【正文】 V曲線進(jìn)行了校準(zhǔn)，并得到了較好的效果，如圖16，17所示。cm2。圖14 在去掉源極摻雜后的漏極電流脈沖 單管PMOS 2D模型的建立與仿真我們參照參數(shù)建立PMOS 2D模型(如圖15所示)，同樣設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)的LET(線性能量傳輸)分別為20，40，60，80，單位為Mev圖12 NMOS管IdVd曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比圖圖13 單粒子撞擊漏極的電流脈沖圖現(xiàn)階段大家公認(rèn)的單粒子撞擊的電荷收集機(jī)制有漂移擴(kuò)散模型，雙極放大模型。我們可以看到我們的模型在重粒子撞擊下最大的峰值達(dá)到了幾十毫安。圖11 NMOS模型的IdVd曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比圖接著我們?cè)O(shè)定撞擊的時(shí)間為100 ps時(shí)刻，本文接下來的模型撞擊時(shí)刻都設(shè)定在這個(gè)時(shí)刻。撞擊前NMOS設(shè)計(jì)為截止?fàn)顟B(tài)，漏極接Vdd = V，其余的都接0 V，構(gòu)成一個(gè)反偏的PN結(jié)敏感節(jié)點(diǎn)，撞擊點(diǎn)選在漏極中央，入射方向?yàn)榕c襯底表面成90o角，入射粒子的長(zhǎng)度為5，本文接下來的模型都為垂直入射和同樣的入射長(zhǎng)度和半徑。mg1在接下來的PMOS管及雙管模型也是依據(jù)此建立的。其他參數(shù)和模型為Sentaurus TCAD默認(rèn)。 模型的建立我們通過Sentaurus Structure Edit建立了130 nm NMOS單管、PMOS單管、NMOS雙管及PMOS雙管的2D模型，在Sentaurus Workbench上調(diào)用該模型，并運(yùn)用Sentaurus Device中帶的Heavy ion物理模型對(duì)電路進(jìn)行了單粒子效應(yīng)的模擬仿真。集成電路制造工藝底層可制造性設(shè)計(jì)工具是Synopsys (Productionbaseline)所使用的制造技術(shù)及當(dāng)前的制造工藝模式為依據(jù)建模、開發(fā)而實(shí)現(xiàn)的。TCAD系列工具主要由Sentaurus Process(新一代集成電路工藝級(jí)仿真工具)、Sentaurus Device(新一代集成電路器件物理特性級(jí)仿真系統(tǒng))及Sentaurus Workbench(新一代集成電路虛擬化加工與制造系統(tǒng))構(gòu)成。指出了主器件隨著STI深度的變化影響不是很顯著，從器件隨著深度的增加收集的電荷量減少，如圖9所示。圖8 溫度的變化與從器件收集的電荷量關(guān)系圖 隔離層深度對(duì)于隔離層深度主要考慮其對(duì)電荷分享中的擴(kuò)散效應(yīng)的抑制從而達(dá)到了一個(gè)抗加固的效果。他指出了主器件隨著溫度的增加產(chǎn)生電荷增加，但是從器件隨著溫度增加收集電荷的加劇，使得主器件收集的電荷反而減少[15]。圖7 中子入射角度與MBU發(fā)生的概率圖(圖中角度為入射方向與襯表面法線的夾角) 溫度的相關(guān)性飛行器在太空中飛行的溫度可從低于55 oC到高于120 oC，因此我們研究溫度的相關(guān)性對(duì)我們了解引發(fā)單粒子多位翻轉(zhuǎn)效應(yīng)有一個(gè)更深入的了解。文獻(xiàn)中給出了MBU發(fā)生概率隨角度變化的關(guān)系式： (8)Tipton等人通過MonteCarlo能量沉積TCAD方法研究了中子導(dǎo)致90 nm商用晶體管的多位翻轉(zhuǎn)，并指出了MBU在很大的程度上與入射的角度有關(guān)[13]，并得出了如圖7所示的角度與MBU發(fā)生概率的關(guān)系。 入射角度的相關(guān)性入射角度的主要機(jī)理在于考慮的是入射粒子在低角度下能夠穿越多個(gè)靈敏區(qū)域引起單粒子多位翻轉(zhuǎn)的電荷共享效應(yīng)(如圖5所示)。所以考慮影響電荷收集量的因素時(shí)不需要考慮外界電路響應(yīng)的影響，根據(jù)入射條件與節(jié)點(diǎn)在被轟擊前的工作狀態(tài)就可以預(yù)測(cè)單粒子電流脈沖以及收集到的電荷，然后將得到的電荷轉(zhuǎn)化為敏感節(jié)點(diǎn)的電壓變化評(píng)估對(duì)外界電路的影響，隨著工藝尺寸進(jìn)入深亞微米以及納米工藝時(shí)代，器件的工作頻率和外界電路響應(yīng)的時(shí)間度量已經(jīng)開始接近并超過了這一臨界值，總收集電荷量與外界激勵(lì)的變化有很大的關(guān)系，比如：?jiǎn)喂躍ET收集到的電荷明顯比反相器收集到的電荷要多，其原因就是敏感節(jié)點(diǎn)的偏壓影響器件內(nèi)部電場(chǎng)變化，進(jìn)而影響電荷收集數(shù)量。其中，第二類被轟擊器件自身的因素中，又包括兩部分組成，一部分是固有的器件幾何結(jié)構(gòu)、摻雜濃度和入射前器件內(nèi)部電場(chǎng)分布等不變因素，另一部分是開始轟擊后器件受外接電路響應(yīng)導(dǎo)致的載流子分布、電場(chǎng)分布等可變因素。圖6 由于單粒子撞擊體電勢(shì)的升高導(dǎo)致的雙極放大效應(yīng) 單粒子多位翻轉(zhuǎn)的各種影響因素影響單粒子多位翻轉(zhuǎn)效應(yīng)電荷收集量的有兩類因素[11]，第一是入射粒子的種類，能量，角度與不同材料的作用特性等外界入射條件，第二是是被轟擊器件的金屬以及隔離層厚度、幾何結(jié)構(gòu)、摻雜分布以及周圍電路電路響應(yīng)所導(dǎo)致的電場(chǎng)變化等器件本身的因素。由于重離子入射引起多個(gè)MOS管體電勢(shì)改變，寄生雙極型晶體管導(dǎo)通，引起漏極電流。一種電荷共享的機(jī)理是粒子軌跡上的電荷擴(kuò)散到多個(gè)PN結(jié)(如圖5所示)，在4的距離上可以擴(kuò)散的電荷可以達(dá)到直接入射的15 %[10]。圖4 質(zhì)子與硅可能發(fā)生的核反應(yīng)發(fā)生核反應(yīng)的方程式為： (7)準(zhǔn)確計(jì)算粒子在靈敏體積內(nèi)的能量沉積是單粒子效應(yīng)計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)，在質(zhì)子的單粒子效應(yīng)模擬中，首先要準(zhǔn)確計(jì)算質(zhì)子的核反應(yīng)以及產(chǎn)生的次級(jí)粒子能量。核反應(yīng)：空間輻射環(huán)境中高能質(zhì)子占其中的大部分，由于質(zhì)子的LET值較低，質(zhì)子直接電離損失的能量不足以引起器件單粒子翻轉(zhuǎn),但質(zhì)子在材料中傳輸時(shí)，會(huì)與材料發(fā)生核反應(yīng)，核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)重離子在材料中沉積能量進(jìn)而誘發(fā)單粒子效應(yīng)，因此質(zhì)子和重離子單粒子的本質(zhì)是相同?？煞譃閮煞N類型：一個(gè)粒子入射導(dǎo)致一個(gè)字中多個(gè)位翻轉(zhuǎn)(SMU，Singleword MultipleBit Upset)；一個(gè)粒子入射導(dǎo)致物理地址相鄰的多個(gè)存儲(chǔ)單元狀態(tài)翻轉(zhuǎn)(SEMU，Single Event Multiple Upset)。 單粒子多位翻轉(zhuǎn)的機(jī)制單粒子多位翻轉(zhuǎn)主要發(fā)生在高容量的存儲(chǔ)器件中。入射帶電粒子開始時(shí)速度最大，因而電離損失率較?。划?dāng)入射粒子越接近路徑末端，速度越低，電離損失率也越大，因而電離密度也最大。對(duì)于速度相同的兩種粒子，電荷數(shù)越多的粒子單位路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)目就越多；對(duì)于同一種粒子，速度慢的在單位路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)比較多。由平均電離能W和電離損失率，可以得到單位路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)(即電離密度)為： (6)對(duì)于一定的介質(zhì)，W基本上接近于常數(shù)值， eV。平均電離能W要比物質(zhì)原子的電離電位大一倍左右。每單位路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱為比電離或稱電離密度，用符號(hào)表示。的單位常用MeV/cm，和線性能量傳輸LET指的是同一個(gè)概念。理論推得的表達(dá)式為 (5)其中z和v分別是入射重帶電粒子的電荷數(shù)和運(yùn)動(dòng)速度，n為每立方厘米吸收物質(zhì)中的原子數(shù)目(又稱原子密度)，Z為吸收物質(zhì)的原子序數(shù)，me是電子的靜止質(zhì)量，I為吸收物質(zhì)原子的平均電離電位。一般說來，次級(jí)電離要占總電離的 60~80 %。這種由電子引起的電離和激發(fā)就是通常所說的次級(jí)電離。在電離過程中發(fā)射出來的電子叫做次級(jí)電子或稱電子(又稱射線)。在原子退激時(shí)，其中多余的能量將以可見光或紫外光的形式釋放出來，這就是受激原子的發(fā)光現(xiàn)象。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)。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)。如果殼層電子獲得的能量足夠大。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]。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]： (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。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)發(fā)生的幾率通常用截面來表示，定義為： (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。cm2，式子如(1)。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)來表示，確切的說，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)镸eV射線能穿進(jìn)20~30深。在芯片中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使結(jié)電場(chǎng)急劇變化。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)在其衰變過程中會(huì)放射出射線，其最大能量為9 MeV，平均能量為5 MeV。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)，相當(dāng)于71013 Upset/。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。一百萬噸級(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。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。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。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。質(zhì)子能量為10 MeV~1000 MeV。 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。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/(m2實(shí)踐證明，通過此區(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。至50176。至東經(jīng)20176。s)， MeV的電子通量約為105 J/(m2強(qiáng)度最大的中心位置距地球3000 km左右。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。由于粒子能量很高，難以對(duì)它屏蔽，但其通量很低，劑量一般不超過幾毫拉德(小于105 Gy)。s)~4 /(cm2 銀河宇宙射線它是來自太陽(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。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。電荷共享引起單粒子多位翻轉(zhuǎn)(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，并且尚還沒有文獻(xiàn)深入討論電荷共享的加固方法，本文基于此開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。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]。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]。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。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]。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 %。 Sentaurus TCAD。關(guān)鍵詞：?jiǎn)瘟Ｗ有?yīng)；多位翻轉(zhuǎn)；Sentaurus TCAD；130 nm晶體管 MultipleBit Upset Effect In Integrated CircuitAbstract: With continuous exploration of space, the human beings have an increasingly demanding for performance of radiation hardened circuits especially in microprocessor circuit. But as the integrated circuit develops, size of single transistor is getting much smaller, which will increase the incidence of single event effect especially multiplebit upset in circuit radiation effects. The study of mechanism and hardening technologies of multiplebit upset based on this severe problem is carried out in this paper. First, the result of a survey for satelli