文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.005
中文引用格式： 劉家齊，趙元富，王亮，等. 65 nm反相器單粒子瞬態(tài)脈寬分布的多峰值現(xiàn)象[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(1)：20-23.
英文引用格式： Liu Jiaqi，Zhao Yuanfu，Wang Liang，et al. The multi-peak phenomenon in 65 nm inverters single event transient pulse width distribution[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：20-23.
0 引言
隨著半導(dǎo)體工藝尺寸減小到納米級，單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient，SET)已經(jīng)成為集成電路軟錯誤的主要來源[1]。器件特征尺寸減小，其節(jié)點電容減小、延時縮短，而單粒子瞬態(tài)脈寬并沒有等比例縮小。在納米工藝下，單粒子瞬態(tài)脈寬已經(jīng)和正常信號寬度在同一量級，導(dǎo)致單粒子瞬態(tài)更容易在電路中無損傳播；而電路運行頻率的提高，使得單粒子瞬態(tài)脈寬與時鐘周期的比值增大，單粒子瞬態(tài)更容易被捕獲產(chǎn)生軟錯誤。因此，納米集成電路中單粒子瞬態(tài)將會越來越嚴重。瞬態(tài)脈沖寬度作為SET的重要特征，決定了SET能否在集成電路中傳播和被捕獲。獲取單粒子瞬態(tài)脈寬特征對分析SET傳播規(guī)律、指導(dǎo)加固設(shè)計有著重要作用。特別是對采用時域濾波方式進行加固的單粒子瞬態(tài)加固方法，根據(jù)單粒子瞬態(tài)脈寬分布特征，制定合理的加固策略，對于加固設(shè)計有著重要的指導(dǎo)作用。因此，對SET脈寬特征及其影響因素的研究成為近年來的熱點[2-4]。
MATTHEW J對90 nm體硅工藝的脈寬測量結(jié)果顯示脈寬分布在高溫條件下呈現(xiàn)出多峰現(xiàn)象[3]，但作者并未注意該現(xiàn)象。直到對65 nm工藝下專門設(shè)計的脈寬檢測電路進行不同條件下的實驗，在實驗分析時首次關(guān)注了瞬態(tài)脈寬分布的多峰現(xiàn)象[5]。在低線性能量傳遞（Linear Energy Transfer，LET）情況下，SET脈寬沒有出現(xiàn)多峰現(xiàn)象；在高LET情況下，瞬態(tài)脈寬分布會呈現(xiàn)多峰分布的現(xiàn)象。因此推測多峰現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在高LET情況下，由于寄生雙極效應(yīng)，粒子攻擊PMOS產(chǎn)生脈寬遠大于粒子攻擊NMOS產(chǎn)生脈寬。反相器作為集成電路最基本的單元之一，其SET瞬態(tài)脈寬分布最具有代表性。本文通過設(shè)計的脈寬檢測電路結(jié)果，詳細對比了反相器多峰現(xiàn)象與LET值、溫度、閾值電壓間的關(guān)系，并通過TCAD仿真分析了其產(chǎn)生的原因，對抗輻射加固設(shè)計提供了指導(dǎo)。
1 實驗詳情
1.1 實驗樣品
設(shè)計的單粒子瞬態(tài)脈寬檢查電路包含靶電路和脈寬檢測單元。靶電路包括5種不同的目標鏈路，為了減小脈沖在傳播過程中展寬，鏈路由邏輯門和較短單元鏈組成。每條鏈路基本單元面積相同，并且基本單元在數(shù)量上占絕大多數(shù)，發(fā)生的單粒子轟擊在基本單元上的概率極大。組成目標鏈的基本單元分別是常規(guī)閾值電壓反相器（INV）、與非門（NAND）、或非門（NOR）、低閾值電壓反相器（INV_LVT），以及PMOS在單獨的N阱中、NMOS同在P襯底的反相器（INV_sw）。脈寬檢測單元的作用在于檢測靶電路發(fā)生單粒子效應(yīng)時輸出的脈沖寬度。脈沖的寬度由脈寬檢測單元中觸發(fā)器的固有延時度量確定，脈寬測試的精度為±28.5 ps。本文主要關(guān)注反相器脈寬的分布。
1.2 實驗設(shè)置
通過重離子加速器獲得單一能量的重離子，重離子垂直測試片轟擊，用到的重離子及其線性能量傳遞（LET）值、能量值分列于表1。測試電路在最低電源電壓1.08 V，室溫、高溫條件下同時開始測量。
2 試驗結(jié)果與討論
典型單元的SET脈寬分布應(yīng)該符合高斯分布[7]，脈寬數(shù)量應(yīng)該只有一個峰值，而試驗結(jié)果中，SET脈寬分布出現(xiàn)多個峰值的現(xiàn)象。如圖1所示，在Kr離子轟擊下，反相器脈寬在199.5~256.5 ps出現(xiàn)了一個峰值，在313.5~370.5 ps出現(xiàn)了第二個峰值，與第一個峰值一起構(gòu)成了雙峰。為了探究多峰現(xiàn)象的成因，比較了多峰現(xiàn)象和LET、溫度、閾值電壓間的關(guān)系，分析了出現(xiàn)多峰現(xiàn)象可能的原因及影響因素。
2.1 多峰現(xiàn)象與LET的關(guān)系
低LET離子（氯離子、鈦離子）轟擊時沒有出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，瞬態(tài)脈寬分布符合高斯分布；高LET離子（鍺離子、氪離子）轟擊時，開始出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。且隨著LET的升高，多峰現(xiàn)象更加明顯，次峰的高度與主峰的高度越來越接近。試驗結(jié)果如圖1所示。
通過分析認為，瞬態(tài)脈寬在低LET時沒有呈現(xiàn)多峰分布，而在高LET時呈現(xiàn)多峰分布可能的原因是在高LET情況下，由于PMOS的寄生雙極效應(yīng)，離子轟擊PMOS產(chǎn)生較寬脈寬。在低LET情況下，離子攻擊PMOS電離的電荷量較少，阱電勢波動較小，PMOS寄生雙極效應(yīng)并不明顯，離子攻擊PMOS產(chǎn)生的瞬態(tài)脈寬與離子攻擊NMOS產(chǎn)生的瞬態(tài)脈寬相差不大，因此脈寬分布符合高斯分布，沒有多峰值現(xiàn)象；而在高LET情況下，離子攻擊PMOS電離產(chǎn)生大量電子空穴對，N阱收集電子使得阱電勢降低，PMOS由于寄生雙極效應(yīng)，產(chǎn)生脈寬較寬的SET，由于離子轟擊PMOS產(chǎn)生的瞬態(tài)脈寬遠大于離子轟擊NMOS產(chǎn)生的瞬態(tài)脈寬，因此在脈寬分布上呈現(xiàn)2個峰值。
2.2 多峰現(xiàn)象與溫度的關(guān)系
選取在鍺離子（Ge）輻照條件下多峰現(xiàn)象隨溫度的變化情況。在高溫情況下，SET數(shù)量和最大脈沖寬度均大于常溫情況，且在高溫情況下，多峰現(xiàn)象更加嚴重，次峰與主峰的比值進一步增大。如圖2所示，在高溫情況下反相器（INV_HT）次峰與主峰的比值比低溫情況下反相器（INV_NT）次峰與主峰的比值增大了1倍以上。表明器件在高溫情況下，器件更容易產(chǎn)生SET，且寬SET增加速度要大于窄SET的增加速度。文獻[5，7]等研究表明，高溫條件下PMOS的寄生雙極效應(yīng)會更加嚴重，使得離子攻擊PMOS更容易產(chǎn)生寬脈沖SET。因此，在高溫情況下，反相器瞬態(tài)脈寬分布的多峰現(xiàn)象更加明顯。
2.3 多峰現(xiàn)象與閾值電壓的關(guān)系
不同閾值電壓下，反相器的多峰現(xiàn)象趨勢一致，差異并不明顯，如圖3所示。不同閾值電壓器件在粒子轟擊下電荷收集情況不同，同時恢復(fù)管的電流也受閾值電壓影響。實測結(jié)果表明，不同閾值電壓對器件的脈寬和多峰現(xiàn)象的影響并不明顯。不同閾值下，器件脈寬分布差別不明顯的原因可能是閾值電壓對器件SET脈寬的影響較小，在測試電路現(xiàn)有的分辨率下無法體現(xiàn)。
3 仿真分析
為了確定脈寬分布呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象的原因，采用TCAD仿真軟件對反相器由NMOS和PMOS產(chǎn)生的SET進行仿真分析。將反相器中的PMOS和NMOS分別建立3D模型，采用混合模式仿真的形式，對不同LET及溫度情況下，NMOS和PMOS在重離子攻擊下的電荷收集和脈沖寬度進行仿真，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4為NMOS受重離子攻擊下的瞬態(tài)脈沖，圖5為PMOS受重離子攻擊下的瞬態(tài)脈沖。
由圖4(a)、圖4(b)與圖5(a)、圖5(b)對比可知，在高LET情況下，離子攻擊NMOS產(chǎn)生的SET脈寬仍在200 ps左右，但是離子攻擊PMOS產(chǎn)生的SET脈寬則是在400 ps左右。由圖4(c)、圖4(d)與圖5(c)、圖5(d)對比可知，在低LET情況下，離子攻擊NMOS產(chǎn)生的SET脈寬與離子攻擊PMOS產(chǎn)生的SET脈寬均在200 ps左右，且離子攻擊PMOS與NMOS產(chǎn)生的SET脈寬相差不大。
由圖4、圖5對比可知，在低LET情況下，離子攻擊PMOS產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖寬度與離子攻擊NMOS產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖寬相差不大，因此脈寬分布表現(xiàn)為一個峰值。在高LET情況下，離子攻擊PMOS產(chǎn)生的SET寬度明顯大于粒子攻擊NMOS產(chǎn)生的SET寬度，因此脈寬分布表現(xiàn)為兩個不同的峰值。由此可確認SET脈寬分布的多峰現(xiàn)象是由PMOS在高LET離子攻擊下產(chǎn)生較寬脈寬的SET引起。高溫下離子攻擊產(chǎn)生的SET脈寬略有增加，但是增加幅度并不明顯。因此高溫情況下瞬態(tài)脈寬分布的多峰現(xiàn)象更加明顯的原因是：高溫情況下，PMOS寄生雙極效應(yīng)會更加嚴重，使得離子攻擊產(chǎn)生寬脈寬SET的概率增加。
4 結(jié)論
本文針對65 nm體硅CMOS工藝下反相器單粒子瞬態(tài)脈寬分布形態(tài)的多峰現(xiàn)象，創(chuàng)新性地通過試驗數(shù)據(jù)的分布統(tǒng)計特征分析了其原因，并采用TCAD仿真進行驗證，為抗輻射加固設(shè)計提供了指導(dǎo)。分析了多峰現(xiàn)象和LET、溫度、閾值電壓的關(guān)系。通過TCAD仿真確認單粒子瞬態(tài)脈寬分布呈現(xiàn)多峰形態(tài)的主要原因是由于PMOS的寄生雙極效應(yīng)，在高LET離子攻擊下產(chǎn)生寬瞬態(tài)脈沖。由于高溫情況會加劇PMOS的寄生雙極效應(yīng)，因此在高溫條件下，脈寬分布的多峰現(xiàn)象更加明顯。因此在抗輻射加固設(shè)計時，需要注意PMOS在高LET下寄生雙極效應(yīng)產(chǎn)生寬脈寬的瞬態(tài)脈沖，對PMOS進行針對性的加固。
參考文獻
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作者信息:
劉家齊1，趙元富1，2，王 亮1，鄭宏超1，舒 磊2，李同德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）