導(dǎo)語：抗輻射加固微電子論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1引言

預(yù)計(jì)在未來10到20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3－D結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)封裝的抗輻射加固；開發(fā)能夠降低測(cè)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(shì)。

2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)（TID）、單粒子效應(yīng)（SEE）和劑量率（DoesRate）效應(yīng)?？倓┝啃?yīng)源于由γ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、MOSFET閾值漂移，以及雙極晶體管的增益衰減。SEE是由輻射環(huán)境中的高能粒子（質(zhì)子、中子、α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p－n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。SEE中的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）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γ或X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［1］。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SiGe，InP，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：1）對(duì)新的微電子技術(shù)和光電子技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，推動(dòng)其應(yīng)用到航空航天等任務(wù)中；2）研究輻射環(huán)境應(yīng)用技術(shù)的指導(dǎo)方法學(xué)；3）研究抗輻射保證問題，以增加系統(tǒng)可靠性，減少成本，簡(jiǎn)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1所示為輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理的重點(diǎn)研究對(duì)象。研究領(lǐng)域可分為：1）新微電子器件輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理；2）先進(jìn)微電子技術(shù)輻射評(píng)估；3）航空航天抗輻射保障；4）光電子器件的輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理；5）輻射測(cè)試、放射量測(cè)定及相關(guān)問題；6）飛行工程和異常數(shù)據(jù)分析；7）提供及時(shí)的前期工程支持；8）航空輻射效應(yīng)評(píng)估；9）輻射數(shù)據(jù)維護(hù)和傳送。

3抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)

3．1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)、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2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(jí)的設(shè)計(jì)技術(shù)?？梢酝ㄟ^圖2所示設(shè)計(jì)體系進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)：1）采用多級(jí)別冗余的方法減輕輻射破壞，這些級(jí)別分為元件級(jí)、板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和飛行器級(jí)。2）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。3）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)；4）加入誤差檢測(cè)和校正電路，或者自修復(fù)和自重構(gòu)功能；5）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，也可采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制造。

3．2加固模擬／混合信號(hào)IP技術(shù)

最近的發(fā)展趨勢(shì)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(hào)IP需求不斷增加［2］?？馆椛浼庸棠MIP的數(shù)量也不斷增加。其混合信號(hào)IP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)IMEC，ICsense等公司在設(shè)計(jì)抗輻射加固方案中提供了大量的模擬IP內(nèi)容。模擬IP包括抗輻射加固的PLL和A／D轉(zhuǎn)換器模塊，正逐步向軟件控制型混合信號(hào)SoCASIC方向發(fā)展。該抗輻射加固庫基于XFab公司180nm工藝，與臺(tái)積電180nm設(shè)計(jì)加固IP庫參數(shù)相當(dāng)。TID加固水平可以達(dá)到1kGy，并且對(duì)單粒子閉鎖和漏電流增加都可以進(jìn)行有效加固。

3．3SiGe加固設(shè)計(jì)技術(shù)

SiGeHBT晶體管在空間應(yīng)用并作模擬器件時(shí)，對(duì)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）所要求的總劑量和位移效應(yīng)的耐受能力［3］。目前，SiGeBiCMOS設(shè)計(jì)加固的熱點(diǎn)主要集中在數(shù)字邏輯電路上。SEE／SEU會(huì)對(duì)SiGeHBT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(duì)先進(jìn)SiGeBiCMOS工藝的邏輯電路進(jìn)行SEE／SEU加固時(shí)，在器件級(jí)，可采用特殊的C－B－ESiGeHBT器件、反模級(jí)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SEE／SEU加固。在電路級(jí)，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(jí)上應(yīng)用外，還可作為一種系統(tǒng)級(jí)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(jí)和電路級(jí)并用的加固設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過LET值為75MeV•cm2／mg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SEU能力得到有效提高，對(duì)SEU具有明顯的免疫力。

4抗輻射加固工藝技術(shù)

目前，加固專用工藝線仍然是戰(zhàn)略級(jí)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SOI工藝和SOS工藝，總劑量加固的小幾何尺寸CMOS工藝，IBM的45nmSOI工藝，Honeywe1l的50nm工藝，以及BAE外延CMOS工藝等。主要的抗輻射加固產(chǎn)品供應(yīng)商之一Atmel于2006年左右達(dá)到0．18μm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，上一期的工藝節(jié)點(diǎn)為3μm。Atmel的RTCMOS，RTPCMOS，RHCMOS抗輻射加固專用工藝不需改變?cè)O(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。0．18μm是Atmel當(dāng)前主要的抗輻射加固工藝，目前正在開發(fā)0．15μm技術(shù)，下一步將發(fā)展90nm和65nm工藝。Atmel采用0．18μm專用工藝制造的IC有加固ASIC、加固通信IC、加固FPGA、加固存儲(chǔ)器、加固處理器等，如圖3所示。

5重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)態(tài)勢(shì)

5．1美國(guó)的抗輻射加固技術(shù)

5．1．1加固設(shè)計(jì)重點(diǎn)技術(shù)

美國(guó)商務(wù)部2009年國(guó)防工業(yè)評(píng)估報(bào)告《美國(guó)集成電路設(shè)計(jì)和制造能力》，詳細(xì)地研究了美國(guó)抗輻射加固設(shè)計(jì)和制造能力［4］。擁有抗輻射加固制造能力的美國(guó)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18家、輻射容錯(cuò)14家、輻射加固10家，中子加固9家。IDM公司是抗輻射加固設(shè)計(jì)的主力軍，2006年就已達(dá)到從10μm到65nm的15個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。15家公司具備10μm～1μm的設(shè)計(jì)能力，22家公司具備1μm～250nm的設(shè)計(jì)能力，24家公司具備250nm～65nm設(shè)計(jì)能力，7家公司的技術(shù)節(jié)點(diǎn)在65nm以下，如圖5所示。純?cè)O(shè)計(jì)公司的抗輻射加固設(shè)計(jì)能力較弱。美國(guó)IDM在設(shè)計(jì)抗輻射產(chǎn)品時(shí)所用的材料包括體硅、SOI，SiGe等Si標(biāo)準(zhǔn)材料，和藍(lán)寶石上硅、SiC，GaN，GaAs，InP，銻化物、非結(jié)晶硅等非標(biāo)準(zhǔn)材料兩大類。標(biāo)準(zhǔn)材料中使用體硅的有23家，使用SOI的有13家，使用SiGe的有10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，GaN是熱點(diǎn)，有7家公司（4個(gè)小規(guī)模公司和3個(gè)中等規(guī)模公司）在開發(fā)。SiC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)。

5．1．2重點(diǎn)工藝和制造能力

美國(guó)有51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IC產(chǎn)品研制。其中抗單粒子效應(yīng)16家，輻射容錯(cuò)15家，抗輻射加固12家，中子加固8家。制造公司加固IC工藝節(jié)點(diǎn)從10μm到32nm。使用的材料有標(biāo)準(zhǔn)Si材料和非標(biāo)準(zhǔn)兩大類。前一類有體硅、SOI和SiGe，非標(biāo)準(zhǔn)材料則包括藍(lán)寶石上硅，SiC，GaN，GaAs，InP，銻化物和非晶硅（amorphous）。晶圓的尺寸有50，100，150，200，300mm這幾類?？馆椛浼庸坍a(chǎn)品制造可分為專用集成電路（ASIC）、柵陣列、存儲(chǔ)器和其他產(chǎn)品。ASIC制造能力最為強(qiáng)大，定制ASIC的廠商達(dá)到21家，標(biāo)準(zhǔn)ASIC達(dá)到13家，結(jié)構(gòu)化ASIC有12家。柵陣列有：現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列（FPGA）、掩膜現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列（MPGA）、一次性現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列（EPGA），共19家。RF／模擬／混合信號(hào)IC制造商達(dá)到18家，制造處理器／協(xié)處理器有11家。5．1．3RF和混合信號(hào)SiGeBiCMOS據(jù)美國(guó)航空航天局（NASA），SiGe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＋120℃～－180℃溫度范圍內(nèi)正常工作的能力。具有更多的SiGe模擬／混合信號(hào)產(chǎn)品，微波／毫米波混合信號(hào)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(guó)IHP公司為空間應(yīng)用提供高性能的250nmSiGeBiCMOS工藝SGB25RH［5］，其工作頻率達(dá)到20GHz。包括專用抗輻射加固庫輻射試驗(yàn)、ASIC開發(fā)和可用IP。采用SGB13RH加固的130nmSiGeBiCMOS工藝可達(dá)到250GHz／300GHz的ft／fmax。采用該技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)SiGeBiCMOS抗輻射加固庫。

5．2混合信號(hào)的抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)

如果半導(dǎo)體發(fā)展趨勢(shì)不發(fā)生變化，則當(dāng)IC特征尺寸向90nm及更小尺寸發(fā)展時(shí)，混合信號(hào)加固設(shè)計(jì)技術(shù)的重要性就會(huì)增加［6］。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IC速度和優(yōu)化IC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20～30年長(zhǎng)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RF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(hào)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IC技術(shù)，并應(yīng)用兩種基本不同的加固設(shè)計(jì)方法。

6結(jié)束語

微電子器件抗輻射加固是軍用微電子技術(shù)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)之一。對(duì)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)。CMOS，SOI，SiGe，InP，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)理的研究是基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)。為了保證戰(zhàn)略級(jí)加固能力，美國(guó)等國(guó)家保留了相當(dāng)數(shù)量的專用抗輻射加固設(shè)計(jì)、工藝和制造能力。同時(shí)，也在開發(fā)采用標(biāo)準(zhǔn)商用工藝線的加固設(shè)計(jì)技術(shù)（RHBD），這是快速發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)之一。建立一個(gè)完善的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證體系是抗輻射加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施和體制保障。在技術(shù)趨勢(shì)方面，亞微米CMOS，SOI，SiGe微電子器件、電路、系統(tǒng)的抗固設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)是信號(hào)處理集成電路的重點(diǎn)發(fā)展方向。藍(lán)寶石上硅，SiC，GaN，GaAs，InP，銻化物和非晶硅等非標(biāo)準(zhǔn)材料也是某些特定應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。

作者：王健安謝家志賴凡工作單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所