【摘要】：隨著我國航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步和核物理科學(xué)研究的深入,抗輻照加固集成電路的需求與日俱增。一方面我國抗輻照加固芯片研制尚處于起步階段,自主研發(fā)能力還不夠強(qiáng),另一方面高性能抗輻照加固集成電路一直是西方發(fā)達(dá)國家技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)的首要目標(biāo),我國核心關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域用抗輻照加固集成電路尚不能完全自主可控,長期受制于技術(shù)領(lǐng)先國家,因此對集成電路輻照效應(yīng)和抗輻照加固技術(shù)進(jìn)行深入研究將極大地促進(jìn)我國國防和現(xiàn)代化事業(yè)的發(fā)展。集成電路設(shè)計(jì)工藝從深亞微米逐漸向納米級技術(shù)節(jié)點(diǎn)過渡,輻照效應(yīng)和抗輻照加固技術(shù)也日新月異。在0.18μm工藝水平以上,由于器件氧化層和場氧區(qū)較厚,總劑量效應(yīng)較為顯著。進(jìn)入65 nm工藝節(jié)點(diǎn)以下,由于器件氧化層減薄,采用淺槽隔離技術(shù),總劑量效應(yīng)大大降低,已不再成為主要輻照損傷因素。但隨著工藝縮減,單粒子效應(yīng)引發(fā)的“軟錯(cuò)誤”對電路的威脅越來越嚴(yán)重,甚至超過其他所有失效因素的總和,成為電路可靠性的首要問題。本文在深亞微米(0.18μm)和納米級(65 nm)體硅CMOS工藝水平上,對器件、電路的輻照效應(yīng)及抗輻照加固技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究,主要研究成果如下:(1)對0.18μm體硅CMOS工藝N溝道core和I/O晶體管進(jìn)行了總劑量輻照實(shí)驗(yàn),得到了晶體管電氣特性在總劑量輻照下的變化。研究發(fā)現(xiàn):輻照累積總劑量提升,晶體管亞閾區(qū)漏電流增大,閾值電壓漂移,晶體管電氣特性退化;I/O晶體管的總劑量效應(yīng)比core晶體管明顯,窄溝晶體管由于輻照誘生窄溝道效應(yīng)的影響總劑量效應(yīng)比寬溝晶體管顯著;晶體管負(fù)體偏置能夠減輕器件總劑量效應(yīng)�；诰w管輻照實(shí)驗(yàn)和器件參數(shù)提取,對0.18μm體硅CMOS工藝普通條形柵和無邊緣NMOSFET進(jìn)行了輻照效應(yīng)SPICE建模。模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,能有效預(yù)測器件、電路的總劑量響應(yīng)。(2)研究了組合邏輯數(shù)字電路中SET脈沖的產(chǎn)生和傳播。研究發(fā)現(xiàn):入射重離子LET值增大,SET電流脈沖尖峰值增大,電流持續(xù)時(shí)間延長,SET脈寬增大;SET電流呈現(xiàn)脈沖尖峰之后的平臺期,與傳統(tǒng)雙指數(shù)形態(tài)不同,表明晶體管電氣耦合狀態(tài)下單粒子響應(yīng)有別于孤立的晶體管,采用混合模擬仿真能較精準(zhǔn)預(yù)測電路SEE;寬溝晶體管SET脈寬小于窄溝晶體管,長溝晶體管SET脈寬大于短溝晶體管,在設(shè)計(jì)中可盡量選用溝道短而寬的晶體管以抑制SET效應(yīng)。(3)研究了時(shí)序邏輯數(shù)字電路中SEU的物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn):0.18μm非加固標(biāo)準(zhǔn)6管SRAM的翻轉(zhuǎn)截面高于65 nm SRAM,這主要是由于工藝縮減單粒子敏感體積減小,電荷收集量降低造成的。(4)研究了工藝縮減、工作頻率提升等因素對電路SEE的影響。研究發(fā)現(xiàn):增加阱接觸數(shù)量,減小接觸孔與器件之間的距離有助于降低SET脈寬,減輕阱電勢調(diào)制,從而抑制SEE;重離子入射角度增大,器件間的電荷共享增強(qiáng),通過脈沖壓縮機(jī)制有助于減小SET脈寬;深N阱結(jié)構(gòu)能夠有效截?cái)嘀仉x子入射產(chǎn)生的電荷漏斗,降低敏感節(jié)點(diǎn)電荷收集量,使得SET脈寬小于普通雙阱工藝結(jié)構(gòu)。(5)提出了一種抗SEU的SRAM單元電路拓?fù)湫陆Y(jié)構(gòu)。此SRAM單元電路的SEU臨界電荷高達(dá)12,320 fC,是非加固標(biāo)準(zhǔn)6T SRAM單元的1,000倍以上,與其他加固單元電路相比也有顯著提升,而電氣性能沒有顯著退化,能充分保證在強(qiáng)輻射環(huán)境下的高可靠應(yīng)用。(6)基于65 nm體硅CMOS工藝設(shè)計(jì)開發(fā)了一款抗輻照加固標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字單元庫,可應(yīng)用于實(shí)際抗輻照加固芯片研制。(7)基于0.18μm和65 nm體硅CMOS工藝分別設(shè)計(jì)開發(fā)了兩款抗輻照加固芯片。提出了一種評估電路總劑量效應(yīng)的正向體偏置法。與晶體管輻照效應(yīng)SPICE模型仿真對比驗(yàn)證了新方法的有效性。提出了一種高速數(shù)據(jù)合成電路。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)合成器相比,新數(shù)據(jù)合成電路避免了數(shù)據(jù)穿通的可能,且多級級聯(lián)應(yīng)用能夠保證數(shù)據(jù)天然同步特性。設(shè)計(jì)了一種寬帶鎖相環(huán)VCO振蕩帶自動校準(zhǔn)算法,實(shí)現(xiàn)了超寬頻率范圍覆蓋的兩個(gè)VCO振蕩頻率校正,在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高精度的頻率鎖定功能。
【圖文】：

ual Interlocked Cell storage Element)的翻轉(zhuǎn)而顯著上升[1]。因此，，對先進(jìn)工藝下的集成效的抗輻照加固技術(shù)就顯得尤為重要。本文，對相應(yīng)的輻照效應(yīng)和抗輻照加固技術(shù)進(jìn)行并將其進(jìn)一步創(chuàng)新應(yīng)用至更先進(jìn)的工藝水強(qiáng)的集成電路奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。景境條件和狀況與其所處的應(yīng)用環(huán)境息息相關(guān)兩大類。天然輻射環(huán)境[2]主要包括銀河宇宙帶，此外還有極光輻射和頻譜范圍較寬的電關(guān)�？臻g輻射環(huán)境構(gòu)成如圖 1.1 所示[3]。

圖 2.2 總劑量輻照 NMOSFET 閾值電壓變化示了總劑量輻照過程中及輻照后 NMOSFET 閾值電壓漂移示出[72]。由圖中可以看出，當(dāng) 1 μs 輻照脈沖入射進(jìn) NM的產(chǎn)生、復(fù)合及電子輸運(yùn)，閾值電壓迅速下降。此后輻照部輸運(yùn)，一部分空穴與含氫氧化物缺陷反應(yīng)生成質(zhì)子或氫中，閾值電壓部分恢復(fù)�？昭ㄔ谶\(yùn)動過程中發(fā)生復(fù)合、退內(nèi)部陷阱電荷，同時(shí)氫離子在界面處被陷阱俘獲成為界面能發(fā)生正向漂移，也有可能發(fā)生負(fù)向漂移，這取決于界面陷阱電荷較多，則閾值電壓最終產(chǎn)生正漂移；如果界面陷終產(chǎn)生負(fù)漂移。應(yīng)與輻照劑量率密切相關(guān)。在高劑量率短時(shí)輻照時(shí)，柵氧 Si/SiO2交界處陷阱電荷沒有足夠的時(shí)間建立，因此柵氧由于氧化層陷阱電荷都是正的，因此無論 NMOS 還是 P漂移。在中等劑量率輻照時(shí)，氧化層陷阱電荷部分被復(fù)合
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN432

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2 劉崇先;;環(huán)氧注射法加固橋梁下部構(gòu)造[J];國外公路;1987年03期

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本文編號：2650242