抗輻射加固微電子論文

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1引言

預計在未來10到20年，微電子器件抗輻射加固的重點發(fā)展技術是：抗輻射加固新技術和新方法研究；新材料和先進器件結構輻射效應；多器件相互作用模型和模擬研究；理解和研究復雜3－D結構、系統(tǒng)封裝的抗輻射加固；開發(fā)能夠降低測試要求的先進模擬技術；開發(fā)應用加固設計的各種技術。本文分析研究了微電子器件抗輻射加固設計技術和工藝制造技術的發(fā)展態(tài)勢。

2輻射效應和損傷機理研究

微電子器件中的數(shù)字和模擬集成電路的輻射效應一般分為總劑量效應（TID）、單粒子效應（SEE）和劑量率（DoesRate）效應。總劑量效應源于由γ光子、質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結兩端產(chǎn)生電荷的單粒子效應，可引發(fā)軟誤差、電路閉鎖或元件燒毀。SEE中的單粒子翻轉（SEU）會導致電路節(jié)點的邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉。劑量率效應是由甚高速率的γ或X射線，在極短時間內作用于電路，并在整個電路內產(chǎn)生光電流引發(fā)的，可導致閉鎖、燒毀和軌電壓坍塌等破壞［1］。輻射效應和損傷機理研究是抗輻射加固技術的基礎，航空航天應用的SiGe，InP，集成光電子等高速高性能新型器件的輻射效應和損傷機理是研究重點。研究新型器件的輻射效應和損傷機理的重要作用是：1）對新的微電子技術和光電子技術進行分析評價，推動其應用到航空航天等任務中；2）研究輻射環(huán)境應用技術的指導方法學；3）研究抗輻射保證問題，以增加系統(tǒng)可靠性，減少成本，簡化供應渠道。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所示為輻射效應和損傷機理的重點研究對象。研究領域可分為：1）新微電子器件輻射效應和損傷機理；2）先進微電子技術輻射評估；3）航空航天抗輻射保障；4）光電子器件的輻射效應和損傷機理；5）輻射測試、放射量測定及相關問題；6）飛行工程和異常數(shù)據(jù)分析；7）提供及時的前期工程支持；8）航空輻射效應評估；9）輻射數(shù)據(jù)維護和傳送。

3抗輻射加固設計技術

3．1抗輻射加固系統(tǒng)設計方法

開展抗輻射加固設計需要一個完整的設計和驗證體系，包括技術支持開發(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)設計概念和在軌實驗的數(shù)據(jù)庫等。圖2所示為空間抗輻射加固設計的驗證體系。本文討論的設計技術范圍主要是關于系統(tǒng)、結構、電路、器件級的設計技術。可以通過圖2所示設計體系進行抗輻射加固設計：1）采用多級別冗余的方法減輕輻射破壞，這些級別分為元件級、板級、系統(tǒng)級和飛行器級。2）采用冗余或加倍結構元件（如三模塊冗余）的邏輯電路設計方法，即投票電路根據(jù)最少兩位的投票確定輸出邏輯。3）采用電路設計和版圖設計以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補償或校正、去耦等電路技術，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設計；4）加入誤差檢測和校正電路，或者自修復和自重構功能；5）器件間距和去耦。這些加固設計器件可以采用專用工藝，也可采用標準工藝制造。

3．2加固模擬／混合信號IP技術

最近的發(fā)展趨勢表明，為了提高衛(wèi)星的智能水平和降低成本，推動了模擬和混合信號IP需求不斷增加［2］。抗輻射加固模擬IP的數(shù)量也不斷增加。其混合信號IP也是相似的，在高、低壓中均有應用，只是需在不同的代工廠加工。比利時IMEC，ICsense等公司在設計抗輻射加固方案中提供了大量的模擬IP內容。模擬IP包括抗輻射加固的PLL和A／D轉換器模塊，正逐步向軟件控制型混合信號SoCASIC方向發(fā)展。該抗輻射加固庫基于XFab公司180nm工藝，與臺積電180nm設計加固IP庫參數(shù)相當。TID加固水平可以達到1kGy，并且對單粒子閉鎖和漏電流增加都可以進行有效加固。

3．3SiGe加固設計技術

SiGeHBT晶體管在空間應用并作模擬器件時，對總劑量輻射效應具有較為充分和固有的魯棒性，具備大部分空間應用（如衛(wèi)星）所要求的總劑量和位移效應的耐受能力［3］。目前，SiGeBiCMOS設計加固的熱點主要集中在數(shù)字邏輯電路上。SEE／SEU會對SiGeHBT數(shù)字邏輯電路造成較大破壞。因此，這方面的抗加設計技術發(fā)展較快。對先進SiGeBiCMOS工藝的邏輯電路進行SEE／SEU加固時，在器件級，可采用特殊的C－B－ESiGeHBT器件、反模級聯(lián)結構器件、適當?shù)陌鎴D結構設計等來進行SEE／SEU加固。在電路級，可使用雙交替、柵反饋和三模冗余等方法進行加固設計。三模冗余法除了在電路級上應用外，還可作為一種系統(tǒng)級加固方法使用。各種抗輻射設計獲得的加固效果各不相同。例如，移相器使用器件級和電路級并用的加固設計方案，經(jīng)過LET值為75MeV•cm2／mg的重粒子試驗和標準位誤差試驗后，結果顯示，該移相器整體抗SEU能力得到有效提高，對SEU具有明顯的免疫力。

4抗輻射加固工藝技術

目前，加固專用工藝線仍然是戰(zhàn)略級加固的強有力工具，將來會越來越多地與加固設計結合使用。因為抗輻射加固工藝技術具有非常高的專業(yè)化屬性和高復雜性，因此只有少數(shù)幾個廠家能夠掌握該項技術。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)品供應商之一Atmel于2006年左右達到0．18μm技術節(jié)點，上一期的工藝節(jié)點為3μm。Atmel的RTCMOS，RTPCMOS，RHCMOS抗輻射加固專用工藝不需改變設計和版圖，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當前主要的抗輻射加固工藝，目前正在開發(fā)0．15μm技術，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、加固存儲器、加固處理器等，如圖3所示。

5重點發(fā)展技術態(tài)勢

5．1美國的抗輻射加固技術

5．1．1加固設計重點技術

美國商務部2009年國防工業(yè)評估報告《美國集成電路設計和制造能力》，詳細地研究了美國抗輻射加固設計和制造能力［4］。擁有抗輻射加固制造能力的美國廠商同時擁有抗單粒子效應、輻射容錯、抗輻射加固和中子加固的設計能力。其中，擁有抗單粒子效應能力的18家、輻射容錯14家、輻射加固10家，中子加固9家。IDM公司是抗輻射加固設計的主力軍，2006年就已達到從10μm到65nm的15個技術節(jié)點的產(chǎn)品設計能力。15家公司具備10μm～1μm的設計能力，22家公司具備1μm～250nm的設計能力，24家公司具備250nm～65nm設計能力，7家公司的技術節(jié)點在65nm以下，如圖5所示。純設計公司的抗輻射加固設計能力較弱。美國IDM在設計抗輻射產(chǎn)品時所用的材料包括體硅、SOI，SiGe等Si標準材料，和藍寶石上硅、SiC，GaN，GaAs，InP，銻化物、非結晶硅等非標準材料兩大類。標準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。使用非標準材料的公司數(shù)量在明顯下降。非標材料中，GaN是熱點，有7家公司（4個小規(guī)模公司和3個中等規(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材料的開發(fā)。

5．1．2重點工藝和制造能力

美國有51家公司從事輻射容錯、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16家，輻射容錯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)點從10μm到32nm。使用的材料有標準Si材料和非標準兩大類。前一類有體硅、SOI和SiGe，非標準材料則包括藍寶石上硅，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。抗輻射加固產(chǎn)品制造可分為專用集成電路（ASIC）、柵陣列、存儲器和其他產(chǎn)品。ASIC制造能力最為強大，定制ASIC的廠商達到21家，標準ASIC達到13家，結構化ASIC有12家。柵陣列有：現(xiàn)場可編程陣列（FPGA）、掩膜現(xiàn)場可編程陣列（MPGA）、一次性現(xiàn)場可編程陣列（EPGA），共19家。RF／模擬／混合信號IC制造商達到18家，制造處理器／協(xié)處理器有11家。5．1．3RF和混合信號SiGeBiCMOS據(jù)美國航空航天局（NASA），SiGe技術發(fā)展的下一目標是深空極端環(huán)境應用的技術和產(chǎn)品，例如月球表面應用。這主要包括抗多種輻射和輻射免疫能力。例如，器件在＋120℃～－180℃溫度范圍內正常工作的能力。具有更多的SiGe模擬／混合信號產(chǎn)品，微波／毫米波混合信號集成電路。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IHP公司為空間應用提供高性能的250nmSiGeBiCMOS工藝SGB25RH［5］，其工作頻率達到20GHz。包括專用抗輻射加固庫輻射試驗、ASIC開發(fā)和可用IP。采用SGB13RH加固的130nmSiGeBiCMOS工藝可達到250GHz／300GHz的ft／fmax。采用該技術，可實現(xiàn)SiGeBiCMOS抗輻射加固庫。

5．2混合信號的抗輻射加固設計技術

如果半導體發(fā)展趨勢不發(fā)生變化，則當IC特征尺寸向90nm及更小尺寸發(fā)展時，混合信號加固設計技術的重要性就會增加［6］。設計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，設計加固能夠幫助設計者擴大減小單粒子效應的可選技術范圍。在20～30年長的時期內，加固設計方法學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。單個的質子、中子或粒子碰撞導致的后果可能不是退化，而是整個晶體管或子電路毀壞。除了引入新的屏蔽和／或封裝技術，一些復雜數(shù)字電路還需要具備一些動態(tài)的自修復和自重構功能。此外，提高產(chǎn)量和防止工作失效的力量或許會推動商用制造商在解決這些問題方面起到引領的作用。當前，沒有跡象表明模擬和RF電路會最終使用與數(shù)字電路相同的元件和工藝。因此，加固混合信號電路設計者需要在模擬和數(shù)字兩個完全不同的方向開展工作，即需要同時使用兩種基本不同的IC技術，并應用兩種基本不同的加固設計方法。

6結束語

微電子器件抗輻射加固是軍用微電子技術爭奪的焦點之一。對微電子、光電子器件輻射效應和損傷機理的研究是抗輻射加固技術的基礎。CMOS，SOI，SiGe，InP，集成光電子等高速高性能新型器件的輻射效應和損傷機理的研究是基礎研究的熱點。為了保證戰(zhàn)略級加固能力，美國等國家保留了相當數(shù)量的專用抗輻射加固設計、工藝和制造能力。同時，也在開發(fā)采用標準商用工藝線的加固設計技術（RHBD），這是快速發(fā)展的熱點技術之一。建立一個完善的設計和驗證體系是抗輻射加固設計的基礎設施和體制保障。在技術趨勢方面，亞微米CMOS，SOI，SiGe微電子器件、電路、系統(tǒng)的抗固設計和工藝技術是信號處理集成電路的重點發(fā)展方向。藍寶石上硅，SiC，GaN，GaAs，InP，銻化物和非晶硅等非標準材料也是某些特定應用的重點發(fā)展技術。

作者：王健安謝家志賴凡工作單位：中國電子科技集團公司第二十四研究所