杜川華，趙洪超，鄧 燕

(中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999)

核爆等環(huán)境可產(chǎn)生較高劑量率的輻射。高劑量率輻射會在半導(dǎo)體器件的PN結(jié)敏感區(qū)引發(fā)瞬態(tài)光電流[1]，較小或中等幅值的光電流會干擾器件的電平信號或引起邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，在較大集成密度的芯片中，會誘發(fā)電壓路軌塌陷效應(yīng)(RSC)[2-6]；較大幅值的光電流會觸發(fā)體硅CMOS電路中固有的寄生PNPN結(jié)構(gòu)導(dǎo)通，形成閉鎖[7-12]，在電源和地之間形成近似短路的大電流狀態(tài)。當(dāng)電流密度超過損傷閾值，溫升會引起器件內(nèi)部金屬互連線的局部熔融和熱力學(xué)效應(yīng)。同時，高劑量率輻射產(chǎn)生的累積電離總劑量在器件內(nèi)部氧化層中形成氧化層陷阱電荷，會引起閾值電壓等電學(xué)參數(shù)退化及漏電流增加。以上因素均會造成集成電路器件的潛在損傷或永久失效，引起顯著的可靠性風(fēng)險。

為理解瞬態(tài)劑量率輻射對大規(guī)模集成電路造成的損傷，為集成電路的輻射效應(yīng)評估、加固設(shè)計及可靠性評估提供參考，本文以一種0.13 μm體硅CMOS處理器為研究對象，開展瞬態(tài)劑量率輻射試驗和穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗，分析瞬態(tài)劑量率輻射試驗引起的閉鎖效應(yīng)對集成電路造成的潛在損傷和損傷機(jī)理。

1 試驗設(shè)計

HX-1芯片為一款基于POWERPC架構(gòu)的32位處理器，工作電壓為3.3 V，100-pin QFP封裝，內(nèi)部功能模塊主要包括中央處理器CPU、SRAM、ROM、嵌入式EFlash、總線接口(I2C、SPI、CAN)、PIT定時器、串行通信接口SCI和IO端口。電路的電源輸入端放置0.1 μF和47 μF并聯(lián)的旁路電容，以阻止電壓突降和抑制電源噪聲。試驗電路的主要功能為輸出兩路不同頻率(1 kHz和100 Hz)的方波信號。

采用長線連接和加電實時測試的方法進(jìn)行試驗電路的輻射效應(yīng)測試。瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)的測試框圖如圖1所示。試驗電路放置在輻照間的試驗平臺上，并根據(jù)所需的劑量率放置在正對輻射源的一定距離處。直流電壓源、示波器、電流探頭和電流表等測試設(shè)備放置在測試間。試驗電路與測試設(shè)備均通過約40 m長的屏蔽電纜連接。直流電壓源提供給試驗電路3.3 V工作電壓，在實際試驗時，考慮長線的損耗，通常將電壓源的電壓設(shè)置為3.5 V。需測試的瞬態(tài)信號的時間范圍為ns～μs量級，要求測試設(shè)備的響應(yīng)時間足夠短，本次試驗采用兩臺帶寬為1 GHz的示波器測試電路的瞬態(tài)信號，一臺示波器測試電路功能，即輸出方波信號的瞬態(tài)響應(yīng)波形，另一臺示波器聯(lián)合電流探頭TCPA300測試電源電流的瞬態(tài)響應(yīng)波形，電流探頭的測量精度可達(dá)1 mA。為屏蔽電磁干擾引入的噪聲，采用厚度為1.5 mm的鋁盒屏蔽試驗電路。穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射效應(yīng)的測試方法與瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)測試方法的差異為：采用高精度的電流表替代電流探頭進(jìn)行電源電流的連續(xù)高精度測試；環(huán)境噪聲較小，去除了鋁屏蔽盒；功能測試采用連續(xù)采樣測試模式。

圖1 處理器瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)的測試框圖Fig.1 Transient dose rate radiation effect test diagram of processor

瞬態(tài)劑量率輻射試驗中，邏輯電平產(chǎn)生大于30%的偏離判定為翻轉(zhuǎn)。出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)后，若電平信號較快地自動恢復(fù)到正確邏輯狀態(tài)，功能正常，則判定電路內(nèi)部發(fā)生數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)(如內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器、時鐘、SRAM等)；出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)后，若電平信號不能自動恢復(fù)到正確邏輯狀態(tài)，功能中斷，需通過軟件刷新才能恢復(fù)正常，則判定電路發(fā)生程序或配置翻轉(zhuǎn)(如內(nèi)部EFlash、關(guān)鍵配置寄存器等)；出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)后，若電平不能自動恢復(fù)到正確邏輯狀態(tài)，功能中斷，對外部指令無響應(yīng)，且伴隨持續(xù)大電流，則判定電路發(fā)生閉鎖。穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗中，輸出方波的頻率或幅值變化超過正常值的10%判定為功能失效。試驗前，已驗證了試驗電路中除被測器件外的其他元器件均無大電流閉鎖效應(yīng)，且對累積電離總劑量不敏感。

2 試驗結(jié)果

4塊試驗電路分為兩組(1#和2#)，每組分別包括兩塊樣品電路。1#試驗電路只進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗，2#試驗電路先進(jìn)行瞬態(tài)劑量率輻射試驗再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗。

在60Co源上完成1#試驗電路的穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗，輻射劑量率為0.5 Gy(Si)/s。試驗期間，電路處于加電工作狀態(tài)。試驗結(jié)果表明，處理器電路發(fā)生功能失效時的總劑量為1 030 Gy(Si)，電源電流從初始的111 mA增加到225 mA，增加比例約為102.7%。

在強(qiáng)光一號脈沖加速器上完成2#試驗電路的瞬態(tài)劑量率輻射試驗，輻射劑量率范圍為106～109Gy(Si)/s，脈沖有效寬度為20～30 ns。表1列出2#試驗電路的瞬態(tài)劑量率輻射試驗現(xiàn)象和測試數(shù)據(jù)。試驗電路共經(jīng)歷5次瞬態(tài)劑量率輻射試驗，其中發(fā)生4次閉鎖效應(yīng)，1次翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。發(fā)生閉鎖效應(yīng)時輸出方波的瞬態(tài)波形如圖2所示，波形消失且無法自動恢復(fù)。電源電流的瞬態(tài)波形如圖3所示，出現(xiàn)較強(qiáng)的脈沖電流，隨劑量率的不同，電流峰值范圍為0.7～1.5 A，持續(xù)時間約為600 μs。由于未對電路限流及采用閉鎖保護(hù)電路，每次發(fā)生閉鎖效應(yīng)后，通過手動切斷供電電源，器件在閉鎖大電流狀態(tài)的持續(xù)時間約為10～30 s。每次閉鎖試驗后，經(jīng)測試試驗電路的功能均正常，電源電流有顯著增加。5次瞬態(tài)劑量率輻射試驗后2#樣品電路的累積總劑量約為128.3 Gy(Si)。

表1 2#試驗電路的瞬態(tài)劑量率輻射試驗數(shù)據(jù)Table 1 Transient dose rate radiation test data of 2# test circuit

圖2 處理器閉鎖時輸出方波的瞬態(tài)波形Fig.2 Output signal transient wave of processor during latchup

圖3 處理器閉鎖時電源電流的瞬態(tài)波形Fig.3 Supply current transient wave of processor during latchup

2#試驗電路在室溫環(huán)境下放置1個月后，經(jīng)測試電路的功能正常，電源電流為104 mA，再在60Co源上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗。試驗期間，電路仍處于加電工作狀態(tài)，輻射劑量率為0.5 Gy(Si)/s。試驗結(jié)果表明，試驗電路發(fā)生功能失效時的電離總劑量為600 Gy(Si)(包括瞬態(tài)劑量率輻射試驗的累積劑量)，電源電流增加到140 mA，增加約為34.6%。圖4為1#和2#試驗電路的電源電流隨電離總劑量的變化。由圖4可知，在電離總劑量達(dá)到500 Gy(Si)前，1#與2#試驗電路的電源電流增加速率基本一致，當(dāng)電離總劑量超過500 Gy(Si)時，2#試驗電路的電源電流突然劇烈增加，在電離總劑量為600 Gy(Si)時發(fā)生功能失效。通過斷電并重新加電測試仍未能恢復(fù)電路功能，說明電路已發(fā)生破壞性的永久損傷。

圖4 1#和2#試驗電路電源電流隨電離總劑量的變化Fig.4 Supply current versus ionizion total dose for sample 1# and sample 2#

3 潛在損傷效應(yīng)分析

僅經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗的1#試驗電路與經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率和穩(wěn)態(tài)電離總劑量串聯(lián)輻射試驗的2#試驗電路，表現(xiàn)出的參數(shù)變化和功能失效閾值有顯著差異：1) 1#試驗電路的功能失效閾值為1 030 Gy(Si)，2#試驗電路的功能失效閾值為600 Gy(Si)；2) 1#試驗電路發(fā)生功能失效時的電源電流為225 mA，2#試驗電路經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率輻射試驗后電源電流為125 mA，放置1個月后電源電流降為104 mA，再進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電離總劑量輻射試驗時發(fā)生功能失效時的電源電流為140 mA。以上試驗現(xiàn)象和測試數(shù)據(jù)表明，2#試驗電路經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率引起的閉鎖試驗后，雖然功能測試均正常，但電路內(nèi)部已發(fā)生潛在損傷，主要原因可能是高劑量率下的電離總劑量效應(yīng)和閉鎖電流引起的熱損傷效應(yīng)。

3.1 高劑量率的電離總劑量效應(yīng)

γ射線的電離總劑量效應(yīng)是光子在器件內(nèi)部絕緣材料(氧化層)中電離產(chǎn)生電子-空穴對，形成氧化物陷阱電荷及界面態(tài)電荷，導(dǎo)致器件漏電流增加和電學(xué)參數(shù)退化。文獻(xiàn)[13]研究表明，氧化層電荷的累積與劑量率有密切關(guān)聯(lián)，尤其是在較高劑量率輻射下，由于氧化層陷阱電荷復(fù)合較少，而界面態(tài)電荷無足夠的建立時間，晶體管的閾值電壓均由于氧化層陷阱電荷累積產(chǎn)生負(fù)向偏移。如一款柵氧化層厚度為60 nm的晶體管，當(dāng)受到劑量率為6×107Gy(Si)/s的脈沖輻照時，氧化層陷阱電荷引起的閾值電壓偏移約為-1.5 V，而界面態(tài)電荷引起的閾值電壓偏移約為0.3 V。10 keV X射線源的等效系數(shù)近似為0.01 Gy(Si)≈0.018 Gy(SiO2)，其他輻射源的等效系數(shù)近似為0.01 Gy(Si)≈0.01 Gy(SiO2)。負(fù)向閾值電壓偏移會顯著增加漏電流，從而引起電路的靜態(tài)電流增加，導(dǎo)致潛在失效。文獻(xiàn)[14]研究表明：在0.002～1 Gy(Si)/s的較低劑量率環(huán)境下，晶體管柵氧化層的漏電流是電路參數(shù)失效的主要影響因素；在18～104Gy(Si)/s的中等劑量率環(huán)境下，晶體管寄生場氧化區(qū)的漏電流是電路參數(shù)失效的主要因素。因此可推論，在105～109Gy(Si)/s的高劑量率環(huán)境下，器件場氧化區(qū)電荷的大量累積仍是電源電流增加和失效的主要影響因素之一。

3.2 閉鎖電流引起的熱損傷

圖5 閉鎖引起模數(shù)轉(zhuǎn)換器的潛在損傷電鏡掃描圖Fig.5 Scanning electron microgragh of latent damage due to latchup in ADC

光子在器件PN結(jié)耗盡區(qū)及耗盡區(qū)兩側(cè)一擴(kuò)散長度范圍內(nèi)電離的電子空穴對被收集形成瞬態(tài)光電流。閉鎖狀態(tài)下的瞬態(tài)光電流近似為短路電流，遠(yuǎn)超器件可承受的最大電流密度。大多數(shù)集成電路設(shè)計時可承受的最大電流密度小于5×105A/cm2。針對一些特定工藝尺寸和絕緣層厚度的CMOS器件在高電流脈沖引起的互連失效的研究表明[15]，若電流密度達(dá)到107～108A/cm2，會造成器件的潛在損傷甚至失效。主要原因是較高的電流密度引起金屬互連的溫度升高，導(dǎo)致金屬熔融；同時由于金屬和絕緣材料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配引起應(yīng)力，使得融化的金屬噴射而破壞互連線。圖5為一款模數(shù)轉(zhuǎn)換器在閉鎖試驗后的電鏡掃描圖。金屬層下面絕緣層的熱阻越高，對金屬層失效的影響越顯著，因為當(dāng)溫度升高時自由空間的金屬可自由擴(kuò)展，而在絕緣襯底上的金屬薄膜則會受到限制，因此即使電流引起的溫升并未達(dá)到金屬的熔點，也可能導(dǎo)致其產(chǎn)生損傷[16]，如Al的失效溫度為300 ℃，遠(yuǎn)小于其熔點600 ℃。

電流在金屬互連線中引起的溫升可由式(1)[17]計算：

(1)

式中：Θ為金屬的溫升；R為電阻；J(t)為電流密度；C為金屬熱電容；m為連線的質(zhì)量。

Layton等[17]針對一款模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7809)的研究表明，當(dāng)金屬互連中通過75 mA電流時產(chǎn)生8.8×105A/cm2的電流密度，持續(xù)時間10 μs，假定無熱耗散，采用式(1)計算得到的溫升小于83 ℃。Banerjee等[18]針對一種4層金屬結(jié)構(gòu)在200 ns脈沖大電流的研究表明，當(dāng)電流密度達(dá)到107～108A/m2時，若不采取任何保護(hù)措施，金屬連線的溫升可達(dá)1 000 ℃以上。

雖然閉鎖效應(yīng)會引起潛在損傷，但一般不會直接或立刻造成器件失效，可能的原因是：1) 發(fā)生金屬熔融噴射的個數(shù)太少，不會引起完全的互連失效和器件功能失效；2) 即使發(fā)生某處互連失效，但在金屬和絕緣材料之間的金屬覆層仍可維持電連接。然而，損傷區(qū)域的互連橫截面遠(yuǎn)小于正常狀態(tài)的橫截面，這使器件或電路繼續(xù)工作或開展其他試驗時，已存在的潛在損傷將大幅降低器件的損傷閾值，更易于發(fā)生新的失效。這也是2#試驗電路經(jīng)歷瞬態(tài)劑量率輻射試驗后，雖然功能仍正常，但電離總劑量失效閾值大幅降低的主要原因。

4 結(jié)論

本文研究了一種國產(chǎn)0.13 μm CMOS集成電路的瞬態(tài)劑量率效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)，分析了閉鎖效應(yīng)引起的潛在損傷機(jī)理，得到如下結(jié)論。

1) 4次瞬態(tài)劑量率輻射試驗累積的電離總劑量為128.3 Gy(Si)，閉鎖電流峰值范圍為0.7～1.5 A，閉鎖持續(xù)時間為10～30 s。

2) 閉鎖效應(yīng)對集成電路造成了潛在損傷，導(dǎo)致電路的總劑量功能失效閾值從1 030 Gy(Si)降低至600 Gy(Si)。

3) 引起潛在損傷的主要原因是：高劑量率下場氧化層的大量電荷累積引起漏電流增加；高強(qiáng)度閉鎖大電流引起器件內(nèi)部金屬互連被破壞。采用串聯(lián)試驗方式評估器件或電路的抗瞬態(tài)輻射性能時，需充分考慮閉鎖效應(yīng)可能引起的潛在損傷。