集成电路的单粒子多位翻转效应毕业论文(编辑修改稿)

集成电路的单粒子多位翻转效应毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

roblem is carried out in this paper. First, the result of a survey for satellites failure is described and radiation environment of space is introduced. Next, the mechanism and various factors which influence the incidence of multiplebit upset are discussed in detail. Later, single and double MOS transistor models are made by Sentaurus TCAD and simulation experiments are conducted on bipolar amplification effect and diffusion effect which are the reasons for causing multiplebit upset. Finally, according to the idea of “mechanismmodelinghardening”, a discussion on multiplebit upset hardening is presented in detail and an effective hardening measurement is proposed. Keywords: single event effect。 multiplebit upset。 Sentaurus TCAD。 130 nm transistor 湘潭大学本科生毕业论文 2 1 绪 论 论文研究背景 据美国国家地球物理数据中心 (National Geophysical Data Center， NGDC)统计，自 1971 年至 1986 年间，美国发射的 39 颗同步卫星，发生的故障共 1589 次，其中由于各种辐射效应引起的故 障达 l129 次，占故障总数的 71 %，如图 1(a)所示。 中国空间科学技术研究院的统计了我国 6 颗同步卫星中的故障原因，如图 1(b)所示，空间辐射环境引起的故障在总故障中的比例也达到了 40 %。 这些数据表明辐射效应是航天器发生故障的主要原因，是航天应用集成电路中需要解决的主要问题 [1]。 图 1 (a)美国发射的同步卫星故障统计图 (总次数为 1589次 )； (b)我国 6颗同步卫星故障统计图 (总次数为 30 次 ) 随着半导体技术的发展，器件尺寸减小、芯片集成度提高、翻转阈值降低将导致多位翻转在单粒子翻转中的比例进一步 增大 [2]。 Giot 等人就 65 nm 存储器进行了单粒子效应研究，发现在 65 nm 尺寸多位翻转成为主要的单粒子效应 [3](如图 2 所示 )。 虽然三模冗余 (TMR)、纠错码和擦洗等技术能有效降低单位翻转的影响，但并不能有效地消除多位翻转的影响。 早在 1988 年，就有学者发现了由于电荷横向扩散导致的多位翻转现象 [4]。 Calin 等对 HIT 单元进行了激光模拟试验，根据试验得出的翻转敏感区域，推断由于扩散引起的电荷共享导致加固单元翻转 [5]。 Olson 等发现由于MOS 器件体电势扰动诱导的双极效应也会引起电荷共享，并讨论了阱 接触电阻对电荷共享的影响 [6]。 Amusan 等讨论了双阱工艺下距离、 LET 以及晶体管类型对电荷共享的影响 [7]。 Gasiot 和 Giot 也分别通过器件模拟研究了 SRAM 中 MBU 敏感性与衬底掺杂轮廓、阱接触位置等因素之间的关系 [8]。 电荷共享引起单粒子多位翻转湘潭大学本科生毕业论文 3 (MBU)，但是电荷共享引起加固单元发生翻转的机制尚不明确，并且尚还没有文献深入讨论电荷共享的加固方法，本文基于此开展了一系列的单粒子多位翻转机制的探讨和一些加固措施的研究。 图 2 SBU 和 MBU 在 90 nm 和 65 nm 的 SRAM 单粒子翻转所占的比例 图 单粒子效应所在的空间辐射环境 实上单粒子效应最初就是在空间环境中发现的。 单粒子效应是诱发航天器异常的主要空间环境效应之一。 进一步的模拟试验和在轨卫星的测试证实，几乎所有的航天用集成电路都能发生单粒子效应。 银河宇宙射线 它是来自太阳系之外的带电粒子流，其主要成分是高能质子 (约占 88 %)，很少的  粒子和重核。 粒子能量为 108 eV~ 1020 eV，粒子通量为 2 /(cm2s)~4 /(cm2s)。 由于粒子能量很高，难以对它屏蔽， 但其通量很低，剂量一般不超过几毫拉德 (小于105 Gy)。 地磁俘获辐射带 大量的带电粒子被地球磁场所俘获，形成了一个半径大约为六七个地球半径长的辐射带，亦称“范艾伦”带 (如图 3 所示 )。 由于带电粒子空间分布不均匀，比较集中地形成了两个辐射带：内辐射带和外辐射带。 内辐射带在赤道平面上空 600 km~1000 km，纬度边界约为 40176。 ，强度最大的中心位置距地球 3000 km 左右。 内辐射带粒子成分主要是质子和电子，质子能量一般为几兆电子伏到几百兆电子伏，通量为 10 J/(m2s)，能量大于 MeV 的电子通量约为 105 J/(m2s)需要特别指出的是，由于地球磁场的不均匀性，在西经 100176。 至湘潭大学本科生毕业论文 4 东经 20176。 ，南纬 20176。 至 50176。 的南大西洋上空，内辐射带的边界下降到 200 km 左右，这一带地区称为南大西洋异常区。 实践证明，通过此区域的飞船舱内剂量有明显增加，当飞船轨道低于 600 km、倾角不大时，这一辐射环境是构成舱内辐射剂量的主要因素。 外辐射带的空间范围很大，中心位置在赤道上空 20200 km 以上，纬度边界 55o到 70o。 其主要成份是低能质子和电子，能量低于 1 MeV，最大通量达 10 J/(m2s)。 太阳质子事件 太阳色球曾经常发生局部区域短时间增亮现象，这个现象称为太阳耀斑。 这时往往伴随着大量高能质子发射，称为太阳粒子辐射或太阳质子事件。 质子能量为 10 MeV~1000 MeV。 除质子外，还有较少的  粒子和重核。 太阳质子事件发生时，还可能发生太阳 X 射线爆发、电离层扰动、磁暴等现象，这会使航天器甚至航天员都受到较强的辐射剂量。 图 3 地球的周边的范艾伦带 其他辐射带 其他辐射环境像核辐射环境、大气环境、地面环境及工艺 生产过程中的带入的辐射效应等。 核辐射环境：包括核爆炸环境和核动力环境，核辐射环境中的高能粒子主要有快中子流、高能电子流、  射线、 X 射线、  射线、  射线等，其中  射线、  射湘潭大学本科生毕业论文 5 线易被大气吸收，射程很短，对电子设备及其元器件威胁最大的是快中子流、高能电子流和  射线。 核辐射的强度是核反应当量和离核反应中心距离的函数。 核反应当量越大，离核反应中心越近，则辐射强度越大。 中子辐射导致微电子器件损伤的有效半径在高空核爆炸时为几十公里，在低空时为 1 km 左右；  射线的有效辐射半径在高空时达几百公里，在低空时也有 3~4 km。 一百万吨级的核武器在 100 km 的高空爆炸时，在离爆炸中心 30 km 处，其中子通量至少为 1013 中子 /cm2；在离爆炸中心 160 km 处，  射线的剂量约为 107 rad(Si)/s。 这种辐射强度足以使未经加固的微电子器件失效。 大气辐射环境：单粒子效应并非只发生于太空环境中，大气环境中的中子和重离子将对电子器件产生相似的干扰。 IBM 和波音公司的飞行试验表明，大气环境中的中子可以导致航空电子器件发生单粒子效应。 费米实验室 (Fermi Lab)的大型计算机系统 ACPMAPS，包含有 160 GB 的 DRAM 存储器，当被全面监测时，每天大约观察到 次翻转，相当于 71013 Upset/。 地面环境及工艺生产过程中的带入的辐射效应 :在微电子器件的制造过程中 ，某些工艺过程 (如电子束光刻、电子束蒸发、等离子刻蚀、溅射和离子注入等 )也会引入各种辐射，封装材料中微量放射性元素也是对 器件有影响的一类辐射源。 据报道，封装材料中含有微量放射性元素铀、 钍，这些放射性物质在其衰变过程中会放射出 射线，其最大能量为 9 MeV，平均能量为 5 MeV。 一旦  射线进入硅衬底时，与 PN结发生碰撞。 在芯片中产生电子 空穴对，使结电场急剧变化。 能量为 5 MeV 时，约产生 106电子 空穴对。 射线能 穿进 20~30 m 深。 这也成为造成日常使用的各种微处理器不可靠的因素之一。 湘潭大学本科生毕业论文 6 2 单粒子多位翻转的机制及各种影响因素 单粒子的描述参数及作用机制 几个反映单粒子多位翻转的重要参数 入射粒子对器件损伤的强弱通常用线性能量传输 (LET， Linear Energy Transfer)来表示，确切的说， LET 表示的是入射粒子在单位长度上淀积的能量，通常再除以硅的密度，将 LET 值用密度归一化，单位变为 MeVmg1cm2，式子如 (1)。 dxdELET 1 (1) 在硅材料中，单粒子效应在单位长度上产生的电子 — 空穴对为： L E TpaireVdxdPdxdN  /  (2) 所以 LET 还有一个单位 pC/ m ， 214619 12    在后面进行器件数值模拟时，我们将用到这个单位。 单粒子 效应发生的几率通常用截面来表示，定义为：  /N (3) 式中：  为单粒子效应截面，单位是 cm2； N 为器件发生某一种效应的次数；Ф 为单位面积的入射粒子数，单位是 cm2。 截面越大，器件抗单粒子效应的能力越差。 为了比较不同集成度的器件的抗单粒子效应水平，定义位截面为总截面除以总单元数，表示每个单元发生单粒子效应的几率。 单粒子效 应截面的大小既依赖于入射粒子的种类和能量，又依赖于器件发生单粒子效应的临界电荷，也就是依赖于器件类型、工艺结构、集成度和偏置电压等。 临界电荷定义为导致器件逻辑状态翻转所必需的最小电荷，“临界电荷”用公式表示为 [9]： dttIQ tcrit  0 (4) 重带电离子的电离、激发和能量损失 宇宙中的各种射线，大致可分为两类： (1)带电粒子组成的射线，如由正电子或电子组 成的  射线，由氦原子核组成的  射线和空间中的许多重离子射线等； (2)中湘潭大学本科生毕业论文 7 性粒子组成的射线，如由电磁波组成的  射线和 X 射线，由中子组成的射线等。 中子流对集成电路的损伤主要是考虑位移效应，受影响最大的是双极晶体管等少数载流子导电的器件，对于场效应管影响较小，本课题不做重点研究。  射线主要导致总剂量效应、剂量率效应， X 射线主要考虑剂量增强效应 ，这些效应不在本论文的研究范围之内，所以这一节我们只考虑由重带电粒子组成的射线与物质的相互作用[8]。 重带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子 (主要是外壳层电子 )之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。 如果壳层电子获得的能量足够大。 它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。 这时，物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子，它们合称为离子对。 这样一个过程就称为电离。 如果壳层电子获得的能量比较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去，这个 现象称为原子的激发。 处于激发态的原子是不稳定的，它要自发的跳回原来的基态，这个过程就叫做原子的退激。 在原子退激时，其中多余的能量将以可见光或紫外光的形式释放出来，这就是受激原子的发光现象。 由原入射重带电粒子直接与原子相互作用产生的电离称为直接电离或初级电离。 在电离过程中发射出来的电子叫做次级电子或称  电子 (又称  射线 )。 如果次级电子具有足够高的能量 (通常大于 100 eV 以上 )，它还能进一步使物质的其它原子产生电离。 这种 由  电子引起的电离和激发就是通常所说的次级电离。 初级电离和次级电离之和构成了入射带电粒子的总电离。 一般说来，次级电离要占总电离的 60~80 %。 重带电粒子在物质中通过单位长度路径时，由于电离和激发而引起的能量损失称为电离损失率，用电离dxdE 来表示，其中的负号表示能量的减少。 理论推得电离dxdE 的表达式为      22224 12ln4 I vmvm nZzedxdE ee电离 (5) 其中 z 和 v 分别是入射重带电。