抗辐射技术调研讲解学习
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大规范值; (6)功能正常。
Microelectronics Center of HIT
哈尔滨工业大学微电子中心
测试方法
测试系统示意图：
DUT
PC机
测试控制器
电流检测器
A
B
C
D
A
A—输出状态（B0） C—存储器测试
B—功能单元测试 D—输出状态（40）
Microelectronics Center of HIT
哈尔滨工业大学微电子中心
研究内容
1. 抗辐射单元库建立 2. 软件级抗辐射模拟与分析 3. 生产工艺线评估 4. 芯片设计 5. 芯片生产加工 6. 测试方案设计与系统开发
Microelectronics Center of HIT
哈尔滨工业大学微电子中心
研究内容
芯片设计： 1. 太敏SoC架构设计 2. 开源Leon处理器最小系统构建 3. 外围IP模块设计/获得与验证 4. SRAM及控制器设计 5. 阈值与质心计算信号处理算法IP核设计 6. JTAG、RS422 IP核设计 7. 关键模拟三模冗余设计 8. 太敏SoC系统集成与验证 9. FPGA原型验证与软件调试 10.抗辐射性能评估
3. 龙芯在ST0.18um工艺生成了基于三模冗余的抗100krad（Si） 的加固芯片
Microelectronics Center of HIT
哈尔滨工业大学微电子中心
单粒子效应
单粒子效应（SEE）：是指高能带电粒子在穿过微电 子器件的灵敏区时，沉积能量，产生足够数量的电荷， 这些电荷被器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非 正常改变或器件损坏 单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）、单粒子烧
Microelectronic业大学微电子中心
研究内容
工作进展： 1. 完成了太敏SoC架构设计 2. 建立了开源Leon处理器最小系统及软件环境 3. 完成了外围IP核（Timer、UART、GPIO等）的验
证 4. 完成了SRAM控制器设计 5. 建立了FPGA原型开发环境 6. 完成了EDAC模块设计 7. 确定了阈值与质心计算信号处理算法IP核设计 8. 正在修改Leon处理器中需要三模冗余的关键单元
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抗辐射技术调研
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总剂量效应
TID加固设计技术：环形栅、加保护环和H结构、源／ 漏注入控制在薄氧区域、采用无边缘N型晶体管等
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总剂量效应
国外文献报导： 1. 随着IC集成规模和加工精度的提高，栅氧的厚度逐渐减小，
TID效应也在减小。当栅氧的厚度低于10nm时，栅氧的TID加 固就不存在了，主要的加固问题放在场氧的横向结构，用浅 槽隔离方法(STI)来解决。当CMOS沟道长度<100nm、栅氧 的厚度低于4nm时，TID效应引起的阈值电压漂移已不再是问 题 2. 基于薄SiO2的栅介质不再受标准辐射引起的影响（如在氧化 物层中堆集正电荷和形成界面态）的困扰，使得其在本质上 就能强力抗御总剂量损伤。 对于特征尺寸相当的极小尺寸器件（最大约几百纳米），重离子 在栅介质中诱发的离化损伤可能引起辐射致漏电流（RILC）、 辐射致软击穿（RSB）、单次栅断裂（SEGR）或潜在损伤 的产生，微剂量效应是重离子撞击产生的，较之TID损伤，它 以更为局部的方式引起充电和缺陷生成。
毁（SEB）、单粒子瞬态脉冲（SET）、单粒子功能中断（SEFI）
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单粒子效应
单粒子效应（SEE）加固：工艺级、系统级、电路级、 版图级各层次上进行。 双阱工艺，降低栅氧化层的厚度，增加P阱和N衬底的 掺杂浓度以及降低外延层厚度 SOI工艺，由于衬底绝缘特性，自然具有抗SEL的特性
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总剂量效应
抗瞬态辐照加固技术： 1. 体硅CMOS采用外延层技术和特殊设计技术 2. SOI工艺比体硅器件抗瞬态辐射性能好，但TID较
弱，因此，需要增加与体硅相同的抗电离总剂量加 固技术
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单粒子效应
抗辐射单元结构：
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测试方法
美国军标对CMOS电路的功能正常判据有以下6条，超 过这些标准则判定为失效:
(l)N沟道阈值电压最小为0.3V，即Vtn>0.3V; (2)P沟道阈值电压最大为2.8V，即Vtp<2.8V; (3)阈值电压漂移△Vth<=1.4V (4)功耗电流Iss<=100倍的最大规范值; (5)传输延迟时间:Tplh<=1.35倍最大规范值；Tphl<=1.35倍最
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单粒子效应
抗辐射单元结构：
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单粒子效应
抗辐射单元结构：
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总剂量效应
商用工艺线实现加固：
1. 对指标为l00 krad(Si) MOS ICs，可以通过加固设计采用商用 生产线生产
2. 在0.8um CMOS工艺线采用特殊的加固设计技术后，门阵列 芯片的总剂量容限超过了l00 krad(Si)，无单粒子闭锁现象发 生，单粒子翻转的LET阈值大于50MeV／(mg／cm2)
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单粒子效应
单粒子效应（SEE）加固：工艺级、系统级、电路级、 版图级各层次上进行。
系统级可以采用三模冗余、软件容错、差错控制 （EDAC）等 电路级可以采用各种抗辐射单元：DICE存储单元、 ROCK单元、WHIT单元、LIU单元、HIT单元、HAD单 元等 版图级：隔离、加大间距、版级的容错等
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测试方法
测试系统示意图：
DUT
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测试控制器
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A
B
C
D
A
A—输出状态（B0） C—存储器测试
B—功能单元测试 D—输出状态（40）
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研究内容
1. 抗辐射单元库建立 2. 软件级抗辐射模拟与分析 3. 生产工艺线评估 4. 芯片设计 5. 芯片生产加工 6. 测试方案设计与系统开发
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研究内容
芯片设计： 1. 太敏SoC架构设计 2. 开源Leon处理器最小系统构建 3. 外围IP模块设计/获得与验证 4. SRAM及控制器设计 5. 阈值与质心计算信号处理算法IP核设计 6. JTAG、RS422 IP核设计 7. 关键模拟三模冗余设计 8. 太敏SoC系统集成与验证 9. FPGA原型验证与软件调试 10.抗辐射性能评估
3. 龙芯在ST0.18um工艺生成了基于三模冗余的抗100krad（Si） 的加固芯片
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单粒子效应
单粒子效应（SEE）：是指高能带电粒子在穿过微电 子器件的灵敏区时，沉积能量，产生足够数量的电荷， 这些电荷被器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非 正常改变或器件损坏 单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）、单粒子烧
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研究内容
工作进展： 1. 完成了太敏SoC架构设计 2. 建立了开源Leon处理器最小系统及软件环境 3. 完成了外围IP核（Timer、UART、GPIO等）的验
证 4. 完成了SRAM控制器设计 5. 建立了FPGA原型开发环境 6. 完成了EDAC模块设计 7. 确定了阈值与质心计算信号处理算法IP核设计 8. 正在修改Leon处理器中需要三模冗余的关键单元
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总剂量效应
TID加固设计技术：环形栅、加保护环和H结构、源／ 漏注入控制在薄氧区域、采用无边缘N型晶体管等
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总剂量效应
国外文献报导： 1. 随着IC集成规模和加工精度的提高，栅氧的厚度逐渐减小，
TID效应也在减小。当栅氧的厚度低于10nm时，栅氧的TID加 固就不存在了，主要的加固问题放在场氧的横向结构，用浅 槽隔离方法(STI)来解决。当CMOS沟道长度<100nm、栅氧 的厚度低于4nm时，TID效应引起的阈值电压漂移已不再是问 题 2. 基于薄SiO2的栅介质不再受标准辐射引起的影响（如在氧化 物层中堆集正电荷和形成界面态）的困扰，使得其在本质上 就能强力抗御总剂量损伤。 对于特征尺寸相当的极小尺寸器件（最大约几百纳米），重离子 在栅介质中诱发的离化损伤可能引起辐射致漏电流（RILC）、 辐射致软击穿（RSB）、单次栅断裂（SEGR）或潜在损伤 的产生，微剂量效应是重离子撞击产生的，较之TID损伤，它 以更为局部的方式引起充电和缺陷生成。
毁（SEB）、单粒子瞬态脉冲（SET）、单粒子功能中断（SEFI）
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单粒子效应
单粒子效应（SEE）加固：工艺级、系统级、电路级、 版图级各层次上进行。 双阱工艺，降低栅氧化层的厚度，增加P阱和N衬底的 掺杂浓度以及降低外延层厚度 SOI工艺，由于衬底绝缘特性，自然具有抗SEL的特性
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总剂量效应
抗瞬态辐照加固技术： 1. 体硅CMOS采用外延层技术和特殊设计技术 2. SOI工艺比体硅器件抗瞬态辐射性能好，但TID较
弱，因此，需要增加与体硅相同的抗电离总剂量加 固技术
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单粒子效应
抗辐射单元结构：
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测试方法
美国军标对CMOS电路的功能正常判据有以下6条，超 过这些标准则判定为失效:
(l)N沟道阈值电压最小为0.3V，即Vtn>0.3V; (2)P沟道阈值电压最大为2.8V，即Vtp<2.8V; (3)阈值电压漂移△Vth<=1.4V (4)功耗电流Iss<=100倍的最大规范值; (5)传输延迟时间:Tplh<=1.35倍最大规范值；Tphl<=1.35倍最
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单粒子效应
抗辐射单元结构：
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单粒子效应
抗辐射单元结构：
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总剂量效应
商用工艺线实现加固：
1. 对指标为l00 krad(Si) MOS ICs，可以通过加固设计采用商用 生产线生产
2. 在0.8um CMOS工艺线采用特殊的加固设计技术后，门阵列 芯片的总剂量容限超过了l00 krad(Si)，无单粒子闭锁现象发 生，单粒子翻转的LET阈值大于50MeV／(mg／cm2)
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单粒子效应
单粒子效应（SEE）加固：工艺级、系统级、电路级、 版图级各层次上进行。
系统级可以采用三模冗余、软件容错、差错控制 （EDAC）等 电路级可以采用各种抗辐射单元：DICE存储单元、 ROCK单元、WHIT单元、LIU单元、HIT单元、HAD单 元等 版图级：隔离、加大间距、版级的容错等