集成电路的单粒子多位翻转效应

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1、 湘潭大学毕业论文 题 目：集成电路的单粒子多位翻转效应毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷

2、本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使

3、用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本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和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线

4、路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名）

5、 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教

6、研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

7、优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日湘 潭 大 学毕业论文（设计）任务书论文(设计)题目： 集成电路的单粒子多位翻转效应 一、主要内容及基本要求 1、了解论文研究的背景和意义； 2、理解单粒子多位翻转的形成机理和各种影响因素； 3、学会用Sentaurus TCAD建立模型，建立单管模型对引起单粒子多位翻转的双极放大效应进行模拟分析和建立双管模型对引起单粒子多位翻转的双极放大效应和扩散效应进行有效机理分析； 4、依据“理论-建模-加固”的原则对集成电路加固

8、电路进行分析和讨论。 基本要求： 1、了解集成电路单粒子多位翻转的机制及各种影响因素； 2、会用一些基本软件例如Sentaurus TCAD等来仿真所要研究的问题； 3、建立基本的模型仿真单粒子多位翻转的各种特性； 4、能根据仿真结果，按“机制-建模-加固”的思路，提出有效的加固措施。 二、重点研究的问题 1、集成电路单粒子多位翻转的机制及各种影响因素； 2、如何建立单粒子多位翻转的模型； 3、如何用可行的方法来抑制单粒子多位翻转。 三、进度安排序号各阶段完成的内容 完成时间1查看文献1月20日3月5日2学习TCAD工具仿真3月6日4月5日3建立模型并仿真4月6日5月6日4撰写论文5月7日5月

9、17日5修改论文并制作ppt5月18日5月26日6答辩5月26日四、应收集的资料及主要参考文献1 P. Roche, G. Gasiot, et a1. Comparison of soft error rate for SRAMs in commercial SOI and bulk below the 130 nm technology node J. IEEE Trans. Nucl. Sci, 2003, 50(6): 2046-2454. 2 刘必慰. 集成电路的单粒子效应建模与加固方法研究 D. 博士学位论文. 国防科技大学, 2009. 3 J. A. Zoutendyk, H.

10、 R. Schwartz, et al. Lateral charge transport from heavy-ion tracks in integrated circuits J. IEEE Trans. Nucl. Sci, 1988, 35(6): 1644-1647. 4 O. A. Ausan, A. F. Witulski, et a1. Charge collection and charge sharing in a 130nm CMOS technology J IEEE Trans. Nucl. Sci, 2006, 53(6): 3253-3258. 5 贺朝会, 李

11、国政等. CMOS SRAM单粒子翻转效应的解析分析 J. 半导体学报, 2000, 21(2): 174- 178. 6 刘征. 纳米集成电路单粒子效应电荷收集及若干影响因素的研究 D. 博士学位论文. 国防科技 大学, 2011. 7 M. Zhu, L. Y. Xiao, et al. Reliability of memories protected by multi-bit error correction codes against MBUs J. IEEE Trans. Nucl. Sci, 2011, 58(1): 289-295. 8 A. D. Tipton, X. W.

12、Zhu, et al. Increased rate of multiple-bit upset from neutrons at large angles of incidence J. IEEE Trans. Nucl. Sci, 2008, 8(3): 565-570. 9 B.W. Liu, S. M. Chen, et al. Temperature dependency of charge sharing and MBU sensitivity in 130 nm CMOS technology J. IEEE Trans. Nucl. Sci, 2009, 56(4): 2473

13、-2479. 10 刘衡竹, 刘凡宇等. 90纳米CMOS双阱工艺下STI深度对电荷共享的影响 J. 国防科技大学学 报, 2011, 33(2): 136-139. 11 陈超, 吴龙胜等. 130 nm NMOS器件的单粒子辐射电荷共享效 J. 半导体技术, 2010, 35(1) :46- 49. 湘 潭 大 学毕业论文（设计）评阅表学号 2008700519 姓名 张 万 里 专业 微电子学 毕业论文（设计）题目： 集成电路的单粒子多位翻转效应 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与

14、生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价评阅人： 年 月 日湘 潭 大 学毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 20087

15、00519 姓名： 张 万 里 专业： 微电子学 毕业论文（设计说明书） 32 页 图 表 37 张论文（设计）题目： 集成电路的单粒子多位翻转效应 内容提要： 随着对太空的不断探索，人类对电路特别是微处理器电路的抗辐射性能要求越来越高。由于现代集成电路的发展，单个晶体管的尺寸越来越小，这就增大了辐射效应中的单粒子效应特别是单粒子多位翻转效应的发生率。本文着眼于这个严峻的问题，展开了对单粒子多位翻转的机制和加固的研究。文章开头介绍了卫星失效故障的调查结果和空间辐射效应。接着就单粒子多位翻转的机制和各种影响因素做了较详细的探讨，指出了单粒子多位翻转的影响机制是电荷共享中的扩散效应和电路中寄生的双

16、极放大管效应。随后用Sentaurus TCAD建立130 nm单管模型和双管模型，就导致单粒子多位翻转的双极放大效应和扩散效应进行了仿真实验。实验仿真表明我们建立的模型的主要电荷收集方式是双极放大效应，究其原因是我们在漏端电压不变的情况下没有考虑到耦合因素，而且电路本身的寄生双极管效应严重故双极放大效应占主导作用。最后依据“机制-建模-加固”的思路，对单粒子多位翻转的加固进行了详细的讨论，并指出了增加两个MOS管的距离和添加保护环能够有效的抑制多位翻转效应。指导教师评语随着我国航天事业的不断发展，对集成电路的抗辐射性能要求越来越高。现代集成电路单个晶体管的尺寸越来越少，电源电压也越来越低，而

17、电路的抗辐射能力却越来越脆弱。该论文对超深亚微米集成电路中的单粒子多位翻转效应从翻转机制和加固措施两方面进行了研究。该生在研究中积极地查阅了相关文献，学习使用了Sentaurus TCAD软件建模和Origin画图软件对仿真结果进行了较好的处理，并对MOS管有源极和无源极进行对比，得出模型的主要电荷收集方式。该论文最后依据翻转机制对单粒子的抗辐射加固进行了研究，由仿真结果提出了有效的加固措施。该生已基本具备了查阅相关文献、分析和解决问题的能力。论文结构思路清晰，格式规范，工作量饱满，是一篇较好的毕业论文。同意其参加答辩，建议成绩评定为 。指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长：

18、年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日目 录摘 要1Abstract1关键词1Keywords11 绪论2 1.1 论文研究背景2 1.2 单粒子所在的空间辐射环境3 银河宇宙射线3 地磁俘获辐射带3 太阳质子事件4 其他辐射环境52 单粒子多位翻转机制及各种影响因素6 2.1 单粒子多位翻转的描述参数及作用机制6 几个反映单粒子多位翻转的重要参数6 重带电离子的电离、激发及能量损失7 单粒子多位翻转的机制8 2.2 单粒子多位翻转的各种影响因素10 入射角度的相关性11 温度的相关性12 隔离层深度123 Sentaurus TCAD 建模与仿真13 3.1 Sentaurus

19、 TCAD 软件简介13 3.2 模型的建立13 单管NMOS 2D模型的建立与仿真13 单管PMOS 2D模型的建立与仿真16 NMOS 2D双管模型的建立与仿真19 PMOS 2D双管模型的建立与仿真214 单粒子多位翻转加固方法研究25 4.1 增加掩蔽层(STI)距离25 4.2 增加保护环265 全文总结29参考文献30致 谢32集成电路的单粒子多位翻转效应摘要：随着对太空的不断探索，人类对电路特别是微处理器电路的抗辐射性能要求越来越高。但是随着集成电路的发展，单个晶体管的尺寸越来越小，这就增大了电路辐射效应中的单粒子效应特别是单粒子多位翻转的发生率。本文着眼于这个严峻的问题，展开了

20、对单粒子多位翻转的机制和加固的研究。文章开头介绍了卫星失效故障的调查结果和空间的辐射环境。接着就单粒子多位翻转的机制和各种影响因素做了较详细的探讨。随后用Sentaurus TCAD建立130 nm单管模型和双管模型，就导致单粒子多位翻转的双极放大效应和扩散效应进行了仿真实验。最后依据“机制-建模-加固”的思路，对单粒子多位翻转的加固进行了详细的讨论并提出了一种有效的加固措施。关键词：单粒子效应；多位翻转；Sentaurus TCAD；130 nm晶体管 Multiple-Bit Upset Effect In Integrated CircuitAbstract: With continuo

21、us exploration of space, the human beings have an increasingly demanding for performance of radiation hardened circuits especially in microprocessor circuit. But as the integrated circuit develops, size of single transistor is getting much smaller, which will increase the incidence of single event e

22、ffect especially multiple-bit upset in circuit radiation effects. The study of mechanism and hardening technologies of multiple-bit upset based on this severe problem is carried out in this paper. First, the result of a survey for satellites failure is described and radiation environment of space is

23、 introduced. Next, the mechanism and various factors which influence the incidence of multiple-bit upset are discussed in detail. Later, single and double MOS transistor models are made by Sentaurus TCAD and simulation experiments are conducted on bipolar amplification effect and diffusion effect wh

24、ich are the reasons for causing multiple-bit upset. Finally, according to the idea of “mechanism-modeling-hardening”, a discussion on multiple-bit upset hardening is presented in detail and an effective hardening measurement is proposed. Keywords: single event effect; multiple-bit upset; Sentaurus T

25、CAD; 130 nm transistor1 绪 论1.1 论文研究背景据美国国家地球物理数据中心(National Geophysical Data Center，NGDC)统计，自1971年至1986年间，美国发射的39颗同步卫星，发生的故障共1589次，其中由于各种辐射效应引起的故障达l129次，占故障总数的71 %，如图1(a)所示。中国空间科学技术研究院的统计了我国6颗同步卫星中的故障原因，如图1(b)所示，空间辐射环境引起的故障在总故障中的比例也达到了40 %。这些数据表明辐射效应是航天器发生故障的主要原因，是航天应用集成电路中需要解决的主要问题1。图1 (a)美国发射的同步卫星

26、故障统计图(总次数为1589次)；(b)我国6颗同步卫星故障统计图(总次数为30次)随着半导体技术的发展，器件尺寸减小、芯片集成度提高、翻转阈值降低将导致多位翻转在单粒子翻转中的比例进一步增大2。Giot等人就65 nm存储器进行了单粒子效应研究，发现在65 nm尺寸多位翻转成为主要的单粒子效应3(如图2所示)。虽然三模冗余(TMR)、纠错码和擦洗等技术能有效降低单位翻转的影响，但并不能有效地消除多位翻转的影响。早在1988年，就有学者发现了由于电荷横向扩散导致的多位翻转现象4。Calin等对HIT单元进行了激光模拟试验，根据试验得出的翻转敏感区域，推断由于扩散引起的电荷共享导致加固单元翻转5

27、。Olson等发现由于MOS器件体电势扰动诱导的双极效应也会引起电荷共享，并讨论了阱接触电阻对电荷共享的影响6。Amusan等讨论了双阱工艺下距离、LET以及晶体管类型对电荷共享的影响7。Gasiot和Giot也分别通过器件模拟研究了SRAM中MBU敏感性与衬底掺杂轮廓、阱接触位置等因素之间的关系8。电荷共享引起单粒子多位翻转(MBU)，但是电荷共享引起加固单元发生翻转的机制尚不明确，并且尚还没有文献深入讨论电荷共享的加固方法，本文基于此开展了一系列的单粒子多位翻转机制的探讨和一些加固措施的研究。图2 SBU和MBU在90 nm和65 nm的SRAM单粒子翻转所占的比例图 1.2 单粒子效应所

28、在的空间辐射环境实上单粒子效应最初就是在空间环境中发现的。单粒子效应是诱发航天器异常的主要空间环境效应之一。进一步的模拟试验和在轨卫星的测试证实，几乎所有的航天用集成电路都能发生单粒子效应。 银河宇宙射线它是来自太阳系之外的带电粒子流，其主要成分是高能质子(约占88 %)，很少的粒子和重核。粒子能量为108 eV 1020 eV，粒子通量为2 /(cm2s)4 /(cm2s)。由于粒子能量很高，难以对它屏蔽，但其通量很低，剂量一般不超过几毫拉德(小于10-5 Gy)。 地磁俘获辐射带大量的带电粒子被地球磁场所俘获，形成了一个半径大约为六七个地球半径长的辐射带，亦称“范艾伦”带(如图3所示)。由

29、于带电粒子空间分布不均匀，比较集中地形成了两个辐射带：内辐射带和外辐射带。内辐射带在赤道平面上空600 km1000 km，纬度边界约为40，强度最大的中心位置距地球3000 km左右。内辐射带粒子成分主要是质子和电子，质子能量一般为几兆电子伏到几百兆电子伏，通量为10 J/(m2s)，能量大于0.5 MeV的电子通量约为105 J/(m2s)需要特别指出的是，由于地球磁场的不均匀性，在西经100至东经20，南纬20至50的南大西洋上空，内辐射带的边界下降到200 km左右，这一带地区称为南大西洋异常区。实践证明，通过此区域的飞船舱内剂量有明显增加，当飞船轨道低于600 km、倾角不大时，这一

30、辐射环境是构成舱内辐射剂量的主要因素。外辐射带的空间范围很大，中心位置在赤道上空20000 km以上，纬度边界55o到70o。其主要成份是低能质子和电子，能量低于1 MeV，最大通量达10 J/(m2s)。 太阳质子事件太阳色球曾经常发生局部区域短时间增亮现象，这个现象称为太阳耀斑。这时往往伴随着大量高能质子发射，称为太阳粒子辐射或太阳质子事件。质子能量为10 MeV1000 MeV。除质子外，还有较少的粒子和重核。太阳质子事件发生时，还可能发生太阳X射线爆发、电离层扰动、磁暴等现象，这会使航天器甚至航天员都受到较强的辐射剂量。图3 地球的周边的范艾伦带 其他辐射带其他辐射环境像核辐射环境、大

31、气环境、地面环境及工艺生产过程中的带入的辐射效应等。核辐射环境：包括核爆炸环境和核动力环境，核辐射环境中的高能粒子主要有快中子流、高能电子流、射线、X射线、射线、射线等，其中射线、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、高能电子流和射线。核辐射的强度是核反应当量和离核反应中心距离的函数。核反应当量越大，离核反应中心越近，则辐射强度越大。中子辐射导致微电子器件损伤的有效半径在高空核爆炸时为几十公里，在低空时为1 km左右；射线的有效辐射半径在高空时达几百公里，在低空时也有34 km。一百万吨级的核武器在100 km的高空爆炸时，在离爆炸中心30 km处，其中子通量至

32、少为1013 中子/cm2；在离爆炸中心160 km处，射线的剂量约为107 rad(Si)/s。这种辐射强度足以使未经加固的微电子器件失效。大气辐射环境：单粒子效应并非只发生于太空环境中，大气环境中的中子和重离子将对电子器件产生相似的干扰。IBM和波音公司的飞行试验表明，大气环境中的中子可以导致航空电子器件发生单粒子效应。费米实验室(Fermi Lab)的大型计算机系统ACPMAPS，包含有160 GB的DRAM存储器，当被全面监测时，每天大约观察到2.5次翻转，相当于710-13 Upset/bit.h。地面环境及工艺生产过程中的带入的辐射效应:在微电子器件的制造过程中，某些工艺过程(如电

33、子束光刻、电子束蒸发、等离子刻蚀、溅射和离子注入等)也会引入各种辐射，封装材料中微量放射性元素也是对器件有影响的一类辐射源。据报道，封装材料中含有微量放射性元素铀、钍，这些放射性物质在其衰变过程中会放射出射线，其最大能量为9 MeV，平均能量为5 MeV。一旦射线进入硅衬底时，与PN结发生碰撞。在芯片中产生电子-空穴对，使结电场急剧变化。能量为5 MeV时，约产生1.4106电子-空穴对。射线能穿进2030深。这也成为造成日常使用的各种微处理器不可靠的因素之一。2 单粒子多位翻转的机制及各种影响因素2.1 单粒子的描述参数及作用机制 几个反映单粒子多位翻转的重要参数入射粒子对器件损伤的强弱通常

34、用线性能量传输(LET，Linear Energy Transfer)来表示，确切的说，LET表示的是入射粒子在单位长度上淀积的能量，通常再除以硅的密度，将LET值用密度归一化，单位变为MeVmg-1cm2，式子如(1)。 (1)在硅材料中，单粒子效应在单位长度上产生的电子空穴对为： (2)所以LET还有一个单位pC/，在后面进行器件数值模拟时，我们将用到这个单位。单粒子效应发生的几率通常用截面来表示，定义为： (3)式中：为单粒子效应截面，单位是cm2；N为器件发生某一种效应的次数；为单位面积的入射粒子数，单位是cm-2。截面越大，器件抗单粒子效应的能力越差。为了比较不同集成度的器件的抗单粒

35、子效应水平，定义位截面为总截面除以总单元数，表示每个单元发生单粒子效应的几率。单粒子效应截面的大小既依赖于入射粒子的种类和能量，又依赖于器件发生单粒子效应的临界电荷，也就是依赖于器件类型、工艺结构、集成度和偏置电压等。临界电荷定义为导致器件逻辑状态翻转所必需的最小电荷，“临界电荷”用公式表示为9： (4) 重带电离子的电离、激发和能量损失宇宙中的各种射线，大致可分为两类：(1)带电粒子组成的射线，如由正电子或电子组成的射线，由氦原子核组成的射线和空间中的许多重离子射线等；(2)中性粒子组成的射线，如由电磁波组成的射线和X射线，由中子组成的射线等。中子流对集成电路的损伤主要是考虑位移效应，受影响

36、最大的是双极晶体管等少数载流子导电的器件，对于场效应管影响较小，本课题不做重点研究。射线主要导致总剂量效应、剂量率效应，X射线主要考虑剂量增强效应，这些效应不在本论文的研究范围之内，所以这一节我们只考虑由重带电粒子组成的射线与物质的相互作用8。重带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子(主要是外壳层电子)之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大。它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。这时，物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子，它们合称为离子对。这样一个过程就称为电离。如果壳层电子获得的能量比较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电

37、子，但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去，这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的，它要自发的跳回原来的基态，这个过程就叫做原子的退激。在原子退激时，其中多余的能量将以可见光或紫外光的形式释放出来，这就是受激原子的发光现象。由原入射重带电粒子直接与原子相互作用产生的电离称为直接电离或初级电离。在电离过程中发射出来的电子叫做次级电子或称电子(又称射线)。如果次级电子具有足够高的能量(通常大于100 eV以上)，它还能进一步使物质的其它原子产生电离。这种由电子引起的电离和激发就是通常所说的次级电离。初级电离和次级电离之和构成了入射带电粒子的总电离。一般说来，次级电离要占总电离的 6

38、080 %。重带电粒子在物质中通过单位长度路径时，由于电离和激发而引起的能量损失称为电离损失率，用来表示，其中的负号表示能量的减少。理论推得的表达式为 (5)其中z和v分别是入射重带电粒子的电荷数和运动速度，n为每立方厘米吸收物质中的原子数目(又称原子密度)，Z为吸收物质的原子序数，me是电子的静止质量，I为吸收物质原子的平均电离电位。= v/c，c是光速。的单位常用MeV/cm，和线性能量传输LET指的是同一个概念。由于入射带电粒子电离的作用，在它穿过物质的轨迹周围留下了许多离子对。每单位路径上产生的离子对数称为比电离或称电离密度，用符号表示。带电粒子在物质中每形成一对粒子平均消耗的能量称为

39、平均电离能，用符号W表示。平均电离能W要比物质原子的电离电位大一倍左右。这是因为在能量损失中有很大一部分是损失在使原子和分子的激发上，而这部分能量是不产生粒子对的。由平均电离能W和电离损失率，可以得到单位路径上产生的离子对数(即电离密度)为： (6)对于一定的介质，W基本上接近于常数值，例如硅就是3.6 eV。因此，电离密度的大小与电离能量损失成正比。对于速度相同的两种粒子，电荷数越多的粒子单位路径上产生的离子对数目就越多；对于同一种粒子，速度慢的在单位路径上产生的离子对数比较多。正因为如此，带电粒子穿过物质时，从路径的开始端到路径的末端，一路上所产生的离子对数目分布是不均匀的。入射带电粒子开

40、始时速度最大，因而电离损失率较小；当入射粒子越接近路径末端，速度越低，电离损失率也越大，因而电离密度也最大。电离密度越大，说明该入射粒子的电离本领越强，但其穿透物质的本领却越弱。 单粒子多位翻转的机制单粒子多位翻转主要发生在高容量的存储器件中。一个粒子入射导致一个以上存储单元的逻辑状态翻转。可分为两种类型：一个粒子入射导致一个字中多个位翻转(SMU，Single-word Multiple-Bit Upset)；一个粒子入射导致物理地址相邻的多个存储单元状态翻转(SEMU，Single Event Multiple Upset)。通过总结，MBU的机理有四种：(1)高能中子或质子入射半导体材料

41、后与目标材料发生核反应，生成多个次级粒子分别在不同的PN结引发电荷收集；(2)重离子轨迹上的电荷横向扩散到多个PN结，发生电荷共享；(3)重离子入射导致MOS管体电势发生变化，诱导附近的MOS管发生双极电荷收集；(4)在掠入射的情况下，粒子轨迹与多个敏感区相交，引发单粒子多位翻转(MBU)。核反应：空间辐射环境中高能质子占其中的大部分，由于质子的LET值较低，质子直接电离损失的能量不足以引起器件单粒子翻转,但质子在材料中传输时，会与材料发生核反应，核反应产生的次级重离子在材料中沉积能量进而诱发单粒子效应，因此质子和重离子单粒子的本质是相同。图4为质子与硅可能的核反应示意图。图4 质子与硅可能发

42、生的核反应发生核反应的方程式为： (7)准确计算粒子在灵敏体积内的能量沉积是单粒子效应计算机模拟的基础，在质子的单粒子效应模拟中，首先要准确计算质子的核反应以及产生的次级粒子能量。图5 单粒子多位翻转的多个单元翻转示意图电荷共享：随着器件间距的持续减小，单次粒子入射，可能在多个相邻PN结发生电荷收集，从而会导致多位信息同时发生翻转即单粒子多位翻转。一种电荷共享的机理是粒子轨迹上的电荷扩散到多个PN结(如图5所示)，在4的距离上可以扩散的电荷可以达到直接入射的15 %10。另一种引起电荷共享的方式是双极效应(如图6所示)。由于重离子入射引起多个MOS管体电势改变，寄生双极型晶体管导通，引起漏极电

43、流。Amuson等的研究表明在双阱工艺下，NMOS中扩散引起的电荷共享是主要部分，而PMOS中双极放大引起的电荷共享是主要部分7。图6 由于单粒子撞击体电势的升高导致的双极放大效应2.2 单粒子多位翻转的各种影响因素影响单粒子多位翻转效应电荷收集量的有两类因素11，第一是入射粒子的种类，能量，角度与不同材料的作用特性等外界入射条件，第二是是被轰击器件的金属以及隔离层厚度、几何结构、掺杂分布以及周围电路电路响应所导致的电场变化等器件本身的因素。第一个方面的因素对应着粒子与物质相互作用以及能量淀积的过程，第二个方面主要考虑的是电子空穴对在电场和器件掺杂分布下的输运过程，二者之间通过电子空穴对的时间

44、以及空间的分布作为桥梁联系起来。其中，第二类被轰击器件自身的因素中，又包括两部分组成，一部分是固有的器件几何结构、掺杂浓度和入射前器件内部电场分布等不变因素，另一部分是开始轰击后器件受外接电路响应导致的载流子分布、电场分布等可变因素。针对之前较大尺寸的器件，电荷的整个收集过程的所用时间是大约2 ns范围内，而电荷收集导致的SET电压脉冲宽度基本小于1 ns，电路工作频率大多小于200 MHz，因此对于电荷收集过程而言，外界电路行为发生变化对电荷收集过程的影响基本可以忽略不计。所以考虑影响电荷收集量的因素时不需要考虑外界电路响应的影响，根据入射条件与节点在被轰击前的工作状态就可以预测单粒子电流脉

45、冲以及收集到的电荷，然后将得到的电荷转化为敏感节点的电压变化评估对外界电路的影响，随着工艺尺寸进入深亚微米以及纳米工艺时代，器件的工作频率和外界电路响应的时间度量已经开始接近并超过了这一临界值，总收集电荷量与外界激励的变化有很大的关系，比如：单管SET收集到的电荷明显比反相器收集到的电荷要多，其原因就是敏感节点的偏压影响器件内部电场变化，进而影响电荷收集数量。本文接下来对入射角度、温度、隔离层深度与MBU相关性进行简略的探讨。 入射角度的相关性入射角度的主要机理在于考虑的是入射粒子在低角度下能够穿越多个灵敏区域引起单粒子多位翻转的电荷共享效应(如图5所示)。现在也有相关的研究表明随着与衬底面角

46、度的减少，MBU发生的概率在不断的增加12。文献中给出了MBU发生概率随角度变化的关系式： (8)Tipton等人通过Monte-Carlo能量沉积TCAD方法研究了中子导致90 nm商用晶体管的多位翻转，并指出了MBU在很大的程度上与入射的角度有关13，并得出了如图7所示的角度与MBU发生概率的关系。我们从文献14可看到随着角度的不同MBU的发生概率有显著的变化。图7 中子入射角度与MBU发生的概率图(图中角度为入射方向与衬表面法线的夹角) 温度的相关性飞行器在太空中飞行的温度可从低于-55 oC到高于120 oC，因此我们研究温度的相关性对我们了解引发单粒子多位翻转效应有一个更深入的了解。

47、刘必慰等人通过TCAD仿真对温度的相关性进行了较深入的研究。他指出了主器件随着温度的增加产生电荷增加，但是从器件随着温度增加收集电荷的加剧，使得主器件收集的电荷反而减少15。并指出了温度的增加使得迁移率减少，从而漂移的电荷减少，而双极放大效应和扩散效应则逐渐地增大。图8 温度的变化与从器件收集的电荷量关系图 隔离层深度对于隔离层深度主要考虑其对电荷分享中的扩散效应的抑制从而达到了一个抗加固的效果。刘衡竹等基于90 nm的MOS管之间的隔离层深度进行较深入的研究16。指出了主器件随着STI深度的变化影响不是很显著，从器件随着深度的增加收集的电荷量减少，如图9所示。图9 从器件NMOS和从器件PM

48、OS收集的电荷随着STI深度的变化图3 Sentaurus TCAD 建模与仿真3.1 Sentaurus TCAD软件简介Sentaurus TCAD是由全球最为著名的IC设计软件开发商美国新思科技公(Synopsys Inc.)最新发布的新一代TCAD系列设计工具。TCAD系列工具主要由Sentaurus Process(新一代集成电路工艺级仿真工具)、Sentaurus Device(新一代集成电路器件物理特性级仿真系统)及Sentaurus Workbench(新一代集成电路虚拟化加工与制造系统)构成。上述各类底层设计工具，在更大的范围内满足在常规分立器件及集成化器件的工艺、器件特性模

49、拟基础上，实现纳米先进工艺的可制造性设计的需求。集成电路制造工艺底层可制造性设计工具是Synopsys Inc.以晶圆制造商的在线电路晶圆制造工艺流水线(Production-baseline)所使用的制造技术及当前的制造工艺模式为依据建模、开发而实现的。显然，集成电路晶圆制造商使用集成电路制造工艺底层设计工具可有效地缩短底层设计周期，显著地提升晶圆制造工艺的效率，将集成电路晶圆制造的良品率损失降低到最小17。3.2 模型的建立我们通过Sentaurus Structure Edit建立了130 nm NMOS单管、PMOS单管、NMOS双管及PMOS双管的2D模型，在Sentaurus Workbench上调用该模型，并运用Sentaurus Device中带的Heavy ion物理模型对电路进行了单粒子效应的模拟仿真。在整个实验中我们用到的物理模型有：(1)Fermi-Dirac统计；(2)掺杂相关的SRH复合和Auger复合；(3)掺杂电场和载流子浓度对载流子的影响；(4)轰击的重粒子采用Gaussian分布模型，且Guassian时序分布有0.25 ps的延迟；(5)流体动力学模型用来模拟载流子输运。其他参数和模型为Se