基于SOI的微电子器件抗辐射加固技术

范家熠

（江苏科技大学苏州理工学院电子工程系 江苏 张家港 215600）

1 引言

在太空环境下，辐射会穿透人造卫星的表面，这使得人造卫星中的集成电器会逐渐聚集离子，进而产生电离，并引发严重的瞬时效应与闭锁效应，从而导致微电子器件失效，这种影响非常不利于人造卫星的可靠运行，因此需要采取相应的工艺方法来对微电子器件进行保护。SOI工艺是国际上使用最为广泛的抗辐射加固工艺，这种工艺能够有效保护微电子器件不会受到辐射的影响，大大提高微电子器件的抗辐射性能，使微电子器件在寿命周期内得到了非常可靠的保护。

2 SOI工艺的应用优势及现状

2.1 SOI工艺的应用优势

现阶段，世界各国在制造微电子器件抗辐射电路过程中，主要采用SOI与SOS两种工艺，这两种工艺的加工精度能够控制在0.2至1μm范围以内，相比于SOS工艺，SOI工艺的制造成本要更低，而且集成度较高，所产生的漏电流也非常小，并且在抗辐射性能要更好，速度也较高，SOI工艺的出现，使体硅CMOS中因导电类型的不同而造成隔离结构不同的技术难题得到了有效解决，SOI工艺是将绝缘层埋置于单晶层中，并通过在开沟下设置绝缘介质来进行隔离的，这种工艺能够去除PN结隔离，从而使隔离结构的漏电量得到了大幅减少，显著增强了微电子器件的耐压能力，同时也大大提高了微电子器件的速度、温度、耐压以及抗辐射等特性。可以说，SOI工艺的出现，使微电子器件在太空环境中的闭锁效应得到了根本上的解决。

2.2 SOI工艺的应用现状

就目前来看，我国已经开始全面研究SOI工艺技术，但还尚未应用于大规模微电子器件的生产之中，目前我国所制作的抗辐射电路已经达到2μm至3μm的加工精度，SOI工艺也将逐渐代替原有的SOS工艺，并进一步带动了半导体器件的发展。SOI工艺的出现，必将在未来很长一段时间内成为微电子器件制造的主流技术。

3 基于SOI的微电子器件抗辐射加固技术

微电子器件的抗辐射能力是通过特殊设计与处理来实现的，而微电子器件所具备的抗辐射强度，则是以芯片辐射级实验作为前提，以此确保微电子器件在辐射环境中也能满足其运行可靠性要求。对微电子器件抗辐射加固的设计主要包括其五大特性，这也是SOI工艺的主要内容。

3.1 抗总剂量

在太空环境下，微电子器件会逐渐聚集离子，当离子聚集到一定程度后，便会产生电离，从而进一步引发瞬时与闭锁效应。因此，离子总积累量会逐渐加大对微电子器件性能的影响，离子电荷主要是在氧化层和表面陷阱中积累的，这会造成微电子器件出现阂值漂移，从而降低其表面迁移率，使器件性能受到影响。在进行加固时，可采用较高的电子陷阱密度与较低介面态的材料来充当栅的介质，使其能够在辐射过程中抵消部分产生的电荷，达到稳定阈值的目的。还可通过无厚氧层和非等平面工艺的应用来减少电离子的聚集，并对栅的形状进行改变，能够消除边墙效应，利用高浓度源平面结构来削弱电子空穴对的占比，从而起到削弱辐射影响的作用，并通过特殊控制技术的应用来降低微电子器件的表面态。

3.2 抗剂量率干扰

对于抗剂量率干扰问题，在SOI工艺中，主要是通过spice来模拟辐射作用下微电子器件的光电流效应，以此确保辐射可控范围内微电子器件能够正常工作，对于模拟过程中的光电流参数，则可以采用理论公式进行计算，也可以通过实验来获得。

3.3 抗中子

对于微电子器件来说，其可看作是多数载流子器件，该器件在抗中子辐射容限上表现良好，其在受到中子辐射时，其衬底材料中的电阻率会增加，同时其沟道载流子的迁移率会下降，相应的栅氧化层所具有的表面态密度会增加，从而使器件的栅电容增加，这会对器件的高频特性造成不利影响。因此，在SOI技术中，需要对其进行速度冗余设计，并对微电子器件在最恶劣环境下的损伤机理进行仿真模拟。

3.4 抗单项干扰和抗闭锁

在抗单项干扰设计中，需要采取横向隔离的方式将各个单元进行隔离起来，确保单项效应在聚集电荷时有着最短的充电路径，以此降低电荷对各个节点的影响。在抗闭锁设计中，微电子器件闭锁效应的主要发生点为N衬底与P阱的结，光电流在突破该结时会产生电流正反馈，进而引发闭锁效应。因此在SOI工艺中，需要进行电流输导，使光电流能够直接返回至电源，并通过横向隔离的加强来形成横纵向之间的输导反差。

4 结语

总而言之，在基于SOI的微电子器件抗辐射加固技术中，通过采用上述方法和措施，能够使微电子器件的抗辐射性能得到大幅提升，进而有效保证了电子器件在高辐射环境下的运行稳定性，使人工卫星得以在太空环境中正常运行。