摘要:互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)工艺集成电路由于寄生的PNPN结构使其可能会受到闩锁效应的影响, 在全局辐照下由瞬态剂量率效应诱发的闩锁具有独特的性能. 本文利用激光模拟瞬态剂量率效应装置, 针对体硅CMOS工艺解串器FIN1218MTDX, 进行瞬态剂量率闩锁效应的实验研究, 探究其闩锁阈值和闩锁电流特征. 实验获得了该器件在3.3 V工作电压时的瞬态剂量率闩锁阈值光功率密度为(8.5 ± 1.2) × 10⁴ W/cm²; 并发现在工作电压3.3和3.6 V, 光功率密度1.9 × 10⁶—1.6 × 10⁷ W/cm²的辐照下, 闩锁电流发生了明显的降低, 即出现了闩锁电流的“窗口现象”. 基于闩锁等效电路模型, 利用多路径闩锁机制, 构建HSPICE模型对激光实验暴露出的瞬态剂量率闩锁特征进行了机理分析. 结果表明: 激光实验中闩锁电流波动是由于多路径闩锁机制所致, 其会在特定电路结构中促使器件的闩锁路径发生切换, 从而诱发这一现象.
关键词: 瞬态剂量率效应/
闩锁效应/
脉冲激光

English Abstract

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原子核在发生衰变后产生的新核往往处于高能量级, 要向低能级跃迁就会辐射出伽马射线, 一般原子核衰变和核反应均可产生伽马射线. 伽马射线带有高能量且有着极强的高穿透性. 1958年, Bell实验室的工程师Roger首次在地面实验中观测到二极管的瞬态伽马辐射响应^[1], 并于1963年与Wirth共同提出瞬态伽马辐射会在半导体器件中电离产生光电流, 进而影响器件^[2]. 体硅工艺半导体器件和电路在高剂量率的瞬态伽马射线辐射环境中工作时, 会受到干扰甚至遭到破坏性损坏, 这种影响被称为瞬态剂量率效应, 为了研究器件在伽马辐射环境下的可靠性问题, 研究人员开展了大量的研究工作. 瞬态剂量率的实验研究主要依赖于电子直线加速器和闪光X射线脉冲源等装置来开展^[3], 国内研究者主要利用“强光一号”闪光加速器开展相关的研究^[4,5]. 自20世纪90年代开始, 利用脉冲激光模拟瞬态剂量率效应引起了研究人员的广泛关注. 高剂量率的伽马射线作用于半导体器件, 由于伽马射线光子能量高, 是通过康普顿效应引发电离, 从而产生大量电子-空穴对, 进而形成光电流; 而脉冲激光与半导体材料相互作用, 由于激光光子能量相对较低, 是通过光电效应产生电子-空穴对形成光电流, 两者在产生机理上存在一点差异, 但最终都是通过产生电子-空穴对来形成光电流. 通过在单管产生相同电荷量的光电流分别所需要的伽马射线环境和激光辐照环境, 来定量获得两者的等效关系, 同时为了将两者更好地对应, 选择激光的光功率密度为描述激光辐照环境的物理量. 这就是脉冲激光模拟瞬态剂量率效应的基础^[6,7]. 激光模拟瞬态剂量率效应已经得到了实验与理论上的论证^[8,9]. 同时激光模拟装置具有实验方便安全、信噪比高、能量和光斑大小连续可调等优点^[10], 也使得其与电子直线加速器以及闪光X射线脉冲源等不同, 能够用于精细实验研究瞬态剂量率效应的特征、规律与机制. 由于伽马射线具有很强的穿透性, 其在材料中的能量损失分布近似是均匀的, 因而在考虑使用脉冲激光也需要尽量保证激光束在材料中沉积均匀的能量. 有研究指出, 波长为1.06 μm的激光束可在硅中700 μm的范围内沉积近似均匀的能量^[11], 这个深度范围几乎可以满足大部分硅器件的实验需求. 另外还使用脉宽为10和35 ns的激光器开展了瞬态光电流测量实验, 实验结果表明, 激光器的脉宽越大产生的瞬态光电流的脉宽也会越大. 在激光器脉宽最终选择上, 参考了“强光一号”闪光加速器的脉冲宽度20 ns, 最终选择波长为1064 nm, 脉宽为10 ns的激光器作为模拟源.
体硅工艺互补金属氧化物半导体(CMOS)电路中不可避免地会形成PNPN寄生结构, 辐照产生的光电流有可能导通这些寄生PNPN结构诱发闩锁. 闩锁效应通常表现为大电流, 会对器件的正常工作造成极大的影响, 一旦发生, 通常只有通过断电-重上电操作才能解除器件的闩锁状态. 若不及时发现并采取措施, 这种过电流状态产生的热量会损坏器件, 严重时会造成器件烧毁. 相关研究发现, 对于大规模集成电路, 存在分布式效应, 即衬底接触/扩展电阻耦合所有并联电流路径, 使得在管芯的一个区域中流动的电流可以在另外独立的区域中触发闩锁路径^[12], 这也是瞬态剂量率闩锁效应的复杂独特之处. 研究人员在CMOS集成电路的瞬态剂量率闩锁测试中, 发现某些器件存在闩锁窗口现象, 在低剂量率时器件发生闩锁, 在中等剂量率时器件闩锁消失或减缓, 高剂量率时器件再次出现闩锁或增强. 实验还发现一些器件具有非常窄剂量的闭锁窗口, 且闩锁窗口的闩锁电流与永久闩锁的闩锁电流有所不同^[13,14]. 瞬态剂量率导致的闩锁窗口效应给对器件闩锁评估带来极大的困扰, 即闩锁阈值精准判定存在困难. 国内外研究人员对此闩锁窗口现象的机制从理论上提出了一些分析, 如瞬态光电流在电路中产生了电压降, 导致器件闩锁的维持电压不足, 使其出现闩锁窗口; 器件中有多个闩锁路径, 在辐照下, 多个闩锁路径被触发, 相互竞争电流, 由于各路径维持电流无法被满足, 使器件局部出现退锁等可能存在的机制^[15—19]. 但由于相关物理机理较为复杂, 目前还没有能给出一个定论. 本文通过实验和仿真的相关研究, 希望能对此问题提供一些参考. 关于瞬态剂量率闩锁效应和单粒子闩锁效应的对比: 瞬态剂量率闩锁效应是由于伽马射线通过康普顿效应产生瞬态光电流导致器件中存在的PNPN结构被导通从而产生闩锁, 由于瞬态光电流的全局性, 以及寄生的PNPN结构分布较广, 会在器件中出现多处PNPN结构被导通的情况出现. 单粒子闩锁效应则是由于单个重离子入射到器件中通过电离产生电子-空穴对被收集从而诱发某处PNPN结构被导通. 闩锁机制是相同的, 但由于瞬态剂量率效应是一个更大范围的全局性效应, 会在器件中表现出更复杂的现象.
本文利用脉冲激光源模拟瞬态剂量率闩锁效应, 选择一款0.18 μm体硅CMOS工艺解串器作为研究对象, 利用激光能量精细可调的优势, 获得该器件的闩锁阈值以及其闩锁电流变化特征的实验数据, 通过对闩锁的等效电路构建仿真模型, 利用HSPICE进行电路级仿真, 探究瞬态剂量率多路径闩锁特征和物理机制.

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2.1.实验对象

实验对象为一款0.18 μm的体硅CMOS工艺解串器, 实验中器件的正常工作电压为3.3 V, 正常工作电流约为1 mA. 激光实验前, 需要对实验对象进行背部开封装处理, 使其背部衬底完全暴露出来.
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2.2.实验装置

中国科学院国家空间科学中心激光模拟瞬态剂量率辐照装置如图1所示, 主要由激光器、光路系统、载物系统、检测系统和计算机组成. 脉冲激光器作为触发装置, 发射脉冲激光; 光路系统包括快门、光学衰减部分、光斑测量部件和能量测量部件, 负责调控和测量脉冲激光的光参量; 载物系统包括三维移动台及其控制装置, 起到固定实验样品和调节辐照区域的作用; 检测系统包括直流电源和示波器等, 主要功能是对实验样品供电和对实验结果进行检测; 计算机作为控制终端协调各分系统. 装置主要技术指标列于表1.
图 1 激光实验系统示意图
Figure1. Schematic diagram of the laser test system

装置名称	激光 波长	脉冲 宽度	最大光斑尺寸	最大 能量	重复频率
激光瞬态剂量率辐照装置	1064 nm	10 ns	1 cm	1 J	1—10 Hz

表1实验装置技术指标
Table1.Test equipment technical parameters

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2.3.实验方案

将样品固定于三维移动台上, 由直流电源对其供电, 脉冲激光垂直器件背部衬底表面进行全芯片辐照, 通过光路系统对激光能量进行调控和记录来模拟不同剂量率的辐照环境. 闩锁效应判定: 实验器件供电电流在短时间内突然增大至正常工作电流的1.5倍以上, 器件功能失效并且需要将电源断电、重新上电才能恢复正常时, 则判定发生闩锁. 实验过程中使用直流电源对器件工作电流进行监测. 一旦出现闩锁, 立即断开电源从而保护电路不被烧毁. 闩锁阈值确定: 辐照实验中, 若不发生闩锁, 则通过光路系统逐步提高光功率密度, 重复进行实验直至闩锁; 当发生闩锁时, 则逐步降低光功率密度重复实验, 直至器件不发生闩锁; 最后记录下器件发生闩锁的最小光功率密度和器件不发生闩锁的最大光功率密度, 即为该器件的闩锁阈值.
闩锁电流实验是为了探究器件是否存在闩锁窗口和闩锁电流的变化及其原因. 在获得闩锁阈值的实验基础上, 增大激光的光功率密度, 分别在不同偏压条件下进行实验, 记录不同光功率密度下器件发生闩锁时的闩锁电流情况.
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2.4.闩锁阈值结果

实验获得了该器件的激光模拟瞬态剂量率闩锁阈值为(8.5 ± 1.2) × 10⁴ W/cm².
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2.5.闩锁电流特征结果

图2为该器件在不同偏置电压和光功率密度下的闩锁电流情况. 在同一光功率密度下, 器件在偏置电压2.7 V时不出现闩锁, 在偏置电压2.8 V时出现闩锁, 闩锁电流随偏置电压的进一步增大而增大. 偏置电压2.7 V时, 器件不发生闩锁, 增大光功率密度对器件无任何影响. 偏置电压2.8, 2.9, 3.0 V时, 器件发生闩锁, 增大光功率密度对于器件闩锁电流亦无影响. 偏置电压3.3和3.6 V时, 光功率密度在1.9 × 10⁶—1.6 × 10⁷ W/cm²之间时, 与更低和更高光功率密度的辐照相比, 器件闩锁电流反而出现了下降, 即呈现出了剂量率效应诱发的闩锁“窗口”现象.
图 2 闩锁电流变化图
Figure2. Latch current change diagram

图3所示为CMOS集成电路中的衬底和阱中天然存在的寄生PNPN结构的闩锁示意图. 如图3所示, 当器件受到电流扰动I_g, 会使得Q1处于正偏状态时, 由等效电路可知:

$\begin{split}& {I_{{\rm{C1}}}} = {\beta _1}{I_{{\rm{B1}}}}, \\ & {I_{{\rm{C}}2}} = {\beta _2}\left( {{I_{{\rm{C}}1}} - {I_{{\rm{Rs}}}}} \right) = {\beta _2}\left[ {\left( {{I_{\rm{g}}} - {I_{{\rm{Rw}}}}} \right){\beta _1} - {I_{{\rm{Rs}}}}} \right].\end{split}$

由于I_Rs和I_Rw较小(I_Rs和I_Rw分别表示流经Rs和Rw的电流), 可以忽略. 此时${I_{{\rm{C}}2}} \approx {\beta _1}{\beta _2}{I_{\rm{g}}}$(其中β₁, β₂分别为Q1, Q2的增益系数), 当β₁ × β₂ > 1, 形成正反馈, 从而产生大电流导致闩锁. 基于闩锁等效电路模型, 可以将闩锁过程分为触发过程和维持过程. 触发过程: 当瞬态光电流I_g和器件的β₁, β₂能同时满足上述闩锁过程的触发条件, 使得该路径被触发, 形成正反馈. 维持过程: 器件的外部供电电压V_dd大于器件闩锁维持电压时, 正反馈产生大电流能够维持, 使整个回路中出现持续的大电流状态. 触发电流仅起到最初触发导通作用, 并不会影响最终电路的闩锁电流. 将这样的PNPN结构称为闩锁路径, 刚好能够满足条件的触发电流被称为阈值触发电流.
图 3 PNPN结构闩锁示意图
Figure3. Latch diagram of PNPN structure

瞬态剂量率的多路径闩锁机制: 集成电路中会存在多条不同的闩锁路径, 它们有着不同的阈值触发电流、闩锁电流和维持电压. 电路遭受全芯片辐照时, 会通过光电效应产生瞬态电流, 此时光功率密度越大, 产生的瞬态电流也越大. 当产生的瞬态电流导致电路最敏感的闩锁路径(即最容易被触发且能维持闩锁的路径)发生闩锁时, 此时瞬态电流即为阈值触发电流, 产生该瞬态电流所对应的光功率密度, 称之为电路的闩锁阈值. 在闩锁阈值之上继续增大光功率密度, 产生瞬态电流会更大, 其会触发电路中其他闩锁路径, 当更多的闩锁路径被触发后, 出现闩锁路径的切换从而导致闩锁电流发生变化, 甚至于出现闩锁窗口现象.
闩锁阈值结果中器件的闩锁阈值为(8.5 ± 1.2) × 10⁴ W/cm², 此时在器件中产生瞬态光电流使得器件中最敏感的闩锁路径被触发, 同时此时的外界偏置电压足以维持该路径发生闩锁, 从而在电路中产生持续的大电流状态. 激光实验的闩锁电流特征结果中, 在同一光功率密度下, 器件在偏置电压为2.7 V时不发生闩锁, 此时闩锁路径被触发, 但可能由于偏置电压不足以维持闩锁; 偏置电压大于等于2.8 V的几组实验中均出现闩锁, 且闩锁电流随电压增大而增大, 表明2.8 V是该路径维持闩锁的维持电压, 闩锁电流与偏置电压正相关. 偏置电压为3.3和3.6 V时, 在光功率密度1.9 × 10⁶—1.6 × 10⁷ W/cm²之间, 出现了闩锁电流的下降, 推测这是由于有额外的闩锁路径在此光功率密度区间触发闩锁, 导致初始闩锁路径退出闩锁; 当光功率密度大于1.6 × 10⁷ W/cm²时, 产生的瞬态光电流在电路中产生的电压降, 使得额外闩锁路径退出闩锁, 初始闩锁路径再次发生闩锁, 闩锁电流又恢复至最初状态. 在偏置电压2.8, 2.9和3.0 V时, 闩锁电流不随光功率密度的变化而发生变化, 能在该光功率密度区间被触发的闩锁路径在较低的偏置电压下无法被维持, 无法对初始的闩锁路径造成影响.

针对上述分析和推测的瞬态剂量率的多路径闩锁机制, 依据闩锁等效电路模型构建SPICE模型, 对多路径闩锁机制进行HSPICE电路仿真探究. 基于等效电路模型分析, 若电路结构为多条路径相互串联, 则该电路发生闩锁的前提是, 串联着的多条闩锁路径同时被触发导通, 同时电源电压足以维持每条路径发生闩锁, 整个电路才能出现闩锁大电流状态, 因此多个串联的PNPN结构可以等效为一个整体的PNPN结构, 同时闩锁电流为各PNPN结构的闩锁电流之和, 不会随着光功率密度的变化而发生电流变化. 若多条闩锁路径相互并联, 则分为两种情况: 第一, 多条闩锁路径相同, 则相同的闩锁路径会有着相同的路径参数(阈值触发电流、闩锁电流和维持电压), 在瞬态光电流影响下会同时发生闩锁, 同样不会出现闩锁电流的变化; 第二, 多条闩锁路径互不相同, 此时每条路径有着不同的路径参数, 由于瞬态剂量率的全局光电流的变化, 会出现不同路径触发导通并相互影响, 最终出现路径之间的变换, 从而会出现闩锁电流的“窗口现象”. 因而可以初步判定各路径之间应该是并联状态, 且各路径之间有所不同, 即存在不同路径有不同的路径参数. 选择不同的路径参数的两条路径相互并联(路径参数如表2所列), 建立如图4所示的多路径并联的仿真模型进行仿真研究, 同时在每条路径中注入相同大小的触发电流来模拟瞬态剂量率的多路径闩锁机制, 从而探究多路径闩锁机制对闩锁电流的影响.

路径1	图4右侧路径		路径2	图4左侧路径
阈值触发电流	14 mA		阈值触发电流	20 mA
维持电压	3.7 V		维持电压	5 V
6 V闩锁电流	46 mA		6 V闩锁电流	49 mA
5 V闩锁电流	36 mA		5 V闩锁电流	38 mA

表2路径参数
Table2.Path parameters

图 4 多路径闩锁SPICE仿真模型
Figure4. Multi-path latching SPICE simulation model

分别获得电源电压为6和5 V时的仿真结果, 如图5和图6所示.
图 5 6 V时各路径电流情况　(a)整个电路; (b)路径1; (c)路径2
Figure5. Each path current at 6 V: (a) Whole entire circuit; (b) path 1; (c) path 2

图 6 5 V时各路径电流情况　(a)整个电路; (b)路径1; (c)路径2
Figure6. Each path current at 5 V: (a) Whole entire circuit; (b) path 1; (c) path 2

结果发现在电源电压为6 V时, 触发电流19—21 mA之间该模型出现了闩锁电流的窗口现象.

将仿真结果进行整理汇总, 列于表3.

触发电流/mA	偏置电压5 V				偏置电压6 V
	闩锁情况	闩锁路径	闩锁电流/ mA		闩锁情况	闩锁路径	闩锁电流/ mA
13	不闩锁	—	—		不闩锁	—	—
14	闩锁	路径1	36		闩锁	路径1	46
19	闩锁	路径1	36		闩锁	路径1	46
20	闩锁	路径1	36		闩锁	路径2	38
21	闩锁	路径1	36		闩锁	路径1	46
27	闩锁	路径1	36		闩锁	路径1	46

表3仿真结果表
Table3.Simulation results table

对仿真过程中各路径电流情况进行分析, 偏置电压6 V时闩锁电流的窗口效应是由于出现了闩锁路径的切换所致. 触发电流14—19 mA之间, 路径1触发并维持闩锁, 整个电路中电流46 mA, 即为路径1在6 V时的闩锁电流; 当触发电流为20 mA时, 路径1和2均被触发, 由于分布电阻R2的存在, 电流流经路径2, 路径1不发生闩锁, 此时电流为38 mA, 相当于路径2在5 V时的闩锁电流(电路中分布电阻R1有1 V的分压); 当触发电流大于20 mA时, 路径1和2均被触发, 由于分布电阻R1的分压大于1 V, 路径2的电压小于维持电压5 V, 路径2无法被维持, 最终路径1发生闩锁, 闩锁电流再次变为46 mA. 而偏置电压5 V时, 由于路径2的闩锁维持电压不能被满足, 路径2始终不发生闩锁, 路径1在触发电流大于14 mA时发生闩锁且整个电路闩锁电流不发生变化.

针对0.18 μm的体硅CMOS工艺解串器开展了激光模拟瞬态剂量率效应实验, 结果表明: 1)其瞬态剂量率闩锁效应的激光光功率密度阈值为(8.5 ± 1.2) × 10⁴ W/cm²以及其闩锁维持电压为2.8 V; 2)实验发现了闩锁电流的窗口现象.
依据闩锁等效电路模型构建SPICE模型进行电路级仿真, 仿真结果表明: 1)闩锁电流和闩锁维持电压以及闩锁阈值触发电流都与闩锁路径本身电路结构有关; 2)闩锁电流的窗口现象是多路径闩锁机制中闩锁路径发生切换所致, 由于各条闩锁路径的闩锁电流不同, 当发生闩锁路径切换时, 就会出现闩锁电流的窗口现象; 3)闩锁路径切换的根本原因是各闩锁路径的维持电压不同, 电路中的分布电阻在瞬态光电流下的分压使得部分发生闩锁的路径出现维持电压不足, 无法维持闩锁.
研究表明: 脉冲激光可以有效模拟瞬态剂量率闩锁效应, 且具有实验方便安全、信噪比高、能量和光斑大小连续可调等优点.