【文章內容簡介】 的加固。并且給出了詳細的證明過程。 國內外單粒子效應 的研究 哈爾濱工業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（ 論文 ） 2 在國際上，特別是美國和前蘇聯，早在五十年代就開始了 集成電路 防輻射效應的研究。多年來，無論是在輻射損傷機理、加固技術和效應模擬試驗方法等方向，均取得極大的進展 [2]。近年來，隨著超大規(guī)模集成電路的特征尺寸的越來越小，對輻射效應的研究工作提供了更廣闊的研究領域。每年在美國召開的核與空間輻射效應 (Nuclear and space Radiation Effects Conference)國際會議，以及近年在歐洲召開的元件及系統(tǒng)的輻射效應 (Radiation and Effects Components and System)國際會議，對半導體材料、器件、電子功能材料及光電子器件等的電離輻射總劑量效應、單粒子效應等從輻射損傷機理，輻射能量沉積、加固方法以及試驗方法、效應測試方法包括輻射劑量學等諸多方面的研究成果進行廣泛交流。經過幾十年的努力，歐美以及前蘇聯等國在輻射效應方面的研究工作取得了很大的成果，并將這些研究成果應用于核技術和宇航技術的電子系統(tǒng)中，從而大大地提高了系統(tǒng)地可靠性和壽命。國 外在防輻射加固問題已經取得很大地進步，能夠生產出抗總劑量為3X 310 Gy(Si)，抗瞬時劑量率為 1X 910 Gy(Si)/s，抗單粒子效應能力為 1010? (bit day)的超大規(guī)模集成電路。將這些高抗輻射能力的器件應于各種軌道的衛(wèi)星上，設計并制造出壽命為 3 年的太陽同步軌道衛(wèi)星，壽命為 10 年的地球同步軌道衛(wèi)星 [3]。 我國在開展 MOS 器件和集成電路的電離輻射效應等方向的 研究工作始于七十年代，并在對 MOS 器件的電離輻射效應研究的基礎上開展了此類器件的抗輻射加固方面的研究工作。八十年代以來，我國對 CMOS 器件在空間的應用特別關注，使國內微電子器件和集成電路的效應的研究進入一個新階段，微電子器件的抗輻射加固技術不斷取得突破性進展。如采用復合柵工藝、薄柵工藝、場區(qū)加固工藝、SOS 工藝等加固工藝，大大提高了器件的抗輻射的能力。但由于整個微電子制造工藝水平比較低，導致國內的微電子器件及電路的抗輻射能力與國外相比還存在一定的差距。 當前階段 我國 在 抗輻射集成電路 的研究上 與國外先進水平仍 有較大差距，具體表現 為集成電路 性能較低、加固水平不高、產品線不豐富、配套的軟硬件環(huán)境不完善等，遠遠不能滿足航天應用的實際需求。由于抗輻射集成電路應用領域的敏感性，西方國家特別是美國對我國實行嚴格禁運，導致我國難以進口到高性能的抗輻射集成電路，即使出高價 原文僅能 勉強進口到部分性能較低的抗輻射集成電路， 并 時刻面臨斷貨的危險 [4]。這一現狀嚴重制約了我國航天事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也是與我國航天大國的地位極不相稱的。因此，自主開發(fā)高性能的抗輻射集成電路對于我國航天事業(yè)具有非常重要的意義。 單粒子效應 哈爾濱工業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（ 論文 ） 3 在集成電 路的領域中， 不可避免的器件經常會出現 工作異常 ，在 通常情況下，工作異常 是由硬錯誤和軟錯誤兩種構成 [5]。工藝制造流程中出現的缺陷，是因為高強度的輻射引起的高溫等原因致使器件燒毀等因素引起 ，這種 錯誤被稱之為硬錯誤，硬錯誤是不可逆的，它一般情況表現為，某一個 電路的 門也可能是某一個節(jié)點反復的出現同樣的錯誤。 而 由于粒子的輻射等等的原因而引起的粒子瞬態(tài)隨機翻轉造成數據信息暫時 性的 發(fā)生錯誤，這種 錯誤 稱之為軟錯誤 （ Soft error）， 這就是硬錯誤和軟錯誤， 它們均對集成電路的功能有嚴重的影響。 文中主要針對軟錯誤中的 單粒子 瞬態(tài)翻轉（ Single Event Upset， SEU） 的 防護 進行研究 。 通常輻射而引發(fā)軟錯誤的粒子都是 太陽輻射粒子 ，這其中，又 有很多種類的粒子射線，能夠讓電路中產生“ Soft error”而且有影響的主要因素有兩種 [5]：一種是高能類型中子粒子，另一種是低能類型中子粒子。假如半導體材料之中存在放射性元素 ，那么 就有可能與環(huán)境中 到處 存在的低能粒子相遇， 這樣就會很容易 誘發(fā)出能夠大量產生α粒子的核反應，就有可能讓電路中產生瞬態(tài)脈沖，這是軟錯誤產生的一個 主要 誘因，因此 低能粒子 會影響電路的正常工作。以前高能粒子 只在水平很高 的位置發(fā)現，但是，現在伴隨著工藝的不斷發(fā)展，電路的特征尺寸的不斷減小，對于高能中子 、高能 粒子的敏感度提高， 目前 在海平面位置上也能發(fā)現高能中子 、高能 粒子對于集成電路器件的影響。而且，每一個高能粒子產生的α粒子 數 量上是低能中子粒子的幾倍，因此 高能粒子同樣 會對電路的可靠性 和穩(wěn)定性產生 嚴重的影響 [6]。 當電流瞬態(tài)脈沖發(fā)生在組合電路中的時候，由于是瞬態(tài)發(fā)生的，對于電路的影響不會很大，所以很快就能恢復到電路正常時的值，這就是大家通常說的單粒子瞬態(tài)效應（ Single Event Transient， SET）， 可是這個干擾后的狀態(tài)被各個電路傳輸，被某個傳輸電路機械態(tài)的保存，就有可能發(fā)生錯誤。如果這種單粒子瞬態(tài)翻轉發(fā)生在存儲器上的時候， 就 有可能被存儲器把這個錯誤的狀態(tài)鎖存，這樣就有可能造成所存儲的信息發(fā)生錯誤而失效，這種狀態(tài)稱之為單粒子瞬態(tài)翻轉（ Single Event Upset， SEU）。 所以單粒子翻轉對存儲器來講是致命的，由于存儲器的廣泛應用性，這國際上都對單粒子效應給予了大量的投入來進行研究。 為了降低這兩種危害，通常采取的辦 法就是：加固電子部件或者選用材料上 對于單粒子不敏感的器件。第二種方案由于需要大量的成 本投入，所以目前主要是研究電路加固這一方法。 單粒子效應 [7]（ Single Event Effect， SEE）， 通常是指 電子器件因為高能粒子撞擊而引發(fā)的瞬間擾動，也可能是造成器件永久性質的損傷。通常在 空間環(huán)境中 的高能粒子包括質子、中子、α粒子和重粒子等。 單粒子效應也可以大致區(qū)分為兩種類型： 單粒子瞬態(tài)翻轉效應 和 單粒子的閉鎖哈爾濱工業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（ 論文 ） 4 效應 。 單粒子瞬態(tài)翻轉效應 （ Single Event Upset， SEU）指 在輻射的環(huán)境中，造成存儲器或者鎖存器等可以存儲數據的單元中，因為翻轉而產生的存儲器中數據錯誤、邏輯的錯誤 或者信號的同步丟失等。通常大家所說的軟錯誤（ Soft error）也就是指的這一類 ，本文主要進行的研究針對的也是抗 SEU 方向的研究，應用的模型為SRAM 的存儲單元， SEU 中又包括一種 SEMU（ Single Event Multi Upset，即單粒子多位翻轉效應）。 單粒子的閉鎖效應 （ Single Event Latch up， SEL）：在輻射的環(huán)境中，造成的燒毀或者閉鎖，一般情況下，閉鎖的熱應力超負載與 CMOS 電路的短路都是他的表現形式。這種一般都是屬于硬錯誤（即 Hard error）。 軟錯誤已經成 為了影響電路可靠性的各個因素中最主要的一種。所以說抑制了軟錯誤 ， 就能很有效的對電路進行加固，所以現在對于抗軟錯誤的 研究是相當的重視 。 由于太空是個極其復雜的工作環(huán)境 [8,9]，由于在這個環(huán)境中存在著非常多的高能粒子，所以在這種環(huán)境之下，器件就更容易發(fā)生軟錯誤，而產生軟錯誤往往產生的后果是災難性的，因此，加固類型的器件已經是航天產品中最最重要的一個指標。而現在對于加固技術的研究，為了應用于航天器件中，而以加大面積為代價都在所不惜。而抗軟錯誤這個領域國外已經很重視并已經發(fā)展了很多年了，并已經成功的應用在很多宇 航器件中，而國內雖然起步比較晚，但是對于軟錯誤的研究也是投入非常大，尤其是中科院及其下屬的一些研究所中對于抗軟錯誤的投入都占有很大的比重。 電荷共享效應 單粒子引起的電荷共享問題一直是集成電路可靠性領域的研究熱點。許多學 者對其產生機理、建模以及加固做了大量研究。本節(jié)將詳細闡述電荷共享效應的和主要機理。 隨著工藝尺寸的縮減，單次的粒子入射將可能在多個敏感器件上發(fā)生電荷收集，稱之為電荷共享。 電荷共享效應的發(fā)現由來已久，但是對其的研究和利用卻并不是很長。早在1989 年 [10]， 美國科學家 Zoutendyk 就發(fā)現電荷的橫向擴散會導致 DRAM 中的多位信息發(fā)生翻轉 。 此后 Olson 和 Amusan 等人對電荷共享的機理做了深入研究。 電荷共享的過程包括電荷的產生，電荷的收集兩個過程 。 對于 任意 一個給定 LET值 的粒子轟擊，轟擊節(jié)點收集的電荷等于漂移、擴散和雙極效應三個過程輸運電哈爾濱工業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（ 論文 ） 5 荷的總量。 下圖 給出了 P 阱內兩個相鄰的 NMOS 和 N 阱內兩個相鄰 PMOS 的剖面圖，包括： P 襯底、 P+深阱、 P 阱 /N 阱以及寄生的橫向雙極型晶體管。 （ a） NMOS （ b） PMOS 圖 11 粒子轟擊 P/N 阱內兩個相鄰的 MOS 管時電荷 共享 （ a） NMOS（ b） PMOS 如 圖 11 所示 [11~13]，當粒子轟擊器件的漏極后，將在電離通道上產生大量的電子空穴對電子空穴將根據器件相應的電勢分布，發(fā)生漂移。對于 NMOS，敏感節(jié)點是漏極接高電平，因此大量電子將被拉向漏極使漏極電勢降低，大部分空穴將被 P 阱接觸收集，剩余的電子和空穴則越過 P+深阱被襯底收集。 對于 PMOS，敏感節(jié)點是漏極接低電平，因此大量的空穴將向漏極漂移，導致漏極電勢升高，大部分電子則通過 N 阱接觸被收集，剩余的電子和空穴則被襯底收集。由于濃度梯度的存在，電子和空穴也將發(fā)生擴散。粒 子轟擊器件敏感節(jié)點，將在電離通道內產生大量電子空穴對，從而形成濃度梯度，發(fā)生擴散。擴散的電荷一方面被其它節(jié)點收集，另一方面使阱的電勢發(fā)生擾動。對于 NMOS，大量的電子被漏極收集、大量空穴被阱接觸收集（ P 阱接地），僅有少部分空穴的擴散導致 P 阱電勢略有升高；對于 PMOS，大量的空穴被漏極收集、大量電子被 N 阱接哈爾濱工業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（ 論文 ） 6 觸收集，但由于 N 阱接高電平，擴散的電子將引起 N 阱內電勢降低。阱電勢發(fā)生擾動將引發(fā)橫向寄生晶體管的開啟，發(fā)生雙極放大效應，促使敏感節(jié)點收集電荷增多。電離通道內的電荷有相當一部分將被復合掉。 NMOS 和 PMOS 電 荷共享的主要機理又有很大不同： NMOS 電荷共享的主要機理是擴散； PMOS 電荷共享的主要機理是雙極效應 —— 產生這種差別的主要原因是由于 N 阱接高電平，容易受到電勢擾動。為了驗證這種差別，需要使用無源端器件，無源端器件去掉了源極和柵極，類似于一個二極管，因而不存在寄生的雙極型晶體管，也就不存在雙極放大效應。由于電荷共享的電荷主要由兩部分組成：橫向擴散電荷和雙極效應注入的電荷。因此，通過有源端和無源端器件的模擬比較，即可以證實 NMOS 和PMOS 電荷共享的主要機理。 國內外 主要的電路加固成果 現 行 的 電路 加固 技術主要有電路級加固的方法、系統(tǒng)級加固的方法、工藝級加固的方法和版圖級加固的方法 ， 本文主要 致力于 進行 版圖 級加固方法的研究 。 由于本文的研究模型是基于 SRAM（靜態(tài)隨機存儲存取器）， 故 這里主要探討下國內外的主要 SRAM 加固手段， 目前抗輻照 SRAM 設計中，國外的 aeroflex、Honeywell、 BAE 公司的 SRAM 產品都達到了很好的加固效果 [14]， 下 表 11 是上述公司 目前的代表 產品所達到的性能參數。 表 11 國外典型抗輻射集成電路參數 型號 U8ER512K32 HXSR01608 制 造商 Aeroflex Honeywell BAE 工藝 輻射加固SOI 工藝 商用 CMOS特殊工藝加固步驟 SEU *16errors/ay 1x10*11 errors/ errors/ SEL 100Mevcm2/mg 無閂鎖 無閂鎖 性能 16M bit，讀 20ns，寫10ns 16M，讀寫時間20ns 16M,讀寫時間 15ns 這其中， Honeywell 公司研制的基于 SOI 工 藝的抗輻照 SRAM HXSR01608 容量達到了 16M， 讀寫時間小于 20ns。由于工藝的因素，其產品對單粒子閂鎖 效應是完全免疫的。 BAE 公司在抗輻照 SRAM 設計方面已經走過了 20 多年的歷史，作為宇航級微哈爾濱工業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（ 論文 ） 7 處理器和微電子電路的供應商，現在 工藝 已經達到了 m。 本文主要研究內容 本文主要針對以下內容進行研究： 存儲電路中的 SEU 是當前急需解決的單粒子效應問題。 傳統(tǒng)上 SEU 的加固依賴特殊材料和制造工藝的傳統(tǒng)加固方法成本很高，特征尺寸往往落后商用工藝兩代，從而導致抗輻照電路的速度、集成度較低， 功耗較高。即便是較為先進的雙互鎖結構（ DICE）在 SEU 電路加固中也存在較大的缺陷，在單粒子入射在多節(jié)點時會喪失防輻射能力，失去應有的加固能力。本文采用了 LEAP 的思想，通過版圖 布局的思想在 DICE 結構的基礎進行再設計，大大降低了電路對 SEMU 的敏感性，并給出了版圖布局和驗證，大大增強了電路的容錯率。極大的降低了抗輻照芯片的成本， 并且可以得到較高的性能、集成度和較低的功耗。 隨著工藝尺寸的縮減，單次