【摘要】：先進(jìn)工藝集成電路往往具備度高集成度、高性能等優(yōu)勢(shì),展現(xiàn)了良好的航天應(yīng)用前景,但隨著集成電路工藝的發(fā)展,新型的小尺度納米器件、新材料與新結(jié)構(gòu)器件、混合集成器件、異質(zhì)集成以及三維集成器件均呈現(xiàn)出輻射效應(yīng)的新特性與分析的復(fù)雜性,開展相關(guān)課題的研究工作具有重要意義。本文針對(duì)典型CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)與非易失混合集成器件,包括SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor)工藝NVSRAM(Non-volitale Static Random Access Memory)、薄厚柵氧反熔絲工藝PROM(Programmable Read Only Memory)與Flash工藝FPGA(Field Programmable Gate Array),利用重離子研究了該類型混合集成器件輻射效應(yīng)的物理規(guī)律,分別對(duì)CMOS電路模塊與非易失性電路模塊的重離子輻射效應(yīng)進(jìn)行了分類研究,深入分析了各種輻射效應(yīng)的物理機(jī)制,數(shù)據(jù)對(duì)其抗輻射加固與空間應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。針對(duì)130 nm SONOS工藝NVSRAM器件,利用不同種類與能量的重離子研究了器件CMOS工藝6T SRAM單元與SONOS工藝非易失單元的輻射效應(yīng)。獲得了重離子徑跡特性、器件工作電壓、環(huán)境溫度以及外圍電路等對(duì)6T SRAM單元單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset,SEU)的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上分析了重離子徑跡結(jié)構(gòu)影響多位翻轉(zhuǎn)的物理機(jī)制,并提出了器件電壓作用下的臨界電荷與收集電荷競爭機(jī)制模型;發(fā)現(xiàn)了深亞微米工藝SONOS非易失單元具備優(yōu)良抗輻射性能,翻轉(zhuǎn)閾值可達(dá)60.9 MeV/(mg/cm~2),同時(shí)在高LET(Linear Energy Transfer)值條件下觀測(cè)到SONOS非易失單元發(fā)生了少量硬錯(cuò)誤,但該硬錯(cuò)誤均隨著時(shí)間快速減少并完全消失,該現(xiàn)象與重離子在SONOS晶體管中引入的缺陷退火特性相關(guān)。針對(duì)130 nm薄厚柵氧反熔絲工藝抗輻射PROM器件,研究了重離子引起CMOS工藝外圍電路(讀出譯碼電路、控制電路以及電源管理模塊等)輻射效應(yīng)的物理規(guī)律,對(duì)重離子引起器件內(nèi)部緩沖器、寄存器以及地址計(jì)數(shù)器發(fā)生的翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤進(jìn)行了歸類分析;在高LET值與大注量重離子輻照條件下,檢測(cè)到薄厚柵氧反熔絲非易失單元發(fā)生了少量的硬錯(cuò)誤,該現(xiàn)象是因?yàn)橹仉x子入射未編程的反熔絲單元引起了柵氧擊穿,但其擊穿強(qiáng)度弱于編程電壓下的擊穿結(jié)果;對(duì)該類型混合集成器件的抗輻射加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析,指出采用冗余設(shè)計(jì)、濾波加固、鎖定(Latchup)保護(hù)環(huán)加固等方法提升CMOS工藝電路的抗輻射性能,通過對(duì)反熔絲非易失單元進(jìn)行冗余備份可以極大的提升其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。針對(duì)220 nm Flash工藝FPGA器件,利用高能重離子微束裝置成功對(duì)其D觸發(fā)器(D-Flip-Flop,DFF)鏈(CMOS工藝)的翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)進(jìn)行了成像,首次將高能重離子微束應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路的輻射效應(yīng)分析;根據(jù)DFF鏈的邏輯配置圖與帶位置反饋的錯(cuò)誤輸出技術(shù),利用重離子微束反向分析了FPGA器件內(nèi)部邏輯塊的分布規(guī)律,結(jié)果顯示該器件的邏輯塊物理版圖排布與其邏輯地址排布相同;在~(86)Kr離子輻照實(shí)驗(yàn)過程中,Flash開關(guān)單元與經(jīng)三模冗余加固的DFF鏈均免疫于SEU與SEL,但在~(209)Bi離子高LET值輻照實(shí)驗(yàn)后,FPGA出現(xiàn)了無法重新配置的現(xiàn)象,說明器件中的部分Flash開關(guān)單元因發(fā)生硬錯(cuò)誤失去了寫入功能,深入分析FPGA中Flash開關(guān)的輻射效應(yīng),發(fā)現(xiàn)其發(fā)生硬錯(cuò)誤的單元為未存儲(chǔ)電荷的單元。
【圖文】：

器件工藝尺寸的縮小，器件的工作電壓也相應(yīng)得到了減小，進(jìn)點(diǎn)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的臨界電荷量，使器件發(fā)生單粒子效應(yīng)ear Energy Transfer)值降低[11、12]。與之相反，尺寸的縮小同域的面積，進(jìn)而降低了電路節(jié)點(diǎn)的沉積電荷量，在一定程度上射能力。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單比特位的翻轉(zhuǎn)截面隨著工藝趨勢(shì)（如圖 1-1 所示）[29-31]，因?yàn)槠漭^小的靈敏區(qū)域面積大大發(fā)生概率。盡管如此，器件的總翻轉(zhuǎn)截面隨工藝尺寸縮小依然器件高的集成度使不同單元間的電荷共享概率大大增加，多位動(dòng)成為納米器件單粒子效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)[25、27、29、32-34]。針對(duì)器件享問題，傳統(tǒng)的加固設(shè)計(jì)如 DICE(Daul Interlocked Cell)、路多可以通過調(diào)節(jié)多敏感節(jié)點(diǎn)的分布距離來降低共享概率，但路中，以上多敏感節(jié)點(diǎn)的調(diào)節(jié)距離有限。已有試驗(yàn)結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)，使用 DICE 加固的寄存器翻轉(zhuǎn)截面與未加固結(jié)構(gòu)并未有大2 所示[30]。對(duì)于 14 nm、10 nm 以及以下工藝節(jié)點(diǎn)，常規(guī)的電路有的挑戰(zhàn)，繼續(xù)開展相關(guān)創(chuàng)新性的理論研究非常有意義。

圖 1-2 DICE 加固與未加固器件翻轉(zhuǎn)截面隨工藝尺寸的變化趨勢(shì)[30]圖 1-3 SEMT 測(cè)量電路版圖與測(cè)量結(jié)果[35]2）新結(jié)構(gòu)、新材料的應(yīng)用對(duì)器件輻射效應(yīng)的影響統(tǒng)的器件輻射效應(yīng)多關(guān)注 CMOS 工藝器件，隨著工藝尺寸的縮小 與 UTB(Ultra Thin Body) SOI(Silicon On Insulator)工藝的39、40]。對(duì)于 FinFET 結(jié)構(gòu)的器件，，由于柵極呈立體結(jié)構(gòu)，其輻射
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN405

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2662254