BCD工艺集成电路抗辐照特性研究.pdfVIP

摘要

空间探索离不开高可靠性的航天设备，它们的体积变得越来越小但功能却更

强大，这和大量使用轻量化、高集成度、高性能的芯片是不可分割的。然而集成电

路器件对空间辐射较为敏感，容易失效，因此提高它们的可靠性成为航空航天事业

发展的必然要求，本文基于该目的对半导体辐射效应、建模与加固进行了深入研究。

首先，本文对空间辐射环境做了简要介绍，重点阐述了在辐射环境下半导体器

件氧化物及界面产生陷阱电荷的物理过程，并详细说明了两种陷阱电荷对不同器

件基本电学特性的影响，还对单粒子轰击CMOS引发闩锁效应的原理进行说明。

其次，本研究利用仿真软件模拟BCD工艺下三类基本器件的总剂量效应，建

立常规NMOS总剂量效应SPICE兼容模型。对常规NPN总剂量效应的仿真显示，

辐射剂量为600krad时，电流放大系数退化为原来的50%左右；为此本文提出新型

抗辐照结构DENPN，仿真结果显示在1200krad时仍未出现明显退化现象。通过复

现并分析了PES-NMOS结构在较高剂量条件下源区边缘加固措施的削弱现象，提

出与ELT晶体管相同加固逻辑的PAS-NMOS结构，通过仿真验证了新结构在

1200krad的总剂量下仍表现良好。用与NMOS相同的加固措施对低压LDNMOS

进行加固，仿真结果表明加固效果良好。为了能在常用的标准仿真器中模拟总剂量

效应，提出BSIM与Verilog-A结合的模式模拟辐照后的NMOS晶体管，在剂量

为100krad和200krad时电路仿真与器件仿真的曲线拟合效果较好。利用辐照后的

NMOS模型搭建反相器和环形振荡器，观察了总剂量效应电路级的响应，主要表

现为反相器关键参数的漂移，环形振荡器的振荡频率、功耗都略有增加。

最后，从多个方面入手研究了常规CMOS和采用BCD工艺中深阱与埋层隔

离的CMOS单粒子闩锁效应。在重离子的轰击下，CMOS的结构参数、重离子的

入射角度、位置和CMOS的状态均会导致反相器有不同的表现，深阱与埋层隔离

的CMOS具有很高的抗单粒子闩锁能力。

关键词：总剂量效应，总剂量SPICE建模，总剂量加固，单粒子闩锁效应

ABSTRACT

Spaceexplorationisinseparablefromhighreliabilityofspaceequipment,theirsize

isbecomingsmallerbutmorepowerful,whichisinseparablefromtheuseofalarge

numberoflightweight,highlyintegrated,high-performancechips.However,ICdevices

aresensitivetospaceradiationandpronetofailure.Therefore,improvingtheirreliability

hasbecomeaninevitablerequirementforthedevelopmentofaerospaceindustry.

Firstly,thespaceradiationenvironmentisbrieflyintroduced,andthephysical

processoftrapchargegenerationintheoxideandinterfaceofsemiconductordevicesin

theradiationenvironmentiselaborated,andtheinfluenceoftwokindsoftrapchargeon

thebasicelectricalcharacteristicsofdifferentdevicesisexplainedindetail,andthe

principleoflatcheffectcausedbysingleeventbombardmentofCMOSisexp