影响纳米CMOS器件单粒子效应电荷收集共享关键问题研究

发布时间：2017-12-15 11:16

  本文关键词：影响纳米CMOS器件单粒子效应电荷收集共享关键问题研究

  更多相关文章： 单粒子效应 电荷收集 TCAD仿真 敏感体模型 工艺波动 辐射加固设计 CMOS器件

【摘要】：空间辐射效应是影响空间应用电子器件可靠性的主要因素。针对微米量级及以上器件的单粒子效应机理研究较为深入,出现了一系列较为成熟的单粒子效应模型、辐射加固技术以及软错误评估方法。然而,随着集成电路工艺尺寸缩小、集成度提高、工作电压降低以及时钟频率增大等工艺水平与性能指标的变化,导致新的辐射效应机制不断出现,为单粒子效应研究带来了严峻的挑战。临界电荷的降低使器件对单粒子效应更加敏感,多节点电荷收集和电荷共享导致多单元翻转现象频发;工艺波动对单粒子效应电荷收集共享的影响更加显著;组合逻辑单粒子瞬态逐渐成为集成电路软错误的主要因素;器件尺寸缩小、结构复杂使电荷收集量化难度加大。综上,纳米器件单粒子效应电荷收集共享问题已经成为器件辐射效应研究的热点问题。本文针对以上问题,对影响纳米器件单粒子效应电荷收集共享的关键性问题展开研究,研究内容主要包括:1、软错误评估是电子器件单粒子效应机理研究、抗辐射性能评价以及辐射加固设计验证的有效手段。敏感体模型可量化晶体管的电荷收集,是软错误评估的基础。当工艺尺寸步入纳米量级,新的器件结构和电荷收集机理使敏感体模型量化电荷收集的难度增大。本文对开态晶体管电荷收集展开研究,提出考虑开态晶体管电荷收集的敏感体模型,可提高电荷收集量化精度。建立开态晶体管敏感体参数提取电路结构,有效解决单粒子翻转再恢复导致电荷收集截止问题。改进基于SRAM的单粒子翻转模型,考虑单粒子翻转再恢复对翻转截面的影响。基于该敏感体模型的软错误评估结果准确,对单粒子效应机理研究、加固设计和工程评价具有重要意义;2、随着晶体管特征尺寸的缩小,晶体管工艺波动日趋严重。工艺波动严重影响集成电路性能,是难以避免的可靠性问题。工艺波动对单粒子效应电荷收集共享的影响也不容小觑。本文采用TCAD和蒙特卡罗工艺波动仿真结合的方法,定性和定量分析工艺波动对单粒子瞬态及单粒子瞬态脉宽窄化的影响,为组合电路单粒子效应加固提供参考。量化研究栅氧厚度、阈值电压、栅长和栅宽等参数波动对单粒子效应的影响;通过对多节点电荷收集导致DICE单元加固失效的工艺波动分析,提出DICE加固设计指导方案;定量研究考虑工艺波动的SRAM软错误评估,给出工艺波动对单粒子翻转截面的影响;3、N+深阱工艺可有效缓解系统衬底噪声,广泛应用于数字和模拟电路中。然而,N+深阱结构会增强晶体管寄生双极效应,使单粒子效应更加显著。本文基于65nm N+深阱工艺,深入研究阱掺杂对单粒子效应电荷收集的影响。采用TCAD工具对不同阱掺杂浓度器件进行重离子入射仿真,定性和定量分析N阱和深N阱掺杂浓度对单粒子瞬态、单粒子多瞬态、单粒子瞬态脉宽窄化以及单粒子翻转再恢复的影响,为单粒子效应机理研究和辐射加固工艺技术提供理论支持;采用TCAD仿真量化不同阱掺杂浓度的N+深阱器件敏感体参数,并进行软错误评估。结果表明,单粒子翻转截面随阱掺杂浓度增大而增大;4、纳米量级工艺集成电路中,单粒子瞬态脉宽已经接近时钟周期可被误认为正确信号,导致组合电路单粒子瞬态占集成电路软错误的比重越来越大。因此对纳米量级组合电路单粒子瞬态加固技术的研究迫在眉睫。论文提出增强虚拟晶体管版图级加固技术,在虚拟晶体管加固技术基础上引入一个反偏结。该结构不仅可收集粒子入射电离产生的载流子,而且还收集源区注入载流子,在虚拟晶体管基础上进一步缓解单粒子瞬态。TCAD仿真表明与其他加固版图相比,增强虚拟晶体管加固技术的单粒子瞬态脉宽最小,在一定的粒子角度入射条件下单粒子效应加固显著。该加固技术具有良好的扩展性,可用于多种组合电路标准单元中。论文深入研究影响纳米CMOS器件单粒子效应电荷收集和电荷共享的关键问题。提出了开态晶体管敏感体模型,揭示了开态晶体管电荷收集对单粒子效应的影响;深入研究了N+深阱工艺器件阱掺杂对单粒子效应电荷收集的影响;定性和定量分析了工艺波动对单粒子效应电荷收集共享的影响;提出了一种增强虚拟晶体管版图级加固技术,增强了组合电路抗单粒子瞬态效应能力。本文研究从纳米器件单粒子效应电荷收集和电荷共享、工艺波动、加固设计和软错误评估等方面开展,既是器件辐射效应领域所关注的问题,又是适应国内电子器件空间应用的发展需求,因此,本论文的研究具有理论意义和实际应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN32

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郭红霞,陈雨生,周辉,贺朝会,耿斌,李永宏;重离子微束单粒子翻转与单粒子烧毁效应数值模拟[J];计算物理;2003年05期

2 薛玉雄;曹洲;杨世宇;;激光模拟单粒子效应试验研究[J];航天器环境工程;2006年02期

3 宋钦岐;单粒子效应[J];微电子学与计算机;1989年12期

4 董攀;陈莉明;范隆;岳素格;郑宏超;王兴友;;Spacewire通讯路由器单粒子功能中断测试系统研究[J];微电子学与计算机;2014年04期

5 韩建伟;张振龙;封国强;马英起;;单粒子锁定极端敏感器件的试验及对我国航天安全的警示[J];航天器环境工程;2008年03期

6 田恺;曹洲;薛玉雄;杨世宇;周新发;刘群;彭飞;;反熔丝型现场可编程门阵列单粒子锁定实验研究[J];原子能科学技术;2009年09期

7 姚志斌;范如玉;郭红霞;王忠明;何宝平;张凤祁;张科营;;静态单粒子翻转截面的获取及分类[J];强激光与粒子束;2011年03期

8 冯小刚;李儒章;刘佳;周前能;谭智琴;徐辉;刘明;;基于标准工艺的抗单粒子数字单元设计方法[J];微电子学;2014年02期

9 曹洲,杨世宇,达道安;功率MOSFET单粒子烧毁测试技术研究[J];真空与低温;2004年01期

10 薛玉雄;田恺;曹洲;杨生胜;马亚莉;;激光模拟单粒子效应设备及试验研究进展综述[J];航天器环境工程;2010年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 贺朝会;李永宏;杨海亮;;单粒子效应辐射模拟实验研究进展[A];第一届中国核技术及应用研究学术研讨会摘要文集[C];2006年

2 耿超;刘杰;侯明东;孙友梅;段敬来;姚会军;张战刚;莫丹;罗捷;;基于RPP模型的单粒子在轨翻转率计算[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年

3 侯明东;刘杰;孙友梅;段敬来;常海龙;张战刚;莫丹;;宇航器件单粒子效应的加速器地面模拟[A];第七届中国核学会“三核”论坛中国放射医学教育五十年暨中国毒理学会放射毒理委员会第八次全国会议论文集[C];2010年

4 侯明东;刘杰;李保权;甄红楼;;单粒子效应实验中的几个关键技术问题[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十二次学术会议论文集[C];1999年

5 张庆祥;侯明东;刘杰;王志光;金运范;朱智勇;孙友梅;宋银;段敬来;;混合离子加速技术在单粒子效应和探测器标定实验中的应用[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十五次学术会议论文集[C];2002年

6 黄建国;韩建伟;张庆祥;黄治;陈东;李小银;张振龙;;脉冲激光模拟单粒子效应机理研究[A];第十一届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2005年

7 刘杰;;元器件单粒子效应的加速器地面测试研究[A];中国空间科学学会第七次学术年会会议手册及文集[C];2009年

8 李保权;侯明东;刘杰;朱光武;王世金;梁金宝;孙越强;张微;翟应应;黄红锦;沈思忠;高平;;加速器模拟单粒子效应研究[A];实践五号卫生空间探测与试验成果学术会议论文集[C];2002年

9 路秀琴;刘建成;郭继宇;郭刚;沈东军;惠宁;张庆祥;张振龙;韩建伟;;重离子单粒子效应灵敏体积及电荷收集研究[A];第一届中国核技术及应用研究学术研讨会摘要文集[C];2006年

10 张战刚;刘杰;侯明东;孙友梅;常海龙;段敬来;莫丹;姚会军;;元器件单粒子效应加速器试验中的新现象[A];第二十三届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2010年

中国博士学位论文全文数据库 前8条

1 杨振雷;Flash型FPGA单粒子效应研究及新型测试验证系统的研制[D];中国科学院研究生院(近代物理研究所);2016年

2 习凯;微电子器件质子单粒子效应敏感性预估研究[D];中国科学院研究生院(近代物理研究所);2016年

3 王天琦;影响纳米CMOS器件单粒子效应电荷收集共享关键问题研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

4 邢克飞;星载信号处理平台单粒子效应检测与加固技术研究[D];国防科学技术大学;2007年

5 古松;基于重离子加速器的SOI SRAM器件单粒子翻转实验研究[D];中国科学院研究生院（近代物理研究所）;2015年

6 耿超;微纳级SRAM器件单粒子效应理论模拟研究[D];中国科学院研究生院（近代物理研究所）;2014年

7 王忠明;SRAM型FPGA的单粒子效应评估技术研究[D];清华大学;2011年

8 刘必慰;集成电路单粒子效应建模与加固方法研究[D];国防科学技术大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 禹金标;用于空间探测的电子元器件辐照性能研究[D];郑州大学;2015年

2 周恒;SRAM单粒子加固设计[D];电子科技大学;2015年

3 林子壬;纳米集成电路单粒子瞬变中电荷收集机理及加固方法研究[D];国防科学技术大学;2013年

4 李博;基于商用工艺的抗辐照SRAM存储器设计[D];国防科学技术大学;2014年

5 周威;GaAs HBT单粒子效应的研究[D];西安电子科技大学;2014年

6 程佳;单粒子效应瞬态电荷收集的试验研究[D];中国科学院国家空间科学中心;2016年

7 刘征;单粒子效应电路模拟方法研究[D];国防科学技术大学;2006年

8 王佩;单粒子效应电路模拟方法研究[D];电子科技大学;2010年

9 戴然;单粒子翻转效应的模拟和验证技术研究[D];电子科技大学;2013年

10 段雪岩;单粒子脉宽抑制和单粒子测试方法研究[D];复旦大学;2011年

，

本文编号：1291761