基于SOI的微電子器件抗輻射加固技術

范家熠

（江蘇科技大學蘇州理工學院電子工程系 江蘇 張家港 215600）

1 引言

在太空環境下，輻射會穿透人造衛星的表面，這使得人造衛星中的集成電器會逐漸聚集離子，進而產生電離，并引發嚴重的瞬時效應與閉鎖效應，從而導致微電子器件失效，這種影響非常不利于人造衛星的可靠運行，因此需要采取相應的工藝方法來對微電子器件進行保護。SOI工藝是國際上使用最為廣泛的抗輻射加固工藝，這種工藝能夠有效保護微電子器件不會受到輻射的影響，大大提高微電子器件的抗輻射性能，使微電子器件在壽命周期內得到了非常可靠的保護。

2 SOI工藝的應用優勢及現狀

2.1 SOI工藝的應用優勢

現階段，世界各國在制造微電子器件抗輻射電路過程中，主要采用SOI與SOS兩種工藝，這兩種工藝的加工精度能夠控制在0.2至1μm范圍以內，相比于SOS工藝，SOI工藝的制造成本要更低，而且集成度較高，所產生的漏電流也非常小，并且在抗輻射性能要更好，速度也較高，SOI工藝的出現，使體硅CMOS中因導電類型的不同而造成隔離結構不同的技術難題得到了有效解決，SOI工藝是將絕緣層埋置于單晶層中，并通過在開溝下設置絕緣介質來進行隔離的，這種工藝能夠去除PN結隔離，從而使隔離結構的漏電量得到了大幅減少，顯著增強了微電子器件的耐壓能力，同時也大大提高了微電子器件的速度、溫度、耐壓以及抗輻射等特性。可以說，SOI工藝的出現，使微電子器件在太空環境中的閉鎖效應得到了根本上的解決。

2.2 SOI工藝的應用現狀

就目前來看，我國已經開始全面研究SOI工藝技術，但還尚未應用于大規模微電子器件的生產之中，目前我國所制作的抗輻射電路已經達到2μm至3μm的加工精度，SOI工藝也將逐漸代替原有的SOS工藝，并進一步帶動了半導體器件的發展。SOI工藝的出現，必將在未來很長一段時間內成為微電子器件制造的主流技術。

3 基于SOI的微電子器件抗輻射加固技術

微電子器件的抗輻射能力是通過特殊設計與處理來實現的，而微電子器件所具備的抗輻射強度，則是以芯片輻射級實驗作為前提，以此確保微電子器件在輻射環境中也能滿足其運行可靠性要求。對微電子器件抗輻射加固的設計主要包括其五大特性，這也是SOI工藝的主要內容。

3.1 抗總劑量

在太空環境下，微電子器件會逐漸聚集離子，當離子聚集到一定程度后，便會產生電離，從而進一步引發瞬時與閉鎖效應。因此，離子總積累量會逐漸加大對微電子器件性能的影響，離子電荷主要是在氧化層和表面陷阱中積累的，這會造成微電子器件出現閡值漂移，從而降低其表面遷移率，使器件性能受到影響。在進行加固時，可采用較高的電子陷阱密度與較低介面態的材料來充當柵的介質，使其能夠在輻射過程中抵消部分產生的電荷，達到穩定閾值的目的。還可通過無厚氧層和非等平面工藝的應用來減少電離子的聚集，并對柵的形狀進行改變，能夠消除邊墻效應，利用高濃度源平面結構來削弱電子空穴對的占比，從而起到削弱輻射影響的作用，并通過特殊控制技術的應用來降低微電子器件的表面態。

3.2 抗劑量率干擾

對于抗劑量率干擾問題，在SOI工藝中，主要是通過spice來模擬輻射作用下微電子器件的光電流效應，以此確保輻射可控范圍內微電子器件能夠正常工作，對于模擬過程中的光電流參數，則可以采用理論公式進行計算，也可以通過實驗來獲得。

3.3 抗中子

對于微電子器件來說，其可看作是多數載流子器件，該器件在抗中子輻射容限上表現良好，其在受到中子輻射時，其襯底材料中的電阻率會增加，同時其溝道載流子的遷移率會下降，相應的柵氧化層所具有的表面態密度會增加，從而使器件的柵電容增加，這會對器件的高頻特性造成不利影響。因此，在SOI技術中，需要對其進行速度冗余設計，并對微電子器件在最惡劣環境下的損傷機理進行仿真模擬。

3.4 抗單項干擾和抗閉鎖

在抗單項干擾設計中，需要采取橫向隔離的方式將各個單元進行隔離起來，確保單項效應在聚集電荷時有著最短的充電路徑，以此降低電荷對各個節點的影響。在抗閉鎖設計中，微電子器件閉鎖效應的主要發生點為N襯底與P阱的結，光電流在突破該結時會產生電流正反饋，進而引發閉鎖效應。因此在SOI工藝中，需要進行電流輸導，使光電流能夠直接返回至電源，并通過橫向隔離的加強來形成橫縱向之間的輸導反差。

4 結語

總而言之，在基于SOI的微電子器件抗輻射加固技術中，通過采用上述方法和措施，能夠使微電子器件的抗輻射性能得到大幅提升，進而有效保證了電子器件在高輻射環境下的運行穩定性，使人工衛星得以在太空環境中正常運行。