【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 roblem is carried out in this paper. First, the result of a survey for satellites failure is described and radiation environment of space is introduced. Next, the mechanism and various factors which influence the incidence of multiplebit upset are discussed in detail. Later, single and double MOS transistor models are made by Sentaurus TCAD and simulation experiments are conducted on bipolar amplification effect and diffusion effect which are the reasons for causing multiplebit upset. Finally, according to the idea of “mechanismmodelinghardening”, a discussion on multiplebit upset hardening is presented in detail and an effective hardening measurement is proposed. Keywords: single event effect。 multiplebit upset。 Sentaurus TCAD。 130 nm transistor 湘潭大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 1 緒 論 論文研究背景 據(jù)美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心 (National Geophysical Data Center， NGDC)統(tǒng)計(jì)，自 1971 年至 1986 年間，美國(guó)發(fā)射的 39 顆同步衛(wèi)星，發(fā)生的故障共 1589 次，其中由于各種輻射效應(yīng)引起的故 障達(dá) l129 次，占故障總數(shù)的 71 %，如圖 1(a)所示。中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)研究院的統(tǒng)計(jì)了我國(guó) 6 顆同步衛(wèi)星中的故障原因，如圖 1(b)所示，空間輻射環(huán)境引起的故障在總故障中的比例也達(dá)到了 40 %。這些數(shù)據(jù)表明輻射效應(yīng)是航天器發(fā)生故障的主要原因，是航天應(yīng)用集成電路中需要解決的主要問(wèn)題 [1]。 圖 1 (a)美國(guó)發(fā)射的同步衛(wèi)星故障統(tǒng)計(jì)圖 (總次數(shù)為 1589次 )； (b)我國(guó) 6顆同步衛(wèi)星故障統(tǒng)計(jì)圖 (總次數(shù)為 30 次 ) 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，器件尺寸減小、芯片集成度提高、翻轉(zhuǎn)閾值降低將導(dǎo)致多位翻轉(zhuǎn)在單粒子翻轉(zhuǎn)中的比例進(jìn)一步 增大 [2]。 Giot 等人就 65 nm 存儲(chǔ)器進(jìn)行了單粒子效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)在 65 nm 尺寸多位翻轉(zhuǎn)成為主要的單粒子效應(yīng) [3](如圖 2 所示 )。雖然三模冗余 (TMR)、糾錯(cuò)碼和擦洗等技術(shù)能有效降低單位翻轉(zhuǎn)的影響，但并不能有效地消除多位翻轉(zhuǎn)的影響。早在 1988 年，就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了由于電荷橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的多位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象 [4]。 Calin 等對(duì) HIT 單元進(jìn)行了激光模擬試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)得出的翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)域，推斷由于擴(kuò)散引起的電荷共享導(dǎo)致加固單元翻轉(zhuǎn) [5]。 Olson 等發(fā)現(xiàn)由于MOS 器件體電勢(shì)擾動(dòng)誘導(dǎo)的雙極效應(yīng)也會(huì)引起電荷共享，并討論了阱 接觸電阻對(duì)電荷共享的影響 [6]。 Amusan 等討論了雙阱工藝下距離、 LET 以及晶體管類型對(duì)電荷共享的影響 [7]。 Gasiot 和 Giot 也分別通過(guò)器件模擬研究了 SRAM 中 MBU 敏感性與襯底摻雜輪廓、阱接觸位置等因素之間的關(guān)系 [8]。電荷共享引起單粒子多位翻轉(zhuǎn)湘潭大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 (MBU)，但是電荷共享引起加固單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)的機(jī)制尚不明確，并且尚還沒(méi)有文獻(xiàn)深入討論電荷共享的加固方法，本文基于此開(kāi)展了一系列的單粒子多位翻轉(zhuǎn)機(jī)制的探討和一些加固措施的研究。 圖 2 SBU 和 MBU 在 90 nm 和 65 nm 的 SRAM 單粒子翻轉(zhuǎn)所占的比例 圖 單粒子效應(yīng)所在的空間輻射環(huán)境 實(shí)上單粒子效應(yīng)最初就是在空間環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的。單粒子效應(yīng)是誘發(fā)航天器異常的主要空間環(huán)境效應(yīng)之一。進(jìn)一步的模擬試驗(yàn)和在軌衛(wèi)星的測(cè)試證實(shí)，幾乎所有的航天用集成電路都能發(fā)生單粒子效應(yīng)。 銀河宇宙射線 它是來(lái)自太陽(yáng)系之外的帶電粒子流，其主要成分是高能質(zhì)子 (約占 88 %)，很少的 ? 粒子和重核。粒子能量為 108 eV~ 1020 eV，粒子通量為 2 /(cm2s)~4 /(cm2s)。由于粒子能量很高，難以對(duì)它屏蔽， 但其通量很低，劑量一般不超過(guò)幾毫拉德 (小于105 Gy)。 地磁俘獲輻射帶 大量的帶電粒子被地球磁場(chǎng)所俘獲，形成了一個(gè)半徑大約為六七個(gè)地球半徑長(zhǎng)的輻射帶，亦稱“范艾倫”帶 (如圖 3 所示 )。由于帶電粒子空間分布不均勻，比較集中地形成了兩個(gè)輻射帶：內(nèi)輻射帶和外輻射帶。 內(nèi)輻射帶在赤道平面上空 600 km~1000 km，緯度邊界約為 40176。，強(qiáng)度最大的中心位置距地球 3000 km 左右。內(nèi)輻射帶粒子成分主要是質(zhì)子和電子，質(zhì)子能量一般為幾兆電子伏到幾百兆電子伏，通量為 10 J/(m2s)，能量大于 MeV 的電子通量約為 105 J/(m2s)需要特別指出的是，由于地球磁場(chǎng)的不均勻性，在西經(jīng) 100176。至湘潭大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 東經(jīng) 20176。，南緯 20176。至 50176。的南大西洋上空，內(nèi)輻射帶的邊界下降到 200 km 左右，這一帶地區(qū)稱為南大西洋異常區(qū)。實(shí)踐證明，通過(guò)此區(qū)域的飛船艙內(nèi)劑量有明顯增加，當(dāng)飛船軌道低于 600 km、傾角不大時(shí)，這一輻射環(huán)境是構(gòu)成艙內(nèi)輻射劑量的主要因素。 外輻射帶的空間范圍很大，中心位置在赤道上空 20200 km 以上，緯度邊界 55o到 70o。其主要成份是低能質(zhì)子和電子，能量低于 1 MeV，最大通量達(dá) 10 J/(m2s)。 太陽(yáng)質(zhì)子事件 太陽(yáng)色球曾經(jīng)常發(fā)生局部區(qū)域短時(shí)間增亮現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象稱為太陽(yáng)耀斑。這時(shí)往往伴隨著大量高能質(zhì)子發(fā)射，稱為太陽(yáng)粒子輻射或太陽(yáng)質(zhì)子事件。質(zhì)子能量為 10 MeV~1000 MeV。除質(zhì)子外，還有較少的 ? 粒子和重核。太陽(yáng)質(zhì)子事件發(fā)生時(shí)，還可能發(fā)生太陽(yáng) X 射線爆發(fā)、電離層擾動(dòng)、磁暴等現(xiàn)象，這會(huì)使航天器甚至航天員都受到較強(qiáng)的輻射劑量。 圖 3 地球的周邊的范艾倫帶 其他輻射帶 其他輻射環(huán)境像核輻射環(huán)境、大氣環(huán)境、地面環(huán)境及工藝 生產(chǎn)過(guò)程中的帶入的輻射效應(yīng)等。 核輻射環(huán)境：包括核爆炸環(huán)境和核動(dòng)力環(huán)境，核輻射環(huán)境中的高能粒子主要有快中子流、高能電子流、 ? 射線、 X 射線、 ? 射線、 ? 射線等，其中 ? 射線、 ? 射湘潭大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 線易被大氣吸收，射程很短，對(duì)電子設(shè)備及其元器件威脅最大的是快中子流、高能電子流和 ? 射線。核輻射的強(qiáng)度是核反應(yīng)當(dāng)量和離核反應(yīng)中心距離的函數(shù)。核反應(yīng)當(dāng)量越大，離核反應(yīng)中心越近，則輻射強(qiáng)度越大。中子輻射導(dǎo)致微電子器件損傷的有效半徑在高空核爆炸時(shí)為幾十公里，在低空時(shí)為 1 km 左右； ? 射線的有效輻射半徑在高空時(shí)達(dá)幾百公里，在低空時(shí)也有 3~4 km。一百萬(wàn)噸級(jí)的核武器在 100 km 的高空爆炸時(shí)，在離爆炸中心 30 km 處，其中子通量至少為 1013 中子 /cm2；在離爆炸中心 160 km 處， ? 射線的劑量約為 107 rad(Si)/s。這種輻射強(qiáng)度足以使未經(jīng)加固的微電子器件失效。 大氣輻射環(huán)境：?jiǎn)瘟Ｗ有?yīng)并非只發(fā)生于太空環(huán)境中，大氣環(huán)境中的中子和重離子將對(duì)電子器件產(chǎn)生相似的干擾。 IBM 和波音公司的飛行試驗(yàn)表明，大氣環(huán)境中的中子可以導(dǎo)致航空電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 (Fermi Lab)的大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ACPMAPS，包含有 160 GB 的 DRAM 存儲(chǔ)器，當(dāng)被全面監(jiān)測(cè)時(shí)，每天大約觀察到 次翻轉(zhuǎn)，相當(dāng)于 71013 Upset/。 地面環(huán)境及工藝生產(chǎn)過(guò)程中的帶入的輻射效應(yīng) :在微電子器件的制造過(guò)程中 ，某些工藝過(guò)程 (如電子束光刻、電子束蒸發(fā)、等離子刻蝕、濺射和離子注入等 )也會(huì)引入各種輻射，封裝材料中微量放射性元素也是對(duì) 器件有影響的一類輻射源。據(jù)報(bào)道，封裝材料中含有微量放射性元素鈾、 釷，這些放射性物質(zhì)在其衰變過(guò)程中會(huì)放射出 ?射線，其最大能量為 9 MeV，平均能量為 5 MeV。一旦 ? 射線進(jìn)入硅襯底時(shí)，與 PN結(jié)發(fā)生碰撞。在芯片中產(chǎn)生電子 空穴對(duì)，使結(jié)電場(chǎng)急劇變化。能量為 5 MeV 時(shí)，約產(chǎn)生 106電子 空穴對(duì)。射線能 穿進(jìn) 20~30 m? 深。這也成為造成日常使用的各種微處理器不可靠的因素之一。 湘潭大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 2 單粒子多位翻轉(zhuǎn)的機(jī)制及各種影響因素 單粒子的描述參數(shù)及作用機(jī)制 幾個(gè)反映單粒子多位翻轉(zhuǎn)的重要參數(shù) 入射粒子對(duì)器件損傷的強(qiáng)弱通常用線性能量傳輸 (LET， Linear Energy Transfer)來(lái)表示，確切的說(shuō)， LET 表示的是入射粒子在單位長(zhǎng)度上淀積的能量，通常再除以硅的密度，將 LET 值用密度歸一化，單位變?yōu)?MeVmg1cm2，式子如 (1)。 dxdELET ?1? (1) 在硅材料中，單粒子效應(yīng)在單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生的電子 — 空穴對(duì)為： L E TpaireVdxdPdxdN ??? / ? (2) 所以 LET 還有一個(gè)單位 pC/ m? ， 214619 12 ??????? ?? ??? 在后面進(jìn)行器件數(shù)值模擬時(shí)，我們將用到這個(gè)單位。 單粒子 效應(yīng)發(fā)生的幾率通常用截面來(lái)表示，定義為： ?? /N? (3) 式中： ? 為單粒子效應(yīng)截面，單位是 cm2； N 為器件發(fā)生某一種效應(yīng)的次數(shù)；Ф 為單位面積的入射粒子數(shù)，單位是 cm2。截面越大，器件抗單粒子效應(yīng)的能力越差。為了比較不同集成度的器件的抗單粒子效應(yīng)水平，定義位截面為總截面除以總單元數(shù)，表示每個(gè)單元發(fā)生單粒子效應(yīng)的幾率。單粒子效 應(yīng)截面的大小既依賴于入射粒子的種類和能量，又依賴于器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的臨界電荷，也就是依賴于器件類型、工藝結(jié)構(gòu)、集成度和偏置電壓等。 臨界電荷定義為導(dǎo)致器件邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所必需的最小電荷，“臨界電荷”用公式表示為 [9]： ??dttIQ tcrit ?? 0 (4) 重帶電離子的電離、激發(fā)和能量損失 宇宙中的各種射線，大致可分為兩類： (1)帶電粒子組成的射線，如由正電子或電子組 成的 ? 射線，由氦原子核組成的 ? 射線和空間中的許多重離子射線等； (2)中湘潭大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 性粒子組成的射線，如由電磁波組成的 ? 射線和 X 射線，由中子組成的射線等。中子流對(duì)集成電路的損傷主要是考慮位移效應(yīng)，受影響最大的是雙極晶體管等少數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管影響較小，本課題不做重點(diǎn)研究。 ? 射線主要導(dǎo)致總劑量效應(yīng)、劑量率效應(yīng)， X 射線主要考慮劑量增強(qiáng)效應(yīng) ，這些效應(yīng)不在本論文的研究范圍之內(nèi)，所以這一節(jié)我們只考慮由重帶電粒子組成的射線與物質(zhì)的相互作用[8]。 重帶電粒子在從吸收物質(zhì)原子旁掠過(guò)時(shí)，由于它們與殼層電子 (主要是外殼層電子 )之間發(fā)生靜電庫(kù)侖作用，殼層電子便獲得能量。如果殼層電子獲得的能量足夠大。它便能夠克服原子核的束縛而脫離出來(lái)成為自由電子。這時(shí)，物質(zhì)的原子便被分離成一個(gè)自由電子和一個(gè)正離子，它們合稱為離子對(duì)。這樣一個(gè)過(guò)程就稱為電離。如果殼層電子獲得的能量比較小，還不足以使它脫離原子的束縛而成為自由電子，但是卻由能量較低的軌道躍遷到較高的軌道上去，這個(gè) 現(xiàn)象稱為原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它要自發(fā)的跳回原來(lái)的基態(tài)，這個(gè)過(guò)程就叫做原子的退激。在原子退激時(shí)，其中多余的能量將以可見(jiàn)光或紫外光的形式釋放出來(lái)，這就是受激原子的發(fā)光現(xiàn)象。 由原入射重帶電粒子直接與原子相互作用產(chǎn)生的電離稱為直接電離或初級(jí)電離。在電離過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的電子叫做次級(jí)電子或稱 ? 電子 (又稱 ? 射線 )。如果次級(jí)電子具有足夠高的能量 (通常大于 100 eV 以上 )，它還能進(jìn)一步使物質(zhì)的其它原子產(chǎn)生電離。這種 由 ? 電子引起的電離和激發(fā)就是通常所說(shuō)的次級(jí)電離。初級(jí)電離和次級(jí)電離之和構(gòu)成了入射帶電粒子的總電離。一般說(shuō)來(lái)，次級(jí)電離要占總電離的 60~80 %。 重帶電粒子在物質(zhì)中通過(guò)單位長(zhǎng)度路徑時(shí)，由于電離和激發(fā)而引起的能量損失稱為電離損失率，用電離???????dxdE 來(lái)表示，其中的負(fù)號(hào)表示能量的減少。理論推得電離???????dxdE 的表達(dá)式為 ? ? ?????? ?????????? ??? 22224 12ln4 I vmvm nZzedxdE ee電離 (5) 其中 z 和 v 分別是入射重帶電