1CMOS工艺集成电路抗辐射加固设计研究.docx

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1CMOS工艺集成电路抗辐射加固设计研究

1.CMOS工艺集成电路抗辐射加固设计研究

复旦大学

硕士学位论文

CMOS工艺集成电路抗辐射加固设计研究

姓名：

沈鸣杰

申请学位级别：

硕士

专业：

微电子学与固体电子学

指导教师：

俞军

20060510

摘要

摘要

辐射环境可以分为自然辐射环境和人为辐射环境。

自然辐射环境主要指外太空的环境，人为辐射环境主要指核爆炸后的环境。

随着越来越多的集成电路需要在辐射环境中工作，比如：

卫星中的集成电路、武器系统中的集成电路，用户需要对集成电路的抗辐射能力提出要求。

所以，如何设计抗辐射的集成电路成为一个迫切需要解决的问题。

一般来说，对集成电路进行抗辐射加固的方法可以分为两类：

从工艺上进行加固和从设计上进行加固。

因为目前主流的集成电路设计流程是设计公司负责集成电路的设计（包括前端设计、后端设计），通用工艺线负责集成电路的生产。

所以作为设计公司是无法通过改变工艺的方法来获得辐射加固的集成电路，因此通过设计的方法来加固集成电路的抗辐射能力，是比较可行的方案。

而且通过工艺线来加固，目前还有它自身的缺点，在论文中会有介绍。

本文在分析辐射对集成电路的各种效应、以及辐射效应的产生机制的基础上，分析了各种在设计上可以使用的辐射加固技术，最后设计了一个辐射加固的单元库。

本论文的主要工作包括：

１．了解空间辐射环境。

２．理解辐射对集成电路产生的各种效应。

３．理解集成电路的辐射效应的产生机制。

４．设计一个抗辐射的单元库。

在开展上述工作的同时，本文进行了积极的研究和探索，取得了一定的创新，可概括如下：

１．对单粒子瞬变的加固，不是从加固组合电路的角度来考虑。

而是提出

使用抗单粒子瞬变的触发器来解决这个问题。

这样，我们可以只对集

成电路中的时序器件和存储器进行辐射加固，可以不考虑组合电路的

辐射问题。

如此，把一个复杂问题简单化。

２．提出使用多位移位寄存器电路来考察触发器的单粒子效应。

３．对已有的抗辐射Ｄ触发器进行改进，从而获得更加优越的性能。

本文抗单粒子的电路均给出了仿真结果。

抗总剂量的电路给出了一些国外已经发表的辐射数据。

因为时间的关系，没有对流片好后的芯片进行辐射实验。

关键词：

超大规模集成电路、抗辐射加固设计、单粒子瞬变、单粒子翻转、单粒子效应、总剂量效应、软错误，辐射实验。

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

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论文独创性声明

本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果．论文中除了特别加以标注和致谢的地方外．不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果．其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意．

作者签名：

主！

丝竖日期：

堡！

：

！

：

Ｚ

论文使用授权声明

本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的觌定．即：

学校有权保留送交论文的复印件．允许论文被查阅和借阅：

学校可以公布论文的全部或部分内容．可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文．保密的论文在解密后

●

遵守此规定．

作者签名：

；如弧、导师签名：

第一章绪论

第一章绪论

１．１单粒子效应的历史回顾

历史上第一篇从理论上揭示单粒子翻转现象的论文是在阐述等比例缩小工艺的发展趋势中提出来的【ｌ】。

在１９６２年出现的这篇论文中，作者预言由于在地面上存在宇宙射线，所以当工艺尺寸缩小到一定程度后必然会发生单粒子翻转现象。

１９７５年，Ｂｉｎｄｅｒ等第一次在论文中宣布观察到了由于宇宙射线引起的单粒子翻转现象【２】。

该篇论文指出，一颗已运行了１７年的通信卫星中的双极型ＪＫ触发器被发现有四个单粒子翻转。

也许是因为发现的单粒子翻转数目ｆ更少，这篇文章并没有引起业界对单粒子翻转现象的重视。

直到１９７８年，人们开始逐渐认识到单粒子翻转现象的重要性，并且在ＮＳＲＥＣ（原子和空间辐射会议，由ＩＥＥＥ组织）上出现了很多研究单粒子翻转的论文。

随着在太空发现单粒子翻转后不久，使用在地面的集成电路被首次发现单粒子翻转现象［３】。

这位在Ｉｎｔｅｌ工作的作者发现ＤＲＡＭ的集成密度从１６Ｋ增加到６４Ｋ的时候，芯片出现了重大的错误率。

在这个发现的带动下，２０世纪７０年代末，涌现了很多针对地面单粒子翻转现象的研究和工作。

在地面上芯片发生软错误（即单粒子翻转现象）的原因很快被找到。

主要原因是芯片的封装材料中包含了ａ粒子的污染物。

比如：

Ｉｎｔｅｌ的问题是因为他们的新的ＬＳＩ的陶瓷封装车间正好建立在一座遗弃的铀矿的下游。

这个车间使用的水中带有放射性的污染物，就这样，这些放射性的污染物就进入了陶瓷的封装材料中。

所以通过使用一些低放射性的材料来制造ＩＣ芯片和对芯片加一防护层（ｏｎ－ｃｈｉｐｓｈｉｅｌｄｉｎｇｃｏａｔｉｎｇ）的方法，可以从根本上消除地面上芯片发生单粒子翻转现象。

这两种方法被工业界普遍使用，而且很多年使用下来，效果很好。

但是，最近情况发生了变化。

倒装晶格（ｆｌｉｐ—ｆｌｏｐ）的封装方法和多层金属布线会加剧单粒子效应。

２０世纪７０年代末，出现了一系列的证据，验证了在卫星的存储子模块中观察到的软错误，的确是由宇宙射线触发的单粒子翻转现象引起的。

并且此时，第一个预测系统的软错误率的模型被提出【７】。

到７０年代末的时候，随着卫星系统使用的存储器的尺寸增加，运行的卫星每天发生的软错误数量已经不能被忽略。

结合地面上观察到的软错误，越来越多的证据让人们意识到除了Ｑ粒子会产生单粒子翻转效应外，还有其他的机制也会产生单粒子翻转现象。

第一篇描述观察到单粒子翻转现象的论文，指出存储位的单粒子翻转是因为重离子的直接