（电子科学与技术专业论文）高频锁相环中单粒子效应失效机理与加固技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的p f d 电学性能基本一致，鉴频鉴相精度可达o 8 弧度，锁定时间保持一致。对d 触发器型p f d 和设计加固的p f d 进行了遍历轰击模拟，结果显示本文提出的抗辐 照p f d 加固效果非常明显，敏感节点的数目可以降低约8 0 。加入该抗s e u s e t p f d 结构的抗辐照p l l 设计已经流片，重离子试验的准备工作正在进行，将进一 步验证其抗s e e 的能力。 主题词：锁相环，单粒子效应，单粒子闩锁，单粒子瞬态，压控振荡器，鉴频 鉴相器，抗辐射加固 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec l o c kg e n e r a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i t r y ，p h a s e l o c k e dl o o p ( p l l ) i s w i d e l yu s e di nav a r i e t yo fs p a c e c r a f te l e c t r o n i c sa n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s p l l u n d e rt h ea c t i o no fas i n g l ep a r t i c l ei ns p a c er a d i a t i o ne n v i r o n m e n t ，w i l lr e s u l ti n f r e q u e n c yo rp h a s ed e v i a t i o n ，o re v e nr e s u l ti ns u s p e n s i o no fo s c i l l a t i o n ，w h i c hm a y l e a dt ot h ei n t e r r u p t i o no fc o m m u n i c a t i o no rf u n c t i o n ，t h e r e b ys p a c e c r a f tc a t a s t r o p h i c c o n s e q u e n c e sf o l l o w s a st h ev l s it e c h n o l o g ys t e pi n t ot h en a n o m e t e rs t a g e ，p l l o p e r a t i n gf r e q u e n c yc o n t i n u e st oi n c r e a s e ，a n db e c o m em o r ea n dm o r es e n s i t i v et o s i n g l ee v e n te f f e c t a tp r e s e n t ，a n t i - r a d i a t i o ns t u d yo ft h ep l l s t i l lh a ss o m ep r o b l e m s ， s u c ha s ，t h ef a i l u r em e c h a n i s mi sn o ty e tt h o r o u g h ，t h el a c ko fa c c u r a t es p i c e l e v e l m o d e l ，a n dt h el a c ko fe f f e c t i v eh a r d e nm e t h o d sa n ds oo n t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho n s i n g l ep a r t i c l ef a i l u r em e c h a n i s ma n dr a d i a t i o nh a r d e n e dt e c h n i q u e so fh i g h f r e q u e n c y p l lh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n da p p l i e dv a l u e 1 1 1 i sp a p e rs t u d i e sv a r i o u se f f e c t so ft h es i n g l ee v e n te f f e c to ni n t e g r a t e dc i r c u i t s ， s o m eg e n e r a jh a r d e n e dt e c h n i q u e sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d so fs i n g l ee v e n te f f e c t i n a l l u s i o nt ot h es i n g l ee v e n te f f e c tu n d e rt h eh i g h - f r e q u e n c yp h a s e l o c k e dl o o pw i t ht h e d e e ps u b - m i c r o nb u l ks i l i c o nt e c h n o l o g y l u c u b r a t ei t sf a i l u r em e c h a n i s ma n dh a r d e n e d t e c h n i q u e s ，t h es t u d yc o n t e n ti n c l u d es i n g l ee v e n tl a t c h u pm e c h a n i s ma n ds e tr e s p o n s e t ov o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r s ，a sw e l la st h ep f dd e v i c eh a r d e n e dt e c h n i q u e s r e s e a r c hp a p e r si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 s u m m a r i z e st h es i n g l ee v e n te f f e c to ni n t e g r a t e dc i r c u i t si nv a r i o u se f f e c t s ，a n d a l s oi n t r o d u c eh a r d e n e dd e s i g nt e c h n o l o g i e si nd i f f e r e n tt y p e so fc i r c u i t si nt h e a r c h i t e c t u r el e v e l ，c o m p o n e n tl e v e l ，c i r c u i t - l e v e la n dl a y o u t - l e v e l ，a n ds oo n a n dt h e n c o n d u c tai n - d e p t hs t u d yo ft h ed e v i c el e v e l ，c i r c u i tl e v e la n dm i x e d l e v e ls i m u l a t i o n m e t h o d sa n dt h e i rr e s p e c t i v es c o p eo fa p p l i c a t i o n 2 b a s e do na b r o a du n d e r s t a n d i n go fs i n g l ee v e n tl a t c h u pe f f e c t ，s t u d yt h e s e n s i t i v en o d e so ft h ec m o si n v e r t e rw h e nl a t c ho c c u r r e d ，r e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt e m p e r a t u r e ，w e l l s u b s t r a t ec o n t a c tp o s i t i o n ，n m o sa n dp m o sd r a i nd i s t a n c e ， p a r t i c l eh i ta n g l e ，t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s s i td e p t ha n dl e t t h r e s h o l dw h e nl a t c h u p o c c u r r e d ，w h i c hc a np r o v i d es o m eg u i d a n c et ot h ea n t i l a t c h u pd e s i g n 。 3 b a s e do np r o c e s sc a l i b r a t i o n ，s i n g l ee v e n tt r a n s i e n ti nv o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r so fh i g hf r e q u e n c yp h a s e - l o c k e dl o o pi na0 18pmb u l kp r o c e s si ss t u d i e d b yt c a dm i x e d m o d es i m u l a t i o n t h ei m p a c to fv o l t a g e ，l e ta n dt e m p e r a t u r eo n s e ti ss t u d i e d o u rs i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em a xp h a s ed i f f e r e n c ec a u s e d b yp a r t i c l eo nv c o i sw e a k l yw h e nn m o sw o r k si nc u t - o f fr e g i o n t h ep u l s ee r r o r n u m b e rc a u s e db yp a r t i c l eo nv c oi n c r e a s e sl i n e a r l ya sl e ti n c r e a s e s a n dw h e nt h e d e v i c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，t h em a xp h a s ed i f f e r e n c eo nv c oa l s og e n e r a l l y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 i n c r e a s e s 4 i nt h i sp a p e r ，an o v e ls e u s e th a r d e n e dp f di sp r o p o s e di no r d e rt or e d u c et h e s e es e n s i t i v i t yo ft r a d i t i o n a ld f l i p f l o pt y p ep f d s p i c es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i s s t r u c t u r eh a sv e r y h i g ha c c u r a c y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp f d ，t h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e so fp l lw i t hr a d i a t i o nh a r d e np f dh a sn o tc h a n g e d c o m p a r e dt h en u m b e ro f h i tn o d e sw h i c hc a nc a u s ep l l ji u e rb o t hf o rdf l i p - f l o pt y p ep f da n dr a d i a t i o nh a r d e n p f d ，t h en u m b e ro fs e n s i t i v en o d e si sr e d u c e db y8 0 ，p r o v i n gt h a tt h ea n t i - r a d i a t i o no f t h ep r o p o s e dp f di sq u i t ee f f e c t i v e k e yw o r d s ：p h a s e l o c k e dl o o p s ，s i n g l ee v e n te f f e c t ，s i n g l ee v e n tl a t c h u p ， s i n g l e e v e n t t r a n s i e n t ，v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r s ，p h a s ef r e q u e n c y d e t e c t o r 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 美国3 9 颗同步卫星故障原因统计 1 】1 表2 1 不同类型粒子的最大能量 2 5 】7 表2 2 单粒子效应类型l1 表3 1 不同阱衬底接触位置结构发生s e l 的l e t 阈值3 4 表3 2 不同n m o s 与p m o s 间距发生s e l 的l e t 阈值3 5 表3 3 两种温度下不同s t id e p t h 对应的l e t 阈值3 7 表5 1 两种p f d 结构p l l 发生抖动的节点数目统计5 4 第l i l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 典型的s e t 脉冲4 图2 1 范艾伦辐射带示意图8 图2 2 纽约市地面观察到的宇宙射线成分与能量的函数关系( z e i g l e r i b m ) 【2 5 】9 图2 3 存储电路的加固技术：。1 3 图2 4 触发器三模冗余1 3 图2 5 总剂量导致的主要效应示意图1 4 图2 6 带保护环的环形栅n m o s 晶体管示意图。1 5 图2 7 双保护环版图15 图2 8 辐射辐射前后晶体管漏流的变化1 7 图2 9 阈值变化引起的反相器传输特性改变1 8 图2 1 0 ( a ) 抗阈值变化反相器与( b ) 改进后的传输特性1 8 图2 1 1 抗阈值变化的基本逻辑单元18 图2 1 2 抗阈值变化的电荷泵电路1 9 图2 1 3 抗阈值变化的v c o 电路1 9 图2 1 4s e t 对v c o 输出影响2 0 图2 15 单粒子轰击分频器和电荷泵造成p l l 失锁2 0 图2 1 6 三模冗余结构和投票表决电路2 l 图2 1 7 鉴频鉴相器和分频器的t m r 实现2 1 图2 1 8 偏置产生电路中应用模拟冗余技术2 2 图2 1 9 辐射效应模拟验证平台2 2 图2 2 0n m o s 管i v 特性的校准结果2 4 图2 2 1 工艺对准后的器件模型以及模拟的结果2 5 图2 2 2s p i c e 模拟中引入重离子诱导的瞬时脉冲2 5 图2 2 3 双指数、p w l 及试验测量的电压脉冲宽度的对比2 6 图2 2 4 三维混合模拟示意图2 6 图3 1c m o s 闩锁效应2 8 图3 2 ( a ) 显示掺杂分布的s c r 器件原始工艺输出( b ) 使用( a ) 中提取的掺杂分布 生成的t c a d 器件3 0 图3 3c m o s 反相器中粒子轰击点的选择3 l 图3 4 不同入射位置p m o s 源极电流随时间的变化3 2 图3 5c m o s 电路发生闩锁的l e t 阈值随温度的变化关系3 3 图3 6c m o s 电路的闩锁电流随温度的变化关系3 3 第l v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 7c m o s 电路闩锁的l e t 阈值随阱衬底接触距离的变化3 4 图3 8 不同温度下闩锁阈值随n m o s 与p m o s 间距的变化3 5 图3 9 粒子以不同角度入射厚度为1 0 1 , t i n 敏感体时路径长度的示意图3 6 图3 1 0 两种不同温度下闩锁阈值随s t i 深度的变化3 7 图3 1 l ( a ) 稀疏布置的阱接触结构( b ) 密集布置的阱接触结构3 8 图4 1 电荷电荷泵型锁相环结构框图3 9 图4 2 ( a ) p f d 的典型实现结构( b ) 触发器的实现4 0 图4 3 ( a ) p f d 的实际工作波形( b ) p f d 处于锁定状态下的工作波形4 0 图4 4 电荷泵的示意图4 1 图4 53 级v c o 结构4 2 图4 6 差分延迟单元结构4 2 图4 7s p i c e 模拟与s d e v i c e 混合模拟结果对比4 3 图4 8 受粒子轰击后p l l 的输出电压波形4 4 图4 9 输出时钟信号示意图4 5 图4 1 0 轰击时刻变化时，输出节点s e t 对最大相位差的影响4 5 图4 1 1n 1 管的栅压、漏压与漏源电流在一个周期内的变化关系4 6 图4 1 2 电流脉冲高度与轰击时刻的关系4 6 图4 1 3p l l 时钟信号的错误脉冲数随l e t 的变化关系4 7 图4 1 4 最大相位差随器件工作温度的变化4 7 图5 1 抗辐照p l l 原理框图4 9 图5 2 粒子轰击后p ll 的响应5 0 图5 3 带有异步复位功能的d i c e 结构5 l 图5 4s e u s e t 加固p f d 版图5 2 图5 5 抗s e u 的p f d 功能模拟5 2 图5 6 带有抗辐照p f d 结构的p l l 锁定过程模拟5 3 第v 页 独创性声明 本人声明所里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：直趣继担至生兰撞至教廛塞教扭垄生担固拉苤盈究 学位论文作者签名： 魄冲年脚斯 学位论文版权使用授权书 本入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) 学位论文题目： 高麴笾担至圭望筮孟兹廑塞熬扭垄生堑固擅苤丑窀 学位论文作者签名：夕盏舡 日期： 1 0 0 7 年，x 月毯1 作者指导教师张丰哗 吼洳气年l 月蜘 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 微电子电路以电荷为媒介存储或传递信息。任何能够改变存储电荷或传递电 荷的事件都可能在电路输出诱发错误。这些错误被称为瞬态故障、软错误或单粒 子效应。而引发电荷改变的事件往往是来源于各种辐射环境的高能粒子。外层空 间存在着各种各样的辐射，包括：宇宙射线，太阳耀斑以及围绕地球的内、外范 艾伦辐射带等；此外还有太阳风、极光、太阳x 射线以及频谱范围较宽的电磁波 由蟹 寸。 空间辐射环境中的高能粒子入射半导体材料将会引起半导体材料电离，从而 引发各种形式的单粒子效应( s i n g l e e v e n te f f e c t ，s e e ) 。单粒子瞬态( s i n g l e e v e n t t r a n s i e n t ，s e t ) 是一种重要的单粒子效应，指的是单个高能粒子在穿过微电子器 件的灵敏区时，在其轨迹上沉积电荷，这些电荷被器件电极收集，造成器件电压 和电流的瞬时扰动；单粒子闩锁( s i n g l ee v e n tl a t c h u p ，s e l ) 是由单个高能粒子 触发存在于衬底和阱中的两个寄生双极型晶体管所引起的。 在空间应用中，辐射效应是引起系统故障的主要原因，而单粒子失效又在辐 射效应中占主导地位。据美国国家地球物理数据中心( n a t i o n a lg e o p h y s i c a ld a t a c e n t e r , n g d c ) 统计，自1 9 7 1 年至1 9 8 6 年间，美国发射的3 9 颗同步卫星，发 生的故障共1 5 8 9 次，其中由于各种辐射效应引起的故障达1 1 2 9 次，占故障总数 的7 1 ：而单粒子效应是引起故障数最多的辐射效应，单粒子失效次数占总辐射 失效次数达到了5 5 ，如表1 1 所示。 表1 1 美国3 9 颗同步卫星故障原因统计【1 l 故障原因 故障次数故障百分率( ) 电子诱发的 2 9 31 8 4 4 电磁脉冲 静电放电 2 1 51 3 5 3 单粒子效应 6 2 l3 9 0 8 其他 4 6 0 2 8 9 5 总计 1 5 8 91 0 0 锁相环( p h a s e l o c k e dl o o p s ，p l l ) 是对齐输出相位和输入相位的反馈系统， 可以实现时钟产生与同步、时钟数据恢复、倍频与频率综合、减小偏斜和抖动等 功能，在电子学和通信领域得到了广泛应用。 随着半导体工艺步入纳米阶段，由于频率增大、电容减小、电源电压降低和 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 晶体管延迟减小而导致s e t 成为影响电路的主要辐射效应。作为时钟产生和同步 电路，p l l 被广泛应用于微处理器、d s p 、f p g a 和通信电路中。暴露于辐射环境 的锁相环在s e t 作用下，可能产生频率或相位偏差，甚至振荡中止，导致通信中 断或功能中断。抗辐射锁相环是研究抗辐射微处理器、抗辐射d s p 和抗辐射f p g a 的基础。 重离子、激光实验和模拟结果表明，当单粒子轰击p l l 的敏感结点时，会导 致时钟输出偏离预期轨迹，出现频率或相位偏差，甚至造成振荡中止 2 1 。虽然在反 馈环路的作用下，p l l 最终会恢复到初始状态，但可能已经带来了灾难性的后果， 比如导致微处理器功能中断或系统通信中断。重离子轰击实验发现v c o 中止振荡 1 0a s 将使p l l 花费8l as 恢复到稳态条件【2 】。对于工作频率为1g h z 的p l l 来说， 将导致微处理器中断工作8 , 0 0 0 个周期；对于2 5g b p s 的p c i e x p r e s s 接口来说这 段时间已经长到足够丢失2 0 ，0 0 0 位数据了。 近来p l l 被确认为空间电子元器件中的辐射加固薄弱环节【3 】，可能严重影响 系统的可靠性。由于p l l 的s e e 敏感性对于空间电子系统的整体加固性能至关重 要，抗辐射加固p l l 成为当今空间应用集成电路研究的热点问题。欧空局( e s a ) 将p l l 与标准单元、i o 和存储器并列作为必须预先研究的辐射加固a s i c 的设计 基础，并指定专项计划进行研发。美国国防部高级研究计划署( d a ) a ) 也资助 了p l l 等数模混合加固集成电路以及配套设计软件的研发。 随着工艺的进步和工作频率的升高，s e e 加固p l l 将面临更加严峻的挑战： 影响程度不断增大 敏感性不断升高 产生机理越来越复杂，难于分析与建模 现有加固方法不再适用 抗辐射加固元器件与国家战略利益密切相关，抗辐射加固技术和研究方法是 各国政府严格控制禁止对外交流的，抗辐射加固p l l 也是如此，因此必须走自主 创新之路。本课题拟以高频p l l 为目标，研究其s e t 失效机理、加固等相关基础 科学问题。本课题在抗辐射p l l 方面进行积极探索，为未来宇航级微处理器、s o c 芯片和星载电子系统的研制提供一定的理论指导。 1 2 课题研究现状 单粒子效应可能引发两类错误：一类为永久性损伤，称为硬错误；另一类为 非永久性损伤，称为软错误。在当代超深亚微米工艺条件下，软错误是单粒子效 应引发的主要失效模式，其中，s e u ( s i n g l ee v e n tu p s e t ，单粒子翻转) 、s e t ( s i n g l ee v e n tt r a n s i e n t ，单粒子瞬态) 和m b u ( m u l t i p l eb i tu p s e t ，多位翻转) 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 是软错误的主要来源。 1 2 1 国外研究现状 目前国际上多家机构展开了辐照加固p l l 的相关技术研究，其中较为突出的 有学术界的v a n d e r b i l t 大学、a r i z o n a 州立大学和o r e g o n 州立大学，以及工业界的 a e r o f l e x 和p e r e g r i n e 等公司。 自从1 9 9 3 年模拟电路的单粒子瞬态效应在空间应用中被发现后d 1 ，辐射效应 对模拟电路所带来的影响受到了越来越多的重视，尤其是多次航天器故障被确认 由s e t 引起之后，各国学者更是针对s e t 展开了全方位的研究，主要焦点集中在 s e t 失效机理、s e t 电流建模、s e t 在电路级和系统级的响应、s e t 敏感性分析 以及s e t 加固等方面。 s e t 失效机理 s e t 产生的基本物理机理是电荷收集，而电荷收集的机理主要包括“漏斗” 辅助的漂移、扩散和双极放大。一般认为，节点电压发生翻转主要归因于前期“漏 斗 辅助的漂移引起的快速电荷收集，而使节点维持在翻转状态则是依赖后期缓 慢的扩散电流和双极放大电流。典型的s e t 脉冲主要形状特征包括( 以粒子轰击 n m o s 管的漏极为例) ：一个快速下降的即时部分和一个基本维持恒定值的“台阶 7 1 。典型的s e t 脉冲具有图1 1 所示的形状。 随着工艺缩减到深亚微米和纳米阶段，p l l 的对s e t 失效机理呈现出一些新 的特点。首先，双极放大和电荷共享等效应成为影响v c o ( v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) 振荡频率和线性度的主要机理。其次，过去大尺寸条件下s e t 过程中 偏压近似不变的假设不再成立，必须考虑v c o 中的敏感晶体管的高频振荡，考虑 所有电极电压的动态变化，这将导致电荷传输和收集过程以及相关失效机理的完 全不同。目前，人们虽然已经意识到工艺缩减将对s e t 失效机理产生非常重要的 影响，但相关研究刚刚起步。 s e t 电流建模 m e s s e n g e r 等人基于恒定偏压下的电荷漂移收集提出了双指数电流模型引，这 一模型被广泛应用于s e t 的电路级模拟中，在大尺寸条件下取得了很好的效果。 随着工艺尺寸的缩减，扩散和双极放大等因素，特别是动态偏置对电荷收集的影 响日益显著，双指数电流模型的预测结果与试验和三维混合模拟结果之间的差距 越来越大。 最近有学者试图在s e t 电流模型中引入漏端电压动态变化的影响。m a v i s 等 使用s p i c e 内建电路元件构造了一种耦合电流源1 9 】，但这方法仅能构造简单形式 的电流，更重要的是无法引入试验数据。k o b a y a s h i 根据多个恒定偏压下的电流来 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 “重建”动态偏压下的电流 0 1 1 】，但这一方法不能很好地描述电荷收集过程中的动 态寄生电容。 更为重要的是，随着工艺的缩减和工作频率的增加不仅漏端电压会对s e t 响应产生重要影响，而且v c o 中高速振荡的源极、栅极以及衬底电压都会对电荷 收集产生显著的影响。目前，尚未有文献报道多端动态偏置条件下的s e t 建模方 法。 圈11 典型的s e t 脉冲 s e t 在电路级和系统级的响应 关于s e t 在p l l 电路级和系统级的响应，研究已经比较成熟【+ 2 - 1 9 。人们广泛 研究了不同的部件发生s e t 后，在电路和反馈环路的作用下，p l l 整体对s e t 的 响应，并广泛研究了工艺、频率和电路参数等的影响。研究表明，c p i i s , 1 6 , + g j 和 v c o t 2 , 1 4 , 2 “2 4 1 是p l l 中的敏感部件；单离子轰击c p 的输出级时能够沉积足够的电 荷而明显地改变产生时钟信号的频率【1 ”；单粒子轰击v c o 的敏感节点时会导致 时钟输出偏离预期轨迹【2 l ：等等。 s e t 敏感性分析方法 为了使得加固具有针对性，通常需要借助敏感度分析手段确定电路中的薄弱 环节。p l l 的模拟电路本质和对精度的苛刻要求使得p l l 的敏感性分析只能基于 晶体管级甚至器件级模拟 5 , 1 6 , 1 ”进行并且必须考虑关键电路的寄生参数。敏感度 分析需要变换多种输入条件，反复运行数以万计的样本，对计算资源的大量需求 是不言而喻的。国际上通常采用基于巨型机的超级计算解决这问题，如何高效 管理和使用宝贵的计算资源是科技工作者必须面对的问题。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 敏感度分析过程至少要经历结点遍历、s e t 引入、s p i c e 级电路模拟、t c a d 器件级模拟、数据整理与分析等多个步骤，需要切换s p i c e 模拟器、器件模拟器、 波形查看器、数据整理等多个软件或程序，如果通过人工操作，必将导致效率低 下，也无法保证准确性。因此迫切需要一个系统级敏感性分析平台来代替人工自 动化地完成评估工作。 综上所述，国际上关于小尺寸和高频条件下p l l 失效机理的研究亟待加强， 多端动态偏置条件下的s e t 电流模型尚处于空白，s e t 在电路级和系统级的响应 研究基本成熟，自动化的敏感度分析软件尚不具备，加固技术的研究将是一个长 期的课题。此外，国际上成熟的s e t 加固p l l 产品很少，有代表性的是a e r o f l e x 公司的r a d c l o c kp l l ，具有很高的抗辐射能力，但是频率只有2 0 0m h z ，远远不 能满足高性能处理器类芯片的需求。 1 2 2 国内研究概况 国内多家单位对单粒子效应及其加固技术进行了研究。西北核技术研究所对 s e u 的机理、建模、数值模拟和实验等进行了研究。西安微电子所研制了电阻加 固的s r a m 。中科院半导体所和电子科技集团5 8 所研制了抗辐照加固的s o l s r a m 。西北工业大学和7 7 2 所等多家单位联合研制了基于s p a r cv 8 体系结构的 抗辐照加固微处理器。 总的来说，国内对p l l 中的s e t 效应相关问题有了一定的认识，但无论从深 度上还是从广度上与国际先进水平相比都存在较大的差距。对于高频s e e 加固p l l 的研发，国内尚没有完整、系统的解决方案。 1 3 课题研究内容 本文主要研究了深亚微米体硅工艺下高频锁相环中单粒子效应的失效机理与 加固技术，具体包括以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 本文总结了单粒子效应对集成电路的各种影响，从体系结构级、部件级、 电路级和版图级多个层级介绍了不同类型电路结构的加固设计技术，深入研究了 器件级、电路级和混合级的模拟方法及各自的适用范围。分析表明，器件级的模 拟及三维混合模拟能够较精确的表征单粒子效应对电路及系统产生的影响，是研 究集成电路s e e 响应行之有效的方法。 ( 2 ) 在广泛理解单粒子闩锁的基础上，研究了c m o s 反相器发生闩锁的敏感节 点，发生闩锁的l e t 阈值与温度、阱衬底接触的位置、n m o s 与p m o s 漏间距、 粒子入射角度、工艺参数一槽深等的关系，得到了抗单粒子闩锁的具体设计参数， 对体硅工艺下抗闩锁设计提供更为有效的指导。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 ( 3 ) 深入研究了高频锁相环电路中压控振荡器的单粒子响应，在工艺校准的基 础上，对三级v c o 进行了混合模拟，详细研究了偏置条件、入射粒子能量和器件 工作温度对s e t 响应的影响，找出了s e t 敏感性随偏置条件、入射粒子能量和工 作温度的变化关系，并从理论上对上述结果进行了解释。 ( 4 ) 采用s p i c e 电路模拟方法分析验证了常用d 触发器型鉴频鉴相器的s e e 敏 感性，提出了一种新型的s e u s e t 设计加固鉴频鉴相器，s p i c e 模拟结果表明该 结构功能是正确的，鉴频鉴相的精度可达o 8 弧度。锁相环的整体模拟结果表明， 抗辐照的p f d 与传统的p f d 相比，锁相环的电学性能并没有改变，锁定时间保持 一致。对d 触发器型p f d 和设计加固的p f d 进行了遍历轰击模拟，结果显示本文 提出的抗辐照p f d 加固效果非常明显，敏感节点的数目可以降低约8 0 。加入该 抗s e u s e tp f d 结构的抗辐照p l l 设计已经流片，目前正在准备进行重离子试验， 进一步验证其抗s e e 的能力。 1 4 论文组织结构 本文包括以下六章内容： 第一章：介绍了高频锁相环中单粒子效应，阐明了研究的背景及意义，总结 了国内外的研究现状。 第二章：总结了单粒子效应产生的环境、分类、对集成电路的影响，并对单 粒子效应的机理、建模、加固和模拟方法进行了介绍。 第三章：在广泛理解单粒子闩锁效应的基础上，研究了c m o s 反相器发生闩 锁的敏感节点，发生闩锁的l e t 阈值与温度、阱衬底接触的位置、n m o s 与p m o s 漏间距、粒子入射角度、工艺参数一槽深等的关系，对体硅工艺下抗闩锁设计提 供一定的指导。 第四章：研究了高频锁相环电路中压控振荡器的单粒子响应，在工艺校准的 基础上，对三级v c o 进行了混合模拟，详细研究了偏置条件、入射粒子能量和器 件工作温度对s e t 响应的影响，找出了s e t 敏感性随偏置条件、入射粒子能量和 工作温度的变化关系，并从理论上对上述现象进行了解释。 第五章：采用s p i c e 电路模拟方法分析验证了常用d 触发器型鉴频鉴相器的 s e e 敏感性，提出了一种新型的s e u s e t 设计加固鉴频鉴相器，s p i c e 模拟结果 表明该结构功能是正确的，鉴频鉴相的精度可达o 8 弧度。锁相环的整体模拟结果 表明，抗辐照的p f d 与传统的p f d 相比，锁相环的电学性能并没有改变，锁定时 间保持一致。对d 触发器型p f d 和设计加固的p f d 进行了遍历轰击模拟，结果显 示本文提出的抗辐照p f d 加固效果非常明显，敏感节点的数目可以降低约8 0 。 第六章：总结全文，对下一步的研究工作进行展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章单粒子效应概述 2 1 辐射环境 集成电路或器件的辐射效应取决于所处的辐射环境，辐射环境包括空间辐射 环境、大气辐射环境、核爆炸辐射环境和电磁脉冲等。 2 1 1 空间辐射环境 自然的太空辐射环境可以分为两类：行星的电磁场俘获粒子形成的“带，包 括质子、电子和元素周期表中的所有重离子。第二类太空辐射称为瞬态辐射，包 括银河宇宙射线( g c r ) 粒子和太阳事件中的粒子，如日冕和耀斑，这两种太阳 事件的产生高能质子、a l p h a 粒子、重离子和电子，它们的能量比g c r 高出几个 数量级。 表2 1 不同类型粒子的最大能量阎 粒子类型最大能量 俘获电子 1 0 so f m e v 俘获质子及重离子 1 0 0 so f m e v 太阳质子 g e v 太阳重离子 g e v 银河宇宙射线 t 色v 表2 1 列出了空间辐射粒子的最大能量，表明大多数环境中的能量都很高，因 此对于很多辐射环境屏蔽并不是有效的方法。除等离子体、低海拔陷阱中子 ( o 军1 0 5 e 31 0 4 ： l l 1 0 - 7 1 0 - 8 1 0 。9 l a t i t u d e ：4 2 3 5 0nf g m = 5 4 0 3 0 1 l o n g i t u d e ：2 8 8 9 5 0e g m = 3 5 7 3 7 0 ) a i t i t u d e ：0f t p r e s s = 1 0 3 3g c m 2 t e m p 0 0 c g m r = 1 7 g v 渺 t o i 皇if l u x c m 2 y r m u o n s= 6 5 4 6 6 n e u t r o n s24 4 8 12 p i o n s = 4 8 4 p r o t o n s = 3 6 0 11 0 110 21 0 3 p a r t i c l ee n e r g y ( m e v ) 10 4 图2 2 纽约市地面观察到的宇宙射线成分与能量的函数关系( z e i g l e r i b m ) 2 5 】 在半导体器件的制造工艺过程中，如电子束光刻、电子束蒸发、等离子刻蚀、 溅射和离子注入等会引入各种辐射，封装材料中微量放射性元素发生的a 粒子也 会对器件产生辐射损伤，也是对器件有影响的一类辐射源【2 8 】。 2 1 4 其他辐射环境 核爆炸会造成十分恶劣的辐射环境，核爆炸可以由重核( 2 3 5 u ，2 3 9 p ) 的裂变 反应或轻核( d ，t ) 的聚变反应引起。核辐射环境中的高能粒子主要有快中子流、 高能电子流、y 射线、x 射线、q 射线、b 射线等，其中q 射线、1 3 射线易被大 气吸收，射程很短，对电子设备及其元器件威胁最大的是快中子流、高能电子流 和y 射线，对半导体器件的工作会产生严重的干扰，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。 第9 页 霉 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 核爆炸时不仅产生强大核辐射，而且伴随有强大的电磁辐射，即核电磁脉冲 ( n e m p ) 。核电磁脉冲的强度很大，覆盖面积非常广，频谱很宽。这种电磁脉冲 可在电路中产生电压和电流脉冲，可能使器件的功能发生瞬时或永久性的破坏。 2 2 单粒子效应对集成电路的影响 辐射环境对半导体器件的辐照损坏效应主要有两个方面：总剂量效应t i d ( t o t a li o n i z i n gd o s e ) 和单粒子效应s e e ( s i n g l ee v e n te f f e c t ) 。 总剂量效应主要作用于氧化层，造成门限电压漂移、漏电流增加，甚至逻辑 功能失效。随着工艺的进步，总剂量效应对芯片的影响在减小，有数据表明，当 栅氧厚度小于1 0 n m 时，就可以不考虑总剂量效应引起的阈值电压漂移现象【2 9 1 ，而 当前标准0 1 8 微米c m o s 工艺下栅氧的平均厚度已经达到了3 8 n m 。随着氧化层 以及硅界面质量的提高，总剂量效应对体硅下c m o s 电路的影响将越来越小