國內(nèi)外的航天實(shí)踐表明,單粒子效應(yīng)（Single event effect,SEE）是空間環(huán)境中誘發(fā)衛(wèi)星異常的主要因素之一,而隨著半導(dǎo)體器件工藝尺寸的不斷縮減,微納器件中單粒子瞬態(tài)（Single-event-transient,SET）脈沖效應(yīng)引發(fā)的錯誤逐漸成為總軟錯誤中的主導(dǎo)因素。深入研究微納器件中SET脈沖的電荷收集、傳輸規(guī)律和在電路中傳播引發(fā)的錯誤結(jié)果,并揭示其內(nèi)在作用機(jī)制,可為抗輻照芯片設(shè)計人員提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。本文以微納器件SET脈沖效應(yīng)的電荷收集、傳輸機(jī)制研究為主線,自主搭建了用于采集裸片微弱SET脈沖信號的探針測試平臺,設(shè)計了一款130 nm體硅工藝組合邏輯器件和一款130 nm SOI（Silicon-on-insulator,SOI）工藝時序邏輯器件,利用脈沖激光、重離子和數(shù)值仿真等方法研究了體硅工藝和SOI工藝單管的SET脈沖電荷收集規(guī)律、體硅組合邏輯電路中SET脈沖的傳輸規(guī)律及體硅、SOI工藝時序邏輯電路的單粒子翻轉(zhuǎn)（Single event upset,SEU）敏感性。全文從SET脈沖的產(chǎn)生到傳播再到在后續(xù)電路誘發(fā)錯誤等三個關(guān)鍵過程出發(fā)展開了詳細(xì)的研究,研究... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)北京市

【文章頁數(shù)】：139 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

SET脈沖被后端鎖存器捕獲導(dǎo)致軟錯誤[21]

微納器件單粒子瞬態(tài)脈沖效應(yīng)的電荷收集與傳輸機(jī)制研究4圖1-3組合邏輯與時序電路軟錯誤的比較隨著器件特征尺寸的縮減和工作頻率的不斷提高，由SET脈沖效應(yīng)引發(fā)的電路錯誤的分析及加固面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，SET脈沖電荷的收集與傳輸?shù)囊?guī)律及其內(nèi)在作用機(jī)制存在深入研究的必要。1.2.2SET脈沖的電荷收集和傳輸當(dāng)器件敏感區(qū)域受高能粒子轟擊產(chǎn)生自由電荷后，電荷的收集和輸運(yùn)過程主要由漂移、擴(kuò)散和復(fù)合三種物理過程決定[29]：1）漂移運(yùn)動：當(dāng)器件敏感節(jié)點(diǎn)受輻照產(chǎn)生電子-空穴對時，反偏PN結(jié)的電場將使載流子發(fā)生漂移運(yùn)動。對于截止?fàn)顟B(tài)的NMOS管，電子在電場力的作用向漏區(qū)漂移形成電流，空穴則沉積在體區(qū)或漂移運(yùn)動到源區(qū)。載流子的漂移速度只受飽和速度的限制，因此漂移過程往往很快，持續(xù)時間大約在ps量級。2）擴(kuò)散運(yùn)動：擴(kuò)散運(yùn)動是由于器件內(nèi)部載流子濃度梯度引起的載流子輸運(yùn)過程。擴(kuò)散作用下的電荷收集發(fā)生在受轟擊的PN結(jié)，但若電荷也在相鄰PN結(jié)的擴(kuò)散長度內(nèi)，載流子也會被收集。不同于漂移運(yùn)動，擴(kuò)散過程較為緩慢，電荷收集典型的持續(xù)時間是數(shù)百ps或幾個ns。3）載流子復(fù)合：兩種極性相反的載流子通過結(jié)合相湮滅而產(chǎn)生復(fù)合電流的過程[30][31]。此外，受器件結(jié)構(gòu)或輻照特性的影響，在電荷收集過程中還存在其他可能導(dǎo)致收集電荷量增多的機(jī)理，如漏斗效應(yīng)和寄生雙極放大效應(yīng)等：4）漏斗效應(yīng)當(dāng)高能粒子入射穿過器件有源區(qū)中的反偏PN結(jié)時，入射徑跡周圍將電離出大量的電子-空穴對，漏區(qū)和P型襯底/N型阱之間的反偏PN結(jié)的耗盡區(qū)電場受

第一章緒論5高密度的載流子的影響將發(fā)生畸變，從而擴(kuò)大器件內(nèi)部的高電場區(qū)域，該高電場區(qū)域沿著粒子入射徑跡方向，形狀酷似漏斗。因高電場區(qū)域存在高導(dǎo)通特性，因此漏體結(jié)耗盡層區(qū)域以外、但在漏斗電場區(qū)域的電離電荷也將被器件漏極收集，這種電荷收集機(jī)制被稱為“漏斗效應(yīng)”[32][33][34]。漂移運(yùn)動在漏斗電場的作用下將增強(qiáng)，從而收集更多的電荷。5）寄生雙極放大效應(yīng)在CMOS工藝下，NMOS和PMOS管中分別寄生存在NPN型和PNP型雙極晶體管，圖1-4中標(biāo)出了PMOS管中的寄生雙極晶體管示意圖。對于處于截止?fàn)顟B(tài)的PMOS管：當(dāng)PMOS管漏極受到帶電粒子的轟擊時，在粒子的入射徑跡上將電離出大量的電子-空穴對，其中空穴在漏/N阱結(jié)的反偏電場和漏斗電場的作用下迅速漂移至漏極，而電子則主要沉積在N阱中，N阱中大量的電子會拉低N阱電勢，這導(dǎo)致PMOS的源/N阱結(jié)正向偏置，從而使PMOS管中的PNP型雙極晶體管被打開，此時源極也將不斷的向漏極注入空穴，從而增加了PMOS管在漏極收集的電荷量。寄生雙極放大效應(yīng)的存在將顯著增大器件靈敏區(qū)收集電荷的能力[35]，隨著器件特征尺寸的不斷減小，體硅CMOS工藝中寄生雙極晶體管的放大效應(yīng)不斷嚴(yán)重，其作用強(qiáng)度對SET脈沖的寬度起決定作用[36]。研究表明，NMOS晶體管受寄生雙極放大效應(yīng)的影響小很多，甚至可以忽略不計[37]，但PMOS晶體管中的寄生雙極效應(yīng)十分嚴(yán)重。圖1-4CMOS工藝中PMOS晶體管中PNP型寄生雙極晶體管示意圖1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國內(nèi)外相關(guān)研究在研究內(nèi)容上，隨著微電子器件的工藝尺寸的不斷縮小，國內(nèi)外許多學(xué)者對微納器件的SET脈沖效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理和加固設(shè)計進(jìn)行了一系列研究。例如，國內(nèi)畢津順等人利用脈沖激光研究了金屬間距和多晶硅層對SET脈沖的影響，發(fā)

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博士論文
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碩士論文
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