基于65纳米以下工艺节点的抗辐照集成电路基础研究

The rapid development of space industry brings out a higher request on the radiation hardened high performance integrated circuits. The radiation hardened integrated circuits (ICs) press for the 65 nm technology node and beyond. Based on the 65 nm technology node and beyond, this project will evaluate the nano-device radiation effects, nano-ICs radiation effects and hardening, radiation effects experiment measure techniques. For the nano-device radiation effects, we mainly study the new characteristic in nano-bulk technology and the radiation effects of new devices. By doing so, we can reveal the new radiation phenomenon and new radiation scathing mechanism in nano-device. For the nano-ICs radiation effects and hardening, we mainly study the process variation effects, key ICs components and soft error analysis. We will reveal the effect of process variation on the single-event effects and harden the key ICs components from the device, layout, circuit and system levels. Also we will evaluate the soft error of ICs accurately. Finally, we will study the experiment measure technologies of the single-event microcosmic mechanism in 65 nm technology node and beyond. This program could provide theory guidance to develop the GHz high performance radiation hardened ICs.

航天器的高速发展要求抗辐照集成电路的设计必须基于65纳米以下工艺节点。本项目面向65 纳米以下工艺节点，针对纳米器件辐射效应、纳米集成电路辐射效应与加固、辐射效应试验展开研究。首先，针对纳米器件辐射效应，主要围绕体硅工艺下的新特性及新器件的辐射效应机理进行研究，揭示纳米级器件辐射效应新现象及其辐射损伤机制，掌握其退化规律。其次，针对纳米集成电路辐射效应与加固的研究，主要围绕工艺起伏、关键部件及软错误评估展开研究，揭示工艺起伏对集成电路单粒子效应的影响，从器件、版图、电路和系统方面对集成电路关键部件进行加固，准确预估集成电路软错误。最后，开展揭示65 纳米以下工艺节点单粒子效应微观机理的试验测试方法的研究。本项目的研究将突破65纳米以下工艺节点的抗辐射加固基础，为我国研制GHz高性能抗辐照集成电路尤其是微处理器设计提供直接的理论依据和指导。

抗辐射加固是宇航集成电路的关键技术之一。本项目面向65纳米以下CMOS工艺节点，针对单粒子效应和总剂量效应展开研究。.在辐射试验技术方面，首次提出了单粒子多瞬态测试结构并实现了单粒子多瞬态的测量。结果表明，在Ge 和Ti 离子轰击下，65 纳米CMOS 工艺下单粒子多瞬态的比例小于30%。采用特殊的65纳米电路结构测量了入射离子的影响范围和电荷收集机理，结果表明当LET超过19 MeV-cm2/mg时，寄生双极放大效应超越漂移扩散开始起主导作用。.在纳米器件单粒子效应方面，提出了标准单元内部电荷共享的概念，相比于脉冲截止效应，增强标准单元的内部电荷共享对于抑制单粒子瞬态更为普适。将反冲核电离效率引入质子单粒子效应评估，发现O离子比Si离子引发的SEE更为严重。发现重离子SET截面和脉宽随着质子累积辐照剂量的增加而上升，在3×1013/cm2 1.2 MeV质子辐照之后，对于LET为3.2 MeV-cm2/mg的重离子辐照，65 nm CMOS电路的软错误率（SER）可上升一个数量级。以蒙卡多层次软错误评估方法为基础，考虑了工艺起伏、总剂量等效应的影响，通过构建新颖的电路模型来解决软错误评估中所面临的新问题。.在纳米器件总剂量辐射效应方面，通过构建总剂量效应模型，研究了器件沟道宽长比、halo掺杂、高K介质等的影响。发现增加沟道宽度有助于削弱TID效应。发现在低剂量辐照下加入非对称的halo并且降低高K介质的厚度可提高NMOS的抗辐照特性。实验研究了65 nm体硅MOS器件中射线引发的总剂量辐射效应，发现最劣辐照偏置仍是ON态；栅宽W较小、栅长L较小的器件对电离辐照更敏感。实验研究了65 nmMOS器件中重离子引发的总剂量辐射效应，发现存在四种不同的辐射响应。.在集成电路辐射效应加固研究方面，提出了两种数字电路单粒子加固技术，提出了一种时钟网络单粒子加固技术，提出了两种总剂量加固技术。.本项目的研究将为抗辐照超大规模集成电路尤其是微处理器的设计提供直接的理论支持和指导。