0 引言

    當(dāng)半導(dǎo)體器件應(yīng)用于核爆炸環(huán)境時，器件面臨高能量的瞬時劑量率輻射，會造成電路暫時或永久失效^[1]。1958年，Bell實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)工程師ROGER S C在一次地面核試驗(yàn)中測試到單個二極管和晶體管的瞬時響應(yīng)數(shù)據(jù)。1963年，ROGERS S C和WIRTH J L共同提出瞬時劑量率輻射能夠在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生電子空穴對，進(jìn)而產(chǎn)生光電流，影響電學(xué)特性^[2]。電子元器件瞬時劑量率輻射研究由此開始。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，集成電路的集成度越來越高、規(guī)模越來越大、功能越來越復(fù)雜，使其瞬時劑量率輻射效應(yīng)的規(guī)律變得更加復(fù)雜。超大規(guī)模集成電路的瞬時劑量率輻射效應(yīng)也是當(dāng)前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)^[3-6]。

    為同時滿足先進(jìn)工藝下集成電路的低功耗和不同集成電路之間信號電平的兼容，當(dāng)前超大規(guī)模集成電路多采用多電壓技術(shù)，擁有至少1個內(nèi)核電壓和至少1個輸入輸出(IO)電壓。如本文研究的0.18 μm SRAM電路，內(nèi)核正常工作電壓為1.8 V，而IO正常工作電壓為3.3 V。對于多電壓集成電路，瞬時劑量率輻射效應(yīng)對不同電壓域內(nèi)電路的影響程度如何、對哪個電壓影響更大（即需要更長恢復(fù)時間），目前還沒有公開發(fā)表的研究結(jié)果。

    本文針對0.18 μm SRAM和處理器電路進(jìn)行了不同劑量率下的瞬時劑量率輻射試驗(yàn)，獲得了電路的瞬時劑量率輻射效應(yīng)特性。重點(diǎn)研究和對比了電路中內(nèi)核電壓和IO電壓恢復(fù)時間，并進(jìn)行了相關(guān)機(jī)理分析。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

    試驗(yàn)樣品采用一款超深亞微米靜態(tài)隨機(jī)存儲器，最小溝道長度是0.18 μm，電源電壓是1.8 V和3.3 V，其中1.8 V是存儲器的內(nèi)核電壓，3.3 V為外圍電路電壓。

1.2 輻射源

    瞬時γ劑量率試驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所“強(qiáng)光一號”上進(jìn)行，“強(qiáng)光一號”可模擬核爆炸形成的多種脈沖輻射環(huán)境。為獲得足夠高的劑量率，需要將試驗(yàn)樣品盒抵近靶面，每一次轟擊所能確定的劑量率有一個較寬的分布，如圖1所示。圖中每個位置均由厚約50 mm的鋁制樣品盒組成。位置1的劑量率的范圍大約在2～5×10¹¹ rad(Si)/s，依次降低，后一位置劑量率大約為前一位置的1/2，圖中標(biāo)出了試驗(yàn)中3個樣品位置的劑量率范圍。試驗(yàn)中，根據(jù)需要的劑量率大小，安排多樣品同時轟擊的方式，只需將試驗(yàn)樣品盒放置于某一位置即可得到相應(yīng)的試驗(yàn)劑量率。

    本次試驗(yàn)采用窄脈沖γ類型，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

    每一只被輻射樣品與其測量輔助系統(tǒng)均分別固定在鋁屏蔽盒中，輔助測量系統(tǒng)采用鉛磚正面進(jìn)行遮擋。采用LiF(Mg，Ti)-M型熱釋光劑量計(jì)測試每一次轟擊后樣品接收到的總劑量D，再根據(jù)示波器記錄PIN半導(dǎo)體探測器或閃爍體探測器監(jiān)測到的瞬時γ射線脈沖時間有效寬度，可計(jì)算出每一炮各位置的劑量率

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

    存儲器瞬態(tài)劑量率試驗(yàn)測試板邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。測試板主要由FPGA、Flash、SDRAM、JTAG、串口、電源模塊等組成。Flash存儲器用于存儲FPGA配置程序和用戶應(yīng)用程序，SDRAM用于內(nèi)存使用，JTAG用于調(diào)試和下載程序，RS485串口用來傳輸信息，電源模塊用于供電。檢測信號通過同軸電纜連接到監(jiān)測室示波器上，轟擊前示波器檢測并記錄每個信號的“零前”狀態(tài)，在每炮轟擊時，同步檢測記錄“零時”信號的變化?！傲銜r”信號的變化幅度和恢復(fù)時間可用于判斷該器件對瞬時輻射的響應(yīng)。

    轟擊試驗(yàn)前，寫入測試圖形碼；瞬態(tài)試驗(yàn)過程中監(jiān)測電源端和存儲器數(shù)據(jù)端輸出瞬態(tài)波形。

    系統(tǒng)中的待測的信號有VDD1、VDD2、D0和D1。其中，VDD1是1.8 V內(nèi)核電源，VDD2是3.3 V-IO電源，D0是固定高數(shù)據(jù)端，D1是固定低數(shù)據(jù)端。

2 試驗(yàn)結(jié)果

    在“強(qiáng)光一號”裝置上共進(jìn)行了3次不同劑量率的試驗(yàn)，每次瞬時劑量率產(chǎn)生的脈寬在20 ns～30 ns之間，3次試驗(yàn)的劑量率分別是：6.1×10⁹ rad(Si)/s、6.2×10¹⁰ rad(Si)/s和4.9×10¹¹ rad(Si)/s。試驗(yàn)結(jié)果表明，器件在3種劑量率γ脈沖輻射下都發(fā)生了瞬時擾動，沒有發(fā)生鎖定現(xiàn)象，這與該款SRAM電路采用了抗鎖定的版圖技術(shù)有關(guān)。

    圖3是4個待測信號隨劑量率變化的波形。從圖中可以看到，在γ脈沖輻射之后電路出現(xiàn)了很大的擾動。數(shù)據(jù)端D0、D1均出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失的情況，可能是內(nèi)核電壓在瞬時輻射之后被拉低到電路不能正常工作所致。

    隨著劑量率的增大，內(nèi)核和IO電壓波形恢復(fù)時間也增大，如圖4所示。輻射使器件產(chǎn)生電子-空穴對，電子可能被俘獲在導(dǎo)帶的特定能級，這些電子將隨著陷阱特性時間常數(shù)而衰減，被俘獲的電子數(shù)量與輻射總劑量成比例。在脈寬相同的情況下，輻射劑量率越大，輻射總劑量也越大，被俘獲的電子數(shù)量就越多，從而使器件受輻射后產(chǎn)生的響應(yīng)脈沖寬度越大。

    在零時刻之后，示波器所采集到的在γ脈沖輻射下存儲器電源端口和數(shù)據(jù)端口的信號變化如圖5所示（劑量率是6.1×10⁹ rad(Si)/s）。從圖中可以看到，由于高劑量率γ射線的輻射，導(dǎo)致了4個待測信號均出現(xiàn)了不同程度的擾動。CORE-1.8 V信號端的恢復(fù)時間是9 μs，而IO-3.3 V信號端的恢復(fù)時間是4 μs，內(nèi)核電源電壓的恢復(fù)時間大約是IO電源電壓恢復(fù)時間的2倍。數(shù)據(jù)端D0、D1的重置時間和CORE-1.8 V的恢復(fù)時間依次是9.5 μs、11 μs、9 μs。

3 結(jié)果分析

    前面的試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)存儲器內(nèi)核電壓的恢復(fù)時間比IO電壓的恢復(fù)時間長。為了確認(rèn)這一結(jié)果，對一款基于SPARC-V8架構(gòu)的處理器做了γ射線的輻射試驗(yàn)，試驗(yàn)劑量率為1.7×10¹⁰ rad(Si)/s。得出了其內(nèi)核電壓恢復(fù)時間和IO電壓恢復(fù)時間相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖6所示。存儲器內(nèi)核電壓的恢復(fù)時間和IO電壓的恢復(fù)時間在不同劑量率下對比在圖7中給出。

    存儲器和微處理器內(nèi)核電壓的恢復(fù)時間比IO電壓端恢復(fù)時間長，存儲器內(nèi)核電壓恢復(fù)時間大約是IO電壓的2倍?？赡艿脑蚴荌O電路相對簡單、路徑較少，在IO電源電壓恢復(fù)正常后，IO電路也很快建立固定狀態(tài)，過程相對簡單；而內(nèi)核電路較IO電路規(guī)模大，功能也更復(fù)雜，因此恢復(fù)過程更為緩慢。在內(nèi)核電路恢復(fù)功能的過程中，電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)逐漸建立狀態(tài)，由電源到地的眾多通路在復(fù)雜的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)狀態(tài)建立過程中時而導(dǎo)通、時而關(guān)斷，而在此過程中，電源電壓會受到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化影響，而電源電壓也反過來影響內(nèi)部節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的建立過程，這種互相糾纏的復(fù)雜過程，使內(nèi)核電壓和內(nèi)核電路的恢復(fù)過程較IO慢很多。這一機(jī)理還有待進(jìn)一步的仿真研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

    另外值得注意的試驗(yàn)結(jié)果是數(shù)據(jù)端D0和D1的恢復(fù)時間基本一致，且都與內(nèi)核電源電壓的恢復(fù)時間接近，即只要內(nèi)核電路供電情況恢復(fù)正常，數(shù)據(jù)端也隨即恢復(fù)。這個現(xiàn)象也在一定程度上表明內(nèi)核電壓和內(nèi)核電路在互相糾纏后，最后幾乎同步到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

    本文對0.18 μm工藝的SRAM器件開展了不同劑量率下的瞬時劑量率輻射試驗(yàn)研究，獲得了一款多電壓供電的SRAM電路在瞬時輻射條件下的電路響應(yīng)結(jié)果。試驗(yàn)證明，處于一定劑量率γ射線照射的SRAM電路和微處理器的內(nèi)核電壓恢復(fù)時間大于IO電壓的恢復(fù)時間。用戶數(shù)據(jù)的恢復(fù)時間取決于內(nèi)核電壓的恢復(fù)時間，內(nèi)核電壓的抗輻射擾動能力直接影響電路功能。不同劑量率的γ射線輻射，在一定劑量率的范圍內(nèi)，隨著輻射劑量率的增大，器件的輻射響應(yīng)脈沖寬度越大，對時序要求很精確的電路，需要考慮擾動時間的變化。研究處于瞬時劑量率輻射時電路的擾動規(guī)律，對器件的抗瞬時劑量率輻射能力評估有重要意義，同時也為電路的加固提供了試驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] MARSHALL R W.Microelectronic devices for application in transient nuclear radiation environments[J].IEEE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics，1963，technical_paper：1.4.1-1-1.4.1-6.

[2] WIRTH J L，ROGERS S C.The transient response of transistor and diodes to ionizing radiation[J].IEEE Nucl Sci，1964，11(5)：126-130.

[3] 杜川華，許獻(xiàn)國，趙海霖，等.可編程器件的瞬時電離輻射效應(yīng)及加固技術(shù)研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2014，34(3)：369-374.

[4] NIKIFOROV A Y，CHUMAKOV A I，SKOROBOGATOV P K，et al.CMOS IC transient radiation effects investigations，model verification and parameter extraction with the test structure laser simulation tests[C].Proc IEEE Int Conf Microelec Test Struc，1996：253-258.

[5] MASSENGILL L W，DIEHL S E，BROWNING J S，et al.Dose rate upset patterns in a 16k CMOS SRAM[J].IEEE Trans Nucl Sci，1986，33(6)：1541-1545.

[6] MASSENGILL L W，DIEHL S E，WROBEL T F，et al.Analysis of transient radiation upset in an SRAM[J].IEEE Trans Nucl Sci，1985，32(6)：4026-4030.

作者信息:

李同德1，趙元富1，2，王  亮1，鄭宏超1，舒  磊2，劉家齊1，于春青1

（1.北京微電子技術(shù)研究所，北京100076；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150001）