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        PDSOI CMOS SRAM總劑量輻射及退火效應(yīng)的研究

        2011-03-21 07:13:00余學(xué)峰崔江維東許發(fā)月席善斌
        核技術(shù) 2011年6期
        關(guān)鍵詞:輻射損傷存儲(chǔ)單元閾值電壓

        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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