李 明 余學(xué)峰 盧 健 高 博 崔江維 周 東許發(fā)月 席善斌 王 飛

1 (中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 烏魯木齊 830011)

2 (新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011)

3 (中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

部分耗盡絕緣體上硅(partial-depletion-siliconon-insulator, PD SOI)技術(shù)，以其獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)有效地克服了體硅材料的不足，如無(wú)閂鎖效應(yīng)、較高的跨導(dǎo)和電流驅(qū)動(dòng)能力、低壓低功耗，以及優(yōu)良抗單粒子和瞬時(shí)輻射的能力[1]，使該技術(shù)在軍事、宇航等可靠性要求高和抗輻射能力強(qiáng)的領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。隨著集成電路及航天技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)廣泛應(yīng)用于航天器和衛(wèi)星的控制系統(tǒng)中，但空間復(fù)雜的輻射環(huán)境會(huì)對(duì)SRAM器件造成輻射損傷，尤其是SOI工藝SRAM對(duì)總劑量非常敏感，嚴(yán)重威脅航天器工作的可靠性和安全性。因此，研究SOI工藝SRAM器件的輻射損傷機(jī)理具有現(xiàn)實(shí)意義和必要性。

上世紀(jì)90年代，國(guó)外開(kāi)展SOI工藝SRAM的輻射效應(yīng)和加固技術(shù)的研究[2?5]，工藝水平提高和集成度增長(zhǎng)的同時(shí)，器件的抗輻射能力有所突破。我國(guó)對(duì)大規(guī)模SOI集成電路輻射效應(yīng)的研究處于探索階段[6?8]，雖實(shí)現(xiàn)并提高了中小規(guī)模 SOI集成電路的抗輻射能力，但與宇航和國(guó)防需求尚有一定差距，并缺乏對(duì)星用 SRAM器件輻射損傷進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)估的可靠方法和手段。

本文通過(guò)研究器件靜態(tài)、動(dòng)態(tài)功耗電流和功能出錯(cuò)隨總劑量的變化關(guān)系及其相關(guān)性，探討 SOI SRAM的總劑量敏感參數(shù)和功能失效預(yù)警參量，分析輻射缺陷對(duì)器件參數(shù)的損傷影響并討論評(píng)估技術(shù)的參數(shù)表征，以研究SOI SRAM輻射損傷效應(yīng)、提高器件輻射加固水平，為大規(guī)模SOI集成電路總劑量損傷評(píng)估方法和抗輻射加固提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和基礎(chǔ)。

1 輻照實(shí)驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)由美國(guó) Altera公司 Cyclone系列的EP1C6型FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、PC機(jī)、示波器和萬(wàn)用表組成。在靜態(tài)偏置條件下進(jìn)行在線輻照后，移位并用FPGA系統(tǒng)對(duì)SRAM進(jìn)行讀寫控制測(cè)試。測(cè)試功能參數(shù)時(shí)，主要監(jiān)測(cè)SRAM的數(shù)據(jù)讀寫功能：對(duì)所有存儲(chǔ)單元寫入固定的數(shù)，再讀取數(shù)據(jù)并比較其與寫入數(shù)據(jù)的差異，以測(cè)試存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)位出錯(cuò)的數(shù)目，同時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)試器件的靜態(tài)功耗電流與動(dòng)態(tài)讀寫功耗電流。

輻照前后測(cè)試的器件參數(shù)和功能參數(shù)有：靜態(tài)功耗電流，即SRAM芯片的使能管腳E1=VL(低電平)，E2=VL，讀出使能管腳GB=X(高、低電平不定)，寫入使能管腳WB=X狀態(tài)時(shí)的電源電流；動(dòng)態(tài)讀寫功耗電流，也即對(duì)SRAM存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫操作時(shí)的動(dòng)態(tài)功耗電流，以及存儲(chǔ)單元錯(cuò)誤數(shù)。

實(shí)驗(yàn)樣品采用0.8 μm CMOS PDSOI工藝制造的128 Kbits SRAM，輻照實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所60Co γ射線源上進(jìn)行，劑量率 0.5 Gy(Si)/s，輻照總劑量為750 Gy(Si)，測(cè)試劑量點(diǎn)分別為100、200、400、500、650、750 Gy(Si)。為探討加電偏置條件下SOI工藝SRAM的總劑量輻射損傷機(jī)理，所加輻照偏置條件為：靜態(tài)加電，VCC接高電平VDD，VSS接地，地址端間隔接高低電平(5 V或0 V)，數(shù)據(jù)傳輸端接VDD/2，其余接高電平。總劑量輻照后，在SRAM器件的偏置條件與輻照實(shí)驗(yàn)一致情況下，先后進(jìn)行25oC恒溫退火36 h和100oC恒溫退火168 h實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為三種功耗電流隨輻照總劑量及退火時(shí)間的響應(yīng)關(guān)系。由圖1(a)，總劑量<500 Gy(Si)時(shí)，靜態(tài)功耗電流 Iss(■)變化不明顯，隨后出現(xiàn)指數(shù)式增加。由圖1(b)，退火初期，Iss快速恢復(fù)，在室溫退火700 min后，退火過(guò)程趨于緩慢。高溫退火中(圖1c)，Iss快速減小，最終恢復(fù)到初始值附近。動(dòng)態(tài)寫功耗電流(●)隨總劑量及退火時(shí)間的變化規(guī)律與 Iss相似。動(dòng)態(tài)讀功耗電流 Idd(▲)的變化規(guī)律為：在100–400 Gy(Si) 總劑量范圍，Idd隨總劑量急劇增大；400 Gy(Si)后急劇下降，之后又出現(xiàn)回升。室溫退火初期(圖 1b)，Idd快速恢復(fù)并趨于平緩；168 h高溫退火(圖1c)中，Idd先急劇增大，隨而后緩慢減小，并保持恢復(fù)趨勢(shì)。

圖1 功耗電流隨總劑量及室溫和高溫退火時(shí)間的變化Fig.1 Power supply current v.s. total dose and annealing time at room or high temperature.

圖2為SRAM的存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)錯(cuò)誤數(shù)隨總劑量及退火時(shí)間的變化關(guān)系。由圖2(a)，在0–200 Gy(Si)時(shí)，存儲(chǔ)單元讀寫功能正常，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)。隨著總劑量增加，出現(xiàn)大量功能錯(cuò)誤數(shù)，總劑量超過(guò)450 Gy(Si)后，錯(cuò)誤數(shù)逐漸達(dá)到飽和。由圖2(b)和(c)，室溫退火較緩慢，而高溫退火使器件功能迅速恢復(fù)正常。

圖2 錯(cuò)誤數(shù)隨總劑量及室溫和高溫退火時(shí)間的變化Fig.2 Errors v.s. total dose and annealing time at room or high temperature.

圖3為功耗電流和出錯(cuò)數(shù)隨總劑量變化的關(guān)系圖。由圖3(a)，Iss隨總劑量增加的變化趨勢(shì)與出錯(cuò)數(shù)隨總劑量響應(yīng)趨勢(shì)基本一致，但滯后于功能錯(cuò)誤數(shù)，二者的相關(guān)性不大。而圖3(b)，Idd的退化優(yōu)先于錯(cuò)誤數(shù)的變化，表現(xiàn)極大相關(guān)性，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)的產(chǎn)生具有一定預(yù)警性。因此，相比于Iss，Idd較適合作為該器件功能失效的預(yù)警量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所選用SOI SRAM器件為總劑量輻照敏感器件。隨著總劑量的增加，器件的電學(xué)參數(shù)和功能參數(shù)均有明顯變化，當(dāng)總劑量達(dá)到一定程度，參數(shù)出現(xiàn)劇烈變化。Idd適合作為器件功能失效的預(yù)警量。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)讀寫功耗電流的室溫和高溫退火迅速使參數(shù)恢復(fù)正常，而功能錯(cuò)誤數(shù)的室溫退火較高溫退火明顯緩慢。

圖3 功耗電流與出錯(cuò)數(shù)隨總劑量變化關(guān)系(a) 靜態(tài)功耗電流與出錯(cuò)數(shù)對(duì)比，(b) 動(dòng)態(tài)功耗電流與出錯(cuò)數(shù)對(duì)比Fig.3 Power supply current and errors as a function of total dose.(a) static current and error numbers, (b) dynamic read current and error numbers

3 分析與討論

電離輻射在 SiO2絕緣層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷并在Si/SiO2界面產(chǎn)生界面態(tài)陷阱電荷，兩種陷阱電荷導(dǎo)致器件的閾值電壓發(fā)生漂移，進(jìn)而對(duì)PD SOI MOSFETS及該工藝SRAM集成電路性能產(chǎn)生顯著影響，甚至造成功能失效。圖4為SRAM存儲(chǔ)的基本單元，對(duì)于由NMOS和PMOS晶體管組成的大規(guī)模集成電路CMOS SRAM，雖無(wú)法直接研究單管的輻射損傷情況，但可結(jié)合CMOS器件的電離輻射損傷機(jī)理，對(duì)0.8 μm-CMOS PDSOI SRAM的總劑量輻射效應(yīng)進(jìn)行探究。

圖4 SRAM的存儲(chǔ)單元Fig.4 Schematics of storage unit of the SRAM.

對(duì)于PD SOI器件，總劑量輻射敏感的區(qū)域包括正柵氧化層、場(chǎng)氧區(qū)域和背柵埋氧層區(qū)。因此，電離輻照感生功耗電流由 N溝道截止時(shí)的泄漏電流、寄生N溝管的場(chǎng)氧側(cè)向漏電流及背柵漏電流構(gòu)成[8]。因電離輻照在SRAM存儲(chǔ)單元N溝管的正柵氧化層和隱埋氧化層累積了氧化物正電荷和界面態(tài)陷阱電荷，在二者共同作用下，使正柵和背柵的閾值電壓負(fù)向漂移，特性轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)正柵溝道截止?fàn)顟B(tài)漏電流和背柵反型導(dǎo)通漏電流，因閾值電壓隨輻照總劑量增大而負(fù)向漂移，從而使正柵和背柵漏電流隨累積劑量增大。同時(shí)，PDSOI NMOSFET的源極、漏極和硅島的側(cè)面形成側(cè)向漏電溝道，場(chǎng)氧漏電流隨總劑量累加而增大。

輻射產(chǎn)生的氧化物和界面態(tài)陷阱電荷的數(shù)目與氧化層有很大關(guān)系，隨著工藝水平的提高，正柵氧化層厚度減薄，器件的抗輻射能力增強(qiáng)，因此，較厚的背柵氧化層和場(chǎng)氧層的輻射漏電流成為SOI器件電流增大的關(guān)鍵因素。尤其在質(zhì)量較差且厚度較大的埋氧化層和場(chǎng)氧化層中，會(huì)有大量的氧化物陷阱電荷累積，大大增加了背柵和場(chǎng)氧漏電，可通過(guò)提高注入劑量以增加閾值電壓并減小漏電流。本實(shí)驗(yàn)所用0.8 μm PDSOI CMOS工藝的SRAM器件，有較厚的柵氧層和埋氧層，以及伴隨高集成度的大量寄生N溝管，這幾種漏電流是功耗電流隨著總劑量增大的主要原因?？倓┝?500 Gy(Si)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)寫功耗電流指數(shù)增大，呈現(xiàn)遞增規(guī)律(圖1)?？倓┝繛?00–400 Gy(Si)以及650–750 Gy(Si)時(shí)，動(dòng)態(tài)讀功耗電流隨三種漏電流增大，使功耗電流在100–400 Gy(Si)中迅速增大，但在400 Gy(Si)處出現(xiàn)下降，由多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的類似結(jié)果及相應(yīng)的退火恢復(fù)規(guī)律推斷，可能由于靈敏放大器的失效所導(dǎo)致。

靈敏放大器由兩級(jí)構(gòu)成：第一級(jí)是NMOS交叉耦合放大器，提供小增益將信號(hào)放大，并將讀出信號(hào)電平移動(dòng)至3 V左右；第二級(jí)是PMOS電流鏡負(fù)載的差分放大器，負(fù)責(zé)較大倍數(shù)的信號(hào)放大，推拉輸出級(jí)把讀出電平拉至電源和地電位，并提高讀出信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，最后的三態(tài)輸出緩沖負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)大負(fù)載的全局?jǐn)?shù)據(jù)線。8位SRAM器件內(nèi)部有8個(gè)同時(shí)工作的靈敏放大器，讀出放大器引起的功耗對(duì)整個(gè)器件功耗有較大貢獻(xiàn)。隨著總劑量的累積，放大器的增益減小[9]，對(duì)位線電平的推拉能力減弱，位線上的電壓擺幅變大，電路的傳播速度變慢，靈敏放大器功能弱化，因此在相同的位線預(yù)充時(shí)間內(nèi)，器件功耗降低，Idd明顯減小，類似于靈敏放大器不參與寫數(shù)據(jù)過(guò)程的功耗電流增大規(guī)律。高溫退火時(shí)，可看到功耗電流突然增大，放大器功能恢復(fù)正常。有關(guān)Idd出現(xiàn)突變現(xiàn)象的推論有待進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

晶體管的閾值電壓隨總劑量的累積而負(fù)向漂移，使 CMOS電路的輸出低電平上升和高電平下降。隨著輻照總劑量的累積，閾值電壓漂移增大，使原來(lái)截止的NMOS晶體管導(dǎo)通而PMOS晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致輸出高電平下降，當(dāng)達(dá)到高電平最小閾值時(shí)，出現(xiàn)“1”到“0”的位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象；反之則出現(xiàn)“0”到“1”的位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由圖2，總劑量超過(guò)200 Gy(Si)時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)大量位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，可見(jiàn)只有當(dāng)總劑量累積到一定程度，才會(huì)引起功能的突變出錯(cuò)。

當(dāng)進(jìn)行25oC和100oC恒溫退火時(shí)，因氧化物正電荷的退火，負(fù)向漂移的閾值電壓發(fā)生回漂，使輻照引起正柵N溝道耗盡層和背柵界面的反型得到恢復(fù)，從而使兩種漏電流隨退火時(shí)間的增加而降低；寄生N溝管的場(chǎng)氧漏電流隨退火時(shí)間的關(guān)系與N溝道截止漏電流情況相似。因此，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)寫功耗電流在兩種退火溫度下隨退火時(shí)間體現(xiàn)出遞減恢復(fù)的過(guò)程(圖1)，經(jīng)25oC恒溫36 h和100oC恒溫168 h退火，最終恢復(fù)到初始值附近。Idd在室溫退火中一直減小，但在高溫退火初期先迅速增大而后才緩慢減小，整個(gè)退火過(guò)程表現(xiàn)出參數(shù)恢復(fù)正常的趨勢(shì)。閾值電壓因輻射產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷隨溫度和時(shí)間的退火而回漂，使CMOS電路的輸出高電平上升和低電平下降，隨著退火過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，輸出高低電平最終達(dá)到存儲(chǔ)單元“1”到“0”或者“0”到“1”的正確位翻轉(zhuǎn)閾值要求，出現(xiàn)存儲(chǔ)單元正確位翻轉(zhuǎn)，使功能錯(cuò)誤數(shù)減少，功能迅速恢復(fù)正常(圖2所示)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) SRAM為總劑量敏感器件，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗電流為總劑量輻照效應(yīng)的敏感參數(shù)，Idd可作為器件功能失效的預(yù)警量，SRAM功能錯(cuò)誤數(shù)在總劑量累積到一定程度出現(xiàn)失效。

(2) 較體硅器件而言，輻射引起的隱埋氧化層電荷是構(gòu)成PDSOI器件漏電流的重要成因之一，可通過(guò)注入雜質(zhì)劑量提高閾值電壓，減少漏電流。

(3) 在不同溫度條件下，主要是氧化物正電荷的退火導(dǎo)致靜態(tài)、動(dòng)態(tài)功耗電流和功能錯(cuò)誤數(shù)的恢復(fù)。

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