本文關鍵詞：影響納米CMOS器件單粒子效應電荷收集共享關鍵問題研究

  更多相關文章： 單粒子效應 電荷收集 TCAD仿真 敏感體模型 工藝波動 輻射加固設計 CMOS器件

【摘要】：空間輻射效應是影響空間應用電子器件可靠性的主要因素。針對微米量級及以上器件的單粒子效應機理研究較為深入,出現(xiàn)了一系列較為成熟的單粒子效應模型、輻射加固技術以及軟錯誤評估方法。然而,隨著集成電路工藝尺寸縮小、集成度提高、工作電壓降低以及時鐘頻率增大等工藝水平與性能指標的變化,導致新的輻射效應機制不斷出現(xiàn),為單粒子效應研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。臨界電荷的降低使器件對單粒子效應更加敏感,多節(jié)點電荷收集和電荷共享導致多單元翻轉現(xiàn)象頻發(fā);工藝波動對單粒子效應電荷收集共享的影響更加顯著;組合邏輯單粒子瞬態(tài)逐漸成為集成電路軟錯誤的主要因素;器件尺寸縮小、結構復雜使電荷收集量化難度加大。綜上,納米器件單粒子效應電荷收集共享問題已經(jīng)成為器件輻射效應研究的熱點問題。本文針對以上問題,對影響納米器件單粒子效應電荷收集共享的關鍵性問題展開研究,研究內容主要包括:1、軟錯誤評估是電子器件單粒子效應機理研究、抗輻射性能評價以及輻射加固設計驗證的有效手段。敏感體模型可量化晶體管的電荷收集,是軟錯誤評估的基礎。當工藝尺寸步入納米量級,新的器件結構和電荷收集機理使敏感體模型量化電荷收集的難度增大。本文對開態(tài)晶體管電荷收集展開研究,提出考慮開態(tài)晶體管電荷收集的敏感體模型,可提高電荷收集量化精度。建立開態(tài)晶體管敏感體參數(shù)提取電路結構,有效解決單粒子翻轉再恢復導致電荷收集截止問題。改進基于SRAM的單粒子翻轉模型,考慮單粒子翻轉再恢復對翻轉截面的影響。基于該敏感體模型的軟錯誤評估結果準確,對單粒子效應機理研究、加固設計和工程評價具有重要意義;2、隨著晶體管特征尺寸的縮小,晶體管工藝波動日趨嚴重。工藝波動嚴重影響集成電路性能,是難以避免的可靠性問題。工藝波動對單粒子效應電荷收集共享的影響也不容小覷。本文采用TCAD和蒙特卡羅工藝波動仿真結合的方法,定性和定量分析工藝波動對單粒子瞬態(tài)及單粒子瞬態(tài)脈寬窄化的影響,為組合電路單粒子效應加固提供參考。量化研究柵氧厚度、閾值電壓、柵長和柵寬等參數(shù)波動對單粒子效應的影響;通過對多節(jié)點電荷收集導致DICE單元加固失效的工藝波動分析,提出DICE加固設計指導方案;定量研究考慮工藝波動的SRAM軟錯誤評估,給出工藝波動對單粒子翻轉截面的影響;3、N+深阱工藝可有效緩解系統(tǒng)襯底噪聲,廣泛應用于數(shù)字和模擬電路中。然而,N+深阱結構會增強晶體管寄生雙極效應,使單粒子效應更加顯著。本文基于65nm N+深阱工藝,深入研究阱摻雜對單粒子效應電荷收集的影響。采用TCAD工具對不同阱摻雜濃度器件進行重離子入射仿真,定性和定量分析N阱和深N阱摻雜濃度對單粒子瞬態(tài)、單粒子多瞬態(tài)、單粒子瞬態(tài)脈寬窄化以及單粒子翻轉再恢復的影響,為單粒子效應機理研究和輻射加固工藝技術提供理論支持;采用TCAD仿真量化不同阱摻雜濃度的N+深阱器件敏感體參數(shù),并進行軟錯誤評估。結果表明,單粒子翻轉截面隨阱摻雜濃度增大而增大;4、納米量級工藝集成電路中,單粒子瞬態(tài)脈寬已經(jīng)接近時鐘周期可被誤認為正確信號,導致組合電路單粒子瞬態(tài)占集成電路軟錯誤的比重越來越大。因此對納米量級組合電路單粒子瞬態(tài)加固技術的研究迫在眉睫。論文提出增強虛擬晶體管版圖級加固技術,在虛擬晶體管加固技術基礎上引入一個反偏結。該結構不僅可收集粒子入射電離產(chǎn)生的載流子,而且還收集源區(qū)注入載流子,在虛擬晶體管基礎上進一步緩解單粒子瞬態(tài)。TCAD仿真表明與其他加固版圖相比,增強虛擬晶體管加固技術的單粒子瞬態(tài)脈寬最小,在一定的粒子角度入射條件下單粒子效應加固顯著。該加固技術具有良好的擴展性,可用于多種組合電路標準單元中。論文深入研究影響納米CMOS器件單粒子效應電荷收集和電荷共享的關鍵問題。提出了開態(tài)晶體管敏感體模型,揭示了開態(tài)晶體管電荷收集對單粒子效應的影響;深入研究了N+深阱工藝器件阱摻雜對單粒子效應電荷收集的影響;定性和定量分析了工藝波動對單粒子效應電荷收集共享的影響;提出了一種增強虛擬晶體管版圖級加固技術,增強了組合電路抗單粒子瞬態(tài)效應能力。本文研究從納米器件單粒子效應電荷收集和電荷共享、工藝波動、加固設計和軟錯誤評估等方面開展,既是器件輻射效應領域所關注的問題,又是適應國內電子器件空間應用的發(fā)展需求,因此,本論文的研究具有理論意義和實際應用價值。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN32

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