0 引言

    當半導體器件應用于核爆炸環境時，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實驗室的系統工程師ROGER S C在一次地面核試驗中測試到單個二極管和晶體管的瞬時響應數據。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體器件中產生電子空穴對，進而產生光電流，影響電學特性^[2]。電子元器件瞬時劑量率輻射研究由此開始。隨著半導體制造技術的進步，集成電路的集成度越來越高、規模越來越大、功能越來越復雜，使其瞬時劑量率輻射效應的規律變得更加復雜。超大規模集成電路的瞬時劑量率輻射效應也是當前國內外研究的重點^[3-6]。

    為同時滿足先進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，當前超大規模集成電路多采用多電壓技術，擁有至少1個內核電壓和至少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對不同電壓域內電路的影響程度如何、對哪個電壓影響更大（即需要更長恢復時間），目前還沒有公開發表的研究結果。

    本文針對0.18 μm SRAM和處理器電路進行了不同劑量率下的瞬時劑量率輻射試驗，獲得了電路的瞬時劑量率輻射效應特性。重點研究和對比了電路中內核電壓和IO電壓恢復時間，并進行了相關機理分析。

1 試驗方法

1.1 試驗樣品

    試驗樣品采用一款超深亞微米靜態隨機存儲器，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劑量率試驗在西北核技術研究所“強光一號”上進行，“強光一號”可模擬核爆炸形成的多種脈沖輻射環境。為獲得足夠高的劑量率，需要將試驗樣品盒抵近靶面，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，圖中標出了試驗中3個樣品位置的劑量率范圍。試驗中，根據需要的劑量率大小，安排多樣品同時轟擊的方式，只需將試驗樣品盒放置于某一位置即可得到相應的試驗劑量率。

    本次試驗采用窄脈沖γ類型，其技術指標如表1所示。

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

1.3 試驗系統

    存儲器瞬態劑量率試驗測試板邏輯結構如圖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配置程序和用戶應用程序，SDRAM用于內存使用，JTAG用于調試和下載程序，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，在每炮轟擊時，同步檢測記錄“零時”信號的變化。“零時”信號的變化幅度和恢復時間可用于判斷該器件對瞬時輻射的響應。

    轟擊試驗前，寫入測試圖形碼；瞬態試驗過程中監測電源端和存儲器數據端輸出瞬態波形。

    系統中的待測的信號有VDD1、VDD2、D0和D1。其中，VDD1是1.8 V內核電源，VDD2是3.3 V-IO電源，D0是固定高數據端，D1是固定低數據端。

2 試驗結果

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

    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了很大的擾動。數據端D0、D1均出現了數據丟失的情況，可能是內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，內核和IO電壓波形恢復時間也增大，如圖4所示。輻射使器件產生電子-空穴對，電子可能被俘獲在導帶的特定能級，這些電子將隨著陷阱特性時間常數而衰減，被俘獲的電子數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，被俘獲的電子數量就越多，從而使器件受輻射后產生的響應脈沖寬度越大。

    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據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，導致了4個待測信號均出現了不同程度的擾動。CORE-1.8 V信號端的恢復時間是9 μs，而IO-3.3 V信號端的恢復時間是4 μs，內核電源電壓的恢復時間大約是IO電源電壓恢復時間的2倍。數據端D0、D1的重置時間和CORE-1.8 V的恢復時間依次是9.5 μs、11 μs、9 μs。

3 結果分析

    前面的試驗結果已經發現存儲器內核電壓的恢復時間比IO電壓的恢復時間長。為了確認這一結果，對一款基于SPARC-V8架構的處理器做了γ射線的輻射試驗，試驗劑量率為1.7×10¹⁰ rad(Si)/s。得出了其內核電壓恢復時間和IO電壓恢復時間相關數據，如圖6所示。存儲器內核電壓的恢復時間和IO電壓的恢復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核電壓的恢復時間比IO電壓端恢復時間長，存儲器內核電壓恢復時間大約是IO電壓的2倍。可能的原因是IO電路相對簡單、路徑較少，在IO電源電壓恢復正常后，IO電路也很快建立固定狀態，過程相對簡單；而內核電路較IO電路規模大，功能也更復雜，因此恢復過程更為緩慢。在內核電路恢復功能的過程中，電路內部節點逐漸建立狀態，由電源到地的眾多通路在復雜的內部節點狀態建立過程中時而導通、時而關斷，而在此過程中，電源電壓會受到內部節點狀態的變化影響，而電源電壓也反過來影響內部節點狀態的建立過程，這種互相糾纏的復雜過程，使內核電壓和內核電路的恢復過程較IO慢很多。這一機理還有待進一步的仿真研究和試驗驗證。

    另外值得注意的試驗結果是數據端D0和D1的恢復時間基本一致，且都與內核電源電壓的恢復時間接近，即只要內核電路供電情況恢復正常，數據端也隨即恢復。這個現象也在一定程度上表明內核電壓和內核電路在互相糾纏后，最后幾乎同步到達穩定狀態。

4 結論

    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結果。試驗證明，處于一定劑量率γ射線照射的SRAM電路和微處理器的內核電壓恢復時間大于IO電壓的恢復時間。用戶數據的恢復時間取決于內核電壓的恢復時間，內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，隨著輻射劑量率的增大，器件的輻射響應脈沖寬度越大，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依據。

參考文獻

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[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.北京微電子技術研究所，北京100076；2.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱150001）