抗辐射数字电路加固技术研究

徐大为，徐 静，肖志强，高向东，洪根深，陈玉蓉，周 淼

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

随着航天技术、卫星技术的发展，对电路抗辐射能力提出了越来越高的要求，当前数字电路的抗辐射能力远远不能满足需求。采用SOI工艺能提高电路的抗单粒子辐射和瞬态辐射的能力，但其存在多个硅－二氧化硅界面态，使得总剂量效应的影响较大。本文通过对电路进行抗辐射加固，提高电路的抗辐射能力，并通过试验验证电路的抗辐射能力，对抗辐射数字电路的研究具有重要意义。

2 辐射基理研究

由于宇宙和外层空间存在着大量的宇宙射线，会对集成电路产生总剂量、单粒子事件、瞬时辐射等辐射效应。

2.1 总剂量辐射效应

当器件持续受到电离辐射时，在氧化层中以及氧化层－硅界面产生电荷和缺陷，从而引起器件的阈值电压漂移，跨导降低，亚阈值电流增大，低频噪声增大[1]。

2.2 中子辐射效应

核爆或反应堆产生的高能中子（E＞10keV）通过与晶格原子的弹性碰撞和半导体发生相互作用，使得原子离开平衡格点而造成位移，从而在半导体禁带中产生缺陷。这种缺陷会影响多数载流子的浓度和迁移率，而对少数载流子的产生和复合寿命构成影响。

2.3 剂量率效应

脉冲辐射在半导体器件中产生过剩载流子，这些过剩载流子为 PN结收集而形成瞬时大电流，即所谓光电流扰动。由于电流或电压的放大作用，在晶体管中会产生大的二次光电流。这种瞬时光电流会使线性电路阻塞，在数字电路中引入逻辑错误，在组合逻辑单元中，这种逻辑错误表现为瞬态摆幅或扰动，而在双稳态元件如锁存器、寄存器和存储元件中表现为错误或位反转。

2.4 单粒子效应

当一个宇宙射线中的重核粒子、α粒子等高能粒子入射到器件时，对于逻辑器件或存储器会引起单粒子翻转；对于CMOS器件会产生单粒子闩锁；可能还会出现单粒子永久损伤，这些都称为单粒子事件。

3 抗辐射加固方法

电路抗辐射加固主要通过优化工艺技术、优化电路结构和版图加固技术等方面入手。

3.1 工艺加固

MOS器件电离辐射效应造成的主要损伤之一是阈值电压漂移，它依赖于氧化物电荷和界面态电荷的产生与退火速率。

SOI材料经过辐射会在隐埋氧化层中产生大量的电子空穴对，产生的电子很快会移出氧化层，一部分空穴也会移出氧化层，一部分空穴则被氧化层中的空穴陷阱俘获成为正固定电荷。对于SOI部分耗尽器件，电离辐射产生的隐埋氧化层电荷会引起背界面反型，导致背栅阈值电压减小，特性漂移。而在隐埋氧化层中注入某些杂质（如Al、Si、P等），可以产生电子陷阱，以补偿辐射后陷入隐埋氧化层的正电荷，减小辐射后的背栅阈值电压漂移。

3.2 电路加固技术

数字电路加固主要通过对关键节点进行改进。辐照过后N管的阈值降低会产生两种现象[2]：（1）反向器的输出特性曲线向左漂移，如图1所示；（2）当N管阈值足够低时，输出一直为低。对电路的改进主要通过对N管进行加固，在N管阈值变小时要保持N管闭合的途径是将N管源端电势抬到足够高。可以在N管源端加入一组反向器，将反向器的输出连接到原N管的源端。当输入高电位时，增加的AddP管闭合，其他电路不受影响。增加的AddN管与N管串联，这将提高N管源端电位，有效增强电路抗辐射能力。

图1 N管输出特性随阈值下降而变化（从右往左阈值从＋1V到－3V）

3.3 版图设计加固技术

电离辐射不仅引起栅介质退化，而且对场介质也产生同样的损伤，主要表现在场介质中的大量氧化物辐射正电荷的积累，场区寄生沟道的形成，漏电增大导致场区失效。环形栅由于器件源区被栅包围，避免了场区，可预防MOS器件场区边缘的辐射寄生漏电[3]。

4 抗辐射电路验证

为了验证设计的加固结构的可靠性，我们设计了一款验证电路。验证电路由一百多门电路组成，配置成D触发器功能，其电路逻辑图、时序图和版图如图2所示。ce为使能信号，高电平有效；sr为异步清零信号，高电平有效；d0、d1为输入信号；q0、q1为输出信号；ck为时钟信号。由于电路由两个相同寄存器组成，因此只观察由d0和q0组成的那组寄存器。工作时Vdd、ce置高电平，Vss置低电平，给sr一个高电平脉冲，对电路清零，然后给ck加一个高电平脉冲，观察d0端变化时输出端q0的信号变化。

图2 验证电路

4.1 总剂量辐照

采用钴源对电路进行了γ总剂量辐射效应试验，剂量率为50rad（Si）/s。此次试验共采用了五只电路，其试验参数如表1 所示，电流单位mA。辐照过程中电路输出为发生翻转，辐照过后电路功能正常。

表1 总剂量辐照试验结果

4.2 抗剂量率辐射

采用“强光一号”加速器对电路进行抗γ瞬时辐射效应试验。试验采用五只电路，其试验结果如表2所示。×1011rad（Si）/s的剂量率范围内，输出有一只发生翻转，其余保持低电位。辐照过后电流增大到2mA～7mA，断电重置后电流依然为2mA～7mA。辐照过程中1-15、1-09剂量率较大，扰动恢复时间较长；其余三只电路在5μs～20μs之后输出恢复到1V以下。

表2 剂量率辐照试验

4.3 抗中子辐照试验

本次试验在脉冲试验反应堆上进行，试验采用辐照时不加电、各管脚短接的形式进行，辐照剂量3×1013n/cm2，辐照18天后对电路进行测试。试验结果如表3 所示。辐照后器件功能都正常，有一只电路电流偏大。

表3 抗中子辐照试验结果

4.4 抗单粒子辐照试验

单粒子试验采用五只芯片，采用Br（00）、Br（300）、I（00）、Au（00）三种粒子、四种辐照方式进行。电路翻转位统计如表4所示，电路电流如表5所示。

表4 翻转位统计

表5 样品电流

电路在LET值81.8MeV·cm2/mg下未发生翻转，辐照过程中电流始终在1mA下，电路功能正常。

从试验数据分析可以看到，电路经过抗辐照加固后，抗辐照能力有了较大提升，抗总剂量辐射超过了300K，抗中子能力达到3×1013n/cm2、抗单粒子能力超过了81.8MeV·cm2/mg，但电路抗瞬态能力有待于加强。

5 总结

随着抗辐照电路需求的增长，提高电路抗辐射能力成为当前必须解决的难题。本文通过对辐照机理的研究，提出几种抗辐照的方法，设计电路进行试验。通过辐照试验结果可以看出，采用抗辐照方法设计的电路具有较强的抗辐照能力，为今后抗辐照电路的研制和开发奠定了坚实的基础。

[1] 黄如，张国艳. SOI CMOS 技术及其应用[M]. 北京：科学出版社，2005.

[2] P.francis,C.Michel,D.Flandre,J.P.Colinge. Radiation-Hard Design for SOI MOS inverters[J]. IEEE Transactions on nuclear science, 1994,41(2).

[3] 陈桂梅，叠盐，苏秀娣. IC抗辐射加固方法[J]. 微处理机，1998，4（11）.