（电力电子与电力传动专业论文）fpga微电路电离总剂量辐射效应及加固技术研究.pdf

西华大学硕士学位论文 构进行了辐射效应分析，得到f p g a 器件在7 辐射环境下对f r g a 的 损伤规律，并提出一些加固方法。 本课题的研究得到了大量有价值的数据，对以后的研究工作初步 奠定了基础，为我国的大规模集成电路提高抗辐射能力提供理论基础 和现实措施，是很有实际意义的。 关键词：f p g a ，电离总剂量，辐照效应，加固方法 i i 西华大学硕士擎位论文 t h ei o n i z a t i o nt o t a ld o s er a d i a t i o ne f f e c t sa n d h a r d e n i n gt e c h n i q u e so ff p g a m i c r o c i r c u i t p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e r p o s t g r a d u a t e y u a n g u o h u ot e a c h e r d o n g x i u c h e n g ( p r o f e s s o r ) a b s t r a c t t h e r e l a t i o nb e t w e e ne l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a n dr a d i a t i o n e n v i r o n m e n tb e c o m e i n c r e a s i n g a f f i n i t y 。t h e l a r g e s c a l e f i e l d p r o g r a m m a b l ei n t e g r a t i o n c i r c u i tf p g ai s i n c r e a s i n g l y u s e di nt h e d o m a i no fe l e c t r o n i c ，h o w e v e rt h ed e v i c e si se p i t a x i a lc m o st e c h n o l o g y t h ee x t e n to fd a m a g en e e d b ec a r r i e do na n i n v e s t i g a t i o nu n d e rt i o n i z a t i o nt o t a ld o s ei ft h ed e v i c e sw o r ku n d e rt h eb a d l yr a d i a t i o n e n v i r o n m e n t f i r s t ，r a d i a t i o ne n v i r o n m e n ta n dr a d i a t i o ne f f e c t sa r ei n t r o d u c e d 。 f o l l o w i n g ，t h ea r t i c l ee x p a t i a t e so nt h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s m i tp l a c e e m p h a s i so ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l 、d e v i c ea n dm i c r o c i r c u i t 。i o n i z a t i o n r a d i a t i o n d a m a g ee f f e c t s 、m e c h a n i s ma n dh a r d e n e dt e c h n o l o g yo ft h e m o st e c h n o l o g yc o n f i g u r a t i o nd e v i c e sa r ei n v e s t i g a t e d ，i n v e s t i g a t i o n c o n t e n ta n di n v e s t i g a t i o np u r p o s ea r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，b a s i ck n o w l e d g ea b o u tf p g a a r eb r i e f l yr e l a t e d ，t h ep a p e r p l a c e s s t r e s so nt h et e c h n o l o g ya n ds p e c i f i cc o n f i g u r a t i o no fa c t e l c o m p a n yf p g ac h i p 。t h ep r o c e s so fu s i n gf p g at oe x p l o i tr a d i a t i o n s a m p l ei se x p a t i a t e d t h ew o r k i n gc u r r e n ta r es e l e c t e da st e s t i n gr a d i a t i o n p a r a m e t e r , a n dt h ee x p e r i m e n tf a i l u r ec r i t e r i o ni se s t a b l i s h e d t h ef p g a | i i 西华大孥硕士学镰论文 c h i pa 1 2 8 0 x la r ee x p l o i t e df o rr a d i a t i o ns a m p l e t h e s es a m p l e sa r e r a d i a t e du n d e rvi o n i z a t i o nt o t a ld o s ee n v i r o n m e n ti nt h r e ed i f f e r e n t r a d i a t i o nm a n n e r ( d y m a t i c b i a s v o l t a g e ，i n t e r r u p t i n gd y m a t i c b i a s v o l t a g e ，1 1 0b i a sv o l t a g e ) t h em a s so fe x p e r i m e n td a t aa r eg a i n e dt h r o u g h t h i st e s t ，s u b s e q u e n t l yt h ee x p e r i m e n td a t aa r ea n a l y s e da n dd e a l tw f f h 。 l a s t ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e dyi o n i z a t i o nt o t a ld o s ee f f e c t so fa c t e l c o m p a n yf p g ac h i pa 1 2 8 0 x li nt h r e ed i f f e r e n tb i a sv o l t a g em a n n e r t h ec h i pr a d i a t i o ne f f e c t sa r ea n a l y z e df o rp r o g r a m m a b l ec h i pi n s i d e s t r u c t u r e t h ed a m a g el a wo ff p g ad e v i c ea r ef o u n du n d e r7r a d i a t i o n e n v i r o n m e n t ，a n da v a i l a b l eh a r d e n i n gt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e d t h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l eh a sg o tal o to fv a l u a b l ed a t a ，w h i c h e l e m e n t a r i l yp r o v i d e af i r mf c i u n d a t i o nf o r t h ef u t u r ew o r k t h e s i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gh a r d e n i n gr a d i a t i o no fl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n c i r c u i ti nt h e o r yf o u n d a t i o na n dr e a l i s mm e a s u r e k e yw o r d s ：f p g a ，i o n i z a t i o nt o t a ld o s e ，r a d i a t i o ne f f e c t s ，h a r d e n i n g t e c h n i q u e s i v 西华大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本研究课题来源于中国工程物理研究院电子工程研究所。 1 2 研究目的和意义 随着电子技术的发展，辐射环境与电子技术的关系愈来愈密切。 目前，硅c m o s 集成电路仍然占集成电路的主导地位。c m o s 器件对 y 射线产生的电离辐射效应较敏感，由此引起c m o s 器件的电离辐射 损伤会导致电子系统的工作状态受到干扰，严重时会导致系统瘫痪。 随着集成电路的特征尺寸不断减小，以往大尺寸中不明显的效应也突 出而成为新损伤因素。研究探索半导体器件电路电离辐射损伤效应和 机理，提高其抗辐射水平是近年国内外微电子学领域十分重视的课题 之一。辐射效应、损伤机制和抗辐射加固技术研究己构成抗辐射电子 学的三大主体1 “。抗辐射电子学己逐步成为一门综合性很强的边缘学 科并发挥着愈来愈重要的作用。 8 0 年代中期出现了c m o s 工艺的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 器件 3 。国外对f p g a 的电离总剂量效应资料大多是针对a c t e l 公司的芯片。a c t e l 公司推出一系列芯片，有经过加固的f p g a 芯片， 其抗辐射能力强，也有没有加固的芯片。加固器件不仅成本高，而且 难以获得。因此，多数情况下，使用的是商用器件，其抗辐射性能难 以得到保障。这样，商用f p g a 的抗辐射能力研究就成为一个需要重 视的问题。 本课题的目的就是通过y 射线电离辐射总剂量效应试验，结合 f p g a 器件工艺与结构，研究t 射线对f p g a 的损伤原因与损伤规律。 初步搞清f p g a 器件辐射损伤与y 射线电离总剂量之间的相互关系， 进而为f p g a 芯片在y 电离总剂量辐射环境中的使用提供参考，可为 1 西华大学硕士学位论文 提高大规模集成电路抗辐射能力提供研究基础，是很有实际意义的。 1 3 核辐射环境 核爆炸时产生的冲击波、光热辐射、各种核辐射及电磁辐射通过 或传播的空间称为核爆炸环境f 4 】。其中核辐射主要包括中子、y 射线、 x 射线、放射性微粒等。因为c 【射线和p 射线在空气中射程较短，所 以电子器件需要重点考虑的是核辐射中子、y 射线和x 射线。 核爆炸会造成最恶劣的核辐射环境。核爆炸时，y 射线主要来自 于：裂变反应；聚变反应；裂变碎片的放射性；武器材料中的中子辐 射俘获；中子与武器的原子和空气中氮的非弹性散射。在裂变或聚变 反应及中子与物质相互作用时放出的y 射线为瞬发t 辐射；而裂变碎 片放出的y 射线为缓发t 辐射口j 。 1 4 辐射效应 纵观各种辐射在半导体材料和器件中产生的辐射效应，其作用基 本形式是位移和电离，表现出来的相互作用形式是原子过程和电子过 程。相应的辐射效应基本上可分为位移辐射效应和电离辐射效应两 种。 1 4 i 位移辐射效应 高能粒子通过晶体时，会和晶体中的原子碰撞。通过碰撞，晶体 原子得到能量，离开原来平衡的位置进入晶格间隙，在晶体原来的位 置处会产生空格点( 空穴) 从而产生空位间隙原子对。如果这个原子 得到的能量足够大，还可以产生链式反应，通过与晶体中其他原子的 碰撞，再产生空位与填隙原子。这种现象称为位移辐射效应【6 1 。 位移效应主要影响晶体材料的性质，并造成永久性损伤。它破坏 了晶体的周期性势场，在禁带中引入许多新的电子能级，它们起载流 ， 西华大学硕士学位论文 子复合中心、俘获中心和散射中心的作用，使少数载流子寿命、载流 子浓度和迁移率等半导体材料的基本物理参数发生变化，造成半导体 器件特性退化乃至失效。 位移效应引起半导体器件失效的主导机制是少数载流子寿命的 减少，这是由于辐射而引入了附加的复合中心。s i 器件对于少数载流 子的寿命非常灵敏，而对于g a a s 器件则完全不同。 双极工艺器件对位移效应比较敏感。 1 4 2 电离辐射效应 高能带电粒子和高能射线入射到物质中，能使原子的电子激发。 对于半导体、绝缘体，这种激发可使电子从价带跃迁到导带，产生电 子空穴对，因而对半导体和绝缘体，这种激发的影响比较大。对于半 导体，产生电子空穴对所需要的能量与入射辐射的性质无关，而只与 半导体的禁带宽度e o 成正比，一般为禁带宽度的3 倍，因为除去把电 子激发到导带所需要的能量之外，辐射还要把能量消耗在与晶格振动 的相互作用上【7 。与材料的相互作用结果都是产生电子一空穴对而引起 材料的电离。 产生电子一空穴对必要条件是入射粒子或射线具有一个大于禁带 宽度的最小能量，对于s i 而言是1 1 e v 。因为晶格激发，产生一个电 子空穴对实际所要求的能量要更大一些，一般要大2 3 倍。对于s i ， 电子，空穴对的产生能量为3 6 e v 。在每立方厘米每g y 可产生4 1 0 1 5 电予空穴对。也就是说，在一个1 0 x 1 0 0 x l g i n 3 的实际空间电荷体积 内，剂量率为1 g y s 时可引起大约l p a 的稳态电流，当然这是假设所 有产生的电荷都被电场所分离。在重的高能离子的情况下，一个单个 离子每米的路程上能产生大于1 0 5 个电子空穴对1 8 j 。 高能射线与材料相互作用有三种方式：光电效应；康普顿效应： 正负电子对1 9 j 。1 ) 光电效应是指能量小于0 1 m e v 的电磁辐射与原子 作用时，能量转移给束缚电子，使其脱离轨道，成为自由电子的过程。 包括将电子从价带激发到导带的内光电效应( 产生电子空穴对) 和把 3 西华大学硕士学位论文 电子激发到晶体管外部的外光电效应；2 ) 康普顿效应则由能量在 0 1 1 0 m e v 之间的y 射线和x 射线与物质原子和电子相互作用产生。 在相互作用时高能光子将部分能量传递给电子，并逐出轨道，成为自 由电子一康普顿电子。损失了能量的次级y 光子和具有较高能量的康普 顿电子一起，继续与其他原子作用，产生一些列次级电离；3 ) 正负 电子对的产生是指能量超过1 0 2 m e v 的光子和原子核相互作用产生 正负电子对的过程。 电离辐射效应包括总剂量效应、瞬态辐照效应( 剂量率效应) 、单 粒子效应、高压静电放电击穿等效应。电离辐射效应中的总剂量效应 对m o s 器件影响更大，电离效应中的单粒子效应则主要出现在短沟 道的大规模集成电路。 以对电离辐射很敏感的器件m o s 为例，电离辐射将最终在s i 0 ， 绝缘层产生正的氧化物陷阱电荷，在s i s i 0 2 界面产生界面陷阱电荷 ( 界面态) 。其结果是导致器件电特性参数明显退化，甚至功能失效。 它是一种累积的损伤行为。一般说来，对短时间的总剂量效应( 如核爆 炸产生的y ，x 射线) 主要是氧化物陷阱电荷的损伤；对于长时间的总 剂量效应( 空间辐射环境) 则主要来自界面陷阱电荷的损伤。 高剂量率瞬态辐照效应，是指很高剂量率( 如1 0 7 1 0 i o g y ( s i ) s ) 的 瞬态y ，x 射线产生的高密度流电子一空穴对在电场作用下分别趋向正 极和负极，形成光电流。造成逻辑功能混乱、闭锁或烧毁，结果是导 致电路半永久性或永久性失效。 1 5 国内外现状和发展趋势 目前大规模硅集成电路以m o s 为主流技术。2 1 世纪已迎来深亚 微米( ；f ( e ，o 为与电场( e ) 和 辐射粒子能量( 0 相关的空穴产生率；羁为经骢常数；d 为辐射剂量， 单位为o y ( s i ) 。 单斑面积的栅氧纯鼹电容c 。为： c o x = 。8 。? d 。q 一5 1 箕中岛和岛，分潮为真窆介电常数和s i 0 2 的相对介电常数。 由将6 0 e 。一3 4 x t 0 叫3f 。c , m a 代入，由式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 可褥表 达式： ，= 一3 8 1 0 “p 。 。、d 6 y f ( e ，f ) 只( 2 - 6 ) 式中e 值与器 牟翻备时静实际工麓= 步骤密切裙关，耍通遭实验慕 确定。 1 0 0 n m 氧纯瀑在芷掇编压下辐骞于戮l l g y 通常形藏5 1 0 14 c m 2 的界面态电荷，由此可得出心分量为： 矗圪；，= 5 1 4 x 1 0 。奴纛p 嚣 ( 2 7 ) 电离辐射下n 沟m o s f e t 总的闽假电压漂移为： 豁瓦b = 矗圪b + 矗强 ， = 5 1 4 1 0 。7 p 。 。2 7 4 7 伽b f ( e ，f ) f 十 d 琴j ( 2 - 8 ) 魏式疆弱在l 】芬3 g y 或蠹更羝瓣总裁嚣，盘予在高兹麓萋下，空穴襻 16 西华大学硕士学位论文 获达到饱和，只趋于下降。从式( 2 8 ) 可以看出闽值电压的漂移与器 件的氧化层厚度如的平方成正比，且与辐射时所加电场e 、辐射总剂 量d 以及辐射粒子能量f 有关。 c m o s 器件由一个p 沟和一个n 沟晶体管组成。在电离辐照下， 这两个晶体管阈值电压随总剂量变化有不同的漂移趋势【1 8 】，如图2 5 所示。在导通偏置条件下，对n 沟m o s 管，电离辐射在s i 0 2 中产生 的正空间电荷使阈值电压向负方向漂移，而在高剂量下，因为界面态 电荷显负电性，补偿了部分正空间电荷的作用，使得闽值电压漂移得 到部分恢复。同样，对于p 沟m o s 管，阈值电压也向负电压方向漂 移，但由于p m o s 管本身工作在负偏压下，它的界面态电荷显正电性， 电离辐射助长了p m o s 管的阈值电压向负方向漂移。 4 3 阈 值2 电 l 压 一1 v t h v - 2 3 4 f i g u r e2 5p n m o st r a n s i s t o rt h r e s h o l dv e r s u st i d 图2 5p ，n 沟道m o s 管阈值电压随总剂量变化关系图 2 4 2 电离辐射对跨导的影响 电离辐射能使m o s f e t 的沟道载流子迁移率减少，从而使跨导降 低，其主要原因是由于界面态电荷的散射，而氧化层俘获的正空间电 西华大学硕士学位论文 荷的影响是不重要的【19 1 。这是因为界面态电荷位于s i s i 0 2 界面附近， 形成反型层，而氧化层俘获电荷一般位于离界面5 r i m 处，其对迁移率 的影响较小。 对于n m o s f e t 器件而言，界面态电荷直接位于s i s i 0 2 界面， 能使载流子最有效地散射。这是导致n m o s f e t 器件迁移率退化的主 要原因，而氧化物电荷对迁移率的影响可以忽略。 最普遍运用的n m o s f e t 器件迁移率退化模型为： 一2 ：l r 2 9 、 “n1 + a j 5 q h 、。 式中，o 和分别表示辐射前后沟道载流子迁移率，d q 。表示电 离辐射产生的界面态电荷增量，a 有两个意义，其一是由工艺变量参 数决定的匹配系数：其二，它描述了界面态电荷对迁移率的影响程度。 跨导g m 与迁移率的关系如下： w g 。= 2 x ：。( 一)( 2 - 1 0 ) l 其中是栅电压，是沟道宽度，三是沟道长度。由此可知，跨 导和迁移率成正比。m o s f e t 的迁移率衰减会引起跨导和电流驱动能 力显著降低，从而影响电路性能。 2 4 3 电离辐射对其它参数的影响 对p 型衬底的m o s f e t ，在栅极电压使表面反型，但尚未达到强 反型的范围内，也就是v g s v 【h 时，随着漏极电压的增大，电流相应增 大，这时的电流称为亚阈值电流，它也是通常所谓的截止电流，因为 此时器件仍属于截止状态。亚闽值电流由表面沟道内的传导电流，界 面态和表面沟道的产生电流组成。电离辐射增加了界面态使得表面产 生电流增大，以致截止电流增大，而且界面态在栅电压增加的过程中 会俘获一部分电子，从而使沟道中电子浓度减少，强反型状态延缓出 现，阈值电压增大。 西华大学硕士学位论文 此外，m o s f e t 的1 f 噪声与界面电荷和界面陷阱有关，辐射会 增加l ，噪声。 2 5 电离辐射与感生漏电流 在电离辐射环境中，c m o s 器件的工作电流随辐照累积剂量的增 加而增大，是除阈值电压漂移外c m o s 器件失效的一个重要机制。 c m o s 器件集成度越高，电离辐射感生漏电流也越大，对器件性能的 影响与阈值电压漂移相比将显得更为突出，成为c m o s 器件失效的主 要模式。 漏电流主要由辐射感生栅氧层漏电流、场氧漏电流、输入保护环 p - n 结反向漏电流、沟道泄漏电流等组成【2 0 2 1 。2 2 1 ，m o s f e t 5 2 作电流 i c c 随辐照剂量的增加而增加。 2 5 1 辐射感生栅氧化层漏电流 栅氧化层漏电流是从c m