0 引言

    当半导体器件应用于核爆炸环境时，器件面临高能量的瞬时剂量率辐射，会造成电路暂时或永久失效^[1]。1958年，Bell实验室的系统工程师ROGER S C在一次地面核试验中测试到单个二极管和晶体管的瞬时响应数据。1963年，ROGERS S C和WIRTH J L共同提出瞬时剂量率辐射能够在半导体器件中产生电子空穴对，进而产生光电流，影响电学特性^[2]。电子元器件瞬时剂量率辐射研究由此开始。随着半导体制造技术的进步，集成电路的集成度越来越高、规模越来越大、功能越来越复杂，使其瞬时剂量率辐射效应的规律变得更加复杂。超大规模集成电路的瞬时剂量率辐射效应也是当前国内外研究的重点^[3-6]。

    为同时满足先进工艺下集成电路的低功耗和不同集成电路之间信号电平的兼容，当前超大规模集成电路多采用多电压技术，拥有至少1个内核电压和至少1个输入输出(IO)电压。如本文研究的0.18 μm SRAM电路，内核正常工作电压为1.8 V，而IO正常工作电压为3.3 V。对于多电压集成电路，瞬时剂量率辐射效应对不同电压域内电路的影响程度如何、对哪个电压影响更大（即需要更长恢复时间），目前还没有公开发表的研究结果。

    本文针对0.18 μm SRAM和处理器电路进行了不同剂量率下的瞬时剂量率辐射试验，获得了电路的瞬时剂量率辐射效应特性。重点研究和对比了电路中内核电压和IO电压恢复时间，并进行了相关机理分析。

1 试验方法

1.1 试验样品

    试验样品采用一款超深亚微米静态随机存储器，最小沟道长度是0.18 μm，电源电压是1.8 V和3.3 V，其中1.8 V是存储器的内核电压，3.3 V为外围电路电压。

1.2 辐射源

    瞬时γ剂量率试验在西北核技术研究所“强光一号”上进行，“强光一号”可模拟核爆炸形成的多种脉冲辐射环境。为获得足够高的剂量率，需要将试验样品盒抵近靶面，每一次轰击所能确定的剂量率有一个较宽的分布，如图1所示。图中每个位置均由厚约50 mm的铝制样品盒组成。位置1的剂量率的范围大约在2～5×10¹¹ rad(Si)/s，依次降低，后一位置剂量率大约为前一位置的1/2，图中标出了试验中3个样品位置的剂量率范围。试验中，根据需要的剂量率大小，安排多样品同时轰击的方式，只需将试验样品盒放置于某一位置即可得到相应的试验剂量率。

    本次试验采用窄脉冲γ类型，其技术指标如表1所示。

    每一只被辐射样品与其测量辅助系统均分别固定在铝屏蔽盒中，辅助测量系统采用铅砖正面进行遮挡。采用LiF(Mg，Ti)-M型热释光剂量计测试每一次轰击后样品接收到的总剂量D，再根据示波器记录PIN半导体探测器或闪烁体探测器监测到的瞬时γ射线脉冲时间有效宽度，可计算出每一炮各位置的剂量率

1.3 试验系统

    存储器瞬态剂量率试验测试板逻辑结构如图2所示。测试板主要由FPGA、Flash、SDRAM、JTAG、串口、电源模块等组成。Flash存储器用于存储FPGA配置程序和用户应用程序，SDRAM用于内存使用，JTAG用于调试和下载程序，RS485串口用来传输信息，电源模块用于供电。检测信号通过同轴电缆连接到监测室示波器上，轰击前示波器检测并记录每个信号的“零前”状态，在每炮轰击时，同步检测记录“零时”信号的变化。“零时”信号的变化幅度和恢复时间可用于判断该器件对瞬时辐射的响应。

    轰击试验前，写入测试图形码；瞬态试验过程中监测电源端和存储器数据端输出瞬态波形。

    系统中的待测的信号有VDD1、VDD2、D0和D1。其中，VDD1是1.8 V内核电源，VDD2是3.3 V-IO电源，D0是固定高数据端，D1是固定低数据端。

2 试验结果

    在“强光一号”装置上共进行了3次不同剂量率的试验，每次瞬时剂量率产生的脉宽在20 ns～30 ns之间，3次试验的剂量率分别是：6.1×10⁹ rad(Si)/s、6.2×10¹⁰ rad(Si)/s和4.9×10¹¹ rad(Si)/s。试验结果表明，器件在3种剂量率γ脉冲辐射下都发生了瞬时扰动，没有发生锁定现象，这与该款SRAM电路采用了抗锁定的版图技术有关。

    图3是4个待测信号随剂量率变化的波形。从图中可以看到，在γ脉冲辐射之后电路出现了很大的扰动。数据端D0、D1均出现了数据丢失的情况，可能是内核电压在瞬时辐射之后被拉低到电路不能正常工作所致。

    随着剂量率的增大，内核和IO电压波形恢复时间也增大，如图4所示。辐射使器件产生电子-空穴对，电子可能被俘获在导带的特定能级，这些电子将随着陷阱特性时间常数而衰减，被俘获的电子数量与辐射总剂量成比例。在脉宽相同的情况下，辐射剂量率越大，辐射总剂量也越大，被俘获的电子数量就越多，从而使器件受辐射后产生的响应脉冲宽度越大。

    在零时刻之后，示波器所采集到的在γ脉冲辐射下存储器电源端口和数据端口的信号变化如图5所示（剂量率是6.1×10⁹ rad(Si)/s）。从图中可以看到，由于高剂量率γ射线的辐射，导致了4个待测信号均出现了不同程度的扰动。CORE-1.8 V信号端的恢复时间是9 μs，而IO-3.3 V信号端的恢复时间是4 μs，内核电源电压的恢复时间大约是IO电源电压恢复时间的2倍。数据端D0、D1的重置时间和CORE-1.8 V的恢复时间依次是9.5 μs、11 μs、9 μs。

3 结果分析

    前面的试验结果已经发现存储器内核电压的恢复时间比IO电压的恢复时间长。为了确认这一结果，对一款基于SPARC-V8架构的处理器做了γ射线的辐射试验，试验剂量率为1.7×10¹⁰ rad(Si)/s。得出了其内核电压恢复时间和IO电压恢复时间相关数据，如图6所示。存储器内核电压的恢复时间和IO电压的恢复时间在不同剂量率下对比在图7中给出。

    存储器和微处理器内核电压的恢复时间比IO电压端恢复时间长，存储器内核电压恢复时间大约是IO电压的2倍。可能的原因是IO电路相对简单、路径较少，在IO电源电压恢复正常后，IO电路也很快建立固定状态，过程相对简单；而内核电路较IO电路规模大，功能也更复杂，因此恢复过程更为缓慢。在内核电路恢复功能的过程中，电路内部节点逐渐建立状态，由电源到地的众多通路在复杂的内部节点状态建立过程中时而导通、时而关断，而在此过程中，电源电压会受到内部节点状态的变化影响，而电源电压也反过来影响内部节点状态的建立过程，这种互相纠缠的复杂过程，使内核电压和内核电路的恢复过程较IO慢很多。这一机理还有待进一步的仿真研究和试验验证。

    另外值得注意的试验结果是数据端D0和D1的恢复时间基本一致，且都与内核电源电压的恢复时间接近，即只要内核电路供电情况恢复正常，数据端也随即恢复。这个现象也在一定程度上表明内核电压和内核电路在互相纠缠后，最后几乎同步到达稳定状态。

4 结论

    本文对0.18 μm工艺的SRAM器件开展了不同剂量率下的瞬时剂量率辐射试验研究，获得了一款多电压供电的SRAM电路在瞬时辐射条件下的电路响应结果。试验证明，处于一定剂量率γ射线照射的SRAM电路和微处理器的内核电压恢复时间大于IO电压的恢复时间。用户数据的恢复时间取决于内核电压的恢复时间，内核电压的抗辐射扰动能力直接影响电路功能。不同剂量率的γ射线辐射，在一定剂量率的范围内，随着辐射剂量率的增大，器件的辐射响应脉冲宽度越大，对时序要求很精确的电路，需要考虑扰动时间的变化。研究处于瞬时剂量率辐射时电路的扰动规律，对器件的抗瞬时剂量率辐射能力评估有重要意义，同时也为电路的加固提供了试验依据。

参考文献

[1] MARSHALL R W.Microelectronic devices for application in transient nuclear radiation environments[J].IEEE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics，1963，technical_paper：1.4.1-1-1.4.1-6.

[2] WIRTH J L，ROGERS S C.The transient response of transistor and diodes to ionizing radiation[J].IEEE Nucl Sci，1964，11(5)：126-130.

[3] 杜川华，许献国，赵海霖，等.可编程器件的瞬时电离辐射效应及加固技术研究[J].核电子学与探测技术，2014，34(3)：369-374.

[4] NIKIFOROV A Y，CHUMAKOV A I，SKOROBOGATOV P K，et al.CMOS IC transient radiation effects investigations，model verification and parameter extraction with the test structure laser simulation tests[C].Proc IEEE Int Conf Microelec Test Struc，1996：253-258.

[5] MASSENGILL L W，DIEHL S E，BROWNING J S，et al.Dose rate upset patterns in a 16k CMOS SRAM[J].IEEE Trans Nucl Sci，1986，33(6)：1541-1545.

[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，赵元富1，2，王  亮1，郑宏超1，舒  磊2，刘家齐1，于春青1

（1.北京微电子技术研究所，北京100076；2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨150001）