PDSOI CMOS SRAM总剂量辐射及退火效应的研究

李 明 余学峰 卢 健 高 博 崔江维 周 东许发月 席善斌 王 飞

1 (中国科学院新疆理化技术研究所 乌鲁木齐 830011)

2 (新疆电子信息材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011)

3 (中国科学院研究生院 北京 100049)

部分耗尽绝缘体上硅(partial-depletion-siliconon-insulator, PD SOI)技术，以其独特的材料结构有效地克服了体硅材料的不足，如无闩锁效应、较高的跨导和电流驱动能力、低压低功耗，以及优良抗单粒子和瞬时辐射的能力[1]，使该技术在军事、宇航等可靠性要求高和抗辐射能力强的领域里得到广泛应用。随着集成电路及航天技术的发展，静态随机存储器(SRAM)广泛应用于航天器和卫星的控制系统中，但空间复杂的辐射环境会对SRAM器件造成辐射损伤，尤其是SOI工艺SRAM对总剂量非常敏感，严重威胁航天器工作的可靠性和安全性。因此，研究SOI工艺SRAM器件的辐射损伤机理具有现实意义和必要性。

上世纪90年代，国外开展SOI工艺SRAM的辐射效应和加固技术的研究[2−5]，工艺水平提高和集成度增长的同时，器件的抗辐射能力有所突破。我国对大规模SOI集成电路辐射效应的研究处于探索阶段[6−8]，虽实现并提高了中小规模 SOI集成电路的抗辐射能力，但与宇航和国防需求尚有一定差距，并缺乏对星用 SRAM器件辐射损伤进行试验和评估的可靠方法和手段。

本文通过研究器件静态、动态功耗电流和功能出错随总剂量的变化关系及其相关性，探讨 SOI SRAM的总剂量敏感参数和功能失效预警参量，分析辐射缺陷对器件参数的损伤影响并讨论评估技术的参数表征，以研究SOI SRAM辐射损伤效应、提高器件辐射加固水平，为大规模SOI集成电路总剂量损伤评估方法和抗辐射加固提供实验依据和基础。

1 辐照实验

测试系统由美国 Altera公司 Cyclone系列的EP1C6型FPGA实验系统、PC机、示波器和万用表组成。在静态偏置条件下进行在线辐照后，移位并用FPGA系统对SRAM进行读写控制测试。测试功能参数时，主要监测SRAM的数据读写功能：对所有存储单元写入固定的数，再读取数据并比较其与写入数据的差异，以测试存储单元数据位出错的数目，同时用万用表测试器件的静态功耗电流与动态读写功耗电流。

辐照前后测试的器件参数和功能参数有：静态功耗电流，即SRAM芯片的使能管脚E1=VL(低电平)，E2=VL，读出使能管脚GB=X(高、低电平不定)，写入使能管脚WB=X状态时的电源电流；动态读写功耗电流，也即对SRAM存储单元进行读写操作时的动态功耗电流，以及存储单元错误数。

实验样品采用0.8 μm CMOS PDSOI工艺制造的128 Kbits SRAM，辐照实验在中国科学院新疆理化技术研究所60Co γ射线源上进行，剂量率 0.5 Gy(Si)/s，辐照总剂量为750 Gy(Si)，测试剂量点分别为100、200、400、500、650、750 Gy(Si)。为探讨加电偏置条件下SOI工艺SRAM的总剂量辐射损伤机理，所加辐照偏置条件为：静态加电，VCC接高电平VDD，VSS接地，地址端间隔接高低电平(5 V或0 V)，数据传输端接VDD/2，其余接高电平。总剂量辐照后，在SRAM器件的偏置条件与辐照实验一致情况下，先后进行25ºC恒温退火36 h和100ºC恒温退火168 h实验。

2 实验结果

图1为三种功耗电流随辐照总剂量及退火时间的响应关系。由图1(a)，总剂量<500 Gy(Si)时，静态功耗电流 Iss(■)变化不明显，随后出现指数式增加。由图1(b)，退火初期，Iss快速恢复，在室温退火700 min后，退火过程趋于缓慢。高温退火中(图1c)，Iss快速减小，最终恢复到初始值附近。动态写功耗电流(●)随总剂量及退火时间的变化规律与 Iss相似。动态读功耗电流 Idd(▲)的变化规律为：在100–400 Gy(Si) 总剂量范围，Idd随总剂量急剧增大；400 Gy(Si)后急剧下降，之后又出现回升。室温退火初期(图 1b)，Idd快速恢复并趋于平缓；168 h高温退火(图1c)中，Idd先急剧增大，随而后缓慢减小，并保持恢复趋势。

图1 功耗电流随总剂量及室温和高温退火时间的变化Fig.1 Power supply current v.s. total dose and annealing time at room or high temperature.

图2为SRAM的存储单元数据错误数随总剂量及退火时间的变化关系。由图2(a)，在0–200 Gy(Si)时，存储单元读写功能正常，未出现数据位翻转。随着总剂量增加，出现大量功能错误数，总剂量超过450 Gy(Si)后，错误数逐渐达到饱和。由图2(b)和(c)，室温退火较缓慢，而高温退火使器件功能迅速恢复正常。

图2 错误数随总剂量及室温和高温退火时间的变化Fig.2 Errors v.s. total dose and annealing time at room or high temperature.

图3为功耗电流和出错数随总剂量变化的关系图。由图3(a)，Iss随总剂量增加的变化趋势与出错数随总剂量响应趋势基本一致，但滞后于功能错误数，二者的相关性不大。而图3(b)，Idd的退化优先于错误数的变化，表现极大相关性，对错误数的产生具有一定预警性。因此，相比于Iss，Idd较适合作为该器件功能失效的预警量。

实验结果显示，所选用SOI SRAM器件为总剂量辐照敏感器件。随着总剂量的增加，器件的电学参数和功能参数均有明显变化，当总剂量达到一定程度，参数出现剧烈变化。Idd适合作为器件功能失效的预警量。静态和动态读写功耗电流的室温和高温退火迅速使参数恢复正常，而功能错误数的室温退火较高温退火明显缓慢。

图3 功耗电流与出错数随总剂量变化关系(a) 静态功耗电流与出错数对比，(b) 动态功耗电流与出错数对比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 分析与讨论

电离辐射在 SiO2绝缘层中产生氧化物陷阱电荷并在Si/SiO2界面产生界面态陷阱电荷，两种陷阱电荷导致器件的阈值电压发生漂移，进而对PD SOI MOSFETS及该工艺SRAM集成电路性能产生显著影响，甚至造成功能失效。图4为SRAM存储的基本单元，对于由NMOS和PMOS晶体管组成的大规模集成电路CMOS SRAM，虽无法直接研究单管的辐射损伤情况，但可结合CMOS器件的电离辐射损伤机理，对0.8 μm-CMOS PDSOI SRAM的总剂量辐射效应进行探究。

图4 SRAM的存储单元Fig.4 Schematics of storage unit of the SRAM.

对于PD SOI器件，总剂量辐射敏感的区域包括正栅氧化层、场氧区域和背栅埋氧层区。因此，电离辐照感生功耗电流由 N沟道截止时的泄漏电流、寄生N沟管的场氧侧向漏电流及背栅漏电流构成[8]。因电离辐照在SRAM存储单元N沟管的正栅氧化层和隐埋氧化层累积了氧化物正电荷和界面态陷阱电荷，在二者共同作用下，使正栅和背栅的阈值电压负向漂移，特性转移，出现正栅沟道截止状态漏电流和背栅反型导通漏电流，因阈值电压随辐照总剂量增大而负向漂移，从而使正栅和背栅漏电流随累积剂量增大。同时，PDSOI NMOSFET的源极、漏极和硅岛的侧面形成侧向漏电沟道，场氧漏电流随总剂量累加而增大。

辐射产生的氧化物和界面态陷阱电荷的数目与氧化层有很大关系，随着工艺水平的提高，正栅氧化层厚度减薄，器件的抗辐射能力增强，因此，较厚的背栅氧化层和场氧层的辐射漏电流成为SOI器件电流增大的关键因素。尤其在质量较差且厚度较大的埋氧化层和场氧化层中，会有大量的氧化物陷阱电荷累积，大大增加了背栅和场氧漏电，可通过提高注入剂量以增加阈值电压并减小漏电流。本实验所用0.8 μm PDSOI CMOS工艺的SRAM器件，有较厚的栅氧层和埋氧层，以及伴随高集成度的大量寄生N沟管，这几种漏电流是功耗电流随着总剂量增大的主要原因。总剂量>500 Gy(Si)，静态和动态写功耗电流指数增大，呈现递增规律(图1)。总剂量为100–400 Gy(Si)以及650–750 Gy(Si)时，动态读功耗电流随三种漏电流增大，使功耗电流在100–400 Gy(Si)中迅速增大，但在400 Gy(Si)处出现下降，由多次重复实验的类似结果及相应的退火恢复规律推断，可能由于灵敏放大器的失效所导致。

灵敏放大器由两级构成：第一级是NMOS交叉耦合放大器，提供小增益将信号放大，并将读出信号电平移动至3 V左右；第二级是PMOS电流镜负载的差分放大器，负责较大倍数的信号放大，推拉输出级把读出电平拉至电源和地电位，并提高读出信号驱动能力，最后的三态输出缓冲负责驱动大负载的全局数据线。8位SRAM器件内部有8个同时工作的灵敏放大器，读出放大器引起的功耗对整个器件功耗有较大贡献。随着总剂量的累积，放大器的增益减小[9]，对位线电平的推拉能力减弱，位线上的电压摆幅变大，电路的传播速度变慢，灵敏放大器功能弱化，因此在相同的位线预充时间内，器件功耗降低，Idd明显减小，类似于灵敏放大器不参与写数据过程的功耗电流增大规律。高温退火时，可看到功耗电流突然增大，放大器功能恢复正常。有关Idd出现突变现象的推论有待进一步分析验证。

晶体管的阈值电压随总剂量的累积而负向漂移，使 CMOS电路的输出低电平上升和高电平下降。随着辐照总剂量的累积，阈值电压漂移增大，使原来截止的NMOS晶体管导通而PMOS晶体管处于饱和导通状态，导致输出高电平下降，当达到高电平最小阈值时，出现“1”到“0”的位翻转现象；反之则出现“0”到“1”的位翻转现象。由图2，总剂量超过200 Gy(Si)时，开始出现大量位翻转错误，可见只有当总剂量累积到一定程度，才会引起功能的突变出错。

当进行25ºC和100ºC恒温退火时，因氧化物正电荷的退火，负向漂移的阈值电压发生回漂，使辐照引起正栅N沟道耗尽层和背栅界面的反型得到恢复，从而使两种漏电流随退火时间的增加而降低；寄生N沟管的场氧漏电流随退火时间的关系与N沟道截止漏电流情况相似。因此，静态和动态写功耗电流在两种退火温度下随退火时间体现出递减恢复的过程(图1)，经25ºC恒温36 h和100ºC恒温168 h退火，最终恢复到初始值附近。Idd在室温退火中一直减小，但在高温退火初期先迅速增大而后才缓慢减小，整个退火过程表现出参数恢复正常的趋势。阈值电压因辐射产生的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷随温度和时间的退火而回漂，使CMOS电路的输出高电平上升和低电平下降，随着退火过程继续进行，输出高低电平最终达到存储单元“1”到“0”或者“0”到“1”的正确位翻转阈值要求，出现存储单元正确位翻转，使功能错误数减少，功能迅速恢复正常(图2所示)。

4 结语

(1) SRAM为总剂量敏感器件，静态和动态功耗电流为总剂量辐照效应的敏感参数，Idd可作为器件功能失效的预警量，SRAM功能错误数在总剂量累积到一定程度出现失效。

(2) 较体硅器件而言，辐射引起的隐埋氧化层电荷是构成PDSOI器件漏电流的重要成因之一，可通过注入杂质剂量提高阈值电压，减少漏电流。

(3) 在不同温度条件下，主要是氧化物正电荷的退火导致静态、动态功耗电流和功能错误数的恢复。

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