抗輻射數(shù)字電路加固技術(shù)研究

徐大為，徐 靜，肖志強(qiáng)，高向東，洪根深，陳玉蓉，周 淼

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

隨著航天技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電路抗輻射能力提出了越來(lái)越高的要求，當(dāng)前數(shù)字電路的抗輻射能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求。采用SOI工藝能提高電路的抗單粒子輻射和瞬態(tài)輻射的能力，但其存在多個(gè)硅－二氧化硅界面態(tài)，使得總劑量效應(yīng)的影響較大。本文通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行抗輻射加固，提高電路的抗輻射能力，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證電路的抗輻射能力，對(duì)抗輻射數(shù)字電路的研究具有重要意義。

2 輻射基理研究

由于宇宙和外層空間存在著大量的宇宙射線，會(huì)對(duì)集成電路產(chǎn)生總劑量、單粒子事件、瞬時(shí)輻射等輻射效應(yīng)。

2.1 總劑量輻射效應(yīng)

當(dāng)器件持續(xù)受到電離輻射時(shí)，在氧化層中以及氧化層－硅界面產(chǎn)生電荷和缺陷，從而引起器件的閾值電壓漂移，跨導(dǎo)降低，亞閾值電流增大，低頻噪聲增大[1]。

2.2 中子輻射效應(yīng)

核爆或反應(yīng)堆產(chǎn)生的高能中子（E＞10keV）通過(guò)與晶格原子的彈性碰撞和半導(dǎo)體發(fā)生相互作用，使得原子離開(kāi)平衡格點(diǎn)而造成位移，從而在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生缺陷。這種缺陷會(huì)影響多數(shù)載流子的濃度和遷移率，而對(duì)少數(shù)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合壽命構(gòu)成影響。

2.3 劑量率效應(yīng)

脈沖輻射在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生過(guò)剩載流子，這些過(guò)剩載流子為 PN結(jié)收集而形成瞬時(shí)大電流，即所謂光電流擾動(dòng)。由于電流或電壓的放大作用，在晶體管中會(huì)產(chǎn)生大的二次光電流。這種瞬時(shí)光電流會(huì)使線性電路阻塞，在數(shù)字電路中引入邏輯錯(cuò)誤，在組合邏輯單元中，這種邏輯錯(cuò)誤表現(xiàn)為瞬態(tài)擺幅或擾動(dòng)，而在雙穩(wěn)態(tài)元件如鎖存器、寄存器和存儲(chǔ)元件中表現(xiàn)為錯(cuò)誤或位反轉(zhuǎn)。

2.4 單粒子效應(yīng)

當(dāng)一個(gè)宇宙射線中的重核粒子、α粒子等高能粒子入射到器件時(shí)，對(duì)于邏輯器件或存儲(chǔ)器會(huì)引起單粒子翻轉(zhuǎn)；對(duì)于CMOS器件會(huì)產(chǎn)生單粒子閂鎖；可能還會(huì)出現(xiàn)單粒子永久損傷，這些都稱(chēng)為單粒子事件。

3 抗輻射加固方法

電路抗輻射加固主要通過(guò)優(yōu)化工藝技術(shù)、優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和版圖加固技術(shù)等方面入手。

3.1 工藝加固

MOS器件電離輻射效應(yīng)造成的主要損傷之一是閾值電壓漂移，它依賴(lài)于氧化物電荷和界面態(tài)電荷的產(chǎn)生與退火速率。

SOI材料經(jīng)過(guò)輻射會(huì)在隱埋氧化層中產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，產(chǎn)生的電子很快會(huì)移出氧化層，一部分空穴也會(huì)移出氧化層，一部分空穴則被氧化層中的空穴陷阱俘獲成為正固定電荷。對(duì)于SOI部分耗盡器件，電離輻射產(chǎn)生的隱埋氧化層電荷會(huì)引起背界面反型，導(dǎo)致背柵閾值電壓減小，特性漂移。而在隱埋氧化層中注入某些雜質(zhì)（如Al、Si、P等），可以產(chǎn)生電子陷阱，以補(bǔ)償輻射后陷入隱埋氧化層的正電荷，減小輻射后的背柵閾值電壓漂移。

3.2 電路加固技術(shù)

數(shù)字電路加固主要通過(guò)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。輻照過(guò)后N管的閾值降低會(huì)產(chǎn)生兩種現(xiàn)象[2]：（1）反向器的輸出特性曲線向左漂移，如圖1所示；（2）當(dāng)N管閾值足夠低時(shí)，輸出一直為低。對(duì)電路的改進(jìn)主要通過(guò)對(duì)N管進(jìn)行加固，在N管閾值變小時(shí)要保持N管閉合的途徑是將N管源端電勢(shì)抬到足夠高。可以在N管源端加入一組反向器，將反向器的輸出連接到原N管的源端。當(dāng)輸入高電位時(shí)，增加的AddP管閉合，其他電路不受影響。增加的AddN管與N管串聯(lián)，這將提高N管源端電位，有效增強(qiáng)電路抗輻射能力。

圖1 N管輸出特性隨閾值下降而變化（從右往左閾值從＋1V到－3V）

3.3 版圖設(shè)計(jì)加固技術(shù)

電離輻射不僅引起柵介質(zhì)退化，而且對(duì)場(chǎng)介質(zhì)也產(chǎn)生同樣的損傷，主要表現(xiàn)在場(chǎng)介質(zhì)中的大量氧化物輻射正電荷的積累，場(chǎng)區(qū)寄生溝道的形成，漏電增大導(dǎo)致場(chǎng)區(qū)失效。環(huán)形柵由于器件源區(qū)被柵包圍，避免了場(chǎng)區(qū)，可預(yù)防MOS器件場(chǎng)區(qū)邊緣的輻射寄生漏電[3]。

4 抗輻射電路驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的加固結(jié)構(gòu)的可靠性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款驗(yàn)證電路。驗(yàn)證電路由一百多門(mén)電路組成，配置成D觸發(fā)器功能，其電路邏輯圖、時(shí)序圖和版圖如圖2所示。ce為使能信號(hào)，高電平有效；sr為異步清零信號(hào)，高電平有效；d0、d1為輸入信號(hào)；q0、q1為輸出信號(hào)；ck為時(shí)鐘信號(hào)。由于電路由兩個(gè)相同寄存器組成，因此只觀察由d0和q0組成的那組寄存器。工作時(shí)Vdd、ce置高電平，Vss置低電平，給sr一個(gè)高電平脈沖，對(duì)電路清零，然后給ck加一個(gè)高電平脈沖，觀察d0端變化時(shí)輸出端q0的信號(hào)變化。

圖2 驗(yàn)證電路

4.1 總劑量輻照

采用鈷源對(duì)電路進(jìn)行了γ總劑量輻射效應(yīng)試驗(yàn)，劑量率為50rad（Si）/s。此次試驗(yàn)共采用了五只電路，其試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示，電流單位mA。輻照過(guò)程中電路輸出為發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輻照過(guò)后電路功能正常。

表1 總劑量輻照試驗(yàn)結(jié)果

4.2 抗劑量率輻射

采用“強(qiáng)光一號(hào)”加速器對(duì)電路進(jìn)行抗γ瞬時(shí)輻射效應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用五只電路，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。×1011rad（Si）/s的劑量率范圍內(nèi)，輸出有一只發(fā)生翻轉(zhuǎn)，其余保持低電位。輻照過(guò)后電流增大到2mA～7mA，斷電重置后電流依然為2mA～7mA。輻照過(guò)程中1-15、1-09劑量率較大，擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；其余三只電路在5μs～20μs之后輸出恢復(fù)到1V以下。

表2 劑量率輻照試驗(yàn)

4.3 抗中子輻照試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在脈沖試驗(yàn)反應(yīng)堆上進(jìn)行，試驗(yàn)采用輻照時(shí)不加電、各管腳短接的形式進(jìn)行，輻照劑量3×1013n/cm2，輻照18天后對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。輻照后器件功能都正常，有一只電路電流偏大。

表3 抗中子輻照試驗(yàn)結(jié)果

4.4 抗單粒子輻照試驗(yàn)

單粒子試驗(yàn)采用五只芯片，采用Br（00）、Br（300）、I（00）、Au（00）三種粒子、四種輻照方式進(jìn)行。電路翻轉(zhuǎn)位統(tǒng)計(jì)如表4所示，電路電流如表5所示。

表4 翻轉(zhuǎn)位統(tǒng)計(jì)

表5 樣品電流

電路在LET值81.8MeV·cm2/mg下未發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輻照過(guò)程中電流始終在1mA下，電路功能正常。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看到，電路經(jīng)過(guò)抗輻照加固后，抗輻照能力有了較大提升，抗總劑量輻射超過(guò)了300K，抗中子能力達(dá)到3×1013n/cm2、抗單粒子能力超過(guò)了81.8MeV·cm2/mg，但電路抗瞬態(tài)能力有待于加強(qiáng)。

5 總結(jié)

隨著抗輻照電路需求的增長(zhǎng)，提高電路抗輻射能力成為當(dāng)前必須解決的難題。本文通過(guò)對(duì)輻照機(jī)理的研究，提出幾種抗輻照的方法，設(shè)計(jì)電路進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)輻照試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用抗輻照方法設(shè)計(jì)的電路具有較強(qiáng)的抗輻照能力，為今后抗輻照電路的研制和開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 黃如，張國(guó)艷. SOI CMOS 技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] P.francis,C.Michel,D.Flandre,J.P.Colinge. Radiation-Hard Design for SOI MOS inverters[J]. IEEE Transactions on nuclear science, 1994,41(2).

[3] 陳桂梅，疊鹽，蘇秀娣. IC抗輻射加固方法[J]. 微處理機(jī)，1998，4（11）.