本文设计了一种反相器链(DFF)上锁存器测量脉宽电路，并利用国内0.13 μm部分耗尽绝缘体上硅(PD-SOI)工艺流片实现。利用重离子和脉冲激光2种试验手段，研究了反相器链的SET脉宽传播，并通过比对2种试验手段的脉宽结果，建立了脉冲激光正面入射器件到达有源区的有效能量与重离子线性能量传输(LET值)的等价关系，且给出了误差分析。同时，激光能量较高时会引起反相器链的寄生双极放大现象。
1 反相器链片上脉宽测量原理 高能粒子轰击反相器链上的MOS管漏端时，会电离出电子空穴对，在PN结反偏电场的作用下，收集的电荷产生电流脉冲，导致反相器节点电压发生翻转，产生SET瞬态电压脉冲，沿着反相器链向下传播。根据脉宽宽度的不同，脉冲的前沿可以传播到反相器链上的一个或多个反相器的信号输入端，如SET脉宽足够宽将依次传遍整条反相器链。
以脉宽为2个反相器延时时间的SET脉冲在反相器链上传输的情况举例。反相器链上传播时，SET脉冲将影响2个反相器的输出。任意时刻，受影响的反相器的数量与瞬态脉冲的宽度成正比。脉宽越宽，受影响的反相器的数量越多。仿真表明，对于所有脉宽为(N-0.5) t~(N+0.5)t之间的脉冲(N为传播的反相器链的数量，t为脉宽在单个反相器上的延时时间)，将有N级反相器受到影响。因此，脉宽的测量精度为±0.5 t。图 1为SET脉宽传播示意图。
 |
| 图 1 SET脉宽传播示意图 Fig. 1 Schematic diagram of SET pulse width transmission |
| 图选项 |
用反相器延时时间的倍数来标定SET脉冲的时间宽度。为了获取反相器链上各个反相器的输出状态，在每级反相器的输出端加上异步锁存器，如图 2所示。当SET脉冲传播到每个反相器时，其对应的异步锁存器的数据将发生改变。SET脉冲通过后，反相器的输出状态和储存在异步锁存器的数据将返回原始值(当在反相器的输出端增加异步锁存器负载后，将会改变反相器链的时间特性，从而对标定的脉宽精度产生影响，要保证异步锁存器的输入电容负载尽可能小)。
 |
| 图 2 异步锁存器测试SET原理 Fig. 2 Principle of asynchronous latch testing SET |
| 图选项 |
通过控制信号，在特定的时刻控制所有的异步锁存器，使每个异步锁存器保持相对应的反相器的输出逻辑状态。当芯片因辐照产生SET脉冲在反相器链上传输时，异步锁存器信号为高时，逻辑分析仪会测得输出信号，与初始值进行比较，就可以发现输出端逻辑发生变化的反相器个数，如图 3所示。
以反相器的传输延时为单位，标定出SET脉宽(脉宽的测量以电压值阈值(VDD/2)为标准)。通过计算发生翻转的异步锁存器个数乘以电路延时t，测得SET脉宽。图 3(a)为控制异步锁存器输出的时钟信号。图 3(b)为异步锁存器控制信号，当信号为低时，锁存器存储每级反相器的输出端状态，信号为高时，输出锁存器状态。图 3(c)为无SET脉冲发生时，锁存器的初始状态。图 3(d)为有SET脉冲发生时，锁存器的状态与初始状态比较，反相器链第5级输出端受到脉冲影响，其异步锁存器的状态翻转为高，脉宽可估算为(1±0.5) t。图 3(e)展示了一个更宽的SET脉冲在反相器链上传输的情况，共有4个异步锁存器状态受到SET脉冲影响(第2~5个)，脉宽为(4±0.5) t。
 |
| 图 3 异步锁存器测试SET脉宽 Fig. 3 Pulse width of asynchronous latch testing SET |
| 图选项 |
2 SET脉宽传播试验 2.1 器件参数 利用国内0.13 μm PD-SOI CMOS工艺，设计了30级的反相器链。反相器链制作在p型标准SOI上，埋氧层厚度为100 nm。可测量的SET脉宽范围为105~3 150 ps，精度为±52.5 ps(每级延时105 ps，30级)。反相器链的标准工作电压为1.2 V。每级反相器的输出端加上异步锁存器，芯片版图如图 4所示。
 |
| 图 4 0.13 μm PD-SOI CMOS反相器链芯片版图 Fig. 4 Chip layout of 0.13 μm PD-SOI CMOS DFF |
| 图选项 |
2.2 重离子加速器试验 利用中国科学院近代物理研究所回旋加速器(HIRFL)对反相器链进行了辐照。采用的86Kr离子的辐照信息如表 1所示。
利用86Kr离子对器件辐照35 min，累积注量为2.1×107/cm2。1.2 V T栅反相器链的异步锁存器共发生8次状态翻转，平均4 min翻转1次，1次翻转无脉宽输出视为无效，有效翻转为7次。7次翻转测得的脉宽值如表 2所示。
在2.1×107/cm2注量的86Kr离子辐照下，测得反相器链中传播的脉宽宽度均值为402ps (脉宽宽度均值为翻转次数乘以脉宽除以总的翻转次数之和)，相当于器件中的SET脉宽传播3级。
表 1 粒子辐照条件 Table 1 Particle irradiation condition
| 参数 | 能量/MeV | LET/(MeV· cm2·mg-1) | 硅中射射程/μm | 束流强度(均值)/ (cm2·s-1) |
| 数值 | 479.8 | 37.6 | 59 | 1.0×104 |
表选项
表 2 86Kr离子测试反相器链SET脉宽值 Table 2 SET testing pulse width values of DFF by 86Kr ion
| 脉宽/ps | 翻转次数 |
| 210 | 2 |
| 420 | 2 |
| 525 | 3 |
表选项
2.3 脉冲激光模拟SET试验 利用中国科学院国家空间科学中心1 064 nm皮秒脉冲激光模拟单粒子效应试验装置[11-12]，对1.2 V T栅反相器链采用正面辐照方法扫描器件中的反相器链位置。测试实物图见图 5。为了降低试验结果的随机误差，每种激光能量扫描测试反相器链5次，得到的脉宽求均值，见图 6。
 |
| 图 5 脉冲激光正面测试反相器链 Fig. 5 Pulsed laser testing DFF by front side |
| 图选项 |
 |
| 图 6 激光有效能量与反相器链SET脉宽关系 Fig. 6 Relationship between laser effective energy and DFF SET pulse width |
| 图选项 |
透过器件钝化层的激光能量由钝化层厚度决定，因器件钝化层厚度未知且难测得，将透射率均值设为81%，同时器件金属布线反射的激光能量约有50%(透射率为50%)，两者相乘则到达器件有源区的激光有效能量约为表面入射激光能量的40%。
最低激光能量为1 250 pJ(到达器件有源区的激光有效能量约为500 pJ)时触发了器件的SET现象，测得的脉宽均值为400 ps。
激光能量为2 000~4 500 pJ时，反相器链受到辐照产生脉宽均值约为680 ps。SET脉宽达到饱和状态，相当于SET脉宽传播约6级。当激光能量为5000pJ(激光有效能量为2000pJ)时，芯片受到辐照产生的SET脉宽宽度有明显的上升趋势，激光能量为5 500 pJ(激光有效能量为2 200 pJ)时，反相器链受到辐照产生脉宽均值为900 ps，相当于SET脉宽传播约8级。继续增大激光能量，芯片烧毁。由实测的脉宽可以看出，激光能量为5 500 pJ(激光有效能量为2 200 pJ)时测得的脉宽比激光能量为4 500 pJ时测得的脉宽展宽了32.4%。
漏极收集电荷公式为[13]
 | (1) |
式中：Qcollect为产生的总的电荷量，单位为fC；ID为单位时间沉积的电荷量；LET为线性能量传输，单位为MeV·cm2/mg；Qdep为单位长度产生的电荷量，单位为fC；tsilicon为硅膜的厚度，单位为μm；10.365为倍增因子，由硅的密度和硅材料中产生一对电子空穴对需要的平均能量3.6 eV计算得到。硅膜的厚度一定，LET值越大，漏极电流越大，载流子浓度高，被漏极收集的几率大，漏极总的收集电荷越多。激光能量为2 000 pJ(等效LET值为65.6 MeV·cm2/mg)时，漏极收集的电流达到饱和。继续增大激光能量，漏极的电流保持稳定，使SET脉宽并未增大。但是当激光能量增大到5 000 pJ(等效LET值为164.0 MeV·cm2/mg)时，电荷使得漏/阱结合阱/衬底结坍塌，导致晶体管电势扰动，从而寄生的双极型晶体管导通[13-14]，漏极的电流增大使SET脉宽值又继续增加。
2.4 试验结果对比
2.4.1 激光有效能量与重离子LET值对应关系 通过对比脉冲激光与重离子的试验结果可知，激光能量为1 500 pJ(到达有源区的激光有效能量为600 pJ)时，与重离子LET值为37.6 MeV·cm2/mg时得到的SET脉宽均值都约为400 ps，结果接近。
脉冲激光等效LET值(ELET)的依据是“脉冲激光和重离子在器件敏感区域单位距离上产生等量的电离电荷”，则激光的等效LET值理论上可以表述为[11, 15]
 | (2) |
式中：ef为重离子和1 064 nm激光分别产生一个电子空穴对所需能量的比值；ρ为硅材料的质量密度，均为常数；Eeff为激光到达有源区触发单粒子效应的有效能量。进一步考虑Eeff的表达式，以及其在厚度为d的单粒子效应敏感区域内的“平均”吸收系数α′，则ELET可表述为
 | (3) |
即决定激光等效LET值的具体数值除了Eeff外，还依赖“平均”吸收系数α′和厚度d。相对于穿透深度数百微米的1 064 nm激光，单粒子效应电荷收集长度d为一小量，在该长度被吸收(沉积)的激光能量相对于Eeff来说也是一小量(α′d是小量)。这样，激光等效LET值的表达式可进一步简化为
 | (4) |
决定激光等效LET值的主要参数是激光在器件单粒子效应敏感区域的有效能量Eeff和平均吸收系数α′。平均吸收系数α′由器件有源区、阱区的掺杂浓度决定。因器件有源区、阱区的掺杂浓度一般不可获得，即使获得也不是均匀分布，所以平均吸收系数α′由试验拟合获得。考虑到获取吸收系数取值的实际困难，对于不同类型的器件，若其单粒子效应最敏感的区域的激光吸收系数α′相差不大，则激光等效LET值主要依赖于激光到达有源区的激光有效能量Eeff。
 | (5) |
大量试验及理论研究证明[11, 15]，系数τ为0.082。激光能量为1 500 pJ(到达有源区的激光有效能量为600 pJ)时，与重离子LET值为37.6 MeV·cm2/mg时的结果相近，1 500 pJ表面入射激光能量等效LET值为49.2 MeV·cm2/mg，比重离子LET值(37.6 MeV·cm2/mg)大约31%。
2.4.2 激光等效LET值与重离子LET值误差的原因 造成激光有效能量等效LET值与重离子LET值误差有以下几方面原因。
1) 重离子的径迹宽度约为0.1~0.5 μm，中心浓度可达1023 cm-3，比典型半导体器件的掺杂浓度还要高。1 064 nm波长脉冲激光试验装置的光斑直径约为2 μm，具有相同LET值的脉冲激光和重离子相比，径迹宽大、中心电荷浓度低。为了能够产生足够多的载流子以触发器件发生单粒子效应，相对于重离子LET值，需要更高的激光能量。脉冲激光的此特点使得激光有效能量等效LET值天然地要高于实际需要的重离子LET值，这是激光有效能量换算成等效LET值误差中一个关键因素。
2) 器件钝化层对激光的反射率为周期函数[12, 16]，根据钝化层厚度的不同，表面入射激光能量的透射率T为0.68~0.95，如图 7所示。本文实际测算激光有效能量时，激光穿过钝化层透射率采用均值0.81，这会导致约±13%的误差。
 |
| 图 7 1 064 nm波长激光随钝化层厚度的能量透射率变化曲线 Fig. 7 Variation of energy transmittance of 1 064 nm laser with passivation layer thickness |
| 图选项 |
3) 器件采用SOI工艺，相对于体硅工艺，芯片的源/漏极相互隔离，引起单粒子效应敏感区面积小[17]，被器件吸收产生电子空穴对的有效激光能量少。现有的有效能量计算模型只是计算到达有源区的激光能量，并未准确分析被器件源/漏极吸收引起单粒子效应的有效能量，得到的等效LET值要偏大，具体偏大量要结合更精细的仿真研究。
4) 测得的SET脉宽本身有一定范围。LET值为37.6 MeV·cm2/mg的重离子的脉宽值为210~525 ps，激光能量为1 500 pJ时的脉宽值为100~525 ps，激光的变化范围更宽，而对比时采用的是均值，这也带来误差。
3 结论 利用脉冲激光和重离子2种试验手段，验证了0.13 μm PD-SOI工艺反相器链的异步锁存脉宽测试电路的有效性，并得到以下结论：
1) 通过试验和理论分析，建立了激光正面测试器件单粒子效应的激光有效能量测算方法，该方法普适于利用激光正面模拟试验芯片的单粒子效应。
2) 通过2种试验手段结果的对比，建立了激光有效能量与重离子LET值的对应关系，这对激光定量评估器件的抗单粒子效应能力及加固效果有重要意义。
下一步的研究工作应建立不同种类器件发生单粒子效应时有源区的激光有效能量吸收模型，量化激光有效能量换算为LET值的误差。
参考文献
| [1] | EL-MAMOUNI F, ZHANG E X, PATE N D, et al. Laser-and heavy ion-induced charge collection in bulk FinFETs[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2011, 58(6): 2563-2569. DOI:10.1109/TNS.2011.2171994 |
| [2] | FERLET-CAVROIS V, MCMORROW D, KOBAYASHI D, et al. A new technique for SET pulse width measurement in chains of inverters using pulsed laser irradiation[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2009, 56(4): 2014-2020. DOI:10.1109/TNS.2009.2017374 |
| [3] | MUSSEAU O, FERLET-CAVROIS V, PELLOIE J L, et al.Laser probing of bipolar amplification in 0.25μm MOS/SOI transistors[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2000, 47(6): 2196-2203. https://www.researchgate.net/publication/3137163_Laser_probing_of_bipolar_amplification_in_025-m_MOSSOI_transistors |
| [4] | 赵星, 梅博, 毕津顺, 等. 0.18μm部分耗尽绝缘体上硅互补金属氧化物半导体电路单粒子瞬态特性研究[J]. 物理学报, 2015, 64(13): 136102. ZHAO X, MEI B, BI J S, et al. Single event transients in a 0.18 μm partially-depleted silicon-on-insulator complementary metal oxide semiconductor circuit[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(13): 136102. DOI:10.7498/aps.64.136102 (in Chinese) |
| [5] | CHEN R M, ZHANG F Q, CHEN W, et al. Single-event multiple transients in conventional and guard-ring hardened inverter chains under pulsed laser and heavy-ion irradiation[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2017, 64(9): 2511-2518. DOI:10.1109/TNS.2017.2738646 |
| [6] | WU Z Y, CHEN S M, CHEN J J, et al. Impacts of proton radiation on heavy ion-induced single event transients in 65 nm CMOS technology[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2019, 66(1): 177-183. |
| [7] | GADLAGE M J, AHLBIN J R, NARASIMHAM B, et al. Scaling trends in SET pulse widths in sub-100 nm bulk CMOS processes[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2010, 57(6): 3336-3341. |
| [8] | FERLET-CAVROIS V, POUGET V, MCMORROW D, et al. Investigation of the propagation induced pulse broadening (PIPB) effect on single event transients in SOI and bulk inverter chains[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2008, 55(6): 2842-2853. DOI:10.1109/TNS.2008.2007724 |
| [9] | 毕津顺, 刘刚, 罗家俊, 等. 22 nm工艺超薄体全耗尽绝缘体上硅晶体管单粒子瞬态效应研究[J]. 物理学报, 2013, 62(20): 208501. BI J S, LIU G, LUO J J, et al. Numerical simulation of single-event-transient effects on ultra-thin-body fully-depleted silicon-on-insulator transistor based on 22 nm process node[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(20): 208501. DOI:10.7498/aps.62.208501 (in Chinese) |
| [10] | 吴驰, 毕津顺, 李博, 等. PDSOI工艺下单粒子瞬态脉冲宽度分析[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2016, 14(6): 977-981. WU C, BI J S, LI B, et al. Analysis of single-event transient pulse width in PDSOI[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2016, 14(6): 977-981. (in Chinese) |
| [11] | MA Y Q, HAN J W, FENG G Q, et al.Metallic layers reflections effects on the correlation of laser effective energy and heavy-ion LET for SEL testing[C]//IEEE Radiation Effects on Components and Systems (RADECS).Piscataway, NJ: IEEE Press, 2016: 1-6. |
| [12] | 余永涛.脉冲激光模拟SRAM单粒子效应的试验研究[D].北京: 中国科学院大学, 2015. YU Y T.Research of SRAM single event effects based on pulsed laser testing[D].Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2015(in Chinese). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-80073-1015351170.htm |
| [13] | 刘红侠, 卓青青.线性能量传输值对SOI NMOS寄生双极放大效应的影响[EB/OL].(2013-12-23)[2018-12-23].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201312-697. LIU H X, ZHUO Q Q.Influence of linear energy transfer on the parasitic bipolar amplification effect of SOI[EB/OL].(2013-12-23)[2018-12-23].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201312-697(in Chinese). |
| [14] | 刘征, 陈书明, 梁斌, 等. 单粒子瞬变中的双极放大效应研究[J]. 物理学报, 2010, 59(1): 649-654. LIU Z, CHEN S M, LIANG B, et al. Research of bipolar amplification effect in single event transient[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(1): 649-654. (in Chinese) |
| [15] | 黄建国, 韩建伟. 脉冲激光模拟单粒子效应的等效LET计算[J]. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学, 2004, 34(6): 601-609. HUANG J G, HAN J W. Calculation of equivalent LET for pulsed laser simulating SEE[J]. Science in China Series G:Physics, Mechanics & Astronomy, 2004, 34(6): 601-609. (in Chinese) |
| [16] | MELINGER J, BUCHNER S, MCMORROW D, et al. Critical evaluation of the pulsed laser method for single event effects testing and fundamental studies[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1994, 41(6): 2574-2584. DOI:10.1109/23.340618 |
| [17] | ZHANG L Q, XU J L, FAN S. Single event upset sensitivity of D-flip flop:Comparison of PDSOI with bulk Si at 130 nm technology node[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2017, 64(1): 683-688. DOI:10.1109/TNS.2016.2636338 |
