本文针对自主设计的130 nm体硅工艺反相器链电路，利用重离子和脉冲激光实验手段，对电路产生的SET脉宽特征及脉宽分布情况与激光能量、重离子线性能量传递(Linear Energy Transfer，LET)值及PMOS管栅长尺寸之间的关系展开了实验研究，得到了不同因素对SET脉宽特征的影响规律，并分析了SET脉宽特性被诱发的潜在机制。
1 实验样品 SET脉宽特性研究样品为自主设计电路，其包含靶电路和脉宽检测电路，采用130 nm CMOS工艺制造。靶电路包括2条具有不同尺寸单元的反相器链，级数均为200级。2条反相器链的NMOS单元和PMOS单元的栅宽尺寸均为0.13 μm，NMOS单元栅长尺寸均为0.42 μm，但是PMOS单元栅长尺寸分别为0.64 μm(反相器链A)和0.8 μm(反相器链B)。通过片上的脉宽检测电路实现对产生的SET脉宽和个数的记录。SET脉宽测试精度由反相器的延时决定，为±14.1 ps。
SET脉宽测量电路的基本电路如图 1所示。当SET脉冲测试链(第1部分)中有瞬态脉冲传播时，会触发链中反相器发生翻转，使反相器链的串行输出结果中存在2个连续一致的节点，因此可以通过此2个节点之间反相器个数乘以反相器单元延时(28.2 ps)计算获得SET脉宽。第2部分和第3部分电路分别用来实现每级反相器的电平信息的锁存和串行输出。第4部分是自触发电路，用来触发第2部分的锁存器变为保持状态和触发第3部分将反相器链中各节点的信号值串行输出。此外，为防止实验过程中测试电路错误诱发测试失败，对测试电路做了抗SET脉冲和单粒子闩锁加固设计。
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| 图 1 SET脉宽测量电路的基本电路 Fig. 1 Basic circuit of SET pulse width measuring circuit |
| 图选项 |
2 实验方法 2.1 脉冲激光实验方法 脉冲激光实验利用中国科学院国家空间科学中心脉冲激光单粒子效应实验装置开展[9]，实验装置的具体参数为：激光波长为1 064 nm，脉宽为9 ps，光斑直径约1.7 μm，脉冲激光重复频率为1~50 kHz，等效LET值范围为0.1~200 MeV·cm2/mg。图 2为脉冲激光测试系统示意图。为使激光有效进入芯片，脉冲激光从背部硅衬底面入射到样品内部[10]。实验过程中，通过计算机上的SET脉冲测试软件实时采集和记录检测电路捕捉到的目标电路发生SET脉冲效应时的脉宽和个数。
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| 图 2 脉冲激光测试系统 Fig. 2 Test system of pulse laser |
| 图选项 |
2.2 重离子实验方法 重离子实验在中国科学院近代物理研究所的重离子加速器上进行，实验选用的重离子的能量、LET值及在硅中的射程如表 1所示。重离子垂直测试芯片轰击，注量为1×107个离子/cm2。实验过程中，通过片上检测电路检测捕捉目标电路发生SET脉冲效应时的脉宽和个数。
表 1 重离子参数 Table 1 Heavy ion parameters
| 离子种类 | 能量/MeV | LET值/(MeV·cm2·mg-1) | 射程/μm |
| Fe | 6.3 | 29.2 | 20 |
| Xe | 1 994.1 | 49.65 | 150.44 |
| 1 209.5 | 66 | 87.88 | |
| Bi | 1 283.3 | 97.8 | 69.8 |
表选项
3 SET脉冲实验结果 3.1 激光能量及LET值对SET脉宽特性的影响 图 3为反相器链A、B在不同激光能量辐照下产生的SET脉宽分布情况。可以看出，随着激光能量的增加，电路产生的SET脉冲个数增多，SET脉宽分布的峰值所对应的脉宽值逐渐增大，且有多峰出现。当激光能量较低(642 pJ)时，2条反相器链产生的SET脉宽分布均只有一个峰值，且峰值对应的SET脉宽相同，但是相比于反相器链A，反相器链B产生了更多、更宽的SET脉冲。在激光能量为818 pJ和1 042 pJ时，2条反相器链产生的SET脉宽分布均出现多峰分布，仍然是反相器链B产生了更宽的SET脉冲，但反相器链B产生的SET脉宽分布峰值对应的脉宽值与反相器链A产生的SET分布峰值对应的脉宽值相接近。当激光能量增加到2 184 pJ时，反相器链A和反相器链B的脉宽分布均有2个峰值，此时反相器链A的主峰对应SET脉宽小于反相器链B的主峰对应SET脉宽，反相器链A的次峰在其主峰右边，反相器链B的次峰在其主峰左边，且反相器链A的次峰对应SET脉宽大于反相器链B的次峰对应SET脉宽，同时反相器链A也产生了更宽的SET脉冲。
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| 图 3 SET脉宽分布与激光能量的关系 Fig. 3 Relationship between SET pulse width distribution and laser energy |
| 图选项 |
图 4为反相器链A、B在不同LET值的重离子辐照下产生的SET脉宽分布情况。可以看出，随着LET值的增加，电路产生的SET脉宽分布的峰值所对应的脉宽值逐渐增大，且有多峰出现。与脉冲激光实验结果类似，在较低LET值(29.2 MeV·cm2/mg)时，反相器链B产生了更多、更宽的SET，且反相器链B产生的SET脉宽分布峰值对应的脉宽大于反相器链A峰值对应的脉宽，且此时反相器链B产生的SET脉宽的分布已呈双峰趋势，其中次峰位于主峰的左侧。随着重离子LET值的增加，反相器链A开始产生更多、更宽的SET脉冲，且反相器链A的SET脉宽分布也开始出现双峰分布。当LET值为49.65 MeV· cm2/mg时，反相器链A和反相器链B的SET脉宽分布的次峰均出现在主峰的左侧，而当LET值增大为66 MeV·cm2/mg时，反相器链A的SET脉宽分布已经出现3个峰值，反相器链B的SET脉宽分布对应的2个峰值比较接近。当LET值为97.8 MeV·cm2/mg时，反相器链A的SET脉宽分布仍然有3个峰值，且2个次峰分别出现在主峰的两侧，反相器链B的SET脉宽分布有2个峰值，次峰位于主峰的右侧。
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| 图 4 SET脉宽分布与LET值的关系 Fig. 4 Relationship between SET pulse width distribution and LET |
| 图选项 |
3.2 PMOS管栅长尺寸对SET脉宽特性的影响 图 5为反相器链产生的SET脉冲个数随激光能量和重离子LET值增加的实验结果。图 6为反相器链产生的SET平均脉宽随激光能量和重离子LET值增加的实验结果。从图 5可以看出，脉冲激光实验结果和重离子实验结果表现一致，在较低激光能量、LET值时，反相器链A产生较少的SET脉冲，而随着激光辐照能量增加到818 pJ、重离子LET值增加到49.65 MeV·cm2/mg时，反相器链A产生的SET脉冲多于反相器链B产生的SET脉冲，但是随着激光能量、LET值的进一步增大，2条反相器链产生的SET脉冲个数均开始减少，且当激光能量为2 184 pJ、重离子LET值为97.8 MeV·cm2/mg时，反相器链A产生的SET脉冲个数少于反相器链B产生的SET脉冲个数。从图 6可以看出，在较低激光能量、LET值下，反相器链A产生的SET平均脉宽小于反相器链B产生的SET平均脉宽，而在较高激光能量、LET值下，反相器链A产生的SET平均脉宽大于反相器链B产生的SET平均脉宽。激光能量为2 184 pJ时，反相器链A产生的SET平均脉宽比反相器链B产生的SET平均脉宽宽(62.9±14.1) ps；重离子LET值为97.8 MeV·cm2/mg时，反相器链A产生的SET平均脉宽比反相器链B产生的SET平均脉宽宽(147.98±14.1) ps。
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| 图 5 反相器链产生的SET脉冲个数与激光能量、LET值的关系 Fig. 5 Relationship between number of SET pulse generated by inverter chain and laser energy/LET |
| 图选项 |
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| 图 6 反相器链产生的SET脉冲的平均脉宽与激光能量、LET值的关系 Fig. 6 Relationship between average pulse width of SET pulse generated by inverter chain and laser energy/LET |
| 图选项 |
4 SET脉冲实验结果分析 4.1 激光能量及LET值对SET脉宽影响结果分析 不同激光能量、LET值在器件有源区沉积的能量不同，随着重离子LET值和激光能量的增大，辐照区域上电离的电子空穴对数量增加，增加了电荷收集时间，提高了电荷收集效率，因此在被测电路中形成了更宽、更多的SET脉冲。前期的研究表明，晶体管被辐照后电离的电荷收集呈高斯分布[11]，故典型单元的SET脉宽分布也应该符合高斯分布[12]。在较低激光能量、LET值时，电路受辐照产生的SET脉宽分布近似呈高斯分布，这与文献[12]的实验研究结果一致。而随着激光能量、LET值的增加，电荷共享效应开始明显，因此将产生更多的SET脉冲，使其脉宽分布在不同脉宽值下出现峰值，即出现多峰分布。因激光辐照时的光斑尺寸约为1.7 μm，远大于重离子电离的核心径迹尺寸[13]，所以在激光辐照情况下更容易产生电荷共享，从而电路产生的SET脉宽分布更加容易出现多峰分布。在较高激光能量、LET值下，有大量的研究表明[14-17]，基于双阱工艺的PMOS晶体管的寄生双极晶体管将被打开，此时PMOS产生的SET脉冲的脉宽将宽于NMOS产生的SET脉冲脉宽[18-19]。
双阱工艺下CMOS电路中寄生双极晶体管的结构如图 7所示。以输入A为高电平，输出Y为低电平为例进行分析。当带电粒子入射PMOS管漏极时，PMOS中横向寄生的双极晶体管的基极(N阱)吸收电子电势被拉低，因此横向寄生的双极晶体管被打开，从而对收集电流进行放大，致使PMOS产生一个较宽的SET脉冲。但对于NMOS管来说，横向寄生的双极晶体管的基极(P阱)吸收空穴后电势被拉高，而集电极和发射极均为低电平，故该寄生的双极晶体管处于饱和状态，不会对收集的瞬态电流进行放大。此外，当带电粒子入射PMOS漏极时，PMOS中纵向寄生的双极晶体管的基极(N阱)也会吸收电子从而电势降低，因此纵向的双极晶体管被打开，进一步对瞬态电流进行放大。而NMOS的纵向结构为n-p-p型，不存在构成寄生双极晶体管的条件，因此PMOS管的寄生双极放大效应更加敏感。对于输入低电平、输出高电平状态进行分析，同样可以得到PMOS寄生的双极放大效应比NMOS更敏感。因此，较高激光能量、LET值下，PMOS管中寄生的双极晶体管被打开从而产生一个宽于NMOS产生的SET脉冲是反相器链产生SET脉宽的分布出现2个峰值的原因，且次峰存在于主峰的右侧。由于重离子核心径迹尺寸比激光光斑尺寸小，只有在相对非常大的LET值下电路才会受到电荷共享效应的影响，而在此之前，电路将先受寄生双极放大效应影响，因此电路的SET脉宽分布先出现双峰分布再出现多峰分布。
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| 图 7 双阱工艺下CMOS电路中寄生双极晶体管结构 Fig. 7 Structure of parasitic bipolar transistor in CMOS circuit in double well process |
| 图选项 |
4.2 PMOS管栅长尺寸对SET脉宽影响结果分析 载流子漂移扩散过程及寄生双极放大过程是晶体管产生电荷收集的基本机理[20]，电子-空穴对在电场作用下发生漂移的响应时间约为1~2 ps，其主要影响SET脉冲的幅值强度[21]，而随着时间的推移，因电子空穴对浓度梯度的存在，扩散作用将对SET脉冲的拖尾产生影响[22]。SET瞬态采集电路是以反相器链中某一级反相器的翻转作为触发信号，在相同激光能量、LET值下，因PMOS管栅长尺寸大的反相器链的等效电阻小，所以产生的SET脉冲幅值大于PMOS管栅长尺寸小的反相器链产生的瞬态幅值，从而先触发检测电路并被捕获，因此测得的PMOS管栅长尺寸大的反相器链B产生的SET脉冲数量更多一些。此外，因反相器链B被辐照后电离的电荷分布空间大，扩散作用收集电荷所持续的时间较长，因此将产生较宽的SET脉冲。
在较高激光能量、LET值时，因反相器链A比反相器链B具有更小的PMOS管栅长尺寸，而随着器件尺寸减小，寄生双极晶体管的基极也相应减小，导致其电流增益增加[23]，因此栅长尺寸小的反相器链产生了更宽的SET脉冲。当PMOS中的寄生双极晶体管被打开时，寄生晶体管的双极放大效应对目标电路的影响大于载流子漂移扩散过程对收集的SET脉冲的影响，故此时表现为栅长尺寸小的电路产生了更宽的SET脉冲。此外，当激光能量、LET值很大时，电荷共享效应容易发生从而使电路产生较多的窄SET脉冲，但是产生的2个或多个SET脉冲有可能叠加到一起，从而被检测电路以一个脉冲捕捉，因此实验结果表现为测得的SET个数下降，但SET脉宽增加。
4.3 脉冲激光和重离子结果对比分析 实验结果对比分析发现，2条反相器链在脉冲激光和重离子辐照下产生的SET脉冲结果较为一致，即较低激光能量、LET值时反相器链B比反相器链A敏感，较高激光能量、LET值时反相器链A的寄生双极效应更严重，导致其更敏感，但是2种实验手段在不同能量、LET值下对SET脉宽特性的影响上仍存在差异。相比于重离子辐照，较低激光能量辐照时即可出现SET脉宽的多峰分布，而相比于激光，重离子在较低LET值下更容易使PMOS管的寄生双极效应打开，从而产生一个较宽的SET脉冲。
脉冲激光诱发单粒子效应的物理机理与重离子类似，都是电离诱发的电子-空穴对被电路内部敏感节点收集形成瞬态电流，进而对电路造成影响，但二者的电离机制和电离(能量沉积)径迹有所不同[24]。脉冲激光的电离机制是光子与半导体材料相互作用，半导体材料吸收光子从而产生电子-空穴对，而重离子在半导体材料中的电离过程是重离子与半导体材料相互作用的能损过程。在电离(能量沉积)径迹方面，脉冲激光在纵向上沉积的能量随入射深度的增加呈指数减小，而重离子在纵向上沉积的能量则随入射深度的增加而增加，射程的末端沉积的能量较多[25]，而在横向上，激光辐照产生载流子的面积较大(光斑尺寸为微米量级)，而重离子的电离径迹直径较小(纳米量级[26])。
由于激光的横向沉积能量面积较大，在激光能量较弱时，电荷共享效应不存在或不明显，但随着激光能量的进一步增加，电荷共享效应开始显著，从而使电路产生的SET脉宽分布出现多峰分布。因重离子在纵向沉积能量随入射深度的增加而增加，使得PMOS管中寄生的双极晶体管的基极更容易收集较多的电荷，从而打开寄生的双极晶体管，因此相比于激光辐照情况，在较低LET值下反相器链A产生的SET的脉宽便超过反相器链B产生的SET脉宽。此外，当LET值很大时也有可能出现电荷共享效应，致使SET脉宽分布出现多峰。
5 结论 1) 双阱CMOS工艺下，PMOS的寄生双极效应开启和电荷共享效应是较高激光能量(2 184 pJ)和较高LET值(49.65、66、97.8 MeV·cm2/mg)下造成SET脉宽呈双(多)峰分布的主要原因。
2) PMOS晶体管的寄生双极晶体管效应在较高激光能量、LET值下显著，且PMOS管栅长尺寸小的反相器链电路的寄生双极效应更严重(激光能量为2 184 pJ时，反相器链A比反相器链B产生的SET平均脉宽约宽62.9 ps；LET值为97.8 MeV·cm2/mg时，反相器链A比反相器链B产生的SET平均脉宽约宽147.98 ps)。
3) 受电离(能量沉积)径迹的影响，重离子更容易使PMOS管中寄生的双极晶体管打开。
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