集成電路應(yīng)用與抗輻射加固（上）
中國(guó)航天工業(yè)總公司771所王平（710054）
摘??? 要
本文從特定應(yīng)用出發(fā)介紹集成電路抗輻射加固的若干技術(shù)，包括輻射因素、抗輻射材料及器件，著重介紹SOI材料的相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀及其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞
集成電路抗輻射加固
一、前言
　　軍用微電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，大大促進(jìn)了軍用設(shè)備及武器系統(tǒng)的發(fā)展，大幅度地提高了軍用設(shè)備及武器系統(tǒng)的應(yīng)變能力和作戰(zhàn)能力。為了使軍用電子系統(tǒng)能在核爆炸、空間輻射及核動(dòng)力等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，必須對(duì)基礎(chǔ)元器件和集成電路進(jìn)行抗輻射加固研究。特別是1983年美國(guó)開(kāi)始實(shí)施星球大戰(zhàn)（戰(zhàn)略防御）計(jì)劃以來(lái)，集成電路的抗輻射加固技術(shù)的研究受到高度重視。從1984年到1990年，美國(guó)政府在集成電路抗輻射加固研究方面的投資超過(guò)3億美元。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)之后，美國(guó)政府更加重視軍用集成電路的研究開(kāi)發(fā)，估計(jì)每年的投資在30億美元左右，其中就有1.5億美元用于抗輻射加固的研究工作，約占5％。
　　微電子技術(shù)的發(fā)展使宇宙航行、太空探測(cè)、軍用和民用衛(wèi)星等空間電子系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，對(duì)微電子元器件及集成電路也提出高性能、多功能、高可靠、能抗空間各種輻射等要求，以提高空間微電子系統(tǒng)的可靠性和壽命。因而抗輻射加固微電子技術(shù)的研究成為一個(gè)重要課題，并成為專(zhuān)門(mén)科學(xué)——抗輻射加固電子學(xué)。
二、輻射因素及抗輻射材料
1、輻射因素
　　電子系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境不同，所遇到的輻射因素也不同，產(chǎn)生的效應(yīng)和影響也各不相同，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須采取不同措施進(jìn)行加固。
　　輻射因素主要包括輻射總劑量、瞬時(shí)輻射劑量率、積分中子通量、單粒子擾動(dòng)效應(yīng)、電磁脈沖效應(yīng)等。這些效應(yīng)會(huì)使微電子元器件及集成電路的性能衰減，出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤或永久性損壞，嚴(yán)重影響電子系統(tǒng)的可靠性，甚至完全不能工作。因而微電子元器件及集成電路的抗輻射加固技術(shù)的研究是軍用和空間電子系統(tǒng)能在這些環(huán)境下可靠工作的保證。
（1）抑制電離輻射效應(yīng)的設(shè)計(jì)
　　在自然環(huán)境中,宇宙射線(xiàn)、太陽(yáng)增強(qiáng)粒子、具有能量的質(zhì)子和中子都產(chǎn)生單粒子效應(yīng)（SEE），高能單粒子穿過(guò)MOS器件時(shí)，就在其軌道上產(chǎn)生高密度的電子－空穴對(duì)，它們導(dǎo)致電路產(chǎn)生局部帶電區(qū)。單粒子效應(yīng)一般可分為單粒子閉鎖（SEL）和單粒子擾動(dòng)（SEU）。采用電路和版圖設(shè)計(jì)技術(shù)，能提高商用CMOS工藝的SEL和SEE免疫能力，這些技術(shù)增加了單元面積，減小了速度，增加電源消耗，最主要的是使價(jià)格最低。
　　①SEL免疫
　　在CMOS器件中，一般采用的防閉鎖技術(shù)包括降低寄生n－p－n和p－n－p的β乘積和限制基板偏壓。減小β乘積的方法有：減小寄生管基極（如襯底或阱）區(qū)的少子壽命，這可以通過(guò)摻金或中子輻射實(shí)現(xiàn)；確保襯底上的漏/源區(qū)和阱邊緣之間的間距最小時(shí)，確定有效基區(qū)寬度以減小橫向管的β；在寄生硅控晶閘管（SCR）結(jié)構(gòu)中，降低有效基極－發(fā)射極電阻以減小基極偏置。
　　襯底和阱到電源和地之間的低電阻使注入的少子列在到達(dá)寄生基極之前被俘獲或分流，從而減小了基極偏置電流。減小襯底和阱電阻以及增加載流子俘獲的方法包括：在重?fù)诫s襯底上進(jìn)行輕摻雜外延；在n溝管周?chē)觩＋保護(hù)環(huán)，在p溝管周?chē)觧＋保護(hù)環(huán)。現(xiàn)已證實(shí)，使用外延層工藝制作的電路有閉鎖產(chǎn)生，為了防閉鎖，外延層必須進(jìn)一步“薄”。
　　SOI減小少子壽命和薄外延都屬“技術(shù)加固”方法。這些方法依賴(lài)于制定或控制制作工藝的某些方面，總的看，并未考慮到“商用”CMOS。減小間距使β乘積退化的方法，其效果與襯底摻雜量有關(guān)。保護(hù)環(huán)在常規(guī)的源/漏掩膜一步形成，不需要特殊的工藝。在Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室單粒子擾動(dòng)測(cè)試（SEUTE）使用TwinTomdernVandeGraff加速器通過(guò)重離子測(cè)試保護(hù)環(huán)的方法，結(jié)果證明，LET量值在3.4Mev?cm2/mg到至少120Mev?cm2/mg范圍內(nèi)防止SEL發(fā)生。在Hewlett
Packard的1μm雙層金屬CMOS（CMOS34）工藝和HewlettPackard的1μm三層金屬CMOS（CMOS266）工藝，通過(guò)MOSIC制作的多測(cè)試芯片，以及采用CMOS266工藝制作的1.2百萬(wàn)管子和無(wú)線(xiàn)電宇航解調(diào)器芯片，美國(guó)微系統(tǒng)公司（AMI）采用三層金屬1.0μm工藝（CYC）制作的10萬(wàn)余管子Reed－Solomon糾錯(cuò)碼（ECC）碥碼器和20萬(wàn)管子的Reed－Slomon糾錯(cuò)碼ECC編碼/解碼器，都獲得了上述測(cè)試結(jié)果。
　　②SEU免疫
　　在微電子電路中，對(duì)SEU效應(yīng)加固采取了多種措施。一種方法是減小材料的電荷收集能力，不至于收集太多電荷而引起擾動(dòng)，這屬“技術(shù)加固”類(lèi)。另一種基本電路設(shè)計(jì)方法是提高擾動(dòng)敏感存貯節(jié)點(diǎn)的臨界電荷。最后一種方法是在電路中采用冗余技術(shù)。通過(guò)電路設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行SEU加固的主要目的是使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，不增加掩模版及工藝步驟，實(shí)現(xiàn)具有SEU免疫力的電路，同時(shí)使單元尺寸、價(jià)格及功耗最小。
　　提高臨界電荷的加固技術(shù)包括：增加管子驅(qū)動(dòng)及電容和電阻的加固。一個(gè)大驅(qū)動(dòng)管能迅速去除/補(bǔ)充SEU注入的電荷，縮短干擾時(shí)間。大的高驅(qū)動(dòng)管增加了節(jié)點(diǎn)電容，減小SEU注入電荷產(chǎn)生的電壓偏差。增加臨界點(diǎn)的電容以減小SEU注入電荷引起的電壓變化，是電路電容加固的基本概念。電阻加固包括：在存貯元件反饋通路上使用電阻，在與柵電容聯(lián)接點(diǎn)設(shè)置低通濾波器，以消除正常的長(zhǎng)延遲信號(hào)通過(guò)時(shí)管子感應(yīng)的SEU效應(yīng)。
　　每個(gè)節(jié)點(diǎn)邏輯電平的變化，引起電路電容的充放電都有功耗產(chǎn)生。由于驅(qū)動(dòng)管加大或電容電阻加固增加了電路電容，使電路的交流功耗隨之增加。設(shè)計(jì)一個(gè)抑制短周期信號(hào)的單元，限制了最大工作速度。在一般條件下，采用RC濾波器抑制SEU，使電路可在幾百M(fèi)Hz下工作。能提供具有免疫力的電阻典型阻值是100kΩ到1MΩ，需要用高電阻率的多晶硅電阻，以減小電阻尺寸。高電阻率多晶硅電阻對(duì)摻雜濃度非常敏感，且商用工藝參數(shù)可接受的變化將會(huì)使多晶硅產(chǎn)生較大的變化。由于多晶硅電阻具有很大的負(fù)溫度系數(shù)，使得工藝中的阻值控制成為大問(wèn)題，結(jié)果是在某一工藝參數(shù)下或工作條件下的設(shè)計(jì)環(huán)境中所設(shè)計(jì)的抗SEU單元，對(duì)于另一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境來(lái)說(shuō)具有相反的影響。
　　冗余電路設(shè)計(jì)方法的SEU加固有三個(gè)基本概念。首先，在SEU之后，存在一個(gè)未被干擾的信息數(shù)據(jù)，第二，在粒子輻射后，來(lái)自于無(wú)錯(cuò)誤的存貯數(shù)據(jù)區(qū)的反饋將使錯(cuò)誤數(shù)據(jù)得到恢復(fù)，最后，在合適的區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)這一反饋是“智能的”。如果一個(gè)存貯單元僅由p型管組成，當(dāng)存貯一個(gè)“1”時(shí)，它就不會(huì)擾動(dòng)為“0”，同樣，一個(gè)存貯單元僅由n型管構(gòu)成，當(dāng)存貯一個(gè)“0”時(shí)，它就不會(huì)擾動(dòng)為“1”。