初 飛，陳洪轉(zhuǎn)，于春青，鄭宏超，王 亮，楊程遠(yuǎn)

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 211106；2.北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引 言

抗輻射加固CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）微處理器在多個(gè)領(lǐng)域用途廣泛，是宇航／裝備型號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心器件。 對(duì)于超深亞微米CMOS 集成電路，瞬時(shí)劑量率效應(yīng)是眾多輻射效應(yīng)中，影響最復(fù)雜、加固難度最大的效應(yīng)。 微處理器對(duì)瞬時(shí)劑量率輻射十分敏感，在不同劑量率輻射下，會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、閂鎖甚至燒毀等各種問(wèn)題。開(kāi)展微處理器的劑量率輻射效應(yīng)研究具有重要意義，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外抗輻射加固技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

目前，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)此類電路瞬時(shí)劑量率效應(yīng)可靠性的研究均采用試驗(yàn)的方法，由于國(guó)內(nèi)輻射源機(jī)時(shí)緊張，試驗(yàn)費(fèi)用較高，對(duì)所有電路開(kāi)展輻射效應(yīng)研究成本太高，故提出一種仿真評(píng)估策略對(duì)集成電路進(jìn)行瞬時(shí)劑量率效應(yīng)的可靠性研究，并通過(guò)瞬時(shí)劑量率試驗(yàn)驗(yàn)證了其仿真的有效性。 仿真是保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵途徑，對(duì)于抗瞬時(shí)劑量率加固設(shè)計(jì)，更需要通過(guò)仿真來(lái)確定設(shè)計(jì)邊界，預(yù)估設(shè)計(jì)的抗輻射能力。 對(duì)于瞬時(shí)劑量率閂鎖加固，需要通過(guò)仿真技術(shù)來(lái)對(duì)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真手段對(duì)研究器件級(jí)的瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)機(jī)理和分析光電流本身的行為具有重要的意義，對(duì)實(shí)際出現(xiàn)的輻射響應(yīng)的研究和分析也具有重要的指導(dǎo)作用。

選取一款0.18 μm 百萬(wàn)門(mén)級(jí)抗輻射加固微處理器作為目標(biāo)電路，利用TCAD（Technology Computer Aided Design）仿真工具對(duì)最基本的組成單元PMOS（Positive channel Metal Oxide Semiconductor）、NMOS（Negative channel Metal Oxide Semiconductor）管進(jìn)行了劑量率輻射效應(yīng)建模仿真，獲得了MOS（Metal Oxide Semiconductor）管瞬時(shí)劑量率光電流變化數(shù)據(jù)，并在瞬時(shí)劑量率輻射源裝置上開(kāi)展了瞬時(shí)劑量率輻射試驗(yàn)。

2 瞬時(shí)劑量率效應(yīng)仿真

在CMOS 工藝下，高瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)會(huì)在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬時(shí)光電流，由于電路中存在的寄生結(jié)構(gòu)會(huì)降低阱的電位，使寄生三極管處于開(kāi)啟狀態(tài)，放大瞬時(shí)光電流，給電路造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致電路發(fā)生閂鎖。 保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)在版圖布局中對(duì)PMOS 和NMOS 也有廣泛應(yīng)用，當(dāng)電路受到瞬時(shí)劑量率輻射時(shí)，產(chǎn)生大量光電流，由于保護(hù)環(huán)的存在，使得阱電阻降低，光電流流過(guò)阱形成的電壓降減小，存在于MOS 中的寄生三極管的發(fā)射結(jié)不能處于正偏狀態(tài)，從而對(duì)初級(jí)光電流不產(chǎn)生放大作用。 本文中的目標(biāo)電路采取保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)，保護(hù)環(huán)布局結(jié)構(gòu)能夠減弱由瞬時(shí)劑量率效應(yīng)導(dǎo)致的阱電位擾動(dòng)，從而提高寄生三極管開(kāi)啟的閾值。

使用器件級(jí)仿真工具TCAD 軟件，對(duì)微處理器中最基本組成單元PMOS 和NMOS 器件進(jìn)行了三維物理建模，并引入了劑量率效應(yīng)仿真模型，對(duì)其開(kāi)展了劑量率效應(yīng)的仿真研究。 利用TCAD 進(jìn)行仿真建模，首先，需要對(duì)MOS 器件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將大的器件轉(zhuǎn)化成小的網(wǎng)格，然后利用物理方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而可以得到精確的電學(xué)和物理參數(shù)。 劑量率輻射效應(yīng)仿真，需要在physics 模塊語(yǔ)句中加入修正過(guò)的Gamma Radiation Model 模型，同時(shí)需要設(shè)置doserate（劑量率大?。┖蚫oserate time（劑量率保持時(shí)間），DoseTSigma 參數(shù)和Doserate time 參數(shù)一起來(lái)確定在輻射時(shí)高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 劑量率輻射效應(yīng)仿真在Sdevice 工具中進(jìn)行，仿真時(shí)通過(guò)在某一個(gè)時(shí)刻加入瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)，仿真器件在工作中達(dá)到穩(wěn)態(tài)后對(duì)輻射效應(yīng)的響應(yīng)，得到電流波形和電壓隨時(shí)間的變化以及相應(yīng)內(nèi)部載流子的變化。 得到的仿真特性通過(guò)Tecplot 工具進(jìn)行查看。Sentaurus TCAD 的仿真步驟如圖1 所示。

圖1 Sentaurus TCAD 仿真步驟Fig．1 Simulation steps of sentaurus TCAD

仿真時(shí)，將NMOS 器件的偏置設(shè)置為N 管柵接0 V，源接0 V，漏接1.8 V，P 阱接0 V，襯底接0 V，該偏置可以更加直觀的觀察光電流的大小，去除了器件開(kāi)啟的工作電流。 瞬時(shí)劑量率仿真的輻射參數(shù)設(shè)置：劑量率為1.3×10rad（Si），輻射脈寬為25 ns。仿真得到的NMOS 光電流分布如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，漏極收集的光電流最大，峰值是0.12 μA，襯底的光電流峰值為0.07 μA，P阱的光電流峰值為0.12 μA，源極的光電流峰值為0.06 μA。 經(jīng)過(guò)分析，產(chǎn)生的瞬時(shí)光電流，主要是經(jīng)過(guò)輻射產(chǎn)生的非平衡載流子被耗盡區(qū)分離和擴(kuò)散等過(guò)程形成的，PN 結(jié)面積越大，輻射產(chǎn)生的非平衡載流子越多。 因此，PN 結(jié)面積是影響NMOS 中瞬時(shí)光電流大小的主要因素。

圖2 NMOS 器件光電流仿真圖（非加固）Fig．2 Simulation results of photocurrent generated in NMOS（unhardened）

同理，將PMOS 器件的仿真設(shè)置為柵接1.8 V，源接1.8 V，漏接0 V，N 阱接1.8 V，襯底接0 V。劑量率設(shè)置為1.3 ×10rad（Si），輻射脈寬為25 ns。仿真得到的PMOS 光電流分布如圖3 所示。 對(duì)于PMOS 器件，源極收集的光電流最大，峰值電流為7.4 μA，襯底光電流為7 μA，N 阱光電流的峰值為0.6 μA，漏極光電流的峰值為1 μA。 經(jīng)過(guò)分析，仿真獲得的源極光電流峰值較大，主要受寄生雙極效應(yīng)影響，PMOS 器件產(chǎn)生的光電流峰值比NMOS 器件光電流峰值高將近2 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，本次仿真預(yù)估主要考慮PMOS 器件的影響。

圖3 PMOS 光電流仿真結(jié)果（非加固）Fig．3 Simulation results of photocurrent generated in PMOS（unhardened）

為了驗(yàn)證版圖加固效果，在相同的瞬時(shí)劑量率仿真輻射參數(shù)設(shè)置條件下，對(duì)非版圖加固和版圖加固的PMOS 管進(jìn)行了劑量率效應(yīng)仿真，仿真獲得的PMOS 管源極光電流如圖4 所示。 在劑量率為1.3 ×10rad（Si）時(shí)，非版圖加固的PMOS 管源極收集的峰值電流為7.4 μA，版圖加固的PMOS 管源極收集的峰值電流為0.19 μA，仿真結(jié)果證明版圖加固有效。

圖4 非加固與加固PMOS 光電流對(duì)比Fig．4 Comparison of source photocurrent between unhardened and hardened PMOS

為了預(yù)估微處理器電路整體瞬時(shí)光電流，采用版圖加固的PMOS 器件在1.3 ×10rad（Si）劑量率仿真下得到瞬時(shí)光電流0.19 μA，乘以百萬(wàn)門(mén)級(jí)微處理器電路的器件數(shù)量（以每個(gè)門(mén)有4 個(gè)晶體管為例，每對(duì)PMOS 和NMOS 只有一個(gè)導(dǎo)通，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估百萬(wàn)門(mén)加固微處理器大約有200 萬(wàn)個(gè)PMOS 晶體管，因此乘以2 000 000 個(gè)PMOS 管的光電流），可以預(yù)估整體電路瞬時(shí)光電流峰值約為380 mA。

3 測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試判據(jù)

該瞬時(shí)劑量率輻射試驗(yàn)主要有兩個(gè)目的：一是獲取微處理器電路的瞬時(shí)輻射光電流，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；二是測(cè)試電路的抗劑量率瞬時(shí)閂鎖能力，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)加固手段的有效性。

微處理器瞬時(shí)劑量率效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)由微處理器和外圍電路組成，其中，外圍電路由程序PROM、內(nèi)存FRAM 和通信RS485 組成，該試驗(yàn)系統(tǒng)與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)通過(guò)RS485 通訊方式連接。 微處理器運(yùn)行典型運(yùn)算功能，程序運(yùn)算結(jié)果通過(guò)串口發(fā)回遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)。 程控電源可以實(shí)時(shí)監(jiān)控采集處理器的工作電流，通過(guò)上位機(jī)控制系統(tǒng)將電流采集結(jié)果自動(dòng)保存在上位機(jī)中。 示波器監(jiān)控微處理器的輸出功能信號(hào)擾動(dòng)情況，判斷功能信號(hào)擾動(dòng)是否自動(dòng)恢復(fù)。 瞬時(shí)劑量率試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 瞬時(shí)劑量率試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig．5 Diagram of dose rate experiment system

微處理器的電壓設(shè)置為最高偏壓，工作頻率設(shè)置為100 MHz，上電啟動(dòng)后，讀取PROM 中的程序，加載時(shí)間為340 ms。 初始化完成后，通過(guò)計(jì)數(shù)器程序，每計(jì)數(shù)10 萬(wàn)次，PIO4 與PIO5 輸出端口（兩端口反相）高低變化一次，即輸出周期為1.36 s 方波至示波器，同時(shí)通過(guò)上位機(jī)串口顯示輸出狀態(tài)，并將結(jié)果保存在控制計(jì)算機(jī)中。 微處理器運(yùn)行時(shí)，每隔7 μs 向FRAM 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)和記錄程序運(yùn)行位置的標(biāo)志位，由于FRAM 具有數(shù)據(jù)不易丟失的特點(diǎn)，在瞬時(shí)劑量率輻照條件下，即使微處理器瞬間掉電再恢復(fù)，程序也可自動(dòng)在斷點(diǎn)處繼續(xù)上次結(jié)果恢復(fù)運(yùn)行。

瞬時(shí)劑量率試驗(yàn)流程如圖6 所示：

圖6 瞬時(shí)劑量率試驗(yàn)流程圖Fig．6 Flow chart of dose rate experiment

（1）上電初始化，微處理器從PROM 中自動(dòng)加載測(cè)試程序并執(zhí)行；

（2）微處理器循環(huán)執(zhí)行典型運(yùn)算程序，監(jiān)控輸出端口波形信號(hào)，保存串口輸出數(shù)據(jù)，示波器監(jiān)測(cè)光電流變化情況；

（3）開(kāi)始瞬時(shí)劑量率輻照，如果功能信號(hào)正常，試驗(yàn)結(jié)束，如果功能信號(hào)異常，自動(dòng)重新加載程序，恢復(fù)上次斷點(diǎn)運(yùn)行，記錄斷點(diǎn)前后時(shí)刻的波形和串口變化數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束。

4 輻照試驗(yàn)結(jié)果分析

在瞬時(shí)劑量率試驗(yàn)源裝置上進(jìn)行輻照試驗(yàn)，該裝置可模擬多種瞬時(shí)劑量率脈沖輻射環(huán)境，提供的輻射參數(shù)如表1 所示。 本次試驗(yàn)采用窄脈沖γ 類型。

表1 瞬時(shí)劑量率輻射源裝置參數(shù)Tab．1 Parameters of instantaneous dose rate radiation source equipment

瞬時(shí)劑量率試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，結(jié)果表明，采用加固的處理器電路具有較好的抗瞬時(shí)劑量率能力，仿真獲得光電流峰值與試驗(yàn)光電流峰值誤差小于5%，證明瞬時(shí)劑量率仿真結(jié)果具有指導(dǎo)意義。

表2 劑量率效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Tab．2 Experiment results of dose rate effect

經(jīng)過(guò)分析，試驗(yàn)和仿真光電流峰值誤差主要來(lái)自三個(gè)方面：一是仿真僅覆蓋了典型晶體管尺寸和典型物理版圖，而實(shí)際微處理器電路構(gòu)成非常復(fù)雜，晶體管尺寸和版圖有多種變化，單元電路的結(jié)構(gòu)也不盡相同；二是仿真中為晶體管供電的電源是理想的（即沒(méi)有內(nèi)阻），而實(shí)際測(cè)試中電路的電源供電能力有限，在光電流較大時(shí)，電源、板級(jí)和芯片內(nèi)部的壓降變大，減弱了瞬時(shí)劑量率的影響；三是仿真模型的不確定度和試驗(yàn)誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一款抗輻射加固的微處理器電路進(jìn)行了全新的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)可靠性研究探索，從仿真角度出發(fā)，利用TCAD 仿真工具對(duì)NMOS 和PMOS 管進(jìn)行了器件級(jí)瞬時(shí)劑量率仿真，分別獲取了器件瞬時(shí)光電流的變化數(shù)據(jù)，結(jié)合電路規(guī)模和實(shí)際加固設(shè)計(jì)，預(yù)估了微處理器在瞬時(shí)劑量率輻射下的瞬時(shí)光電流峰值。 在輻射源裝置上進(jìn)行了瞬時(shí)劑量率輻射試驗(yàn)，獲得了瞬時(shí)光電流數(shù)據(jù)，對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）由仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，文中加固措施可以大幅度提高電路的抗瞬時(shí)劑量率效應(yīng)性能；

（2）由仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果得到仿真與試驗(yàn)誤差小于5%；

（3）基于TCAD 仿真工具開(kāi)展瞬時(shí)劑量率光電流大小仿真，結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計(jì)和電路規(guī)模，預(yù)估電路在瞬時(shí)劑量率輻射下的瞬時(shí)光電流峰值具有一定參考價(jià)值。