9.CMOS集成电路抗辐射加固工艺技术研究.

哈尔滨理工大学 硕士学位论文

CMOS集成电路抗辐射加固工艺技术研究 姓名:刘庆川 申请学位级别:硕士 专业:仪器仪表工程

指导教师:于晓洋;苏秀娣 20070101 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文

CMOS集成电路抗辐射加固工艺技术研究 摘要

随着现代科学技术的发展,具有高速信号处理能力和强的抗辐射能力的 计算机及控制部件已成为通信卫星、气象卫星、航天飞行器、现代武器等系 统的核心部分。因此,发展具有高速度、强抗辐照能力的集成电路技术是电 子信息产业和国防装备系统的关键。

当前,在集成电路芯片制造中,体硅CMOS半导体工艺技术仍占据主 导地位,因此,对CMOS集成电路进行加固研究就显得十分必要.由于抗 辐照加固技术属于军用技术范畴。它具有高度的保密性,因此抗辐照加固工 艺必须依靠自己的力量,从基础工艺出发进行研究。

用在空间中的电路会受到各种射线的影响,要产生电离辐照效应和单粒 子效应等。本文第一部分主要讲述了CMOS电路的电离辐射效应主要介绍 了界面态的产生,并详细分析了辐射感生陷阱电荷的产生过程。并根据上述 原理指导下确定了工艺、设计两方面的抗辐照加固方法,分别介绍了栅氧化 层加固,源漏制备技术加固,钝化层加固,场区加固,以及栅氧后高温的影 响。

第二部分主要讲述了CMOS集成电路的单粒子效应。主要介绍了单粒 子效应的模型,包括电荷聚集模型、粒子分流模型和电荷横向迁移模型;并 介绍了不同的高能粒子的单粒子损伤机理;着重描述了CMOS集成电路的 单粒子效应.并且根据上述的损伤机理,从设计和工艺方面提出了抗单粒子 效应的方法。

最后根据上面得出的可行的方法研制了抗辐射加固电路CPU,并取得 了较好的抗电离辐射和抗单粒子效应的效果。

关键词 CMOS集成电路:电离辐射效应;单粒子效应 堕垒堡矍三查兰二堡璺圭兰堡鲨圣

Research of CMOS Integrated Circuit Radiation Hardened Process Abstract

With the development of modem science technology,the computers and control parts with the ability of handle high—speed signal and strong radiation resistant have become the COre of communication satellite,weather satellite, aircraft and modem weapon ctc.So that,the key of electronics information industry and national defense is to develop high?speed strong radiation resistant integrated circuit technology.

At present,in the manufacturing of IC slice,body-silicon CMOS process technology still occupy predominate position.so it is necessary to harden research CMOS IC.Because the Radiation Resistant and Hardened Technology (RRHTbelong to the military technology,it is a secret.So we must study RRHT by ourselves based on basic techniques.

The circuits used for space technology,will be affected by various rays,c柚 generate ionizing radiation effect and single-event effect.It is mainly tells

ionizing radiation effect and radiation resistant technology on CMOS circuit in the first part,include boundary surface state and induced trap charge of radiation;

separately introduce gate oxidation layer hardness,source/drain hardness, passivation layer hardness,field areas hardness and the influence of hi讪 temperature after gate oxidation.

The second part mainly tells single event effect.The single event effect model is first tells include charge collect model,particle diffluence model and charge’S transverse transfer model.Then damage effect is tells that cawed by high energy particles.Then it is describes

that the single event effect of CMOS IC.Then it is tells that the way of how to protect CMOS circuit using methods of design and process.

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哈尔滨理丁人学T程硕I‘学位论文

The last it is also introduce development of radiation hardened IC 80C86 CPU.The anti-ionizing?radiation-effect and anti—single?event-effect achieve good result.

Keywords CMOS IC;Ionizing radiation effect;Single event effect -儿l-

哈尔滨理工大学工程硕|:学位论文 第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

随着现代科学技术的发展,具有高速信号处理能力和强抗辐射能力的计算 机及控制部件已成为通信卫星、气象卫星、航天飞行器、现代武器等系统的核 心部分。在轨道上运行的人造卫星和宇宙飞船,会受到空间辐射的影响。1993年8月21日,美国有五颗卫星同时失效,原因是使用的同一批定时器芯片, 因宇宙射线辐照而失

效;我国1994年发射的“风云二号”气象卫星,也是由 于一块VLSI芯片受到空间辐射影响而失效,使卫星失去控制。随着卫星通 信、星载武器和核能和平利用等领域的发展,高可靠抗辐射集成电路有了非常 广阔的用武之地。开发具有高速度、强抗辐射能力的集成电路技术对于发展我 国航天技术、核能技术及在辐射环境下工作的武器系统具有重要的意义。

1.2论文课题的来源

本研究课题来源于“十五?国防预研项目‘抗辐射加固大规模和超大规模 集成电路研究》。

1.3国内外研究现状和CMOS集成电路的发展 1.3.1辐射环境

要研究抗辐射集成电路就必须了解各种辐射环境。电子元器件抗辐射加固 研究要考虑的辐射环境可分为空间自然辐射环境和人造辐射环境。空间自然高 能带电粒子环境包括地球辐射带粒子和穿越卫星轨道的宇宙线,其影响范围包 括整个磁层空间。

地球辐射带是指存在于地球周围的高能带电粒子集中区域,它是由美国学 者Van Alien根据美国第一颗卫星的空阃粒子探测结果推测而发现的…。它是 指在地面高度100~150公里以上的近地空间,存在大量带电粒子,在地磁场 地作用下,始终在地磁场地“捕获区”内运动。根据俘获粒子分布地空间位置 不同,可分为内辐射带和外辐射带.内辐射带在赤道平面上大约600公里~

哈尔滨理工大学工程硕士学位论文

10000公里左右地高度,主要由质子和电子组成,受太阳活动地影响不大。外 辐射带的空间范围延伸得很广.在赤道平面高度约10000公里~60000公里左 右,主要成分是电子。外辐射带受太阳活动的影响很大,当地磁场受到干扰 时,强度和位置都有

很显著的变化。在内外地球辐射带的质子能量在10~ 100MeV之问,高能电子能量在O.4~7MeV之间。

宇宙线根据起源可分为银河宇宙线和太阳宇宙线,分别指来自太阳系以外 银河深处的高能带电粒子和伴随太阳耀斑事件发射的高能带电粒子流n,。宇宙 线对电子系统和电子元器件的影响主要表现为单粒子效应。1。来自地球外部的 高能带电粒子在进入地球磁层后,受地磁场作用其运行轨迹发生偏转。因此, 地磁场对宇宙线起到了天然屏蔽的作用。

未与大气发生相互作用的银河宇宙线称为初级宇宙线,其成分有质子 (84.3%、Q粒子(14.4%和其它重离子核“’。对于空间辐射效应来讲,最 重要的是原子量小于等于28的核。初级宇宙线的能量范围在0.1~IOGeV之 间。在地球磁层外(距太阳1个天文单位处可不考虑地磁场的影响,其最大 强度(太阳活动极小年为4个/c1.n2's,且为各向同性。

当太阳耀斑爆发时向外发射的宇宙线的主要部分为高能质子,还包括少量 (5~10%的旺粒子、重粒子和电子,因此又被称为太阳质子事件”1。太阳宇 宙线在离开太阳时是各向同性的,但其运动受到行星际磁场和等离子体的调 制。太阳宇宙线到达地球附近时可视为各向同性的。它也受到地球磁场的屏 蔽。

高空核爆炸产生的大量高能粒子在地磁场的作用下,沿磁力线来回运动, 逐渐扩散成一个围绕地球的辐射带,被称为人工辐射带“1。人工辐射带由高能 电子组成,它存在的时间比高空核爆炸产生的事件时间长,而强度比天然辐射 带强得多。

1.3.2辐射效应

辐射作用于电子设备可对其性能产生不同程度的影响,甚至使其失效。其 中电子设备的基本组成一半导体和微电子器件是辐射最敏感也是最薄弱的环 节。

辐射效应的基本机理,主要研究的是常用材料硅和二氧化硅的辐射效应方 面a辐射粒子与硅材料之问主要有四种相互作用:位移损伤效应、电离辐射总 剂量效应、瞬时电离辐射效应和单粒子效应。