宇航环境下SOI集成电路电磁敏感度研究

发布时间：2020-04-25 06:40

【摘要】：随着集成电路特征尺寸的不断减小以及工作频率的不断提升,集成电路的电磁兼容问题越来越受关注。宇航环境下的电子设备,长时间工作在狭小密闭的空间,同时还会受到空间辐射的影响,使得空间应用集成电路不仅要面对电磁兼容问题,还需要考虑辐射效应以及老化损伤等问题。电压基准电路用于给整个电路提供基准电压,是集成电路的心脏。在极端环境下,电压基准电路的输出电压容易受到影响,从而改变整个电路的稳定性。本文通过理论分析、仿真及实验,研究了SOI(Silicon-on-insulator,绝缘衬底上的硅)器件的电磁兼容与老化的协同效应,SOI工艺电压基准电路的电磁兼容与总剂量辐照的协同效应。首先,针对研究对象以及具体的实验内容进行了详细介绍。研究对象包括三款电压基准电路。通过高低温电学特性测试、电磁敏感度测试以及总剂量辐照试验,验证了总剂量辐照对电路的电学特性以及电磁敏感度产生的影响。然后,对SOI器件在电磁干扰作用下的失效机理以及老化特性进行了研究。通过理论计算,分析了器件漏电流在电磁干扰作用下产生直流偏移的机理。结合器件老化损伤机理,分析了老化对器件电学特性以及电磁敏感度的作用机理,并通过加速老化实验以及电磁敏感度测试进行了验证。结论是,器件漏电流在电磁干扰作用下产生直流偏移的原因是器件具有非线性,老化效应降低了器件的非线性,从而降低了器件的敏感度。接着,对电路在电磁干扰作用下的失效机理展开了研究。电磁敏感度的测试结果显示,本文中电压基准电路在干扰作用下的失效方式为输出基准电压产生了负向直流偏移。通过分析从不同管脚注入干扰时电路的失效机理,得出电压基准电路在电磁干扰作用下产生直流偏移的原因是电路具有非线性,并通过仿真对失效方式进行验证。结合两个对比电路的结构以及敏感度测试结果进行了分析,得出的结论是电路的非线性越强,则敏感度越大。最后,研究了总剂量辐照对电路的电学特性以及电磁敏感度的作用机理。结合总剂量辐照对器件的损伤机理,通过理论计算分析了器件参数偏移对电路电学特性的影响,并通过仿真进行了验证。分析了器件参数偏移对电路非线性的影响,并结合敏感度仿真结果,得出的结论是器件参数偏移通过改变电路的非线性来影响电路的电磁敏感度。对比了辐照前后以及退火后电压基准电路中低频的电路敏感度测试结果,定位了引起中低频电磁敏感度增加的参数。对比了高频电磁敏感度测试结果以及定向耦合器中记录的功率值,得出的结论是总剂量辐照影响了电路中的寄生电容参数,从而改变了辐照后高频电磁敏感度。
【图文】：

示意图,器件,示意图,体硅

部分提供理论基础。逡逑２．１逦ＳＯＩ器件特性逡逑如图２＿１所示，ＳＯＩ器件与体硅器件的区别主要体现在ＳＯＩ器件比体硅器件多逡逑了一个氧化层，从而实现了全介质隔离。通过离子注入的方法可以在硅材料中引入逡逑一个隐埋氧化层。除了这个氧化层外，ＳＯＩ器件与体硅器件的工艺非常接近。此外，逡逑ＳＯＩ器件没有体硅器件中的“阱”，比体硅器件的工艺更简单。隐埋氧化层的存在逡逑使ＳＯＩ器件具有很多的优点，但体区处于悬浮的状态也使得ＳＯＩ器件存在很多问逡逑题。逡逑４Ｍ逦４ｊｍ逡逑ｍ逦ｍ逦ｍ0ｍ逦ｆ９邋ｆ逡逑ｙ邋ｆ丨ｆ邋＾丨＾邋ｍ逦丨N逡逑７７＾邋ｒ７７７Ｕ＾Ｗ＿ｒ７７７７１＿｜ｊ＾＿ｆＺ＾＿Ｐ７７｜邋＼／／／＾＾ｉ＾／／／／／／／／＼？＾？ｙ／／／逡逑衬底逦衬底逡逑ａ）体硅ＣＭＯＳ器件逦ｂ）邋ＳＯＩ邋ＣＭＯＳ器件逡逑ａ）邋Ｂｕｌｋ邋ｓｉｌｉｃｏｎ邋ＣＭＯＳ邋ｄｅｖｉｃｅｓ逦ｂ）邋ＳＯＩ邋ＣＭＯＳ邋ｄｅｖｉｃｅｓ逡逑图２－１邋ＣＭＯＳ器件的示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＣＭＯＳ邋ｄｅｖｉｃｅｓ逡逑２．１．１逦ＳＯＩ器件分类逡逑ＳＯＩ器件顶层硅膜的厚度直接影响着整个器件的特性。可以根据顶层硅膜的厚逡逑度和最大耗尽层的宽度来区分ＳＯＩ器件ｆ３５ｌ当硅膜厚度大于两倍的最大耗尽宽度逡逑时，称之为部分耗尽器件（ＰＤ：邋Ｐａｒｔｉａｌｌｙ邋Ｄｅｐｌｅｔｅｄ），也就是ＰＤＳＯＩ器件。中性体区逡逑５逡逑

原理图,总剂量辐照,原理图,焦耳

在每克硅上沉积１０＿５焦耳的辐射能量，而Ｇｙ的定义是在每千克物质内沉积１焦耳逡逑的辐射能量。这两个单位可以进行互换，互换的比例为ｌＧｙ＝１０0ｒａｄ（Ｓｉ）。总剂量辐逡逑照的原理图如图２－２所示。逡逑＿Ｌ＿Ｅｍｐｔｙ邋＆逡逑逦逦４．ｑｐＦｉｌ］ｅｄ逡逑广、八”ｗ逦ｓｉ0２邋逦Ｅｖ逡逑ｊ邋Ｓｉ邋／邋ＳｉＣ逡逑图２－２总剂量辐照原理图［３７］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ２－２邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ＴＩＤ邋ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ＾７＾逡逑以ＮＭＯＳ为例，总剂量辐照能够产生电子空穴对，其中一部分电子空穴对会逡逑７逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN432

【参考文献】