总电离剂量对40 nm CMOS环形振荡器中随机电报噪声影响的统计分析

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Statistical Analysis of Total Ionizing Dose Effects on Random Telegraph Noise in 40 nm CMOS Ring Oscillators

　　

尽管高k金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的辐射容限有了显著改善，但日益增长的需求要求对电子设备在高总电离剂量(TID)下的可靠性进行分析。本文通过观察全差分环形振荡器(ROSC)结构在TID暴露前后的频率特性，对40 nm CMOS技术中的噪声进行了统计分析。研究人员将随机电报噪声(RTN)引起的频率波动与其他噪声源（主要是1/f噪声和热噪声）区分开来。电路暴露于X射线，并在多个辐射剂量下进行测量，最大TID达到100 Mrad(SiO₂)。结果显示平均频率、抖动和RTN发生统计量。

论文解读文章

研究背景：随着半导体器件向纳米尺度推进，高k金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的辐射容限虽有所改善，但高总电离剂量（TID）环境下电子系统的可靠性分析仍面临紧迫需求。MOSFET的栅介质对辐射损伤敏感，氧化物陷阱电荷和辐射诱导的界面陷阱会导致阈值电压（V_th）漂移，并加剧低频噪声。随机电报噪声（RTN）归因于栅氧化物和氧化物-沟道界面处的电荷俘获与去俘获机制，在纳米尺度工艺节点中，RTN发生频率更高、幅度更大，成为精密电路设计的关键挑战。现有研究多聚焦于单器件或特定技术节点（如3D NAND、FinFETs、先进平面CMOS），但缺乏跨器件、跨偏置条件的系统性统计研究。特别是，对TID下CMOS沟道RTN的统计追踪，包括其激活、失活和持续特性，仍存在空白。为此，研究人员提出了一种片上统计方法，通过追踪40 nm CMOS工艺中环形振荡器阵列的频率波动，分类辐射下RTN中心的三种状态（新激活、失活、持续），以期揭示陷阱动态机制。

研究人员使用40 nm体CMOS工艺设计了一个包含128个相同全差分环形振荡器（ROSC）的阵列，每个ROSC由五级延迟单元组成，采用最小尺寸晶体管（宽长比W/L=120/40 nm）。电路暴露于X射线，在七个TID步进下（从100 krad(SiO₂)至100 Mrad(SiO₂)）进行中间测量，并最终在100 Mrad(SiO₂)后完成全面表征。监测组包含72个ROSC（来自三个芯片，每芯片24个），其中一半预TID即可观测到RTN，另一半无RTN。测量在室温、电源电压600–800 mV（50 mV步进）下进行，记录每个ROSC的瞬态频率f(t)并计算周期到周期抖动和RTN幅度。研究还测量了同一晶圆上未辐照单MOSFET的直流特性和噪声，以对比RTN幅度。结果表明，该方法能有效区分RTN与其他噪声源，并统计陷阱状态转变。论文发表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》。

主要关键技术方法：研究人员采用Seifert辐照柜（钨靶X射线管，0.3 mm铍窗和0.1 mm铝滤光片，峰值能量10–20 keV，剂量率5 Mrad(SiO₂)/h，通过CERN校准的反向偏置p-i-n二极管AXUVHS5进行剂量率调整）进行TID辐照。测试芯片SIRENS40包含128个五级差分反相器ROSC，每个延迟级采用最小尺寸晶体管（120 nm/40 nm），并带有斜率限制MOS电容。测量系统包括4 GHz示波器（20 GS/s采样率）和FPGA控制器，记录f(t)并计算均方根抖动和RTN幅度。样本队列来自三个不同芯片，每个芯片包含24个ROSC的监测组（共72个），以及全芯片128个ROSC的单芯片验证。单晶体管（n/p沟道，最小尺寸）来自同一晶圆，用于未辐照下的直流和噪声测量。

研究结果：
A. Jitter-Rms and Frequency Characteristics：通过测量不同电源电压（600–800 mV）下ROSC的平均频率和归一化抖动随TID的演变，发现频率先增加（归因于n-MOSFET阈值电压因辐射诱导正电荷俘获而下降），在约5 Mrad(SiO₂)后下降（因p-MOSFET阈值电压持续增加、n-MOSFET阈值反弹、泄漏电流增大及迁移率退化）。抖动在TID达10–100 Mrad(SiO₂)前先减小，随后增加。同时，多路复用器路径在TID下出现占空比退化，导致部分ROSC失效（在100 Mrad(SiO₂)且700 mV时，128个ROSC中有20个失效）。
B. RTN Case Study：通过对一个典型ROSC的f(t)时序图、功率谱密度和直方图分析，展示了RTN信号的双高斯分布特征。该ROSC在预TID时呈现单一RTN中心，在TID步进中该中心先持续存在（至10 Mrad(SiO₂)），后在50 Mrad(SiO₂)时失活，又在100 Mrad(SiO₂)时重新出现且特征时间常数（τ_c和τ_e）变长，表明可能为不同中心或同一中心的状态变化。
C. RTN Statistics After TID：基于72个ROSC监测组的RTN发生图和过渡图（图5、图6），统计发现RTN检测概率在TID达5 Mrad(SiO₂)时达到峰值（约50%），随后下降，但整体随剂量变化不大。个体RTN中心频繁激活或失活，呈现对称性。RTN幅度范围在600 mV下为0.6%–55%，在700 mV下为0.4%–44%，且归一化抖动与RTN幅度相关。全芯片单芯片验证（108个存活ROSC，700 mV）显示，预TID时77个有RTN，100 Mrad(SiO₂)后74个有RTN，但过渡图显示50%的ROSC维持RTN状态，约20%新激活，20%失活，仅10%始终无RTN。
D. Single MOSFET Characterization：未辐照单MOSFET（n/p沟道，最小尺寸）的直流特性显示较大器件间差异（V_th均值530 mV（n型）和537 mV（p型），标准差4.1%–6.2%）。噪声测量提取的RTN幅度不超过2%，远小于ROSC中观测到的幅度（可达55%），表明ROSC的差分反相器亚稳态相位和低电源电压显著增强了RTN可观性。

总结讨论部分：讨论指出RTN可观性受限于幅度与抖动可比性、特征时间常数与系统带宽的匹配，以及采集窗口长度。统计结果揭示，TID下RTN行为复杂，存在激活、失活和持续三种状态，且RTN活性在阵列中重新分布而非累积损伤。这归因于TID引起的内部电场变化和陷阱能级漂移，而非单纯的新陷阱生成。研究同时指出，40 nm节点在高TID下ROSC失效增多，辐射容限低于28 nm和65 nm工艺，但在数Mrad水平仍保持稳健，适用于辐射容限应用。

翻译研究结论部分：本研究利用片上五级环形振荡器(ROSC)阵列，对40 nm工艺下总电离剂量(TID)应力对CMOS沟道随机电报噪声(RTN)进行了统计研究。该方法能够精确追踪最小尺寸晶体管的延迟波动，揭示了1%至20%的RTN引起的偏移，并发现了三种关键的陷阱行为：激活陷阱（由辐射诱导的缺陷在SiO₂-Si界面和浅沟槽隔离(STI)转角附近形成）、失活陷阱（预先存在的陷阱因氧化物电荷积累被推出载流子交换窗口）以及持续陷阱（在宽偏压范围内保持活跃）。即使在弱反型下RTN仍可见，且随剂量步进的对称激活/失活模式表明陷阱能级动态重新分布而非累积损伤。随着TID增至100 Mrad(SiO₂)，新RTN中心出现和旧中心消失以相似概率发生，凸显了该现象的随机性。高剂量下失效ROSC数量增加，表明40 nm节点在低电压操作下辐射容限低于其他先进工艺（如28 nm和65 nm）。尽管如此，该技术仍能稳健运行至数Mrad，适用于许多辐射容限应用。总体而言，所开发的统计方法为研究电离应力下RTN演变提供了一种可扩展且精细的方法。