李 賽，陳 睿，韓建偉，馬英起，上官士鵬，李 悅，朱 翔，梁亞楠，王 璇,2

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.航天工程大學(xué) 激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實驗室，北京101416）

0 引言

空間輻射環(huán)境中各種粒子，如電子、質(zhì)子、α 粒子、重離子等的入射會造成材料和元器件的損傷，其中粒子與微電子器件中的半導(dǎo)體材料發(fā)生相互作用，可能造成航天器上電子設(shè)備出現(xiàn)復(fù)位、關(guān)機(jī)、“大電流”等故障。基本空間輻射效應(yīng)包括總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)及單粒子效應(yīng)等。統(tǒng)計表明，在軌航天器因輻射環(huán)境引起的故障中由單粒子效應(yīng)造成的異常占較大比例。隨著器件工藝尺寸的日益縮小，元器件受單粒子效應(yīng)的影響日趨顯著。單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)（single event upset,SEU）是指半導(dǎo)體器件的敏感區(qū)（通常是反向偏置的P-N結(jié)）在單個高能粒子的轟擊下發(fā)生電荷收集并造成邏輯狀態(tài)改變的現(xiàn)象，是最常見的單粒子效應(yīng)之一。

隨著器件工藝尺寸的不斷縮小，產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)所需的臨界電荷越來越少，且電荷共享也更易發(fā)生，使得SEU 效應(yīng)越來越嚴(yán)重。小尺寸工藝下單一重離子轟擊產(chǎn)生的軌跡能夠同時導(dǎo)致多個敏感節(jié)點(diǎn)同時收集電荷，被稱為電荷共享效應(yīng)。針對重離子軌跡上的電荷橫向擴(kuò)散到多個P-N結(jié)的相關(guān)研究表明，在4μm 距離上擴(kuò)散的電荷量可達(dá)直接入射電荷量的15%。也有研究表明，在90 nm 工藝節(jié)點(diǎn)重離子入射最多影響2個單元，而在65 nm工藝節(jié)點(diǎn)重離子入射將影響3個單元（LET 值不大于40 MeV·cm/mg 的輻射條件下）。徐慧利用DICE 結(jié)構(gòu)設(shè)計的65 nm 工藝觸發(fā)器研究了其在LET 值為13 MeV·cm/mg 時發(fā)生電荷共享的敏感間距約為1.6μm。增加敏感節(jié)點(diǎn)間距和采用保護(hù)環(huán)、保護(hù)漏結(jié)構(gòu)等是常見的版圖加固設(shè)計：增大敏感節(jié)點(diǎn)間距可有效減小電荷共享效應(yīng)的發(fā)生；保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)可通過增加阱接觸的方式對器件有源區(qū)進(jìn)行隔離，從而有效減小阱電勢的擾動，顯著提高PMOS晶體管的抗輻射能力；保護(hù)漏結(jié)構(gòu)可通過在敏感器件的漏極附近增加電極的方式來泄放電荷，有助于NMOS晶體管抗輻射性能的提升。

抗單粒子效應(yīng)加固試驗評估常用的地面模擬源主要包括粒子加速器提供的重離子、質(zhì)子、中子，放射源以及脈沖激光等。其中，脈沖激光模擬手段因其能量連續(xù)可調(diào)、操作方便安全在世界范圍內(nèi)得到認(rèn)可和推廣。重離子主要通過與靶原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生電子-空穴對，激光主要通過光致電離產(chǎn)生電子-空穴對，雖然脈沖激光和重離子與半導(dǎo)體材料相互作用過程以及沉積能量（電荷）的方式不同，但兩者都在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了電荷，形成了電離徑跡，而且徑跡中電荷與半導(dǎo)體器件P-N結(jié)的相互作用過程也是相似的，同時電荷在重新分布的過程中所遵循的漂移、擴(kuò)散、復(fù)合的物理規(guī)律是一樣的，經(jīng)過快速演化后的電荷密度分布十分相似，因此器件內(nèi)部靈敏結(jié)吸收電荷后兩者在半導(dǎo)體器件輸出端能夠產(chǎn)生相近的單粒子效應(yīng)規(guī)律。

本文以典型的時序邏輯單元觸發(fā)器（flip-flop,FF）模塊作為研究對象，利用脈沖激光研究不同版圖加固設(shè)計和不同測試模式下其單粒子翻轉(zhuǎn)敏感度，并粗略給出電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)時的激光能量對應(yīng)的重離子LET值，研究結(jié)果可為相同工藝尺寸器件的抗輻射加固設(shè)計提供參考。

1 試驗樣品及試驗設(shè)置

1.1 試驗樣品

試驗樣品為定制65 nm 體硅CMOS工藝D型觸發(fā)器鏈，芯片中設(shè)計了4條不同敏感節(jié)點(diǎn)間距和采用保護(hù)環(huán)、保護(hù)漏加固的觸發(fā)器鏈，每級DFF模塊的電路采用雙互鎖存（DICE）加固設(shè)計，詳細(xì)信息如表1所示。芯片的I/O電壓為5 V，工作電壓為1.2 V。因脈沖激光不能穿透芯片正面的金屬層，故對芯片進(jìn)行了背部開封裝處理，從背部硅襯底層進(jìn)行輻照。

表1 試驗樣品詳細(xì)信息Table1 Detailsof the DFFchains

1.2 脈沖激光試驗裝置和等效LET 值計算

試驗在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置上進(jìn)行，采用Nd:YAG 型激光器，激光波長為1064 nm，脈寬為25 ps，光斑直徑約2μm，脈沖激光的重復(fù)頻率為1～50 kHz，等效LET 值范圍為0.1～120 MeV·cm/mg。圖1所示為試驗裝置原理。試驗樣品背面朝上固定在三維移動臺上，脈沖激光從正上方入射到樣品背部，通過移動三維移動臺實現(xiàn)芯片的掃描測試，并由CCD實時監(jiān)測激光入射到芯片表面的情況。

圖1 試驗裝置原理Fig.1 Schematic diagram of the test system

可通過脈沖激光與高能離子產(chǎn)生的電荷量相等來進(jìn)行等效LET值計算。在激光強(qiáng)度較高或者半導(dǎo)體器件摻雜濃度比較高時，將會導(dǎo)致比較嚴(yán)重的非線性吸收現(xiàn)象。雙光子吸收嚴(yán)重時脈沖激光在單位長度上的沉積能量為

α為激光在半導(dǎo)體中的吸收系數(shù)，cm；β 為雙光子吸收系數(shù)，對于硅器件，β=30 cm/GW；w 為脈沖寬度，s；S 為光斑面積，m；E為激光能量，J。

脈沖激光在單位距離上產(chǎn)生的電荷數(shù)為

式中：E為離子在硅材料中激發(fā)1對電子-空穴對所需的能量，E=3.6 eV；ρ為半導(dǎo)體材料密度，ρ=2.33 g/cm。

令N=N，得到

當(dāng)雙光子吸收較強(qiáng)時，激光的穿透深度δ 顯著減小，因此在δ 深度上對LET 取平均值得到

波長為1064 nm 的Nd:YAG 激光在硅中的穿透深度δ=1/α≈1000μm，雖然雙光子效應(yīng)顯著時穿透深度會減小，但對于硅器件的靈敏層深度而言也是足夠深的。激光入射到器件表面時會發(fā)生反射，反射率與器件表面材料、厚度有關(guān)，實驗難以獲得，往往忽略此項，因此計算出的等效LET值會偏高。此外，脈沖激光產(chǎn)生的離子徑跡較寬，故體電荷密度較低，根據(jù)單粒子效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理，只有當(dāng)徑跡體電荷密度高于器件的摻雜濃度時才會發(fā)生，因此對于一些摻雜濃度較高的器件，脈沖激光測得的翻轉(zhuǎn)閾值通常會高于加速器測量結(jié)果。

1.3 試驗方法及內(nèi)容

試驗時，將移動臺掃描間隔設(shè)為5μm，掃描速度設(shè)為5000μm/s，激光器工作頻率設(shè)為1 kHz，得到的激光注量為4×10個脈沖激光/cm。試驗開始前，使脈沖激光聚焦到芯片硅襯底表面，然后上移移動臺找到金屬布線反射的二次光斑，并通過上移距離計算得到芯片的硅襯底和有源區(qū)總厚度約為450μm，即硅襯底表面到有源區(qū)上表面的距離為450μm。試驗時，使激光聚焦到芯片的有源區(qū)，對芯片進(jìn)行全掃描，通過測試板實時檢測器件發(fā)生SEU 的情況并記錄數(shù)據(jù)。圖2所示為試驗現(xiàn)場，試驗測試了不同激光能量輻照下，觸發(fā)器鏈在鎖存數(shù)據(jù)“0”和鎖存數(shù)據(jù)“1”測試模式下的SEU 情況。DFF鏈的SEU 敏感度用平均每級觸發(fā)器的SEU 截面σ 表示，

圖2 試驗現(xiàn)場Fig.2 Photograph of the test field

式中：n為DFF鏈發(fā)生SEU 個數(shù)，F(xiàn) 為單位面積（cm）內(nèi)的脈沖激光注入個數(shù)；N 為DFF鏈中DFF的級數(shù)。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 不同敏感節(jié)點(diǎn)間距的DFF鏈的SEU敏感度

圖3所示為具有不同敏感節(jié)點(diǎn)間距的觸發(fā)器鏈在不同激光能量輻照下的SEU 截面，其中(a)為數(shù)據(jù)“0”測試模式下的結(jié)果，(b)為數(shù)據(jù)“1”測試模式下的結(jié)果。

圖3 不同敏感節(jié)點(diǎn)間距觸發(fā)器鏈的SEU 截面Fig.3 SEU cross-section of DFF chain with different sensitive nodes spacing

從圖3(a)可以看出，在數(shù)據(jù)“0”測試模式下，觸發(fā)器鏈DFF20、DFF30、DFF40分別在激光能量為490、650、1010 pJ（利用式(6)計算得到等效LET 值分別為20.2、26.8、41.6 MeV·cm/mg）時發(fā)生了SEU；從圖3(b)可以看出，在數(shù)據(jù)“1”測試模式下，觸發(fā)器鏈DFF20、DFF30、DFF40分別在激光能量為660、660、1250 pJ（等效LET值 分別為27.2、27.2、51.5 MeV·cm/mg）時發(fā)生了SEU。因此可以認(rèn)為，無論是在數(shù)據(jù)“0”還是數(shù)據(jù)“1”測試模式下，敏感節(jié)點(diǎn)間距最小的電路單元最容易發(fā)生SEU，且隨著敏感節(jié)點(diǎn)間距的不斷增大，電路的SEU 敏感度下降。值得注意的是，當(dāng)敏感節(jié)點(diǎn)間距從2.0μm增大至3.0μm 時，隨著激光能量的增加，電路的SEU 截面顯著減小，但當(dāng)敏感節(jié)點(diǎn)間距進(jìn)一步增大時，SEU 截面的減小程度不甚明顯。如，數(shù)據(jù)“0”測試模式下，激光能量為1500 pJ時，敏感節(jié)點(diǎn)間距為3.0μm 的觸發(fā)器鏈的SEU 截面比敏感節(jié)點(diǎn)間距為2.0μm 的觸發(fā)器鏈的SEU 截面減小約6.6倍，而敏感節(jié)點(diǎn)間距為4.0μm 的觸發(fā)器鏈的SEU 截面比敏感節(jié)點(diǎn)間距為3.0μm 的觸發(fā)器鏈的SEU 截面減小約1.6倍。

圖4為DICE 鎖存器基本電路和敏感節(jié)點(diǎn)間距為2.0μm 時對應(yīng)的版圖布局。

圖4 DICE 鎖存器基本電路和對應(yīng)版圖布局Fig.4 Circuit schematic of DICE-structure DFFand layout

DICE 電路由4組相互耦合的反相器組成，兩兩晶體管構(gòu)成敏感節(jié)點(diǎn)對。當(dāng)?shù)谝患壏聪嗥髦衝1節(jié)點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，會影響P2柵極電壓，但是此時第三級反相器的節(jié)點(diǎn)n3并未受到輻照和發(fā)生改變，因此n2節(jié)點(diǎn)仍保持原來狀態(tài)，第二級反相器所存儲的數(shù)據(jù)不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。同理，第四級反相器存儲的數(shù)據(jù)也不會發(fā)生改變。因此，僅一級反相器發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，翻轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)由于無法鎖存將在一段時間后恢復(fù)到原來的狀態(tài)，不會造成電路發(fā)生SEU。然而在小尺寸工藝下，由于敏感節(jié)點(diǎn)對間距的減小，電荷共享極易發(fā)生。當(dāng)鎖存數(shù)據(jù)為“0”，即節(jié)點(diǎn)n1=n3=0，n2=n4=1時，晶體管P1、P3、N2、N20、N4、N40（圖4(b)中名稱標(biāo)藍(lán)的晶體管）處于反向偏置狀態(tài)，因此其漏端（圖4(b)中陰影標(biāo)注）是電荷收集的敏感區(qū)域。圖4(b)中給出了激光光斑所能覆蓋區(qū)域的情況。雖然激光與材料作用電離出電荷的機(jī)制與重離子不同，但在電荷收集和能量傳輸階段，兩者的物理過程和機(jī)制是類似的。激光光斑從硅襯底入射到器件有源區(qū)內(nèi)部并在輻照區(qū)域與材料發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生電荷云，而DICE 結(jié)構(gòu)中敏感晶體管對N2/N20和N4有可能同時處于被激光誘發(fā)的電荷云中并收集電荷；當(dāng)所收集電荷多于節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)所需的臨界電荷時，電路存儲的數(shù)據(jù)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

在電荷徑跡一定的情況下，敏感節(jié)點(diǎn)間距越小，DICE 電路版圖中的敏感晶體管對越容易發(fā)生電荷共享，從而誘發(fā)SEU，因此敏感節(jié)點(diǎn)間距為2.0μm 的觸發(fā)器鏈表現(xiàn)出較高的SEU 敏感度。當(dāng)敏感節(jié)點(diǎn)間距大于電荷共享效應(yīng)可以發(fā)生的最大間距時，電路的SEU 敏感度會大幅度下降；因此，相比于敏感節(jié)點(diǎn)間距為2.0μm 的觸發(fā)器鏈，敏感節(jié)點(diǎn)間距為3.0μm 的觸發(fā)器鏈的SEU 敏感度明顯降低。隨著激光能量的增加，電離出的電荷密度增加，作用區(qū)域增大，因此電荷共享效應(yīng)更容易發(fā)生進(jìn)而導(dǎo)致SEU，試驗觸發(fā)器鏈發(fā)生電荷共享的最大敏感節(jié)點(diǎn)間距在2.0～3.0 μm 之間。當(dāng)敏感節(jié)點(diǎn)間距大于電荷共享可發(fā)生的最大間距后，間距的改變對電路的SEU 性能影響減弱，這是因為隨著間距的增大，由電荷共享引起翻轉(zhuǎn)的有效轟擊位置顯著減少。

2.2 保護(hù)環(huán)和保護(hù)漏加固后的DFF鏈的SEU敏感度

圖5所示為經(jīng)保護(hù)環(huán)（PMOS管）和保護(hù)漏（NMOS管）加固后的觸發(fā)器鏈和未經(jīng)加固的觸發(fā)器鏈在不同激光能量輻照下的SEU 截面，其中(a)為數(shù)據(jù)“0”測試模式下的結(jié)果，(b)為數(shù)據(jù)“1”測試模式下的結(jié)果?？梢钥闯觯簲?shù)據(jù)“0”模式測試時，未經(jīng)保護(hù)環(huán)和保護(hù)漏加固的電路在激光能量為490 pJ（等效LET 值為20.2 MeV·cm/mg）時即發(fā)生了SEU，而經(jīng)保護(hù)環(huán)和保護(hù)漏加固的電路在1265 pJ（等效LET 值為52.1 MeV·cm/mg）時才發(fā)生SEU；數(shù)據(jù)“1”模式測試時，未經(jīng)保護(hù)環(huán)和保護(hù)漏加固的電路在激光能量為660 pJ（等效LET 為27.2 MeV·cm/mg）時發(fā)生了SEU，而經(jīng)保護(hù)環(huán)和保護(hù)漏加固的電路在1250 pJ（等效LET 值為51.5 MeV·cm/mg）時才發(fā)生SEU。將能誘發(fā)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)的最小激光能量作為引發(fā)SEU 的能量閾值的粗估，對比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)保護(hù)環(huán)、保護(hù)漏加固設(shè)計后的觸發(fā)器鏈的SEU 閾值約是未加固觸發(fā)器鏈的SEU 閾值的2倍，具有較佳的抗SEU 性能。

圖5 加固和未加固觸發(fā)器鏈的SEU 截面Fig.5 SEU cross-section of DFF chain with and without hardening

圖6(a)、(b)、(c)分別給出了MOS管版圖的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、保護(hù)漏結(jié)構(gòu)和保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。對于P襯底中的NMOS管來說，電荷收集主要是受漂移和擴(kuò)散機(jī)制影響，當(dāng)重離子轟擊NMOS管的敏感位置漏極時，保護(hù)漏反偏的P-N結(jié)可充當(dāng)二次收集電荷區(qū)域，能有效緩解漏區(qū)漂移和擴(kuò)散電荷的收集，從而加速輸出節(jié)點(diǎn)的電壓恢復(fù)。對于N阱中的PMOS管來說，其電荷收集過程受寄生雙極晶體管的雙極放大效應(yīng)影響更大，而PMOS周圍的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)有助于維持阱區(qū)域的電勢，從而限制了寄生雙極晶體管的電荷收集放大作用。因此采用保護(hù)漏和保護(hù)環(huán)加固的觸發(fā)器鏈電路表現(xiàn)出了更高的抗SEU性能。

圖6 MOS管的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of the standard structure and the hardening structure of MOS

2.3 不同數(shù)據(jù)模式下DFF鏈的SEU敏感度

圖7所示為不同觸發(fā)器鏈在數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”測試模式下發(fā)生SEU 的截面對比結(jié)果。從圖可以看出，隨著激光能量的增加，DFF20、DFF30、DFF40觸發(fā)器鏈的SEU 截面均增大。值得注意的是，3條觸發(fā)器鏈在數(shù)據(jù)“0”測試模式下的SEU 截面均明顯高于數(shù)據(jù)“1”測試模式下的。在激光能量為1500 pJ（等效LET 值為61.7 MeV·cm/mg）時：DFF20鏈在數(shù)據(jù)“0”測試模式下的SEU 截面比數(shù)據(jù)“1”模式測試下的SEU 截面高約106%；DFF30鏈在數(shù)據(jù)“0”測試模式下的SEU 截面比數(shù)據(jù)“1”模式下的SEU 截面高約40%；DFF40鏈在數(shù)據(jù)“0”測試模式下的SEU 截面比數(shù)據(jù)“1”模式下的SEU 截面高約35.7%。

圖7 不同觸發(fā)器鏈在2種測試模式下的SEU 截面Fig.7 SEU cross-section of DFF chain under data“0”and data “1” test

因電子的遷移率大于空穴遷移率，所以在相同的輻射環(huán)境下NMOS漏極收集的電流要大于PMOS漏極收集的電流，故而截止的NMOS管比截止的PMOS管更加敏感。敏感晶體管的類型不同可能是造成電路在數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”兩種測試模式下SEU 敏感度不同的內(nèi)在原因。當(dāng)鎖存數(shù)據(jù)為“1”，即節(jié)點(diǎn)n1=n3=1，n2=n4=0 時，晶體管P2、P20、P4、P40、N1、N3（圖8中名稱標(biāo)紅的晶體管）處于反向偏置狀態(tài)，其漏端（圖8中陰影標(biāo)注）是電荷收集的敏感區(qū)域。與數(shù)據(jù)“0”測試模式下敏感晶體管（圖4(b)中名稱標(biāo)藍(lán)的晶體管）的分布對比可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)“0”測試模式下容易發(fā)生電荷共享從而造成電路產(chǎn)生SEU 的敏感晶體管為N20和N4，而在數(shù)據(jù)“1”測試模式下容易發(fā)生電荷共享從而造成電路產(chǎn)生SEU 的敏感晶體管為P20和P4。

圖8 數(shù)據(jù)“1”模式下的敏感晶體管示意圖Fig.8 Schematic diagram of sensitive transistors in data“1” test

圖9所示為NMOS經(jīng)保護(hù)漏加固、PMOS經(jīng)保護(hù)環(huán)加固的觸發(fā)器鏈DEF20_RH 在兩種數(shù)據(jù)測試模式下的SEU 截面，其更敏感的測試模式并非為數(shù)據(jù)“0”，而是數(shù)據(jù)“1”。這個結(jié)果表明，不同加固結(jié)構(gòu)下MOS管的敏感度不同，對于試驗觸發(fā)器鏈的電路和版圖設(shè)計，經(jīng)過保護(hù)漏加固的NMOS管比經(jīng)過保護(hù)環(huán)加固的PMOS管具有更高的抗輻照能力，這從側(cè)面說明，晶體管敏感度的差異將影響電路在不同數(shù)據(jù)模式下的SEU 敏感度。

圖9 DFF20_RH 在數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”模式下的SEU 截面Fig.9 SEU cross-section of DFF20_RH in data“0”and data“1” test

3 結(jié)束語

通過對65 nm 體硅CMOS工藝下不同設(shè)計的觸發(fā)器鏈的SEU 敏感度研究發(fā)現(xiàn)：

1）小尺寸器件設(shè)計中，DICE結(jié)構(gòu)的DFF電路會因電荷共享而發(fā)生SEU，因此可適當(dāng)增大敏感節(jié)點(diǎn)間距來提高器件的抗SEU 性能；但是當(dāng)敏感節(jié)點(diǎn)間距較大時，其增加后的加固效果減弱，對于65 nm 體硅工藝的DICE電路DFF，采取3.0μm 的敏感節(jié)點(diǎn)間距即可有效降低電路的SEU 敏感度。

2）觸發(fā)器單元中NMOS管經(jīng)保護(hù)漏加固和PMOS管經(jīng)保護(hù)環(huán)加固后的SEU 閾值可提高約1倍，有效降低了電路的SEU 敏感度。

3）不同類型的敏感晶體管在不同數(shù)據(jù)測試模式下觸發(fā)器鏈的SEU 敏感度不同，因此設(shè)計芯片時有必要針對最敏感數(shù)據(jù)測試模式下最敏感的晶體管進(jìn)行有效加固。此外，脈沖激光作為一種地面模擬手段，可有效用于確定SEU 敏感器件設(shè)計的最佳間距和驗證防護(hù)效果。