2020, Vol. 18
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2. 中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999;
3. 中国科学院 硅器件技术重点实验室，北京 100029
2. Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621999, China;
3. Key Laboratory of Science and Technology on Silicon Device, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
剂量率辐射效应是指瞬时高能射线入射至器件或电路，在其内部电离产生大量电子空穴对的现象，电荷最终被收集形成光电流，进而影响器件和电路的工作状态甚至烧毁[1]。瞬时高能辐射可在数十ns时间内释放出大量的γ射线，由于γ射线的穿透力极强，能穿透各种屏蔽系统诱发设备内的电子器件发生瞬时剂量率效应，导致电子设备失效，并且由于大部分未加固器件存在闩锁问题，一旦发生剂量率诱发闩锁效应，将导致电源电压被箝制在远低于工作电压的电位甚至发生器件烧毁，导致电子系统无法正常工作甚至损坏。用于γ射线瞬时辐射实验的模拟源需要满足瞬时高能辐射的环境要求，主要模拟参数包括能量、脉冲宽度和剂量率[2]。目前国内外常用的测试技术主要包括工作于光子模式的闪光X射线机(FXR)和工作于电子模式的直线加速器(LINAC)。其中，国际上美国生存能力和脆弱性集成中心、波音公司、霍尼韦尔公司等均有类似设备。国内在辐射模拟源领域也有较成熟的技术积累，能够构建指标全面、系统稳定的电子直线加速器，是目前剂量率效应研究的核心设备[3-4]。由于γ射线脉冲设备存在强烈的辐射环境和电磁干扰环境，不能构建精细研究用的测试系统；且每次测试后需要进行设备维护，测试机时有限，无法完全满足抗辐照加固设计预评估和失效分析工作需求[4-5]。本文用1 064 nm激光源开展瞬时剂量率效应模拟测试，对不同工艺节点、不同沟道类型、不同衬底形式的器件进行瞬时剂量率效应研究，分析光电流趋势，指导了器件模型建立和电路仿真工作，为器件抗瞬时剂量率加固设计提供精细化研究手段。
1 激光模拟剂量率效应测试系统 1.1 激光模拟剂量率效应原理剂量率辐射效应机理是γ射线穿透屏蔽层作用于半导体材料并产生能量沉积，从而激发电子-空穴对，在电场作用下电子-空穴对发生分离和迁移，形成瞬态脉冲电流，影响器件正常运行状态，严重时可能造成翻转、闩锁甚至烧毁。1 064 nm激光同样具备一定的穿透能力，当入射激光光子能量大于半导体材料带隙能量时，器件内部发生光电效应，价带电子激发到导带进而形成电子-空穴对，在耗尽区电场作用下被器件收集形成光电流[5-6]。γ射线与激光具有类似的物理过程，都是通过自身的强穿透能力，激发半导体材料电离产生电子-空穴对，最终形成光电流，因此激光模拟测试技术可以作为瞬态剂量率效应的有效研究手段。
光子激发半导体材料产生电子-空穴对原理如图 1所示，半导体材料吸收一个光子，光子的能量用来将电子从价带提升至导带。如果光子的能量超过带隙EG，电子将被提升到导带的一个空的状态上，在价带中留下一个空穴。不同半导体材料的带隙EG不同，常温下硅材料带隙能量为1.12 eV[7]。光子能量计算公式为E=hv，v=c/λ。其中E是光子能量，h是普朗克常量，v是频率，c是光速，λ是波长。计算可得1 064 nm激光光子能量为1.17 eV，略大于硅材料带隙1.12 eV，能够激发硅基半导体产生电子––空穴对，且具有小吸收系数和强穿透能力的特点，因此1 064 nm激光是硅基半导体器件瞬态剂量率效应产生过剩载流子的最佳模拟源。
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| Fig.1 Diagram of photon energy absorption by semiconductor materials 图 1 半导体材料吸收光子能量示意图 |
在激光脉冲模拟瞬时剂量率效应测试技术方面，美国圣地亚实验室在1965年建设了一套1 064 nm/50 ns激光系统用于模拟剂量率效应，俄罗斯特殊电子系统实验室在1996年也建设了一套基于1 064 nm/10 ns激光器的剂量率效应测试系统[8-12]。国内各抗辐照研究单位近些年也开始关注并开展激光模拟剂量率测试技术研究工作，中科院微电子所利用Nd:YAG激光器成功构建了1 064 nm/12 ns瞬态剂量率测试系统，具体系统构架如图 2所示。
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| Fig.2 Architecture of laser simulation test system of dose rate effect 图 2 激光剂量率效应测试系统构架图 |
测试系统采用Nd:YAG固体功率激光器，筛选1 064 nm波长激光作为激励源，激光通过能量调节系统获得最终所需能量，用能量计进行实时监测；调节好能量的激光用二元光学器件对高斯分布激光进行扩束整形，获得所需光斑尺寸均匀光场；激光进一步通过透光孔或者聚焦系统作用在被测器件上，利用1 064 nm波长激光在硅材料的高穿透能力，替代γ射线脉冲对器件进行瞬时剂量率效应测试，器件瞬时电流值变化由高精确度示波器测试；整机由电脑控制软件程控，测试定位均由位移台实现；为了提高测试稳定性，光学部件均放置在隔振台上。
除超快功率激光系统设计外，该平台另一难点在高速小信号采集技术，虽然瞬态剂量率效应被测电路电流可能达数十安培，但分布到单个标准MOS晶体管瞬时电流仅为十nA到百μA级别，系统采用了高精确度示波器、抗干扰射频测试及电磁屏蔽技术、增加信噪比等方法协同提升高速微弱脉冲信号测试能力，最终实现了μA级瞬时电流测试。激光模拟剂量率测试系统参数如表 1所示。
| 表 1 激光模拟剂量率测试系统参数 Table 1 Parameters of laser simulation test system of dose rate effect |
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SOI工艺是在顶层硅与背衬底之间引入埋氧化层，达到全介质隔离效果的工艺。SOI工艺消除了体硅互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)电路中的闩锁效应，具备寄生电容更小、功耗更低的优点，同时有较强的抗辐射能力，是集成电路与器件抗辐射加固设计的重要技术[4, 7]。研究SOI工艺的剂量率效应，探索其在瞬态高能辐射下的失效机理对SOI器件的抗辐射加固设计有重要意义。本文利用1 064 nm激光对不同工艺(SOI/体硅)、不同特征尺寸(0.13/0.35 μm)、不同器件结构(N型金属-氧化物-半导体(N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)/n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管(Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS))下剂量率效应差异性开展研究。由于半导体器件的瞬时辐照响应为瞬时光电流[13-15]，特研制4款专用器件进行剂量率效应光电流测试。器件栅、源和体连接为1个电极，漏极独立为1个电极，同时为避免金属层对激光的反射，器件区域完全裸露。器件版图如图 3所示，具体器件信息见表 2。
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| Fig.3 Layout of device of laser simulation test 图 3 激光瞬态剂量率试验器件版图 |
| 表 2 被测器件信息 Table 2 Information of measured device |
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利用激光剂量率效应模拟实验平台，对上述4款器件进行了模拟试验，获得关态下各器件在不同激光能量辐照的典型光电流曲线，具体波形数据如图 4(a)~4(d)(展示波形为漏极电压0.5 V状态下捕获的光电流曲线)。
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| Fig.4 Typical photocurrent curves of four devices(UDS=0.5 V) 图 4 四款器件典型光电流曲线(UDS=0.5 V) |
SOI工艺下0.13 μm特征尺寸的NMOS器件，在0.5~2 mJ激光能量照射下的光电流波形曲线如图 4(a)所示，光电流峰值范围区间为30~130 μA；同工艺同特征尺寸的PMOS器件光电流波形曲线如图 4(b)所示，光电流峰值范围为50~200 μA，同条件下PMOS器件光电流略大于NMOS器件。由于两器件均为SOI工艺，且PMOS光电流未明显大于NMOS器件，可以忽略可能存在的寄生双极效应，主要考虑NMOS器件P阱多数载流子为空穴、PMOS器件N阱多数载流子为电子，同条件下电子漂移速度是空穴的3倍，单位时间内PMOS器件收集电荷更多，相应的光电流更大。
对比图 4(a)与图 4(c)能够发现，同为NMOS的器件，在相同SOI工艺相同器件尺寸下，不同工艺节点下的光电流峰值也存在明显差异，0.35 μm器件电流峰值超过0.13 μm器件的一倍。由于电极面积近似一致，光电流大的原因可能在于0.35工艺节点下沟道掺杂浓度较淡、耗尽区宽度较宽，准确结论仍需结合仿真及工艺数据来分析。在SOI与Si 2种不同工艺下，特征尺寸同为0.35 μm的NMOS器件，光电流波形形态及峰值差异明显，具体如图 4(c)及图 4(d)所示。Si工艺下光电流峰值超过同能量下SOI工艺10倍以上，光电流脉冲宽度也远大于SOI工艺。其主要原因在于，SOI工艺器件在顶层硅与背衬底之间埋入一层氧化层，常采用源漏电极到底结构；因此相同尺寸下的Si工艺NMOS器件漏极PN结面积远大于SOI工艺器件，耗尽区面积也相应更大；在电极面积一致的情况下，光电流大小与耗尽区面积成正比，同时光电流消失时间也会更长。
2.3 电压对光电流影响实验在上述4款器件的激光模拟剂量率效应测试研究基础上，针对外加偏压对不同器件剂量率效应影响开展了实验研究。从机理角度分析，器件源漏两端施加外在电场会影响空间电荷区的宽度，并改变载流子漂移速率，能够对电子––空穴对行为产生影响，进而导致光电流发生改变。
对在不同激光能量下对器件漏极施加不同电压进行实验，评估各种条件下光电流与漏极电压的关系。图 5(a)~图 5(d)数据曲线表征4款器件漏极电压对光电流的影响趋势。实验结果显示，SOI工艺在不同工艺节点、不同器件结构、不同激光能量下的光电流与漏极电压相关性均很低，曲线在各种条件下斜率几乎表征为0，说明SOI工艺下漏极电压对剂量率效应影响非常有限。相反图 5(d)显示Si工艺下光电流与漏极电压相关性曲线斜率明显，证明漏极电压也是影响体硅器件光电流的因素之一。
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| Fig.5 Correlation curves of drain voltage and photocurrent of four devices 图 5 四款器件漏极电压与光电流相关性曲线 |
瞬时剂量率辐射效应会影响电子系统工作状态，严重时可导致烧毁，是抗辐射加固设计的重点研究领域。本文针对剂量率考核设备无法满足精细化研究需求的问题，从分析γ射线与激光脉冲作用于半导体机理的相似性着手，讨论激光模拟γ射线剂量率效应的可行性，并建立1 064 nm固体激光模拟剂量率辐射效应测试平台。在此测试平台基础上，对4款典型基础器件进行测试，并分析了在不同工艺节点、不同沟道类型、不同衬底形式下光电流的差异性及漏极电压对光电流的影响，为SOI工艺器件和集成电路的剂量率加固设计提供参考和研究手段。本文通过对特征尺寸分别为0.13 μm的SOI工艺器件、0.35 μm的SOI工艺器件和0.35 μm的Si工艺器件在不同激光能量、不同漏源电压下的光电流响应进行分析并得到结论如下：
a) SOI工艺中器件光电流只与激光能量成正比关系，漏源电压影响不大；
b) SOI工艺中同特征尺寸的PMOS器件光电流大于NMOS器件；
c) Si工艺器件光电流与激光能量成正比关系，漏源电压的影响大于SOI器件的影响；
d) 相同工艺节点、相同器件结构的Si工艺器件比SOI工艺器件的光电流大10倍以上。
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