传播过程中的脉冲加宽特性优化方案

在单粒子瞬态测试试验中，针对大部分的测试结构和电路，认为单粒子瞬态脉冲在相通单元组成的链路结构中传播时，其宽度将会保持不变，或者按最严重影响程度考虑，即在节点电容非常大的情况下，也认为只产生部分的电荷吸收，在这种假设条件的驱动，试验测试中为了增加对单粒子瞬态俘获的敏感性，即提高可能获得的测试截面大小，在一些测试电路设计中均采用了相通单元组成的长链结构方式，如反相器电路等。但实际情况是，在某些条件和状态下，这种假设条件不成立，相关试验测试也证明了这种假设的不真实性。在脉冲激光和重离子照射条件下，人们针对相通单元组成的长链结构进行了相关试验测试，试验测试发现了传播诱导脉冲加宽（Propagation-Induced Pulse Broadening，PIPB）的现象。举例来说，参考资料［41］中报道了试验测试观察到了这样一种现象，当利用脉冲激光在测试试验器件中产生一个单粒子瞬态脉冲（SET）时，该脉冲在一个相通单元组成的长链结构中传播时，瞬态脉冲的宽度从激光入射节点处的小于200 ps，逐渐增大到纳秒尺度的范围内。试验测试中采用了脉冲激光单粒子效应模拟试验方法，利用脉冲激光可以精确地对敏感位置进行定位测试试验，在图3-16中给出了试验定位与相关SET脉冲加宽的试验测试结果。试验中，采用脉冲激光的能量为55 pJ，针对设计的相通单元组成的长链测试结构，进行了试验测试，激光在四个不同位置处进行照射，当激光产生的SET经过少数几个反相器传播后，在反相器链的输出端测定的瞬态脉冲电压比较窄，但是当SET经过越来越多的反相器（图3-16中位置3、2、1）传播后，反相器链的输出端测定的瞬态脉冲电压也逐渐变宽。传播过程的PIPB效应，或者脉冲延展现象，在SOI工艺制作的电子器件和集成电路中表现最为明显，同时也在体硅工艺制造的电子器件和集成电路有所展现。相关试验测试表明，具有“浮体效应”特征的工艺和设计对PIPB效应特别敏感，测试获得的瞬态脉冲电压展宽可以从每个门电路的几个皮秒到55皮秒之间。

图3-16　试验定位与相关SET脉冲加宽的试验测试结果

（a）激光照射反相器链的四个不同位置示意图；
（b）不同位置处反相器链输出端输出的瞬态电压脉冲

基于对试验测试电路结构的分析，结合晶体管电压偏置适时随时间的变化来看，可以认为PIPB效应主要是由内部浮体所处节点之充电和放电诱发的延迟过程所引起。由于晶体管开关时间与载流子的碰撞电离、温度及复合等过程相关，所以与晶体管的开关时间相比，这些内部浮体所处节点的充放电时间常数变得相对较慢，晶体管偏置慢变的这种时间变化特性导致了门电路之间的晶体管阈值电压存在微小差别，亦即在一段时间内处于准静态的晶体管的开启点发生了变化。当存在这种情况时，SET在传播过程中就被相应的门电路进行了调制，SET信号可能会被延展或者衰减。反过来看，如果一个电路链工作在高频状态下，那么晶体管体电位的典型充放电时间常数比时钟周期要大，这时在所有器件上，晶体管阈值电压将会稳定在一个中间值状态，SET传播过程中的展宽现象将会缓解。在相关试验研究中，针对测试电路，测试了SET传播过程中的PIPB现象与器件工作频率之间的相关性。图3-17具体给出了在不同电源电压条件下，脉冲延展现象与输入脉冲频率的变化关系。从图中可以看出，当器件工作在低频状态下，在SET传播开始前晶体管体电位处于准静态偏置状态时，SET传播过程中的PIPB现象最为严重。当晶体管体处于动态浮体状态时，影响晶体管阈值电压大小的其他相关参数，诸如电源电压、体（阱）区掺杂浓度也变得比较重要起来，这些参数将对SET传播过程中的展宽现象有所影响。例如，当电源电压降低时，SET传播过程中脉冲展宽现象变得比较明显；而体（阱）区掺杂浓度变得比较高时，SET传播过程中脉冲展宽现象也变得比较严重。

在重离子照射（Xe，60 MeV·cm2/mg）条件下，针对利用各种逻辑电路构建的复合链路结构，测试了单粒子瞬态发生的横截面大小及传播诱导脉宽加宽变化率（展宽率），试验中测量了横截面大小及传播诱导脉宽加宽变化率随传播时间的变化情况，传播时间与输出端电容大小成正比例。试验测试结果如图3-18所示。试验测试采用的综合链路结构用三种类型的门电路所构成，分别为反相器、带有输出电容的反相器及NOR电路。

图3-17　脉冲延展现象与电源电压和输入脉冲频率的相关性

图3-18　几种电路SET横截面和PIPB展宽率随电路传播时间的变化情况(www.xing528.com)

（Xe，60 MeV·cm2/mg）

试验发现，当节点电容增大，即传播时间延长时，测量所得的横截面变小，很明显，当节点电容增大时，在重离子撞击节点产生的单粒子瞬态脉冲更容易被过滤掉。尽管如此，一旦单粒子瞬态在电路中形成，在三种类型的电路链结构中，传播诱导脉宽加宽变化率基本相同，大约为3 ps/gate，脉宽加宽现象并不十分明显。但对NAND电路而言，其单粒子瞬态脉冲的响应和前述三种电路不同，其SET横截面大小比反相器电路的小，也就是说，NAND电路的节点电容要比前述三种电路的节点电容大，虽然这样，但由于NAND电路中，处于导通状态的NMOS晶体管将其栅极与地相连接，当单粒子瞬态脉冲在传播时，导通状态晶体管如同一个附加电阻一样，使得加在NAND电路上的有效电压降低，因此，NAND电路中的PIPB现象比其他电路更为重要，图3-18中的相关测试结果也说明了这一点。

这里应当说明的是所有测试电路链路结构采用130 nm的SOI工艺制作，栅长度为130 nm的晶体管采用体接触方式，NMOS管的宽度为0.3 μm，PMOS管的宽度为0.6 μm。