微纳器件单粒子瞬态脉冲效应的电荷收集与传输机制研究
发布时间：2022-02-05 07:51
国内外的航天实践表明,单粒子效应（Single event effect,SEE）是空间环境中诱发卫星异常的主要因素之一,而随着半导体器件工艺尺寸的不断缩减,微纳器件中单粒子瞬态（Single-event-transient,SET）脉冲效应引发的错误逐渐成为总软错误中的主导因素。深入研究微纳器件中SET脉冲的电荷收集、传输规律和在电路中传播引发的错误结果,并揭示其内在作用机制,可为抗辐照芯片设计人员提供数据参考和理论依据。本文以微纳器件SET脉冲效应的电荷收集、传输机制研究为主线,自主搭建了用于采集裸片微弱SET脉冲信号的探针测试平台,设计了一款130 nm体硅工艺组合逻辑器件和一款130 nm SOI（Silicon-on-insulator,SOI）工艺时序逻辑器件,利用脉冲激光、重离子和数值仿真等方法研究了体硅工艺和SOI工艺单管的SET脉冲电荷收集规律、体硅组合逻辑电路中SET脉冲的传输规律及体硅、SOI工艺时序逻辑电路的单粒子翻转（Single event upset,SEU）敏感性。全文从SET脉冲的产生到传播再到在后续电路诱发错误等三个关键过程出发展开了详细的研究,研究...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
SET脉冲被后端锁存器捕获导致软错误[21]
微纳器件单粒子瞬态脉冲效应的电荷收集与传输机制研究4图1-3组合逻辑与时序电路软错误的比较随着器件特征尺寸的缩减和工作频率的不断提高，由SET脉冲效应引发的电路错误的分析及加固面临严峻的挑战。因此，SET脉冲电荷的收集与传输的规律及其内在作用机制存在深入研究的必要。1.2.2SET脉冲的电荷收集和传输当器件敏感区域受高能粒子轰击产生自由电荷后，电荷的收集和输运过程主要由漂移、扩散和复合三种物理过程决定[29]：1）漂移运动：当器件敏感节点受辐照产生电子-空穴对时，反偏PN结的电场将使载流子发生漂移运动。对于截止状态的NMOS管，电子在电场力的作用向漏区漂移形成电流，空穴则沉积在体区或漂移运动到源区。载流子的漂移速度只受饱和速度的限制，因此漂移过程往往很快，持续时间大约在ps量级。2）扩散运动：扩散运动是由于器件内部载流子浓度梯度引起的载流子输运过程。扩散作用下的电荷收集发生在受轰击的PN结，但若电荷也在相邻PN结的扩散长度内，载流子也会被收集。不同于漂移运动，扩散过程较为缓慢，电荷收集典型的持续时间是数百ps或几个ns。3）载流子复合：两种极性相反的载流子通过结合相湮灭而产生复合电流的过程[30][31]。此外，受器件结构或辐照特性的影响，在电荷收集过程中还存在其他可能导致收集电荷量增多的机理，如漏斗效应和寄生双极放大效应等：4）漏斗效应当高能粒子入射穿过器件有源区中的反偏PN结时，入射径迹周围将电离出大量的电子-空穴对，漏区和P型衬底/N型阱之间的反偏PN结的耗尽区电场受
第一章绪论5高密度的载流子的影响将发生畸变，从而扩大器件内部的高电场区域，该高电场区域沿着粒子入射径迹方向，形状酷似漏斗。因高电场区域存在高导通特性，因此漏体结耗尽层区域以外、但在漏斗电场区域的电离电荷也将被器件漏极收集，这种电荷收集机制被称为“漏斗效应”[32][33][34]。漂移运动在漏斗电场的作用下将增强，从而收集更多的电荷。5）寄生双极放大效应在CMOS工艺下，NMOS和PMOS管中分别寄生存在NPN型和PNP型双极晶体管，图1-4中标出了PMOS管中的寄生双极晶体管示意图。对于处于截止状态的PMOS管：当PMOS管漏极受到带电粒子的轰击时，在粒子的入射径迹上将电离出大量的电子-空穴对，其中空穴在漏/N阱结的反偏电场和漏斗电场的作用下迅速漂移至漏极，而电子则主要沉积在N阱中，N阱中大量的电子会拉低N阱电势，这导致PMOS的源/N阱结正向偏置，从而使PMOS管中的PNP型双极晶体管被打开，此时源极也将不断的向漏极注入空穴，从而增加了PMOS管在漏极收集的电荷量。寄生双极放大效应的存在将显著增大器件灵敏区收集电荷的能力[35]，随着器件特征尺寸的不断减小，体硅CMOS工艺中寄生双极晶体管的放大效应不断严重，其作用强度对SET脉冲的宽度起决定作用[36]。研究表明，NMOS晶体管受寄生双极放大效应的影响小很多，甚至可以忽略不计[37]，但PMOS晶体管中的寄生双极效应十分严重。图1-4CMOS工艺中PMOS晶体管中PNP型寄生双极晶体管示意图1.3国内外研究现状1.3.1国内外相关研究在研究内容上，随着微电子器件的工艺尺寸的不断缩小，国内外许多学者对微纳器件的SET脉冲效应的发生机理和加固设计进行了一系列研究。例如，国内毕津顺等人利用脉冲激光研究了金属间距和多晶硅层对SET脉冲的影响，发
【参考文献】：
期刊论文
[1]130nm体硅反相器链的单粒子瞬态脉宽特性研究[J]. 李赛,陈睿,韩建伟. 北京航空航天大学学报. 2019(06)
[2]CMOS/SOI工艺触发器单元的单粒子实验验证与分析[J]. 李海松,蒋轶虎,杨博,岳红菊,唐威. 北京理工大学学报. 2018(01)
[3]结深对65nm体硅CMOS晶体管单粒子瞬态脉冲的影响[J]. 刘蓉容,池雅庆,窦强. 计算机工程与科学. 2017(12)
[4]65nm反相器单粒子瞬态脉宽分布的多峰值现象[J]. 刘家齐,赵元富,王亮,郑宏超,舒磊,李同德. 电子技术应用. 2017(01)
[5]一种抗单粒子翻转的D触发器[J]. 杨玉飞. 微处理机. 2015(01)
[6]基于脉冲激光单粒子效应的二次光斑研究[J]. 姜昱光,封国强,朱翔,马英起,上官士鹏,余永涛,韩建伟. 原子能科学技术. 2013(12)
[7]基于DICE结构的主-从型抗辐照触发器设计[J]. 田浩,杨洪强,马骁,何善亮. 微电子学. 2013(01)
[8]单粒子瞬变中的双极放大效应研究[J]. 刘征,陈书明,梁斌,刘必慰,赵振宇. 物理学报. 2010(01)
[9]SET传播过程中的脉冲展宽效应[J]. 梁斌,陈书明,刘必慰,刘征. 半导体学报. 2008(09)
[10]东方红三号系列卫星在轨故障统计分析[J]. 赵海涛,张云彤. 航天器工程. 2007(01)
博士论文
[1]CMOS集成电路电荷共享单粒子翻转分析及加固[D]. 徐慧.湖南大学 2016
[2]脉冲激光模拟SRAM单粒子效应的试验研究[D]. 余永涛.中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心) 2015
[3]纳米CMOS集成电路单粒子诱导的脉冲窄化及电荷共享效应研究[D]. 秦军瑞.国防科学技术大学 2013
[4]单粒子效应的脉冲激光试验研究[D]. 马英起.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2011
[5]集成电路单粒子效应建模与加固方法研究[D]. 刘必慰.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]单粒子效应分析与电路级模拟研究[D]. 文琦琪.电子科技大学 2018
[2]基于SOI的抗辐照结构研究[D]. 刘洋.电子科技大学 2017
[3]基于SET传播特性的软错误率研究[D]. 靳丽娜.电子科技大学 2015
本文编号：3614859
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
SET脉冲被后端锁存器捕获导致软错误[21]
微纳器件单粒子瞬态脉冲效应的电荷收集与传输机制研究4图1-3组合逻辑与时序电路软错误的比较随着器件特征尺寸的缩减和工作频率的不断提高，由SET脉冲效应引发的电路错误的分析及加固面临严峻的挑战。因此，SET脉冲电荷的收集与传输的规律及其内在作用机制存在深入研究的必要。1.2.2SET脉冲的电荷收集和传输当器件敏感区域受高能粒子轰击产生自由电荷后，电荷的收集和输运过程主要由漂移、扩散和复合三种物理过程决定[29]：1）漂移运动：当器件敏感节点受辐照产生电子-空穴对时，反偏PN结的电场将使载流子发生漂移运动。对于截止状态的NMOS管，电子在电场力的作用向漏区漂移形成电流，空穴则沉积在体区或漂移运动到源区。载流子的漂移速度只受饱和速度的限制，因此漂移过程往往很快，持续时间大约在ps量级。2）扩散运动：扩散运动是由于器件内部载流子浓度梯度引起的载流子输运过程。扩散作用下的电荷收集发生在受轰击的PN结，但若电荷也在相邻PN结的扩散长度内，载流子也会被收集。不同于漂移运动，扩散过程较为缓慢，电荷收集典型的持续时间是数百ps或几个ns。3）载流子复合：两种极性相反的载流子通过结合相湮灭而产生复合电流的过程[30][31]。此外，受器件结构或辐照特性的影响，在电荷收集过程中还存在其他可能导致收集电荷量增多的机理，如漏斗效应和寄生双极放大效应等：4）漏斗效应当高能粒子入射穿过器件有源区中的反偏PN结时，入射径迹周围将电离出大量的电子-空穴对，漏区和P型衬底/N型阱之间的反偏PN结的耗尽区电场受
第一章绪论5高密度的载流子的影响将发生畸变，从而扩大器件内部的高电场区域，该高电场区域沿着粒子入射径迹方向，形状酷似漏斗。因高电场区域存在高导通特性，因此漏体结耗尽层区域以外、但在漏斗电场区域的电离电荷也将被器件漏极收集，这种电荷收集机制被称为“漏斗效应”[32][33][34]。漂移运动在漏斗电场的作用下将增强，从而收集更多的电荷。5）寄生双极放大效应在CMOS工艺下，NMOS和PMOS管中分别寄生存在NPN型和PNP型双极晶体管，图1-4中标出了PMOS管中的寄生双极晶体管示意图。对于处于截止状态的PMOS管：当PMOS管漏极受到带电粒子的轰击时，在粒子的入射径迹上将电离出大量的电子-空穴对，其中空穴在漏/N阱结的反偏电场和漏斗电场的作用下迅速漂移至漏极，而电子则主要沉积在N阱中，N阱中大量的电子会拉低N阱电势，这导致PMOS的源/N阱结正向偏置，从而使PMOS管中的PNP型双极晶体管被打开，此时源极也将不断的向漏极注入空穴，从而增加了PMOS管在漏极收集的电荷量。寄生双极放大效应的存在将显著增大器件灵敏区收集电荷的能力[35]，随着器件特征尺寸的不断减小，体硅CMOS工艺中寄生双极晶体管的放大效应不断严重，其作用强度对SET脉冲的宽度起决定作用[36]。研究表明，NMOS晶体管受寄生双极放大效应的影响小很多，甚至可以忽略不计[37]，但PMOS晶体管中的寄生双极效应十分严重。图1-4CMOS工艺中PMOS晶体管中PNP型寄生双极晶体管示意图1.3国内外研究现状1.3.1国内外相关研究在研究内容上，随着微电子器件的工艺尺寸的不断缩小，国内外许多学者对微纳器件的SET脉冲效应的发生机理和加固设计进行了一系列研究。例如，国内毕津顺等人利用脉冲激光研究了金属间距和多晶硅层对SET脉冲的影响，发
【参考文献】：
期刊论文
[1]130nm体硅反相器链的单粒子瞬态脉宽特性研究[J]. 李赛,陈睿,韩建伟. 北京航空航天大学学报. 2019(06)
[2]CMOS/SOI工艺触发器单元的单粒子实验验证与分析[J]. 李海松,蒋轶虎,杨博,岳红菊,唐威. 北京理工大学学报. 2018(01)
[3]结深对65nm体硅CMOS晶体管单粒子瞬态脉冲的影响[J]. 刘蓉容,池雅庆,窦强. 计算机工程与科学. 2017(12)
[4]65nm反相器单粒子瞬态脉宽分布的多峰值现象[J]. 刘家齐,赵元富,王亮,郑宏超,舒磊,李同德. 电子技术应用. 2017(01)
[5]一种抗单粒子翻转的D触发器[J]. 杨玉飞. 微处理机. 2015(01)
[6]基于脉冲激光单粒子效应的二次光斑研究[J]. 姜昱光,封国强,朱翔,马英起,上官士鹏,余永涛,韩建伟. 原子能科学技术. 2013(12)
[7]基于DICE结构的主-从型抗辐照触发器设计[J]. 田浩,杨洪强,马骁,何善亮. 微电子学. 2013(01)
[8]单粒子瞬变中的双极放大效应研究[J]. 刘征,陈书明,梁斌,刘必慰,赵振宇. 物理学报. 2010(01)
[9]SET传播过程中的脉冲展宽效应[J]. 梁斌,陈书明,刘必慰,刘征. 半导体学报. 2008(09)
[10]东方红三号系列卫星在轨故障统计分析[J]. 赵海涛,张云彤. 航天器工程. 2007(01)
博士论文
[1]CMOS集成电路电荷共享单粒子翻转分析及加固[D]. 徐慧.湖南大学 2016
[2]脉冲激光模拟SRAM单粒子效应的试验研究[D]. 余永涛.中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心) 2015
[3]纳米CMOS集成电路单粒子诱导的脉冲窄化及电荷共享效应研究[D]. 秦军瑞.国防科学技术大学 2013
[4]单粒子效应的脉冲激光试验研究[D]. 马英起.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2011
[5]集成电路单粒子效应建模与加固方法研究[D]. 刘必慰.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]单粒子效应分析与电路级模拟研究[D]. 文琦琪.电子科技大学 2018
[2]基于SOI的抗辐照结构研究[D]. 刘洋.电子科技大学 2017
[3]基于SET传播特性的软错误率研究[D]. 靳丽娜.电子科技大学 2015
本文编号：3614859
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3614859.html
