抗辐射技术调研讲解学习

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
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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
大规范值; (6)功能正常。
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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）
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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
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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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
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。
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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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
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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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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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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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