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集成電路應(yīng)用與抗輻射加固(上)

2009-08-27 | rar | 4533 | 次下載 | 5積分

資料介紹

集成電路應(yīng)用與抗輻射加固(上)
中國航天工業(yè)總公司771所王平(710054)
摘??? 要
本文從特定應(yīng)用出發(fā)介紹集成電路抗輻射加固的若干技術(shù),包括輻射因素、抗輻射材料及器件,著重介紹SOI材料的相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞
集成電路抗輻射加固
一、前言
  軍用微電子技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,大大促進(jìn)了軍用設(shè)備及武器系統(tǒng)的發(fā)展,大幅度地提高了軍用設(shè)備及武器系統(tǒng)的應(yīng)變能力和作戰(zhàn)能力。為了使軍用電子系統(tǒng)能在核爆炸、空間輻射及核動(dòng)力等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作,必須對(duì)基礎(chǔ)元器件和集成電路進(jìn)行抗輻射加固研究。特別是1983年美國開始實(shí)施星球大戰(zhàn)(戰(zhàn)略防御)計(jì)劃以來,集成電路的抗輻射加固技術(shù)的研究受到高度重視。從1984年到1990年,美國政府在集成電路抗輻射加固研究方面的投資超過3億美元。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)之后,美國政府更加重視軍用集成電路的研究開發(fā),估計(jì)每年的投資在30億美元左右,其中就有1.5億美元用于抗輻射加固的研究工作,約占5%。
  微電子技術(shù)的發(fā)展使宇宙航行、太空探測(cè)、軍用和民用衛(wèi)星等空間電子系統(tǒng)發(fā)展起來,對(duì)微電子元器件及集成電路也提出高性能、多功能、高可靠、能抗空間各種輻射等要求,以提高空間微電子系統(tǒng)的可靠性和壽命。因而抗輻射加固微電子技術(shù)的研究成為一個(gè)重要課題,并成為專門科學(xué)——抗輻射加固電子學(xué)。
二、輻射因素及抗輻射材料
1、輻射因素
  電子系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境不同,所遇到的輻射因素也不同,產(chǎn)生的效應(yīng)和影響也各不相同,因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須采取不同措施進(jìn)行加固。
  輻射因素主要包括輻射總劑量、瞬時(shí)輻射劑量率、積分中子通量、單粒子擾動(dòng)效應(yīng)、電磁脈沖效應(yīng)等。這些效應(yīng)會(huì)使微電子元器件及集成電路的性能衰減,出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤或永久性損壞,嚴(yán)重影響電子系統(tǒng)的可靠性,甚至完全不能工作。因而微電子元器件及集成電路的抗輻射加固技術(shù)的研究是軍用和空間電子系統(tǒng)能在這些環(huán)境下可靠工作的保證。
(1)抑制電離輻射效應(yīng)的設(shè)計(jì)
  在自然環(huán)境中,宇宙射線、太陽增強(qiáng)粒子、具有能量的質(zhì)子和中子都產(chǎn)生單粒子效應(yīng)(SEE),高能單粒子穿過MOS器件時(shí),就在其軌道上產(chǎn)生高密度的電子-空穴對(duì),它們導(dǎo)致電路產(chǎn)生局部帶電區(qū)。單粒子效應(yīng)一般可分為單粒子閉鎖(SEL)和單粒子擾動(dòng)(SEU)。采用電路和版圖設(shè)計(jì)技術(shù),能提高商用CMOS工藝的SEL和SEE免疫能力,這些技術(shù)增加了單元面積,減小了速度,增加電源消耗,最主要的是使價(jià)格最低。
 ?、賁EL免疫
  在CMOS器件中,一般采用的防閉鎖技術(shù)包括降低寄生n-p-n和p-n-p的β乘積和限制基板偏壓。減小β乘積的方法有:減小寄生管基極(如襯底或阱)區(qū)的少子壽命,這可以通過摻金或中子輻射實(shí)現(xiàn);確保襯底上的漏/源區(qū)和阱邊緣之間的間距最小時(shí),確定有效基區(qū)寬度以減小橫向管的β;在寄生硅控晶閘管(SCR)結(jié)構(gòu)中,降低有效基極-發(fā)射極電阻以減小基極偏置。
  襯底和阱到電源和地之間的低電阻使注入的少子列在到達(dá)寄生基極之前被俘獲或分流,從而減小了基極偏置電流。減小襯底和阱電阻以及增加載流子俘獲的方法包括:在重?fù)诫s襯底上進(jìn)行輕摻雜外延;在n溝管周圍加p+保護(hù)環(huán),在p溝管周圍加n+保護(hù)環(huán)?,F(xiàn)已證實(shí),使用外延層工藝制作的電路有閉鎖產(chǎn)生,為了防閉鎖,外延層必須進(jìn)一步“薄”。
  SOI減小少子壽命和薄外延都屬“技術(shù)加固”方法。這些方法依賴于制定或控制制作工藝的某些方面,總的看,并未考慮到“商用”CMOS。減小間距使β乘積退化的方法,其效果與襯底摻雜量有關(guān)。保護(hù)環(huán)在常規(guī)的源/漏掩膜一步形成,不需要特殊的工藝。在Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室單粒子擾動(dòng)測(cè)試(SEUTE)使用TwinTomdernVandeGraff加速器通過重離子測(cè)試保護(hù)環(huán)的方法,結(jié)果證明,LET量值在3.4Mev?cm2/mg到至少120Mev?cm2/mg范圍內(nèi)防止SEL發(fā)生。在Hewlett
Packard的1μm雙層金屬CMOS(CMOS34)工藝和HewlettPackard的1μm三層金屬CMOS(CMOS266)工藝,通過MOSIC制作的多測(cè)試芯片,以及采用CMOS266工藝制作的1.2百萬管子和無線電宇航解調(diào)器芯片,美國微系統(tǒng)公司(AMI)采用三層金屬1.0μm工藝(CYC)制作的10萬余管子Reed-Solomon糾錯(cuò)碼(ECC)碥碼器和20萬管子的Reed-Slomon糾錯(cuò)碼ECC編碼/解碼器,都獲得了上述測(cè)試結(jié)果。
 ?、赟EU免疫
  在微電子電路中,對(duì)SEU效應(yīng)加固采取了多種措施。一種方法是減小材料的電荷收集能力,不至于收集太多電荷而引起擾動(dòng),這屬“技術(shù)加固”類。另一種基本電路設(shè)計(jì)方法是提高擾動(dòng)敏感存貯節(jié)點(diǎn)的臨界電荷。最后一種方法是在電路中采用冗余技術(shù)。通過電路設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行SEU加固的主要目的是使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝,不增加掩模版及工藝步驟,實(shí)現(xiàn)具有SEU免疫力的電路,同時(shí)使單元尺寸、價(jià)格及功耗最小。
  提高臨界電荷的加固技術(shù)包括:增加管子驅(qū)動(dòng)及電容和電阻的加固。一個(gè)大驅(qū)動(dòng)管能迅速去除/補(bǔ)充SEU注入的電荷,縮短干擾時(shí)間。大的高驅(qū)動(dòng)管增加了節(jié)點(diǎn)電容,減小SEU注入電荷產(chǎn)生的電壓偏差。增加臨界點(diǎn)的電容以減小SEU注入電荷引起的電壓變化,是電路電容加固的基本概念。電阻加固包括:在存貯元件反饋通路上使用電阻,在與柵電容聯(lián)接點(diǎn)設(shè)置低通濾波器,以消除正常的長延遲信號(hào)通過時(shí)管子感應(yīng)的SEU效應(yīng)。
  每個(gè)節(jié)點(diǎn)邏輯電平的變化,引起電路電容的充放電都有功耗產(chǎn)生。由于驅(qū)動(dòng)管加大或電容電阻加固增加了電路電容,使電路的交流功耗隨之增加。設(shè)計(jì)一個(gè)抑制短周期信號(hào)的單元,限制了最大工作速度。在一般條件下,采用RC濾波器抑制SEU,使電路可在幾百M(fèi)Hz下工作。能提供具有免疫力的電阻典型阻值是100kΩ到1MΩ,需要用高電阻率的多晶硅電阻,以減小電阻尺寸。高電阻率多晶硅電阻對(duì)摻雜濃度非常敏感,且商用工藝參數(shù)可接受的變化將會(huì)使多晶硅產(chǎn)生較大的變化。由于多晶硅電阻具有很大的負(fù)溫度系數(shù),使得工藝中的阻值控制成為大問題,結(jié)果是在某一工藝參數(shù)下或工作條件下的設(shè)計(jì)環(huán)境中所設(shè)計(jì)的抗SEU單元,對(duì)于另一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境來說具有相反的影響。
  冗余電路設(shè)計(jì)方法的SEU加固有三個(gè)基本概念。首先,在SEU之后,存在一個(gè)未被干擾的信息數(shù)據(jù),第二,在粒子輻射后,來自于無錯(cuò)誤的存貯數(shù)據(jù)區(qū)的反饋將使錯(cuò)誤數(shù)據(jù)得到恢復(fù),最后,在合適的區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)這一反饋是“智能的”。如果一個(gè)存貯單元僅由p型管組成,當(dāng)存貯一個(gè)“1”時(shí),它就不會(huì)擾動(dòng)為“0”,同樣,一個(gè)存貯單元僅由n型管構(gòu)成,當(dāng)存貯一個(gè)“0”時(shí),它就不會(huì)擾動(dòng)為“1”。
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