0 引言

    當(dāng)半導(dǎo)體器件應(yīng)用于核爆炸環(huán)境時(shí),，器件面臨高能量的瞬時(shí)劑量率輻射，會(huì)造成電路暫時(shí)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(gè)二極管和晶體管的瞬時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)。1963年,，ROGERS S C和WIRTH J L共同提出瞬時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(hào)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(gè)內(nèi)核電壓和至少1個(gè)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(shí)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(gè)電壓影響更大（即需要更長恢復(fù)時(shí)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(shí)劑量率輻射試驗(yàn),，獲得了電路的瞬時(shí)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)器的內(nèi)核電壓,，3.3 V為外圍電路電壓,。

1.2 輻射源

    瞬時(shí)γ劑量率試驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所“強(qiáng)光一號(hào)”上進(jìn)行，“強(qiáng)光一號(hào)”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(gè)較寬的分布,，如圖1所示,。圖中每個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)γ射線脈沖時(shí)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(chǔ)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(chǔ)器用于存儲(chǔ)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(hào)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(gè)信號(hào)的“零前”狀態(tài),，在每炮轟擊時(shí)，同步檢測記錄“零時(shí)”信號(hào)的變化,?！傲銜r(shí)”信號(hào)的變化幅度和恢復(fù)時(shí)間可用于判斷該器件對瞬時(shí)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(chǔ)器數(shù)據(jù)端輸出瞬態(tài)波形。

    系統(tǒng)中的待測的信號(hào)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(hào)”裝置上共進(jìn)行了3次不同劑量率的試驗(yàn)，每次瞬時(shí)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(shí)擾動(dòng),，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(gè)待測信號(hào)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(dòng),。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(shí)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(shí)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(jí)，這些電子將隨著陷阱特性時(shí)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(shí)刻之后,，示波器所采集到的在γ脈沖輻射下存儲(chǔ)器電源端口和數(shù)據(jù)端口的信號(hào)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(gè)待測信號(hào)均出現(xiàn)了不同程度的擾動(dòng),。CORE-1.8 V信號(hào)端的恢復(fù)時(shí)間是9 μs，而IO-3.3 V信號(hào)端的恢復(fù)時(shí)間是4 μs,，內(nèi)核電源電壓的恢復(fù)時(shí)間大約是IO電源電壓恢復(fù)時(shí)間的2倍,。數(shù)據(jù)端D0、D1的重置時(shí)間和CORE-1.8 V的恢復(fù)時(shí)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(chǔ)器內(nèi)核電壓的恢復(fù)時(shí)間比IO電壓的恢復(fù)時(shí)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(shí)間和IO電壓恢復(fù)時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù),，如圖6所示。存儲(chǔ)器內(nèi)核電壓的恢復(fù)時(shí)間和IO電壓的恢復(fù)時(shí)間在不同劑量率下對比在圖7中給出,。

    存儲(chǔ)器和微處理器內(nèi)核電壓的恢復(fù)時(shí)間比IO電壓端恢復(fù)時(shí)間長,，存儲(chǔ)器內(nèi)核電壓恢復(fù)時(shí)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(shí)而導(dǎo)通,、時(shí)而關(guān)斷,，而在此過程中,，電源電壓會(huì)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(shí)間基本一致,，且都與內(nèi)核電源電壓的恢復(fù)時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間大于IO電壓的恢復(fù)時(shí)間,。用戶數(shù)據(jù)的恢復(fù)時(shí)間取決于內(nèi)核電壓的恢復(fù)時(shí)間，內(nèi)核電壓的抗輻射擾動(dòng)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(shí)序要求很精確的電路，需要考慮擾動(dòng)時(shí)間的變化,。研究處于瞬時(shí)劑量率輻射時(shí)電路的擾動(dòng)規(guī)律,，對器件的抗瞬時(shí)劑量率輻射能力評(píng)估有重要意義，同時(shí)也為電路的加固提供了試驗(yàn)依據(jù),。

參考文獻(xiàn)

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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）