瞬态闭锁试验在0.13 μm大规模集成电路中引起的潜在损伤

杜川华，赵洪超，邓 燕

(中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999)

核爆等环境可产生较高剂量率的辐射。高剂量率辐射会在半导体器件的PN结敏感区引发瞬态光电流[1]，较小或中等幅值的光电流会干扰器件的电平信号或引起逻辑状态翻转，在较大集成密度的芯片中，会诱发电压路轨塌陷效应(RSC)[2-6]；较大幅值的光电流会触发体硅CMOS电路中固有的寄生PNPN结构导通，形成闭锁[7-12]，在电源和地之间形成近似短路的大电流状态。当电流密度超过损伤阈值，温升会引起器件内部金属互连线的局部熔融和热力学效应。同时，高剂量率辐射产生的累积电离总剂量在器件内部氧化层中形成氧化层陷阱电荷，会引起阈值电压等电学参数退化及漏电流增加。以上因素均会造成集成电路器件的潜在损伤或永久失效，引起显著的可靠性风险。

为理解瞬态剂量率辐射对大规模集成电路造成的损伤，为集成电路的辐射效应评估、加固设计及可靠性评估提供参考，本文以一种0.13 μm体硅CMOS处理器为研究对象，开展瞬态剂量率辐射试验和稳态电离总剂量辐射试验，分析瞬态剂量率辐射试验引起的闭锁效应对集成电路造成的潜在损伤和损伤机理。

1 试验设计

HX-1芯片为一款基于POWERPC架构的32位处理器，工作电压为3.3 V，100-pin QFP封装，内部功能模块主要包括中央处理器CPU、SRAM、ROM、嵌入式EFlash、总线接口(I2C、SPI、CAN)、PIT定时器、串行通信接口SCI和IO端口。电路的电源输入端放置0.1 μF和47 μF并联的旁路电容，以阻止电压突降和抑制电源噪声。试验电路的主要功能为输出两路不同频率(1 kHz和100 Hz)的方波信号。

采用长线连接和加电实时测试的方法进行试验电路的辐射效应测试。瞬态剂量率辐射效应的测试框图如图1所示。试验电路放置在辐照间的试验平台上，并根据所需的剂量率放置在正对辐射源的一定距离处。直流电压源、示波器、电流探头和电流表等测试设备放置在测试间。试验电路与测试设备均通过约40 m长的屏蔽电缆连接。直流电压源提供给试验电路3.3 V工作电压，在实际试验时，考虑长线的损耗，通常将电压源的电压设置为3.5 V。需测试的瞬态信号的时间范围为ns～μs量级，要求测试设备的响应时间足够短，本次试验采用两台带宽为1 GHz的示波器测试电路的瞬态信号，一台示波器测试电路功能，即输出方波信号的瞬态响应波形，另一台示波器联合电流探头TCPA300测试电源电流的瞬态响应波形，电流探头的测量精度可达1 mA。为屏蔽电磁干扰引入的噪声，采用厚度为1.5 mm的铝盒屏蔽试验电路。稳态电离总剂量辐射效应的测试方法与瞬态剂量率辐射效应测试方法的差异为：采用高精度的电流表替代电流探头进行电源电流的连续高精度测试；环境噪声较小，去除了铝屏蔽盒；功能测试采用连续采样测试模式。

图1 处理器瞬态剂量率辐射效应的测试框图Fig.1 Transient dose rate radiation effect test diagram of processor

瞬态剂量率辐射试验中，逻辑电平产生大于30%的偏离判定为翻转。出现翻转后，若电平信号较快地自动恢复到正确逻辑状态，功能正常，则判定电路内部发生数据翻转(如内部数据寄存器、时钟、SRAM等)；出现翻转后，若电平信号不能自动恢复到正确逻辑状态，功能中断，需通过软件刷新才能恢复正常，则判定电路发生程序或配置翻转(如内部EFlash、关键配置寄存器等)；出现翻转后，若电平不能自动恢复到正确逻辑状态，功能中断，对外部指令无响应，且伴随持续大电流，则判定电路发生闭锁。稳态电离总剂量辐射试验中，输出方波的频率或幅值变化超过正常值的10%判定为功能失效。试验前，已验证了试验电路中除被测器件外的其他元器件均无大电流闭锁效应，且对累积电离总剂量不敏感。

2 试验结果

4块试验电路分为两组(1#和2#)，每组分别包括两块样品电路。1#试验电路只进行稳态电离总剂量辐射试验，2#试验电路先进行瞬态剂量率辐射试验再进行稳态电离总剂量辐射试验。

在60Co源上完成1#试验电路的稳态电离总剂量辐射试验，辐射剂量率为0.5 Gy(Si)/s。试验期间，电路处于加电工作状态。试验结果表明，处理器电路发生功能失效时的总剂量为1 030 Gy(Si)，电源电流从初始的111 mA增加到225 mA，增加比例约为102.7%。

在强光一号脉冲加速器上完成2#试验电路的瞬态剂量率辐射试验，辐射剂量率范围为106～109Gy(Si)/s，脉冲有效宽度为20～30 ns。表1列出2#试验电路的瞬态剂量率辐射试验现象和测试数据。试验电路共经历5次瞬态剂量率辐射试验，其中发生4次闭锁效应，1次翻转效应。发生闭锁效应时输出方波的瞬态波形如图2所示，波形消失且无法自动恢复。电源电流的瞬态波形如图3所示，出现较强的脉冲电流，随剂量率的不同，电流峰值范围为0.7～1.5 A，持续时间约为600 μs。由于未对电路限流及采用闭锁保护电路，每次发生闭锁效应后，通过手动切断供电电源，器件在闭锁大电流状态的持续时间约为10～30 s。每次闭锁试验后，经测试试验电路的功能均正常，电源电流有显著增加。5次瞬态剂量率辐射试验后2#样品电路的累积总剂量约为128.3 Gy(Si)。

表1 2#试验电路的瞬态剂量率辐射试验数据Table 1 Transient dose rate radiation test data of 2# test circuit

图2 处理器闭锁时输出方波的瞬态波形Fig.2 Output signal transient wave of processor during latchup

图3 处理器闭锁时电源电流的瞬态波形Fig.3 Supply current transient wave of processor during latchup

2#试验电路在室温环境下放置1个月后，经测试电路的功能正常，电源电流为104 mA，再在60Co源上进行稳态电离总剂量辐射试验。试验期间，电路仍处于加电工作状态，辐射剂量率为0.5 Gy(Si)/s。试验结果表明，试验电路发生功能失效时的电离总剂量为600 Gy(Si)(包括瞬态剂量率辐射试验的累积剂量)，电源电流增加到140 mA，增加约为34.6%。图4为1#和2#试验电路的电源电流随电离总剂量的变化。由图4可知，在电离总剂量达到500 Gy(Si)前，1#与2#试验电路的电源电流增加速率基本一致，当电离总剂量超过500 Gy(Si)时，2#试验电路的电源电流突然剧烈增加，在电离总剂量为600 Gy(Si)时发生功能失效。通过断电并重新加电测试仍未能恢复电路功能，说明电路已发生破坏性的永久损伤。

图4 1#和2#试验电路电源电流随电离总剂量的变化Fig.4 Supply current versus ionizion total dose for sample 1# and sample 2#

3 潜在损伤效应分析

仅经历稳态电离总剂量辐射试验的1#试验电路与经历瞬态剂量率和稳态电离总剂量串联辐射试验的2#试验电路，表现出的参数变化和功能失效阈值有显著差异：1) 1#试验电路的功能失效阈值为1 030 Gy(Si)，2#试验电路的功能失效阈值为600 Gy(Si)；2) 1#试验电路发生功能失效时的电源电流为225 mA，2#试验电路经历瞬态剂量率辐射试验后电源电流为125 mA，放置1个月后电源电流降为104 mA，再进行稳态电离总剂量辐射试验时发生功能失效时的电源电流为140 mA。以上试验现象和测试数据表明，2#试验电路经历瞬态剂量率引起的闭锁试验后，虽然功能测试均正常，但电路内部已发生潜在损伤，主要原因可能是高剂量率下的电离总剂量效应和闭锁电流引起的热损伤效应。

3.1 高剂量率的电离总剂量效应

γ射线的电离总剂量效应是光子在器件内部绝缘材料(氧化层)中电离产生电子-空穴对，形成氧化物陷阱电荷及界面态电荷，导致器件漏电流增加和电学参数退化。文献[13]研究表明，氧化层电荷的累积与剂量率有密切关联，尤其是在较高剂量率辐射下，由于氧化层陷阱电荷复合较少，而界面态电荷无足够的建立时间，晶体管的阈值电压均由于氧化层陷阱电荷累积产生负向偏移。如一款栅氧化层厚度为60 nm的晶体管，当受到剂量率为6×107Gy(Si)/s的脉冲辐照时，氧化层陷阱电荷引起的阈值电压偏移约为-1.5 V，而界面态电荷引起的阈值电压偏移约为0.3 V。10 keV X射线源的等效系数近似为0.01 Gy(Si)≈0.018 Gy(SiO2)，其他辐射源的等效系数近似为0.01 Gy(Si)≈0.01 Gy(SiO2)。负向阈值电压偏移会显著增加漏电流，从而引起电路的静态电流增加，导致潜在失效。文献[14]研究表明：在0.002～1 Gy(Si)/s的较低剂量率环境下，晶体管栅氧化层的漏电流是电路参数失效的主要影响因素；在18～104Gy(Si)/s的中等剂量率环境下，晶体管寄生场氧化区的漏电流是电路参数失效的主要因素。因此可推论，在105～109Gy(Si)/s的高剂量率环境下，器件场氧化区电荷的大量累积仍是电源电流增加和失效的主要影响因素之一。

3.2 闭锁电流引起的热损伤

图5 闭锁引起模数转换器的潜在损伤电镜扫描图Fig.5 Scanning electron microgragh of latent damage due to latchup in ADC

光子在器件PN结耗尽区及耗尽区两侧一扩散长度范围内电离的电子空穴对被收集形成瞬态光电流。闭锁状态下的瞬态光电流近似为短路电流，远超器件可承受的最大电流密度。大多数集成电路设计时可承受的最大电流密度小于5×105A/cm2。针对一些特定工艺尺寸和绝缘层厚度的CMOS器件在高电流脉冲引起的互连失效的研究表明[15]，若电流密度达到107～108A/cm2，会造成器件的潜在损伤甚至失效。主要原因是较高的电流密度引起金属互连的温度升高，导致金属熔融；同时由于金属和绝缘材料之间热膨胀系数的不匹配引起应力，使得融化的金属喷射而破坏互连线。图5为一款模数转换器在闭锁试验后的电镜扫描图。金属层下面绝缘层的热阻越高，对金属层失效的影响越显著，因为当温度升高时自由空间的金属可自由扩展，而在绝缘衬底上的金属薄膜则会受到限制，因此即使电流引起的温升并未达到金属的熔点，也可能导致其产生损伤[16]，如Al的失效温度为300 ℃，远小于其熔点600 ℃。

电流在金属互连线中引起的温升可由式(1)[17]计算：

(1)

式中：Θ为金属的温升；R为电阻；J(t)为电流密度；C为金属热电容；m为连线的质量。

Layton等[17]针对一款模数转换器(7809)的研究表明，当金属互连中通过75 mA电流时产生8.8×105A/cm2的电流密度，持续时间10 μs，假定无热耗散，采用式(1)计算得到的温升小于83 ℃。Banerjee等[18]针对一种4层金属结构在200 ns脉冲大电流的研究表明，当电流密度达到107～108A/m2时，若不采取任何保护措施，金属连线的温升可达1 000 ℃以上。

虽然闭锁效应会引起潜在损伤，但一般不会直接或立刻造成器件失效，可能的原因是：1) 发生金属熔融喷射的个数太少，不会引起完全的互连失效和器件功能失效；2) 即使发生某处互连失效，但在金属和绝缘材料之间的金属覆层仍可维持电连接。然而，损伤区域的互连横截面远小于正常状态的横截面，这使器件或电路继续工作或开展其他试验时，已存在的潜在损伤将大幅降低器件的损伤阈值，更易于发生新的失效。这也是2#试验电路经历瞬态剂量率辐射试验后，虽然功能仍正常，但电离总剂量失效阈值大幅降低的主要原因。

4 结论

本文研究了一种国产0.13 μm CMOS集成电路的瞬态剂量率效应和电离总剂量效应，分析了闭锁效应引起的潜在损伤机理，得到如下结论。

1) 4次瞬态剂量率辐射试验累积的电离总剂量为128.3 Gy(Si)，闭锁电流峰值范围为0.7～1.5 A，闭锁持续时间为10～30 s。

2) 闭锁效应对集成电路造成了潜在损伤，导致电路的总剂量功能失效阈值从1 030 Gy(Si)降低至600 Gy(Si)。

3) 引起潜在损伤的主要原因是：高剂量率下场氧化层的大量电荷累积引起漏电流增加；高强度闭锁大电流引起器件内部金属互连被破坏。采用串联试验方式评估器件或电路的抗瞬态辐射性能时，需充分考虑闭锁效应可能引起的潜在损伤。