抗輻射加固微電子論文

1、抗輻射加固微電子論文引言 預(yù)計(jì)在未來到年，微電子器件抗輻射加固的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)是：抗輻射加固新技術(shù)和新方法研究；新材料和先進(jìn)器件結(jié)構(gòu)輻射效應(yīng)；多器件相互作用模型和模擬研究；理解和研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)封裝的抗輻射加固；開發(fā)能夠降低測試要求的先進(jìn)模擬技術(shù)；開發(fā)應(yīng)用加固設(shè)計(jì)的各種技術(shù)。本文分析研究了微電子器件抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝制造技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢。 輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理研究 微電子器件中的數(shù)字和模擬集成電路的輻射效應(yīng)一般分為總劑量效應(yīng)（）、單粒子效應(yīng)（）和劑量率（）效應(yīng)?？倓┝啃?yīng)源于由光子、質(zhì)子和中子照射所引發(fā)的氧化層電荷陷阱或位移破壞，包括漏電流增加、閾值漂移，以及雙極晶體管的增益衰減。是由輻射環(huán)

2、境中的高能粒子（質(zhì)子、中子、粒子和其他重離子）轟擊微電子電路的敏感區(qū)引發(fā)的。在結(jié)兩端產(chǎn)生電荷的單粒子效應(yīng)，可引發(fā)軟誤差、電路閉鎖或元件燒毀。中的單粒子翻轉(zhuǎn)（）會(huì)導(dǎo)致電路節(jié)點(diǎn)的邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。劑量率效應(yīng)是由甚高速率的或射線，在極短時(shí)間內(nèi)作用于電路，并在整個(gè)電路內(nèi)產(chǎn)生光電流引發(fā)的，可導(dǎo)致閉鎖、燒毀和軌電壓坍塌等破壞。輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理研究是抗輻射加固技術(shù)的基礎(chǔ)，航空航天應(yīng)用的，集成光電子等高速高性能新型器件的輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理是研究重點(diǎn)。研究新型器件的輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理的重要作用是：）對新的微電子技術(shù)和光電子技術(shù)進(jìn)行分析評價(jià)，推動(dòng)其應(yīng)用到航空航天等任務(wù)中；）研究輻射環(huán)境應(yīng)用技術(shù)的指導(dǎo)方法學(xué)；）研

3、究抗輻射保證問題，以增加系統(tǒng)可靠性，減少成本，簡化供應(yīng)渠道。研究的目的是保證帶寬速度不斷提升的微電子和光（如光纖數(shù)據(jù)鏈接）電子電路在輻射環(huán)境中可靠地工作。圖所示為輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理的重點(diǎn)研究對象。研究領(lǐng)域可分為：）新微電子器件輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理；）先進(jìn)微電子技術(shù)輻射評估；）航空航天抗輻射保障；）光電子器件的輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理；）輻射測試、放射量測定及相關(guān)問題；）飛行工程和異常數(shù)據(jù)分析；）提供及時(shí)的前期工程支持；）航空輻射效應(yīng)評估；）輻射數(shù)據(jù)維護(hù)和傳送。 抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù) 抗輻射加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 開展抗輻射加固設(shè)計(jì)需要一個(gè)完整的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證體系，包括技術(shù)支持開發(fā)、建立空間環(huán)境模型及環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)、

4、具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念和在軌實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫等。圖所示為空間抗輻射加固設(shè)計(jì)的驗(yàn)證體系。本文討論的設(shè)計(jì)技術(shù)范圍主要是關(guān)于系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電路、器件級的設(shè)計(jì)技術(shù)?？梢酝ㄟ^圖所示設(shè)計(jì)體系進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)：）采用多級別冗余的方法減輕輻射破壞，這些級別分為元件級、板級、系統(tǒng)級和飛行器級。）采用冗余或加倍結(jié)構(gòu)元件（如三模塊冗余）的邏輯電路設(shè)計(jì)方法，即投票電路根據(jù)最少兩位的投票確定輸出邏輯。）采用電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補(bǔ)償或校正、去耦等電路技術(shù)，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設(shè)計(jì)；）加入誤差檢測和校正電路，或者自修復(fù)和自重構(gòu)功能；）器件間距和去耦。這些加固設(shè)計(jì)器件可以采用專用工藝，也可采用

5、標(biāo)準(zhǔn)工藝制造。 加固模擬混合信號技術(shù) 最近的發(fā)展趨勢表明，為了提高衛(wèi)星的智能水平和降低成本，推動(dòng)了模擬和混合信號需求不斷增加?？馆椛浼庸棠M的數(shù)量也不斷增加。其混合信號也是相似的，在高、低壓中均有應(yīng)用，只是需在不同的代工廠加工。比利時(shí)，等公司在設(shè)計(jì)抗輻射加固方案中提供了大量的模擬內(nèi)容。模擬包括抗輻射加固的和轉(zhuǎn)換器模塊，正逐步向軟件控制型混合信號方向發(fā)展。該抗輻射加固庫基于公司工藝，與臺(tái)積電設(shè)計(jì)加固庫參數(shù)相當(dāng)。加固水平可以達(dá)到，并且對單粒子閉鎖和漏電流增加都可以進(jìn)行有效加固。 加固設(shè)計(jì)技術(shù) 晶體管在空間應(yīng)用并作模擬器件時(shí)，對總劑量輻射效應(yīng)具有較為充分和固有的魯棒性，具備大部分空間應(yīng)用（如衛(wèi)星）所

6、要求的總劑量和位移效應(yīng)的耐受能力。目前，設(shè)計(jì)加固的熱點(diǎn)主要集中在數(shù)字邏輯電路上。會(huì)對數(shù)字邏輯電路造成較大破壞。因此，這方面的抗加設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展較快。對先進(jìn)工藝的邏輯電路進(jìn)行加固時(shí)，在器件級，可采用特殊的器件、反模級聯(lián)結(jié)構(gòu)器件、適當(dāng)?shù)陌鎴D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等來進(jìn)行加固。在電路級，可使用雙交替、柵反饋和三模冗余等方法進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。三模冗余法除了在電路級上應(yīng)用外，還可作為一種系統(tǒng)級加固方法使用。各種抗輻射設(shè)計(jì)獲得的加固效果各不相同。例如，移相器使用器件級和電路級并用的加固設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過值為的重粒子試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)位誤差試驗(yàn)后，結(jié)果顯示，該移相器整體抗能力得到有效提高，對具有明顯的免疫力。 抗輻射加固工藝技術(shù) 目前，加

7、固專用工藝線仍然是戰(zhàn)略級加固的強(qiáng)有力工具，將來會(huì)越來越多地與加固設(shè)計(jì)結(jié)合使用。因?yàn)榭馆椛浼庸坦に嚰夹g(shù)具有非常高的專業(yè)化屬性和高復(fù)雜性，因此只有少數(shù)幾個(gè)廠家能夠掌握該項(xiàng)技術(shù)。例如，單粒子加固的工藝和工藝，總劑量加固的小幾何尺寸工藝，的工藝，的工藝，以及外延工藝等。主要的抗輻射加固產(chǎn)品供應(yīng)商之一于年左右達(dá)到技術(shù)節(jié)點(diǎn)，上一期的工藝節(jié)點(diǎn)為。的，抗輻射加固專用工藝不需改變設(shè)計(jì)和版圖，只用工藝加固即可制造出滿足抗輻射要求的軍用集成電路。是當(dāng)前主要的抗輻射加固工藝，目前正在開發(fā)技術(shù)，下一步將發(fā)展和工藝。采用專用工藝制造的有加固、加固通信、加固、加固存儲(chǔ)器、加固處理器等，如圖所示。 重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)態(tài)勢 美國的抗

8、輻射加固技術(shù) 加固設(shè)計(jì)重點(diǎn)技術(shù) 美國商務(wù)部年國防工業(yè)評估報(bào)告美國集成電路設(shè)計(jì)和制造能力，詳細(xì)地研究了美國抗輻射加固設(shè)計(jì)和制造能力。擁有抗輻射加固制造能力的美國廠商同時(shí)擁有抗單粒子效應(yīng)、輻射容錯(cuò)、抗輻射加固和中子加固的設(shè)計(jì)能力。其中，擁有抗單粒子效應(yīng)能力的家、輻射容錯(cuò)家、輻射加固家，中子加固家。公司是抗輻射加固設(shè)計(jì)的主力軍，年就已達(dá)到從到的個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。家公司具備的設(shè)計(jì)能力，家公司具備的設(shè)計(jì)能力，家公司具備設(shè)計(jì)能力，家公司的技術(shù)節(jié)點(diǎn)在以下，如圖所示。純設(shè)計(jì)公司的抗輻射加固設(shè)計(jì)能力較弱。美國在設(shè)計(jì)抗輻射產(chǎn)品時(shí)所用的材料包括體硅、，等標(biāo)準(zhǔn)材料，和藍(lán)寶石上硅、，銻化物、非結(jié)晶硅等非標(biāo)準(zhǔn)材料

9、兩大類。標(biāo)準(zhǔn)材料中使用體硅的有家，使用的有家，使用的有家。使用非標(biāo)準(zhǔn)材料的公司數(shù)量在明顯下降。非標(biāo)材料中，是熱點(diǎn)，有家公司（個(gè)小規(guī)模公司和個(gè)中等規(guī)模公司）在開發(fā)。則最弱，只有兩家中小公司在研發(fā)。沒有大制造公司從事非標(biāo)材料的開發(fā)。 重點(diǎn)工藝和制造能力 美國有家公司從事輻射容錯(cuò)、輻射加固、中子加固、單粒子瞬態(tài)加固產(chǎn)品研制。其中抗單粒子效應(yīng)家，輻射容錯(cuò)家，抗輻射加固家，中子加固家。制造公司加固工藝節(jié)點(diǎn)從到。使用的材料有標(biāo)準(zhǔn)材料和非標(biāo)準(zhǔn)兩大類。前一類有體硅、和，非標(biāo)準(zhǔn)材料則包括藍(lán)寶石上硅，銻化物和非晶硅（）。晶圓的尺寸有，這幾類?？馆椛浼庸坍a(chǎn)品制造可分為專用集成電路（）、柵陣列、存儲(chǔ)器和其他產(chǎn)品。制造

10、能力最為強(qiáng)大，定制的廠商達(dá)到家，標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到家，結(jié)構(gòu)化有家。柵陣列有：現(xiàn)場可編程陣列（）、掩膜現(xiàn)場可編程陣列（）、一次性現(xiàn)場可編程陣列（），共家。模擬混合信號制造商達(dá)到家，制造處理器協(xié)處理器有家。和混合信號據(jù)美國航空航天局（），技術(shù)發(fā)展的下一目標(biāo)是深空極端環(huán)境應(yīng)用的技術(shù)和產(chǎn)品，例如月球表面應(yīng)用。這主要包括抗多種輻射和輻射免疫能力。例如，器件在溫度范圍內(nèi)正常工作的能力。具有更多的模擬混合信號產(chǎn)品，微波毫米波混合信號集成電路。系統(tǒng)能夠取消各種屏蔽和專用電纜，以減小重量和體積。德國公司為空間應(yīng)用提供高性能的工藝，其工作頻率達(dá)到。包括專用抗輻射加固庫輻射試驗(yàn)、開發(fā)和可用。采用加固的工藝可達(dá)到的。采用該技術(shù)

11、，可實(shí)現(xiàn)抗輻射加固庫。 混合信號的抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù) 如果半導(dǎo)體發(fā)展趨勢不發(fā)生變化，則當(dāng)特征尺寸向及更小尺寸發(fā)展時(shí)，混合信號加固設(shè)計(jì)技術(shù)的重要性就會(huì)增加。設(shè)計(jì)加固可以使用商用工藝，與特征尺寸落后于商用工藝的專用工藝相比，能夠在更小的芯片面積上提高速度和優(yōu)化性能。此外，設(shè)計(jì)加固能夠幫助設(shè)計(jì)者擴(kuò)大減小單粒子效應(yīng)的可選技術(shù)范圍。在年長的時(shí)期內(nèi)，加固設(shè)計(jì)方法學(xué)的未來并不十分清晰。最終數(shù)字元件將縮小到分子或原子的尺度。單個(gè)的質(zhì)子、中子或粒子碰撞導(dǎo)致的后果可能不是退化，而是整個(gè)晶體管或子電路毀壞。除了引入新的屏蔽和或封裝技術(shù)，一些復(fù)雜數(shù)字電路還需要具備一些動(dòng)態(tài)的自修復(fù)和自重構(gòu)功能。此外，提高產(chǎn)量和防止工作失效的力量或許會(huì)推動(dòng)商用制造商在解決這些問題方面起到引領(lǐng)的作用。當(dāng)前，沒有跡象表明模擬和電路會(huì)最終使用與數(shù)字電路相同的元件和工藝。因此，加固混合信號電路設(shè)計(jì)者需要在模擬和數(shù)字兩個(gè)完全不同的方向開展工作，即需要同時(shí)使用兩種基本不同的技術(shù)，并應(yīng)用兩種基本不同的加固設(shè)計(jì)方法。 結(jié)束語 微電子器件抗輻射加固是軍用微電子技術(shù)爭奪的焦點(diǎn)之一。對微電子、光電子器件輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理的研究是抗輻射加固技術(shù)的基礎(chǔ)。，集成光