SOI對(duì)集成電路抗輻照性能提高的意義

1、SOI對(duì)集成電路抗輻照性能的意義摘要：SOI器件在許多方面的性能優(yōu)于體硅器件，抗輻照性能就是其一，SOI器件因隱埋絕緣層的存在，可以十分有效得克服體硅器件在輻照問(wèn)題上的缺陷，例如單粒子效應(yīng)、瞬時(shí)輻射效應(yīng)等，這源于其在結(jié)構(gòu)上根本性地消除了體硅器件附帶的許多寄生效應(yīng)，例如很重要的寄生雙極晶體管效應(yīng)等等。這些特性致使SOI器件在航空航天等領(lǐng)域大有作為。關(guān)鍵詞：抗輻照、單粒子效應(yīng)、總劑量輻射效應(yīng)、瞬時(shí)輻射效應(yīng)、SOI加固技術(shù)Abstract:SOIdevicesaresuperiortobulksilicondevicesinmanyaspects,oneofwhichisitsfigureofant

2、iirradiationperformance.Becauseoftheexistenceofburiedinsulatinglayer,SOIdevicescanovercomesomeuniquedefectsofbulksilicondevicesinirradiation-relativeproblemseffectively,suchasSEE(SingleEventEffect),TRE(transientdoesrateineffect)andsoon.Thisisonearthduetotheeliminationofsomeparasiticsofbulksilicondev

3、icesinstructure,suchaslatch-upeffect.ThesecharacteristicsmakeSOIdeviceshavegreatpotentialutilitiesinaerospaceandotherfields.Keywords:anti-irradiation,singleeventeffect,totaldoseradiationeffect,instantaneousradiationeffect,SOIreinforcementtechnology正文：1輻射對(duì)器件的影響1.1電離輻射與非電離輻射輻射是粒子向外擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)形式，它從場(chǎng)源向外傳播且不再返

4、回場(chǎng)源。根據(jù)是否有足夠的能量引發(fā)物質(zhì)電離，可以將輻射分為電離輻射和非電離輻射兩類。非電離輻射的輻射能量比較低，不會(huì)使物質(zhì)原子或分子產(chǎn)生電離，包括低能量的電磁輻射包括紫外線、光線、紅外線及無(wú)線電波等低能量電磁輻射。它們的能量不高，只會(huì)引起物質(zhì)內(nèi)的粒子的震動(dòng)并使其溫度上升。電離輻射是波長(zhǎng)短、頻率高、能量高的輻射。電離輻射可以使原子、分子或其他粒子束縛狀態(tài)中放出電子，包括a粒子、P粒子、質(zhì)子等高速帶電粒子以及中子、x射線、y射線等不帶電離子。足夠能量的輻射可能會(huì)破壞物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)，對(duì)電子器件的影響就可能導(dǎo)致器件損壞失效。1.2單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng)是由單個(gè)輻射粒子引起的宏觀效應(yīng)，這時(shí)的單粒子應(yīng)當(dāng)指的是

5、能量很強(qiáng)的單個(gè)粒子，例如a粒子、重核粒子等。a粒子是氦原子核，重核粒子很多是核質(zhì)量大于a粒子的重粒子，除此之外還有諸如電子(卩粒子)與光子(y粒子)等電離輻射粒子，這些粒子均具有很強(qiáng)的穿透性。首先，當(dāng)一個(gè)高能粒子射入一個(gè)體硅半導(dǎo)體器件中時(shí)，例如重離子會(huì)沿其運(yùn)行路徑電離出電子-空穴對(duì)，因?yàn)檫@些電子-空穴對(duì)的濃度可能要比摻雜濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以就會(huì)對(duì)器件的正常工作產(chǎn)生一定影響。當(dāng)pn結(jié)反偏時(shí)，它們會(huì)被反偏的pn結(jié)大量收集，這時(shí)將pn結(jié)稱作敏感節(jié)點(diǎn)，在pn結(jié)接觸端可形成瞬態(tài)電流，周圍的耗盡區(qū)會(huì)被中和，即造成電場(chǎng)等位面變形。在體硅區(qū)域，電荷可能引起更加嚴(yán)重的局部電場(chǎng)坍塌，電場(chǎng)等位面變?yōu)槁┒沸?，產(chǎn)生

6、漏斗效應(yīng)。漏斗效應(yīng)使得空穴移向襯底，導(dǎo)致耗盡區(qū)額外收集了很多距其很遠(yuǎn)的電荷，增加了敏感程度。當(dāng)收集的電荷超出某閾值范圍，就可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的邏輯位翻轉(zhuǎn)。中子、質(zhì)子等等、無(wú)法直接誘發(fā)單粒子效應(yīng)，但其可以通過(guò)撞擊硅核致使核子之間發(fā)生相互碰撞并發(fā)生逃逸，之后沿著逃逸路徑同樣可以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，被敏感節(jié)點(diǎn)所收集。所以上述的單粒子效應(yīng)均可能造成例如邏輯位翻轉(zhuǎn)這樣的器件軟錯(cuò)誤，而這樣的偶然性錯(cuò)誤對(duì)器件和整體電路造成的影響更不能準(zhǔn)確估計(jì)，所以要從器件結(jié)構(gòu)上盡量避免單粒子效應(yīng)的影響。SOI器件正是通過(guò)減少節(jié)點(diǎn)對(duì)電荷的收集實(shí)現(xiàn)單粒子加固的。因?yàn)槠漤敼鑼庸枘ぽ^薄，器件靈敏電荷的收集體積較體硅器件小了很多，所以SOI

7、的抗SEU的能力要更強(qiáng)。但不可避免的，SOI器件中的寄生雙極晶體管效應(yīng)會(huì)削弱其抗SEU的能力。因?yàn)榧纳?yīng)會(huì)使少子電荷很快被復(fù)合而多子向源區(qū)漂移，導(dǎo)致源極與體之間的電勢(shì)減小，從而引起源極向體內(nèi)的少子注入，之后，這些少子又會(huì)重新被漏極所收集，抗收集效果減弱了很多。同時(shí)，在器件節(jié)點(diǎn)不斷減小的情況下，首先質(zhì)子直接電離產(chǎn)生的電荷就很可能導(dǎo)致電路的翻轉(zhuǎn)；其次，因?yàn)槠骷挪济芏仍龃?，單粒子入射感?yīng)的電荷可能被多個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)收集，造成電荷分享效應(yīng)等更多的寄生效應(yīng)。其次，除了位翻轉(zhuǎn)等軟錯(cuò)誤，單粒子效應(yīng)還可能導(dǎo)致SOI電路發(fā)生硬錯(cuò)誤，即單粒子燒毀（SingleEventBurnout，SEB）。這是一種屬于破壞性

8、的效應(yīng)，可造成場(chǎng)效應(yīng)管漏源局部永久性燒毀。因?yàn)槿肷淞Ｗ釉趐n結(jié)界面處會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流導(dǎo)致寄生雙極晶體管導(dǎo)通，雙極結(jié)晶體管的正反饋機(jī)制造成收集的結(jié)電流不斷增大，直到產(chǎn)生二次擊穿，造成漏源間的永久損壞。所以在制作SOI器件時(shí)，寄生雙極晶體管效應(yīng)是一個(gè)要盡量削減的因素。1.3總劑量輻射效應(yīng)總劑量效應(yīng)是指輻射在氧化層中感應(yīng)的陷進(jìn)電荷所導(dǎo)致的器件性能退化的效應(yīng)。值得說(shuō)明的是，SOI器件受總劑量輻射效應(yīng)的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于體硅器件，其中一個(gè)重要的原因是SOI器件的淺溝槽隔離（STI）導(dǎo)致的器件失效。STI中帶正電的陷阱電荷很容易會(huì)與P型襯底形成反型，并導(dǎo)致SOI器件內(nèi)部的兩個(gè)漏電流對(duì)器件造成影響。一個(gè)是

9、NMOS器件內(nèi)的漏電流，位于N型器件源端與漏斷之間；另一個(gè)是NMOS和PMOS之間的漏電流，因?yàn)镾OI器件，尤其是全隔離器件內(nèi)部沒(méi)有漏電流的通道，當(dāng)SOI器件為淺溝槽隔離時(shí)，溝槽中的陷阱電荷使漏電流的增加更為嚴(yán)重。除此之外，SOI結(jié)構(gòu)的隱埋氧化層對(duì)總劑量輻射也十分敏感。通常制造SOI器件會(huì)考慮總劑量輻射的最壞影響條件，而這一條件取決于總劑量輻射產(chǎn)生的電荷主要聚集在場(chǎng)氧化層還是隱埋氧化層。1.4瞬時(shí)輻射效應(yīng)器件在短時(shí)間內(nèi)受到宇宙空間或人為造成的大劑量輻射能量，就可能產(chǎn)生瞬時(shí)輻射效應(yīng)，又稱為劑量率效應(yīng)。瞬間產(chǎn)生很大的光電流，就可能導(dǎo)致電流閂鎖。而一般來(lái)說(shuō)，研究OFF偏置下的晶體管電流閂鎖相對(duì)于研究

10、ON偏置更有意義（因?yàn)镺N偏置下的電流較大，遠(yuǎn)大于輻射產(chǎn)生的光電流）。電流閂鎖在一定的程度上可對(duì)器件造成嚴(yán)重破壞。但是對(duì)于SOI器件，因?yàn)橐r底與器件之間的絕緣層隔離，源極的少子電荷無(wú)法進(jìn)入體區(qū)，故不存在類似體硅CMOS器件的寄生pnpn結(jié)構(gòu)的電流通道，所以產(chǎn)生的實(shí)際閂鎖電流比體硅CMOS小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。2SOI加固技術(shù)2.1單粒子效應(yīng)和瞬時(shí)劑量率效應(yīng)加固制約單粒子效應(yīng)和瞬時(shí)劑量率效應(yīng)就是努力削減寄生雙極晶體管效應(yīng)，最常用的技術(shù)時(shí)浮空體區(qū)添加體接觸，即從體區(qū)引出一個(gè)電通道將過(guò)剩載流子有效排出，制造一個(gè)浮空體區(qū)并可以通過(guò)外加電壓將區(qū)域置于一個(gè)固定電平。這樣可以有效得降低雙極型晶體管的放大系數(shù)，抑制寄

11、生晶體管效應(yīng)。除此之外，針對(duì)于體硅器件的一些加固措施，例如為存儲(chǔ)單元添加額外的反饋電阻或電容以加固存儲(chǔ)器和鎖存器的冗余結(jié)構(gòu)、糾錯(cuò)檢錯(cuò)碼等系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)加固等等，也同樣適用于SOI器件的加固。2.2總劑量效應(yīng)加固總劑量效應(yīng)加固可以從材料加固和器件結(jié)構(gòu)加固兩方面入手。材料加固通常采用注氧的方法來(lái)進(jìn)一步降低器件隱埋層中空穴陷阱的密度，一直以來(lái)，發(fā)展出多次注氧和輔助注氧、N與O共注同時(shí)加入退火工藝、離子注入等方法。器件結(jié)構(gòu)加固則采用BUSFET，即讓源極和BOX相隔離，這樣背界面處不能形成完整的導(dǎo)電溝道，因此不會(huì)有關(guān)態(tài)漏電流。而對(duì)于淺溝槽隔離氧化物的總劑量效應(yīng)引起的器件性能退化，往往采用優(yōu)化版圖的方法加以改進(jìn)。3展望SOI技術(shù)的全隔離介質(zhì)的特點(diǎn)，消