗輻射加固，地面評估模擬試驗器件的SET效應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，測試SET脈寬分為儀器直接測量和芯片片上測量2種方法。儀器直接測量SET脈寬多采用探針臺加高頻率(10 GHz以上)示波器的方法[2-4]；芯片片上測量多采用加異步鎖存器的方法[7-8]，國內(nèi)采用此方法的多為仿真結(jié)果[9-10]，流片實現(xiàn)并同時利用重離子和脈沖激光試驗測試的較少。

本文設計了一種反相器鏈(DFF)上鎖存器測量脈寬電路，并利用國內(nèi)0.13 μm部分耗盡絕緣體上硅(PD-SOI)工藝流片實現(xiàn)。利用重離子和脈沖激光2種試驗手段，研究了反相器鏈的SET脈寬傳播，并通過比對2種試驗手段的脈寬結(jié)果，建立了脈沖激光正面入射器件到達有源區(qū)的有效能量與重離子線性能量傳輸(LET值)的等價關(guān)系，且給出了誤差分析。同時，激光能量較高時會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量原理

高能粒子轟擊反相器鏈上的MOS管漏端時，會電離出電子空穴對，在PN結(jié)反偏電場的作用下，收集的電荷產(chǎn)生電流脈沖，導致反相器節(jié)點電壓發(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或多個反相器的信號輸入端，如SET脈寬足夠?qū)拰⒁来蝹鞅檎麠l反相器鏈。

以脈寬為2個反相器延時時間的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，SET脈沖將影響2個反相器的輸出。任意時刻，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為脈寬在單個反相器上的延時時間)，將有N級反相器受到影響。因此，脈寬的測量精度為±0.5t。圖1為SET脈寬傳播示意圖。

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

通過控制信號，在特定的時刻控制所有的異步鎖存器，使每個異步鎖存器保持相對應的反相器的輸出邏輯狀態(tài)。當芯片因輻照產(chǎn)生SET脈沖在反相器鏈上傳輸時，異步鎖存器信號為高時，邏輯分析儀會測得輸出信號，與初始值進行比較，就可以發(fā)現(xiàn)輸出端邏輯發(fā)生變化的反相器個數(shù)，如圖3所示。

以反相器的傳輸延時為單位，標定出SET脈寬(脈寬的測量以電壓值閾值(VDD/2)為標準)。通過計算發(fā)生翻轉(zhuǎn)的異步鎖存器個數(shù)乘以電路延時t，測得SET脈寬。圖3(a)為控制異步鎖存器輸出的時鐘信號。圖3(b)為異步鎖存器控制信號，當信號為低時，鎖存器存儲每級反相器的輸出端狀態(tài)，信號為高時，輸出鎖存器狀態(tài)。圖3(c)為無SET脈沖發(fā)生時，鎖存器的初始狀態(tài)。圖3(d)為有SET脈沖發(fā)生時，鎖存器的狀態(tài)與初始狀態(tài)比較，反相器鏈第5級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)展示了一個更寬的SET脈沖在反相器鏈上傳輸?shù)那闆r，共有4個異步鎖存器狀態(tài)受到SET脈沖影響(第2～5個)，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 異步鎖存器測試SET原理Fig.2 Principle of asynchronous latch testing SET

圖3 異步鎖存器測試SET脈寬Fig.3 Pulse width of asynchronous latch testing SET

2 SET脈寬傳播試驗

2.1 器件參數(shù)

利用國內(nèi)0.13 μm PD-SOI CMOS工藝，設計了30級的反相器鏈。反相器鏈制作在p型標準SOI上，埋氧層厚度為100 nm?？蓽y量的SET脈寬范圍為105～3 150 ps，精度為±52.5 ps(每級延時105 ps，30級)。反相器鏈的標準工作電壓為1.2 V。每級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

利用中國科學院近代物理研究所回旋加速器(HIRFL)對反相器鏈進行了輻照。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)，相當于器件中的SET脈寬傳播3級。

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

表2 86Kr離子測試反相器鏈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

利用中國科學院國家空間科學中心1 064 nm皮秒脈沖激光模擬單粒子效應試驗裝置[11-12]，對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。測試實物圖見圖5。為了降低試驗結(jié)果的隨機誤差，每種激光能量掃描測試反相器鏈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得，將透射率均值設為81%，同時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(到達器件有源區(qū)的激光有效能量約為500 pJ)時觸發(fā)了器件的SET現(xiàn)象，測得的脈寬均值為400 ps。

激光能量為2 000～4 500 pJ時，反相器鏈受到輻照產(chǎn)生脈寬均值約為680 ps。SET脈寬達到飽和狀態(tài)，相當于SET脈寬傳播約6級。當激光能量為5000pJ(激光有效能量為2000pJ)時，芯片受到輻照產(chǎn)生的SET脈寬寬度有明顯的上升趨勢，激光能量為5 500 pJ(激光有效能量為2 200 pJ)時，反相器鏈受到輻照產(chǎn)生脈寬均值為900 ps，相當于SET脈寬傳播約8級。繼續(xù)增大激光能量，芯片燒毀。由實測的脈寬可以看出，激光能量為5 500 pJ(激光有效能量為2 200 pJ)時測得的脈寬比激光能量為4 500 pJ時測得的脈寬展寬了32.4%。

圖5 脈沖激光正面測試反相器鏈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)生一對電子空穴對需要的平均能量3.6 eV計算得到。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，漏極收集的電流達到飽和。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。但是當激光能量增大到5 000 pJ(等效LET值為164.0 MeV·cm2/mg)時，電荷使得漏/阱結(jié)合阱/襯底結(jié)坍塌，導致晶體管電勢擾動，從而寄生的雙極型晶體管導通[13-14]，漏極的電流增大使SET脈寬值又繼續(xù)增加。

2.4 試驗結(jié)果對比

2.4.1 激光有效能量與重離子LET值對應關(guān)系

通過對比脈沖激光與重離子的試驗結(jié)果可知，激光能量為1 500 pJ(到達有源區(qū)的激光有效能量為600 pJ)時，與重離子LET值為37.6 MeV·cm2/mg時得到的 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)生一個電子空穴對所需能量的比值；ρ為硅材料的質(zhì)量密度，均為常數(shù)；Eeff為激光到達有源區(qū)觸發(fā)單粒子效應的有效能量。進一步考慮Eeff的表達式，以及其在厚度為d的單粒子效應敏感區(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。相對于穿透深度數(shù)百微米的1 064 nm激光，單粒子效應電荷收集長度d為一小量，在該長度被吸收(沉積)的激光能量相對于Eeff來說也是一小量(α′d是小量)。這樣，激光等效LET值的表達式可進一步簡化為

(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′由試驗擬合獲得?？紤]到獲取吸收系數(shù)取值的實際困難，對于不同類型的器件，若其單粒子效應最敏感的區(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有源區(qū)的激光有效能量Eeff。

ELET=τEeff

(5)

大量試驗及理論研究證明[11，15]，系數(shù)τ為0.082。激光能量為1 500 pJ(到達有源區(qū)的激光有效能量為600 pJ)時，與重離子LET值為37.6 MeV·cm2/mg時的結(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1023cm-3，比典型半導體器件的摻雜濃度還要高。1 064 nm波長脈沖激光試驗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，相對于重離子LET值，需要更高的激光能量。脈沖激光的此特點使得激光有效能量等效LET值天然地要高于實際需要的重離子LET值，這是激光有效能量換算成等效LET值誤差中一個關(guān)鍵因素。

2) 器件鈍化層對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。本文實際測算激光有效能量時，激光穿過鈍化層透射率采用均值0.81，這會導致約±13%的誤差。

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

4) 測得的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時的脈寬值為100～525 ps，激光的變化范圍更寬，而對比時采用的是均值，這也帶來誤差。

3 結(jié) 論

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

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

2) 通過2種試驗手段結(jié)果的對比，建立了激光有效能量與重離子LET值的對應關(guān)系，這對激光定量評估器件的抗單粒子效應能力及加固效果有重要意義。

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