影響納米CMOS器件單粒子效應(yīng)電荷收集共享關(guān)鍵問題研究.pdf

1、空間輻射效應(yīng)是影響空間應(yīng)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(yīng)機(jī)理研究較為深入，出現(xiàn)了一系列較為成熟的單粒子效應(yīng)模型、輻射加固技術(shù)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(biāo)的變化，導(dǎo)致新的輻射效應(yīng)機(jī)制不斷出現(xiàn)，為單粒子效應(yīng)研究帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。臨界電荷的降低使器件對單粒子效應(yīng)更加敏感，多節(jié)點(diǎn)電荷收集和電荷共享導(dǎo)致多單元翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象頻發(fā)；工藝波動對單

2、粒子效應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜使電荷收集量化難度加大。綜上，納米器件單粒子效應(yīng)電荷收集共享問題已經(jīng)成為器件輻射效應(yīng)研究的熱點(diǎn)問題。
　　本文針對以上問題，對影響納米器件單粒子效應(yīng)電荷收集共享的關(guān)鍵性問題展開研究，研究內(nèi)容主要包括：
　　1、軟錯誤評估是電子器件單粒子效應(yīng)機(jī)理研究、抗輻射性能評價以及輻射加固設(shè)計驗(yàn)證的有效手段。敏感體模型可量化晶體管

3、的電荷收集，是軟錯誤評估的基礎(chǔ)。當(dāng)工藝尺寸步入納米量級，新的器件結(jié)構(gòu)和電荷收集機(jī)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(jié)構(gòu)，有效解決單粒子翻轉(zhuǎn)再恢復(fù)導(dǎo)致電荷收集截止問題。改進(jìn)基于SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)模型，考慮單粒子翻轉(zhuǎn)再恢復(fù)對翻轉(zhuǎn)截面的影響?；谠撁舾畜w模型的軟錯誤評估結(jié)果準(zhǔn)確，對單粒子效應(yīng)機(jī)理研究、加固設(shè)計

4、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(yán)重。工藝波動嚴(yán)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(yīng)的影響；通過對多節(jié)點(diǎn)電荷收集導(dǎo)致DICE

5、單元加固失效的工藝波動分析，提出DICE加固設(shè)計指導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)用于數(shù)字和模擬電路中。然而，N+深阱結(jié)構(gòu)會增強(qiáng)晶體管寄生雙極效應(yīng)，使單粒子效應(yīng)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(yīng)電荷收集的影響。采用TCAD工具對不同阱摻雜濃度器件進(jìn)行重離子入射仿真，定性和定量分析N阱和深N阱摻

6、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(zhuǎn)再恢復(fù)的影響，為單粒子效應(yīng)機(jī)理研究和輻射加固工藝技術(shù)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(jìn)行軟錯誤評估。結(jié)果表明，單粒子翻轉(zhuǎn)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(rèn)為正確信號，導(dǎo)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

7、術(shù)的研究迫在眉睫。論文提出增強(qiáng)虛擬晶體管版圖級加固技術(shù)，在虛擬晶體管加固技術(shù)基礎(chǔ)上引入一個反偏結(jié)。該結(jié)構(gòu)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(chǔ)上進(jìn)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(qiáng)虛擬晶體管加固技術(shù)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(yīng)加固顯著。該加固技術(shù)具有良好的擴(kuò)展性，可用于多種組合電路標(biāo)準(zhǔn)單元中。
　　論文深入研究影響納米CMOS器件單粒子

8、效應(yīng)電荷收集和電荷共享的關(guān)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(yīng)的影響；深入研究了N+深阱工藝器件阱摻雜對單粒子效應(yīng)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(yīng)電荷收集共享的影響；提出了一種增強(qiáng)虛擬晶體管版圖級加固技術(shù)，增強(qiáng)了組合電路抗單粒子瞬態(tài)效應(yīng)能力。本文研究從納米器件單粒子效應(yīng)電荷收集和電荷共享、工藝波動、加固設(shè)計和軟錯誤評估等方面開展，既是器件輻射效應(yīng)領(lǐng)域所關(guān)注的問題，又是適應(yīng)國內(nèi)電子器