单粒子瞬态脉冲湮灭和电荷共享优化方案

在20世纪80年代，人们认识到，一个带电粒子电离产生的电荷通过扩散过程的作用，影响到的电路内部区域要比一个敏感节点区域面积大，即可以在存储器中观察到多个位同时翻转的现象。尽管如此，但由于体电荷扩散具有相对较长的时间常数，观察到的多位翻转现象仅限于高集成度，且具有电荷积分式（动态）的电路中，诸如DRAM电路、CCD电路及具有阻性负载的SRAM等。但当集成电路制造工艺的节点特征尺寸低于250 nm时，在静态电路中，试验观察到了单个带电粒子的撞击可以同时影响电路中的多个敏感节点，这种现象称为“电荷共享”。Olson等人在商用250 nm工艺制造的CMOS SRAM器件中观察到了这种“电荷共享”现象，Amusan等人在130 nm工艺制造的CMOS锁存器中也观察到了这种“电荷共享”现象。“电荷共享”现象对单粒子瞬态过程有明显的影响，共享过程可能将电离产生的电荷分布在其他任何可能的敏感节点电路处，从而对产生的瞬态脉冲进行调制，直接影响到瞬态脉冲的脉宽。Amusan等人的试验测试也证明了这一点。另外，“电荷共享”过程也可能诱发单粒子瞬态的双脉冲现象，即在同一个数据通道中，主要电荷收集节点产生一个主脉冲后，随后产生来自非临近节点电路电荷延迟收集所形成的次脉冲。“电荷共享”现象形成的单粒子瞬态脉冲变化的重要特征为“湮灭”现象，这种现象于2009年首次在130 nm工艺制造的集成电路被观察到。单粒子瞬态“湮灭”是指受“电荷共享”的影响，当脉冲依此在数据通道中传播时，瞬态脉冲宽度变窄。单粒子瞬态“湮灭”现象仅在一定条件下发生，即当脉冲信号沿某一信号通道传播时，该通道的时间尺度与邻近电路单元的电荷共享时间尺度相近（在130 nm节点工艺之前未观察到该条件）。

图3-19给出了传统数字单粒子瞬态（DSET）产生过程和单粒子瞬态“湮灭”事件发生历程的比较说明。从图中反相器链路结构组成部分可以看出，单粒子瞬态“湮灭”过程存在一种竞态条件，即PMOS门电路控制的瞬态信号和空穴向器件P2的扩散过程之竞争机制；如果单粒子瞬态信号先于扩散收集电荷到达P2，那么P2将会关闭，由于反相器的响应过程，漏极电压改变了状态（从高电平变为低电平），这时候器件P2的漏极易于接纳收集的电荷，随着扩散电荷的延迟到达，P2漏极收集了电荷，其电压状态又一次发生了扰动（从低电平变为高电平），又返回初始状态。因此，对器件P2来说，单粒子撞击事件触发了其漏极状态的两次变化，而在其组成的反相器输出端观察到的却是缩小了电压脉冲宽度的瞬态脉冲，即发生了单粒子瞬态脉冲“湮灭”现象。Ahlbin等人基于65 nm CMOS反相器试验结果的分析，验证了单粒子瞬态脉冲“湮灭”现象的存在。应当说明的是，试验中采用的完全相同的反相器链路是基于两种衬底结构制作而成，一种是所有栅极处于一个共同的阱区，这样一来增强了电荷共享过程的作用，从而更易形成脉冲“湮灭”现象；另一种是每一个栅极处于分离阱区，这样可以减缓电荷共享过程及脉冲“湮灭”现象发生。

图3-19　单粒子瞬态脉冲湮灭描述

（通过两个反相器链的正常SET传播过程（上图），在P1和P2之间，由于存在电荷共享与SET波形传播的耦合，从而引起脉冲湮灭现象（下图））

图3-20给出了在重离子宽束照射的条件下，被测试的集成电路中产生的单粒子瞬态脉冲宽度的分布情况。从图中可以看出，相对于具有分离阱结构的链路来说，具有共阱结构的链路其产生的单粒子瞬态脉冲的数目和平均脉冲宽度都变得比较小，这一点清楚表明了共阱结构的链路存在明显的电荷共享及脉冲“湮灭”过程。单粒子瞬态脉冲的“湮灭”是一种必须重视的现象，这是因为它可以直接影响电路的电性能和时阈的屏蔽功能（脉冲宽度是一个关键的失效参数），并且也影响电路的弹性设计选择。另外，脉冲“湮灭”现象也解释了在100 nm CMOS工艺制作的电路中观察到的单粒子瞬态脉宽与入射重离子能量相关性弱的现象；也对随着特征尺寸不断变小，试验中观察到的DSET率逐渐趋于饱和的现象作出了说明。(https://www.xing528.com)

图3-20　单粒子瞬态“湮灭”现象的试验结果

（测试器件采用65 nm CMOS工艺制作的反相器链）