（电子科学与技术专业论文）集成电路单粒子效应建模与加固方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 技术降低对单粒子效应的敏感性，采用环形栅等技术改善其总剂量的敏感性。 最后本文单粒子效应建模和加固技术未来的研究方向进行了展望。 主题词：单粒子翻转，单粒子瞬态，多位翻转，辐射效应，绝缘体上硅，抗 辐照加固，软错误 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t p a c t i nr a d i a t i o ne n v i r o n m e n tw h e nh i g he n e r g yi o ns t r i k e sa ts e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l c h a r g ew i l ld e p o s i ta l o n gi t st r a c k s e n s i t i v en o d e sc o l l e c tt h ec h a r g ea n d i n d u c es i n g l e e v e n te f f e c t s e ew i l li n d u c ed a t ae r r o ra n de v e ns e m i c o n d u c t o rd e v i c ed a m a g e ，w h i c h w i l la f f e c tt h ef o l l o w i n gc o m p u t i n ga n dc a u s et h ec o l l a p s eo ft h ew h o l es y s t e m s t a t i s t i c o ff a i l u r es h o w st h a ts e ei st h eo n eo ft h em a i nr e l i a b i l i t yc h a l l e n g e si ns p a c e c r a f t e l e c t r i cs y s t e m ，w i t ht h ea d v a n c i n go fi n t e g r a t ec i r c u i tt e c h n o l o g y ，s e ue r r o rr a t e i se v e r i n c r e a s i n g ，s e ta n dm b u b e c o m ei m p o r t a n tf a i l u r em o d e s t h ea c c u r a c ya n ds p e e do f t r a d i t i o n a lm o d e l i n gt e c h n i q u ea n dt h ep e r f o r m a n c ea n dc o s to ft r a d i t i o n a lh a r d e n i n g t e c h n i q u es h o wm o r ea n dm o r ei n s u f f i c i e n c y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ea i ma tt h ef e a t u r e o fs e eu n d e rp r e s e n ts e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，a n ds t u d yt h em o d e l i n ga n dh a r d e n i n g o fs e e t h o r o u g h l y t h em a i n w o r k sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s l1w ep r o p o s ean o v e ls e uh a r d e n e ds t o r a g ec e l l b a s eo nt h ea n a l y s i so fc h a r e c o l l e c t i o ns e n s i t i v ea r e aa n da p p r o p r i a t ec i r c u i td e s i g n , an o v e ls e uh a r d e n i n gs t o r a g e c e l li sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nr e c o v e r ya u t o m a t i c a l l yf r o ms i n g l en o d eu p s e t t h es t o r a g e e e l lc a nb ef a b r i c a t e di nc o m m e r c i a lc m o sp r o c e s s t h e r e f o r ei ta c h i e v e s1 0 wc o s t ，l o w p o w e r ，h i g hs p e e da n dh i g hi n t e g r i t y 2 、w es t u d yt h ec h a r g es h a r i n gc o l l e c t i o na n di t s e f f e c tt os t o r a g ec e l l s b y t h r e e d i m e n s i o n a ld e v i c es i m u l a t i o nm e t h o d ，w es t u d yt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c yo f c h a r g es h a r i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a r g es h a r i n gc o l l e c t i o n r i s e s i g n i f i c a n t l yw i t ht e m p e r a t u r er i s i n g m b ui ns r a mc e l l sa n dm n u i nh a r d e n e d s t o r a g ec e l l si n d u c e db yc h a r g es h a d n g i sa n a l y s e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h r e e m e t h o d st or e s t r a i nc h a r g es h a r i n gi sp r e s e n t e d ：e n l a r g i n gt h ed i s t a n c e b e t w e e n s e n s i t i v en o d e s ，i n s e r tg u a r dr i n ga n db a c k - t o - b a c kl a y o u ts t y l e 3 1w ep r o p o s eac i r c u i tl e v e lc o u p l e ds e tp u l s ei n j e c t i o nm e t h o d t r a d i t i o n a ls e t i n d e p e n d e n tc u r r e n ts o u r c ew i l l i n t r o d u c eg r e a t e r r o ri nu l t r ad e e ps u b m i c r ot e c h n o l o g y 、e x p l o r e dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es e tp u l s es h a p ea n dm o d e l t h es e t p u l s ea sa t w o d i m e n s i o nl o o k u pt a b l e t h i sm e t h o di si m p l e m e n t e di no p e ns o u r c e ds p i c e t 0 0 1 t m sm e t h o di saw e l lt r a d e o f fb e t w e e ns p e e da n da c c u r a c yc o m p a r i n gw i t hi n d e p e n d e n t m o d e l sa n dc i r c u i t d e v i c em i x m o d es i m u l a t i o n 4 ) w ep r o p o s et h es e tr e c o n v e g e n c ea n a l y s ef r a m e w o r ki nc o m b i n a t i o n a ll o g i c ， s e r a r i ns e r a r , r e c o n v e r g e n c ei sc l a s s i f i e di n t o4m o d e ，r o i lr s u b ，r a n da n d r x o r f o re a c hm o d e ，t h es e n s i t i z e dc o n d i t i o nb a s e do nb o o l e a nd i f f e r e n c ei s p r e s e n t e d e x p e r i m e n t so ni s c a s 8 5b e n c h m a r kc i r c u i t s h o wr e c o n v e r g e n c eh a s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 s i g n i f i c a n te f f e c to ns e r a n dn o d es e n s i t i v i t ye s t i m a t i o n 5 ) w ed e s i g nar a d i a t i o nh a r d e n e ds r a mb a s e do ns o it e c h n o l o g y n ed e s i g n a n di m p l e m e n to fa2 5 6 3 2s r a mw i t hf u l lc u s t o mm e t h o db a s e do n0 5 t mp ds o i t e c h n o l o g yi sd e s c r i b e d w ec o m p l e t et h ew h o l ef l o wi n c l u d i n gc i r c u i td e s i g n ，l a y o u t d e s i g n ，t i m i n gm o d e l i n g f o rr a d i a t i o nh a r d e n i n g ，b e s i d e st h ei n t r i n s i ca b i l i t yo fs o i ， w ee m p l o yt h eb o d yt i et oi m p r o v es e es e n s i t i v i t y ，a n de d g e l e s sg a t et oi m p r o v et i d s e n s i t i v i t y f i n a l l yw ef o r e c a s tt h er e s e a r c ha r e ao fs e e i nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s i n g l ee v e n tu p s e t ，s i n g l ee v e n tt r a n s i e n t ，m u l t i p l eb i tu p s e t ， r a d i a t i o ne f f e c t ，s i l i c o no ni n s u l a t o r ，s o f te r r o r 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表1 1 表1 2 表1 3 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表4 1 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表5 9 表5 1 0 表5 1 1 表5 1 2 表5 1 3 表6 1 表目录 美国3 9 颗同步卫星故障原因统计一7 我国6 颗同步卫星故障原因统计7 单粒子效应类型1 4 j 8 单元晶体管尺寸3 1 各种单元的性能比较3 3 各种加固存储单元的翻转阈值4 7 两种版图形式下l e t t h 的对比5 2 三种方法的准确度对比6 4 5 种重汇聚模式的举例7 3 典型2 输入逻辑门的重汇聚敏化条件一7 5 等效脉冲计算7 5 n a n d 3 上的3 脉冲重汇聚的敏化条件7 7 i s c a s 8 5 测试电路的参数和功能7 8 重汇聚的发生比例一7 9 s e r a r 和独立脉冲敏化概率的对比7 9 s e r a r 的软错误率( 单位：f i t ) 8 1 独立传播方法的软错误率( 单位：f i t ) 8 1 s e r a r 的时间代价( 单位：s ) 8 4 独立传播方法的时间代价( 单位：s ) 8 4 s e r a r 的存储空间代价( 单位：m b i t ) 一8 5 独立传播方法的存储空间代价( 单位：m b i t ) 8 5 典型情况下带寄生参数的性能指标9 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图1 1 5 图1 1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图目录 r a d 7 5 0 微处理器和h x s r o l 6 0 8 抗辐照s 凡m 2 范艾伦辐射带4 大气层中的辐射环境i l 引5 临界电荷随工艺缩减的变化9 随工艺缩减s e t 和m b u 的发生概率增加9 粒子入射p n 结发生电荷收集l o s a n d i a 实验室的器件模拟网格以及得到的翻转截面曲线1 4 9 1 一1 2 s p i c e 中的瞬时脉冲引入13 双指数和p w l 方法与试验测量的电压脉冲宽度的对比1 5 引1 4 s o i 和体硅m o s 器件的基本结构对比1 6 s o i 晶体管中的两种寄生效应、1 6 存储电路的加固技术1 8 组合电路的加固技术。1 9 时间冗余采样技术1 9 a r s m t 的工作原理2 0 论文的组织结构2 4 s e u 加固存储单元一2 8 n m o s 管漏结在不同偏置条件下的内建电场2 9 稳定结构2 9 新型的s e u 加固单元3 0 写入l 和0 的波形3 2 撞击在m 5 漏极3 2 撞击在m 7 漏极3 3 模拟流程3 6 n m o s 的3 d 器件模型3 7 器件模型与s p i c e 模型的校对结果3 8 从器件上的电流脉冲形状，( a ) 为n m o s 的，( b ) 为p m o s 的3 9 扩散和双极放大两种电荷共享机制一3 9 从器件上的电荷共享收集量，( a ) 为无源结的，( b ) 为有源结的4 0 n m o s 中主器件上的电荷收集量4 2 p m o s 中主器件上的电荷收集量。4 3 不同温度下的阱接触电流4 4 s r a m 单元中m b u 的混合模拟结构4 5 s r a m 单元发生m b u 时的电压变化。4 5 主单元单元l e t t h 的温度相关性4 6 从单元单元l e t t h 的温度相关性。4 6 单个p m o s 管构造为器件模型的r o c k 单元。4 8 单节点电荷收集引起的电路响应4 8 两个p m o s 管构造为器件模型的r o c k 单元4 9 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 1 7电荷共享收集引起的电路向应4 9 图3 18h i t 单元和w h i t 单元中的敏感节点5 0 图3 1 9 有无保护环时l e t t h 随距离的变化5 1 图3 2 0 保护环对少数载流子扩散的抑制5 2 图3 2 1背靠背版图的混合模拟结构5 2 图4 1重离子撞击产生瞬时电流的电路模拟5 6 图4 2固定v d 的器件模拟和与p m o s 耦合的混合模拟5 7 图4 3 器件模拟和混合模拟的电流脉冲波形5 7 图4 4 器件模拟和混合模拟的电压脉冲波形5 7 图4 5用不同漏极偏压下的瞬时电流构造二维查找表。6 0 图4 6i s e t 在s p i c e 中的实现6 2 图4 7 在反相器网表中引入i s e t 6 2 图4 8电流脉冲形状6 3 图4 9 电压脉冲形状6 3 图4 1oc 17 测试电路6 4 图4 1 1二维l u t 方法在c 1 7 电路中注入s e t 脉冲的模拟结果6 5 图5 1 c 17 测试电路。7 0 图5 2b d d 表示的路径敏化条件7 0 图5 38 种重汇聚的模式7 2 图5 4n a n d 3 上的2 脉冲重汇聚的等效逻辑7 6 图5 5n a n d 3 上的3 脉冲重汇聚的等效逻辑7 7 图5 6n a n d 3 上3 脉冲重汇聚后的等效脉冲7 7 图5 7 整体结构框图8 0 图5 8i s c a s 8 5 测试电路的平均g e i 。8 2 图5 9c 7 5 5 2 的g e l 分布8 2 图5 1 0i s c a s 8 5 测是电路的a g e i 的分布8 3 图6 1s r a m 的总体结构8 8 图6 2 存储单元8 9 图6 3 预充和敏感放大器8 9 图6 4s o is r a m 的版图9 1 图6 5s r a m 工作的s p i c e 模拟结果9 1 图6 6b t s 结构的n m o s 管9 4 图6 7h 型栅结构和环形栅结构。9 4 图6 8s o is r a m 芯片9 5 图6 9 测试用电路板结构设计9 5 图6 1 0 测试用电路板9 6 图6 1 1 写入过程中的输入输出波形。9 6 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 缩略语说明 a c e ：a r c h i t e c t u r a lc o r r e c te x e c u t e ，体系结构正确执行 a d d ：a l g e b r ad e c i s i o nd i a g r a m ，代数决策图 a v f ：a r c h i t e c t u r a lv u l n e r a b i l i t yf a c t o r ，体系结构脆弱因子 b d d - b i n a r yd e c i s i o nd i a g r a m ，二叉决策图 b t s ：b o d y t i e dt os o u r c e ，体接源结构 b u s f e t b o d yu n d e rs o u r c ef e t ，源下体场效应晶体管 c m o s ：c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，互补金属氧化物半导体 c u d d ：c o l o r a d ou n i v e r s i t yd e c i s i o nd i a g r a m ，c o l o r a d o 大学决策图工具包 c v s l ：c a s c o d ev o l t a g es w i t c hl o g i c ，级联电压开关逻辑 d r a m ：d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，动态随机存取存储器 e d a ：e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ，电子设计自动化 e d a c ：e r r o rd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o n ，纠检错 f i t ：f a i l u r ei nt i m e ，1 0 9 小时内发生错误的次数，软错误率的单位 l d d ：l i g h t l yd o p e dd r a i n s o u r c e ，轻掺杂源漏 l e t ：l i n e a re n e r g yt r a n s f e r ，线性能量传输 l e t t h ：l i n e a re n e r g yt r a n s f e rt h r e s h o l d ，l e t 阈值 l u t ：l o o k u pt a b l e ，查找表 m b u ：m u l t i p l eb i tu p s e t ，多位翻转 m n u ：m u l t i p l en o d eu p s e t ，多节点翻转 p w l ：p i e c e w i s el i n e a r ，分段线性差值 q c r i t c r i t i c a lc h a r g e ，临界电荷 r h b d ：r a d i a t i o nh a r d e n e db yd e s i g n ，设计抗辐照加固 i w t ：r e d u n d a n tm u l t i t h r e a d ，冗余多线程 r t l ：r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ，寄存器传输级 s e b ：s i n g l ee v e n tb u r n o u t ，单粒子烧毁 s e d ：s i n g l ee v e n td i s t u r b ，单粒子扰动 s e e ：s i n g l e e v e n te f f e c t ，单粒子效应 s e f hs i n g l ee v e n tf u n c t i o n a li n t e r r u p t ，单粒子功能中断 s e g r - s i n g l ee v e n tg a t er u p t u r e ，单粒子栅穿 s e l ：s i n g l ee v e n tl a t c h u p ，单粒子闩锁 第1 x 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 s e r ：s o f te r r o rr a t e ，软错误率 s e r a r ：s o f te r r o rr a t ea n a l y s e 谢t hr e c o n v e r g e n c e ，带有重汇聚的软错误率 分析 s e s ：s i n g l ee v e n ts n a p b a c k ，单粒子快速反向 s e t ：s i n g l ee v e n tt r a n s i e m ，单粒子瞬态 s e u s i n g l ee v e mu p s e t ，单粒子翻转 s h e ：s i n g l e h a r de r r o r ，单粒子硬错误 s i m o x ：s e p a r a t i o nb yi m p l a n t a t i o no f o x y g e n ，注氧隔离 s o hs i l i c o no ni n s u l a t o r ，绝缘体上硅 p ds o i - p a r t i a ld e p l e t e ds o i ，部分耗尽型s o i f ds o hf u l ld e p l e t e ds o i ，全耗尽型s o i s p d d ：s i n g l ep a r t i c l ed i s p l a c e m e n td a m a g e ，单粒子位移损伤 s p i c e ：s i m u l a t i o np r o g r a m 、) ，i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ，一种电路模拟器 s r a m ：s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，静态随机存取存储器 s 1 r i ：s h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n ，浅槽隔离 t i d - t o t a li o n i z i n gd o s e ，总剂量 t m r ：t r i p l e m o d u l er e d u n d a n c y ，三模冗余 v d s m ：v e r yd e e ps u b m i c r o n ，超深亚微米 v l s i ：v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，超大规模集成电路 第x 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：篡盛电整望堑熬建搓量垄固虚洼受塞 学位论文作者擀：室：生壁：日期：噼q 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：垄玉竺蹙 作者指导教师签名： 日期： 日期： 2，了 笈0 7 q了 年 年 砌曙 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 在外层空间以及核爆等辐射环境中，单粒子效应将引起集成电路本身损坏或 存储信息变化，从而导致整个系统崩溃，造成灾难性的后果。随着工艺缩减，单 粒子效应对集成电路的损伤在持续增加。近年来，我国航天事业取得了迅速发展， 对抗单粒子效应加固的大规模集成电路提出了极大的需求。本文针对当前以及未 来工艺下影响最为严重的单粒子效应进行研究，探讨了单粒子效应的机理、建模 和加固技术，为研制抗单粒子效应加固的大规模集成电路提供了理论基础。 1 1 课题研究背景 1 1 1 抗辐照集成电路的应用需求 近年来全球范围内出现了新一轮太空探索热潮，世界各主要航天大国相继出 台了一系列雄心勃勃的航天发展规划。美国国家航空航天局( n a t i o n a la e r o n a u t i c s a n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n , n a s a ) 于2 0 0 6 年1 2 月公布了重返月球计划，目标为2 0 2 4 年前在月球上建立永久基地，并以此为跳板，为人类登陆火星作准备。俄罗斯航 天署制订出2 0 4 0 年前的航天发展计划，其中包括建造新的空间站、绕月飞行、登 月以及载人火星考察等。欧洲、日本以及印度也分别制定了卫星发射、载人航天 以及月球和火星探测的计划。 而最令人瞩目的当属我国航天事业的迅猛发展。自1 9 9 9 年以来，我国成功进 行了7 次神舟系列宇宙飞船发射，成功将宇航员送入太空并顺利返回。2 0 0 8 年神 舟七号飞船的成功发射，使我国成为了第三个实现太空行走的国家。自2 0 0 0 年来， 我国成功发生了4 颗北斗导航试验卫星，建成了北斗导航试验系统。2 0 0 7 年成功 发射的嫦娥一号探月卫星标志着我国已进入了具有深空探测能力的国家行列。此 外，空间站建设和月球探测二期工程已在计划中。 集成电路作为航天器核心，其性能和功能已成为各种航天器性能的主要衡量 指标之一。随着航天技术的不断进步，集成电路的可靠性和性能也有了更高的要 求。 1 ) 对集成电路可靠性的要求越来越高。未来的空间站可能在轨1 0 年以上， 对于集成电路的寿命和抗辐照能力都有很高的要求。未来的月球探测甚至火星探 测中面临的辐射环境将主要是太阳宇宙线和银河宇宙线，它们引起的单粒子效应 更加严重。 2 ) 对集成电路的性能要求越来越高。智能化是未来航天器的发展趋势。航天 器中的电子系统不仅仅要进行姿态控制，而且必须承担更多任务，包括天地一体 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 化通讯、数据的采集和压缩、目标自动跟踪、指挥航天器自动对接以及对突发事 件的实时处理等。 为了应对当前以及未来航天科技发展的挑战，各国都在积极研制高性能、高 抗辐照能力的集成电路。典型的抗辐照微处理器有b a e 公司的r a d 7 5 0 、欧洲 宇航局( e s a ，e m o p e a ns p a c ea g e n c y ) 的l e o n l 2 删州、t 1 的s m v 3 2 0 c 6 7 0 1 t 5 1 等； 典型的抗辐照存储器有h o n e y w e l l 公司的h x s r 0 1 6 0 8 1 7 】等；典型的抗辐照f p g a 有x i l l i n x 公司的x q v r 系列【6 】、a c t e l 公司的r t a x 系列”肄。这些高性能、高可 靠的集成电路是西方国家特别是美国航天技术保持领先的重要原因之一。 r 一 图ilr a d 7 5 0 微处理器和h x s r 0 1 6 0 8 抗辐照s r a m 我国的抗辐照集成电路的研制还处于起步阶段，c p u 、存储嚣、f p o a 等核心 的抗辐照电路几乎还是空白。长期以来不得不采用8 0 8 6 、8 0 3 8 6 、1 7 5 0 等性能很 低的集成电路来构建航天器的电子系统，它们仅能满足卫星的姿轨控制的需要， 难以完成目标跟踪，数据压缩等计算量更大的任务。为了获得更高的计算能力， 海洋一号、探索一号、清华一号等小卫星中不得不冒着风险采用非抗辐照加固的 8 0 3 8 6 e x 处理器1 9 】，但是这些非加固的集成电路显然不能应用于军事侦察、载人航 天等关键任务中。 2 0 0 1 年以来，我国开始引进国外性能较高的抗辐照集成电路，如t s c 6 9 5 等， 使得航天器的计算能力有所提升，然而相比国际先进水平还有很大差距。更重要 的是，由于抗辐射集成电路在军事方面的敏感性，西方国家特别是美国对我国是 严格禁运的。1 9 9 2 年美国等西方1 8 国制定了“导弹技术控制制度( m t c r ) ”，明 确规定了抗辐照加固与模拟试验技术等一律严格控制或禁运。因此，我国难以购 买到国际上最先进的抗辐照集成电路，即使购买落后的产品价格也很昂贵。综上 所述，抗辐照集成电路已经成为严重制约我国航天事业发展的瓶颈。 为了改变这一现状，国内包括航天七七一所、七七二所、电子四十七所以及 国防科大在内的多家研究机构在抗辐照加固集成电路开展了研究，并且取得了一 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 些进展。七七一、七七二研究所研制的l s f t 3 2 0 1 t 引，基于s p a r cv 8 体系结构， 抗总剂量水平达到3 0 0 k r a d ( s i ) ，s e u 翻转截面小于5 3 61 0 一c m 2 。国防科大计算机 学院研制的t d s p 7 0 0 ，总剂量水平超过1 0 0 k r a d ( s i ) t 1 0 】。这些成果相当大程 度上支持了我国航天事业的发展。 但是，我国抗辐照集成电路与国外先进水平仍有较大差距，主要还停留在对 国外先进技术的跟踪和仿制，性能和加固水平较低，还不能解决航天应用的实际 需求。造成这一现状的原因在于缺乏对集成电路辐射效应深刻认识，缺乏对辐射 效应机理、建模和加固技术的深入研究，从而导致抗辐照集成电路的自主研发能 力较差。为了保障我国航天事业和武器装备健康发展，我们必须加大辐射效应基 础研究的力度，深入探索各种抗辐照加固技术，全面提高抗辐照集成电路的自主 研发能力。 受到航天器智能化和小型化的需求驱动，未来航天器必将全面采用小尺寸超 大规模集成电路来构建其电子系统。在小尺寸工艺下，s e u 的错误率持续增加， s e t 、m b u 等效应也逐渐凸显成为新的重要的损伤因素。基于以上原因，本论文 选择单粒子效应这一重要的辐射效应作为研究对象，深入研究单粒子效应的失效 机理、建模和模拟技术以及加固方法，力图占领未来辐射效应和抗辐照集成电路 研制的制高点，为自主研制高可靠、高性能、超大规模的抗辐照加固集成电路奠 定基础。 本课题研究得到了自然科学基金重点项目“集成电路辐照效应与抗辐照技术 研究，武器装备研究基金“( 凇器件与电路结构研究”，教育部高等学校博 士学科点专项科研基金“v l s i 芯片单粒子效应的模拟评估体系研究”等基金项目 的支持。 1 1 2 辐射环境 影响集成电路工作的辐射环境是多种多样的，包括自然辐射环境，如空间辐 射环境、大气辐射环境等，以及人造辐射，如核爆环境等【1 1 1 。 1 1 2 1 空间辐射环境 太阳宇宙线 太阳内部核聚变反应放射出来的高能粒子流形成太阳宇宙线，其主要成分是 质子和a 粒子，能量从1 0 m e v 1 0 g e v ，通量很高，达到1 0 6 c m - 2 s 。太阳宇宙线 呈现以1 1 年为周期的活动规律。在太阳活动极大年( s o l a rm a x ) 期间，特别是太 阳耀斑发生时，太阳宇宙线的强度急剧增加，耀斑期间的通量可达1 0 9 c m - 2 $ ，使 卫星中的集成电路产生致命的故障，甚至能够干扰地面的电子系统的正常工作。 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 银河宇宙线 银河宇宙线指来自银河系各个方向的高能带电粒子。主要成分是高能质子( 约 8 4 3 ) 和q 粒子( 约1 4 4 ) ，其他重核成分约占1 3 。能量从1 0 0 m e v 1 0 y g e v ， 峰值出现在3 0 0 m e v 粒子处。银河宇宙线具有极高的能量，具有极强的贯穿能力。 宇宙射线到达地球附近，受到磁场的作用向极区偏转，能量低的粒子向极区 集中，造成宇宙射线强度随纬度的变化，即所谓纬度效应。纬度效应在赤道附近 要比高纬度区域约小1 4 。此外由于地球的自转，还存在东西效应，即从西方来 的强度稍大于来自东方的。 地磁俘获带 地磁俘获带也称为范艾伦辐射带，是由于地磁场捕获太阳风中的高能粒子而 形成。范艾伦辐射带分为两个同心环辐射粒子区，即内、外范艾伦辐射带，如图 1 2 所示。 伪 图1 2 范艾伦辐射带 体片 中性席 体片 内带的组成包括能量在3 0 m e v 1 0 0 m e v 的质子、4 0 e v 7 m e v 的电子和少量 的重离子。位于6 0 0 1 0 ，0 0 0 k m 高度之间，通量随高度变化，最高达31 04 c m 之s 。 外带的组成包括能量小于数m e v 的质子和0 4 m e v 1 m e v 的电子，位于 1 0 ，0 0 0 - - - , 6 0 ，0 0 0 k m 的高度之间，通量也随高度变化，最高达1 0 1 0 c m 2 s 。 人造地球卫星的轨道通常避开这两个区域，分别位于这两个区域的内部、中 间和外部，也就是低地球轨道( l e o ) 、中地球轨道( m e o ) 和地球同步轨道( g e o ) 。 但是在南大西洋约西经4 0 0 的位置，内带的下边界高度下降到约2 0 0 k m ，称之为南 大西洋异常区。轨道倾角超过4 0 0 的低轨卫星将不断穿越这一区域。 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 1 2 2 核爆辐射环境 众所周知，核爆炸会造成十分恶劣的辐射环境。核爆炸产生的高能丫射线、x 射线、中子及电磁脉冲具有极高的能量，足以使半导体材料的原子电离产生光电 流，对半导体器件工作产生严重的干扰，存储器中的内容被抹掉，逻辑信号产生 错误，甚至半导体器件烧毁。核爆炸时的瞬态辐射剂量率比空间辐射的剂量率大 近十个数量级。高空核爆炸产生的电磁脉冲影响可达数千公里。 1 1 2 3 大气辐射环境 虽然有地球磁场和大气层的阻挡，但仍有部分宇宙射线穿透大气层，形成了 大气辐射环境。 l 图1 3 大气层中的辐射环境【1 2 1 到达地球大气层边缘的宇宙射线的通量大约是1 , 6 0 0 m 2 s ，这些粒子的能量大 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 都远远超过1 g e v 。由于和大气中的原子核相互作用，在这些高能宇宙射线的轰击 下，产生了大量的第二代和第三代粒子流，如图1 3 所示。这些次级粒子的能量衰 减，但在高层大气中的粒子密度急剧增加，大约1 2 k i n 的高度宇宙射线的密度增加 为1 0 6 m - 2 s 。由于大气层对宇宙射线的持续吸收作用，在靠近地面的大气层以内， 宇宙射线的强度随高度减小而成指数规律衰减。在海平面的高度上，宇宙射线的 通量已经小于3 6 0 m - 2 s ，其中9 5 是中子，