SOI技术的抗辐照能力报告.doc
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SOI技术的抗辐照能力报告
目录
SOI技术的定义：
3
SOI技术的特点：
4
空间辐射问题：
6
电子元器件所受到的辐射效应分类 7
常用的四种抗辐射材料：
8
SOI抗辐照技术 9
SOI技术的抗辐射指标 9
SOI技术和体硅CMOS技术两种技术抗辐射效应的对比 9
SOI器件实例：
10
SOI技术的应用：
10
SOI技术国际主流公司：
11
SOI产业联盟：
12
国内SOI技术研究：
12
SOI技术的市场份额：
13
SOI技术的定义：
SOI技术是指：
在硅衬底上嵌入绝缘体埋层，再在埋层上生长单晶硅薄膜的材料制备技术。
SOI是英文SiliconOnInsulator的缩写，指的是绝缘层上的硅。
SOI技术是指在绝缘层上形成一层具有一定厚度的单晶半导体硅薄膜的材料制备技术。
SOI材料可实现完全的介质隔离，与由PN结隔离的体硅相比，具有无闩锁、高速率、低功耗、集成度高、耐高温等特点，在便携式电子产品、航天、卫星通讯等领域均受到普遍重视，被称为“21世纪的微电子技术”。
SOI（Silicon-On-Insulator）字面意思是绝缘体上硅，可以理解为一种特殊结构的硅材料。
而SOI技术却包含非常丰富的内容。
SOI技术也包括材料、器件和集成电路制造技术。
SOI技术的特点：
SOI技术作为一种全介质隔离技术，有着许多体硅技术不可比拟的优越性。
在SOI技术中，器件仅制造于表面很薄的硅膜中，器件与衬底之间由一层隐埋氧化层隔开，正是这种独特的结构使得SOI技术具有了体硅器件所无法比拟的优点。
SOICMOS器件具有功耗低、抗干扰能力强、集成密度高（隔离面积小）、速度高（寄生电容小）、工艺简单、抗辐照能力强，并彻底消除了体硅CMOS器件的寄生闩锁效应等优点。
随着SOI顶层硅膜厚度减薄到全耗尽工作状态（硅膜厚度小于有效耗尽区宽度）时，全耗尽的SOI器件将比传统SOI器件具有更优越的特性，这种全耗尽SOI结构更适合于高性能ULSI和VHSI电路。
综合来说，SOI器件和电路主要具有如下特点：
A、抗辐照特性好：
SOI技术采用全介质隔离结构，彻底消除了体硅CMOS电路的闩锁（latch-up）效应，且具有极小的结面积，因此具有非常好的抗软失效、瞬时辐照和单粒子（α粒子）翻转能力。
B、功耗低：
功耗包括静态功耗和动态功耗两部分，其中静态功耗Ps依赖于泄漏电流和电源电压，即，在全耗尽SOI器件中，陡直的亚阈值斜率接近理想水平，泄漏电流很小，静态功耗很小；动态功耗由电容C、工作频率f及电源电压决定：
，在全耗尽SOI电路中，结电容降低且具有极小的连线电容，因此动态功耗也大大降低。
C、速度高：
全耗尽SOI器件具有迁移率高（器件纵向电场小，且反型层较厚，使表面散射作用降低）、跨导大、寄生电容小（寄生电容主要来自隐埋二氧化硅层电容，远小于体硅MOSFET中的电容，它不随器件等比例缩小而改变，且SOI的结电容和连线电容都很小）等优点，因而SOICMOS器件具有极好的速度特性，这一优势随着ULSI技术向深亚微米水平发展，变得越来越突出。
因寄生电容小而导致电路速度提高这一特点在由部分耗尽层所制备的电路中也同样存在。
D、特别适合于小尺寸器件：
全耗尽SOI器件的短沟道效应较小，不存在体硅CMOS电路的体穿透问题，能自然形成浅结，泄漏电流较小，亚阈值曲线陡直，所有这些都表明全耗尽SOI结构特别适合于超深亚微米器件。
E、集成密度高：
SOI电路采用介质隔离，它不需要制备体硅CMOS器件所需要的阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度大幅度提高。
F、特别适合于低压低功耗电路：
在体硅CMOS集成电路中，由于体效应的作用，降低电源电压会使结电容增加，驱动电容减小，导致电路速度下降；而在薄膜全耗尽SOICMOS集成电路中，这两个效应都很小，低压全耗尽SOICMOS电路与相应的体硅电路相比具有更高的速度和更小的功耗，更适于低压低功耗集成电路。
G、成本低：
一般认为，SOI是一种理想的ULSI技术，只是成本较高。
实际上这是一种误解，SOI技术除衬底材料比体硅材料价格高之外，其他成本均低于体硅。
SOICMOS电路的制造工艺比典型体硅工艺至少少用三块掩模版，减少13%～20%的工序；由于电路尺寸缩小，相同电路的芯片面积可降低1.8倍，浪费的面积可减少30%以上。
由此可见，SOI结构能有效地克服体硅材料的不足，充分发挥硅集成技术的潜力，它在高性能ULSI、VHSI、高压、高温、抗辐照、低压低功耗、存储器及三维集成等领域均有极其广泛的应用。
空间辐射问题：
航天器在空间中面临着严酷的辐射环境，辐射源包括银河宇宙射线辐射、太阳耀斑辐射和地球辐射带辐射等。
如图1和图2所示：
图1航天器面临的辐射环境
图2空间辐射来源的分类
电离辐射对集成电路芯片的影响主要是在硅片中产生电荷和缺陷，从而引起器件的阈值电压漂移，跨导降低，亚阈值电流增大，低频噪声增大。
因此，对于航天器来说，辐照加固是一个关键问题。
电子元器件所受到的辐射效应分类
电子元器件所受到的辐射效应主要包括：
l辐照总剂量：
当器件持续受到电离辐射（如X射线、γ射线等）时，会产生总剂量辐射效应。
l单粒子扰动效应
l单粒子翻转（SEU）：
当一个宇宙射线中的重核粒子、α粒子等高能粒子入射到器件中时，对于逻辑器件或存储器会引起单粒子翻转；
l单粒子闩锁（SEL）：
当一个宇宙射线中的重核粒子、α粒子等高能粒子入射到器件中时，对于CMOS器件会产生单粒子闩锁，可能会造成器件的永久损伤。
l瞬时辐照剂量率：
在某些情况下，如日辉等，在很短时间内会积累大剂量的能量，产生瞬时辐射效应。
这些效应会使微电子元器件及集成电路的性能衰减，出现逻辑错误或永久性损坏，严重影响电子系统的可靠性，甚至完全不能工作。
常用的四种抗辐射材料：
l硅材料：
体硅CMOS器件在辐照环境下性能变化主要体现在：
阈值电压（VT）飘移；跨导（Gm）下降；静态漏电流增大等。
但进行特定的电路抗辐射加固后也能够适用一般辐照环境。
lSOS材料：
蓝宝石上外延硅，抗辐射能力和低功耗特性理想，但是晶片易碎，成品率低，成本高，用于特殊辐照环境。
lGaAs材料：
速度比其他材料高5~10倍，抗总剂量辐照能力强，在军用领域受到高度重视。
lSOI材料：
抗辐照能力与SOS器件相当，但成本比SOS器件低得多，将逐渐取代SOS材料。
SOI抗辐照技术
SOI技术的抗辐射指标
SOI技术的抗辐射指标如下：
抗辐射SOI技术主要针对空间应用辐射环境,其抗辐射指标如下：
l抗总剂量能力优于1Mrad（Si）,
l抗辐射剂量率能力优于rads（）/s
l单粒子翻转率小于errors/bit-day。
SOI技术和体硅CMOS技术两种技术抗辐射效应的对比
下表是SOI技术和体硅CMOS技术两种技术抗辐射效应的对比：
表1两种技术的抗辐射特性
工艺
电源电压
/V
总剂量
/rad（Si）
剂量率翻转
/（rad（Si）/s）
单粒子翻转阈值
/（MeV·cm2/mg）
闩锁
CMOS6R
（体硅CMOS）
5.0
<1M
109
40
有
CMOS7
（SOI技术）
3.3
>1M
1011
>40
无
从上表中可以看出SOI技术于标准体硅技术相比，电源电压更低（功耗更低），总剂量辐射不相上下（SOI也需要抗总剂量辐射加固），剂量率翻转指标大很多，抗单粒子翻转能力更强，无闩锁效应。
SOI器件实例：
实例1：
国产SOI工艺1750A微处理器是国产新型的16位航天用微处理器，LET阈值L0=67MeV·cm2/mg，属于抗单粒子效应能力较强的器件。
实例2：
国产128KSOISRAM其翻转LET阈值大于61.8MeV·cm2/mg。
实例3：
：
ARM公司公布了一款45纳米SOI测试芯片，经测试，相较于采用传统的体硅工艺（bulkprocess）进行芯片制造，该测试芯片显示出最高可达40%的功耗节省的可能性。
此次发布的结果证实了在为高性能消费设备和移动应用设计低功耗处理器时，SOI是一项取代传统体效应工艺的可行技术。
实例4：
Thomson—CSF公司针对军事与空间抗辐照应用，开发了商品化的CMOS/SOI电路包括SRAM、A/D转换器等。
实例5：
Honeywell公司商品化的HX6156系列产品主要用于航空航天及军工电子领域，其抗辐照总剂量水平达到1Mrad（），抗剂量效率水平达到rad（Si）/s，在3.3V工作电压下，其功耗为0.14mW/Gate/MHz；当电压为2.5V时，其功耗为0.08mW/Gate/MHz。
SOI技术的应用：
SOI技术的应用主要有三方面：
（1）高端产品：
32nm及以上的微处理器等高端产品，如AMD的羿龙、速龙、闪龙系列CPU，IBM的Power系列CPU等；
（2）抗辐照，高温器件，高压器件等高性能专用电路，如中国科学院上海冶金研究所传感技术国家重点实验室研制的高温压力传感器等；
（3）光电子，微机械等，如光波导、光开关、光耦合器、光分波器、光复用器等硅基集成光电器件，这是因为SOI导波层的硅和包层的二氧化硅折射率差别非常大（分别为3.45和1.46），由他们组成的波导对光的限制很强，所以SOI结构中波导包层可以很薄（只要大于0.2um）。
当前，SOI电路和器件的一个主要应用是空间及军事电子领域，主要利用它较强的抗辐射能力。
与体硅电路相比，SOI电路的抗辐照强度提高了100倍。
SOI技术国际主流公司：
在SOI材料制作方面，国际上主要有：
美国的IBIS公司和法国的SOITEC公司，他们分别采用采用SIMOX技术和SMARTCUT技术制作SOI材料。
在抗辐照SOI（SOS）CMOS集成电路制造方面，主要有：
美国的Harris公司和美国的Honeywell公司。
在高性能SOICMOS集成电路制造方面，主要是以美国AMD、IBM公司为代表。
美国TI公司也在主流的模拟集成电路中采用了SOI技术。
这些标志着SOI技术真正进入产业领域。
SOI产业联盟：
SOI产业联盟成立于2007年10月，电子行业各个领域在全世界领先的19家公司都在其中，包括AMD，IBM，ARM，Cadence，三星、台积电等。
2008年，NVIDIA公司也加入其中。
现在，以上各公司都有相应的采用SOI技术的产品面市，有的甚至全面采用了SOI技术生产产品。
IBM和AMD等公司是SOI技术的主要推动者。
IBM公司用SOI技术制造的AS/400服务器，比当时的高端机型的速度快出4倍；还开发了90nm～45nm线宽SOI技术；Power系列CPU均采用SOI技术生产。
AMD将SOI技术一直到所有PC处理器中，是目前全球最大的SOI材料消费者。
其羿龙、速龙、闪龙等系列CUP芯片均采用45nm或65nmSOI技术。
国内SOI技术研究：
国内一些单位在SOI材料和SOI电路的研制上做过一些工作，如中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院微电子研究所等，但和国外仍有较大差距。
现在上海新傲科技有限公司已可以提供商业化的SOI材料。
中国科学院微电子研究所“九五”期间承担国家攻关项目“亚微米CMOS/SIMOX器件和电路的研究”，开展了部分耗尽（PD）和薄膜全耗尽（FD）SOICMOS器件工艺和相关电路的研制。
研制成功0.8μm全耗尽SOI101级环形振荡器，在3V电压下门延迟为69ps/门。
研制出4Kbit静态随机存储器（SRAM）。
随后该所研制成功SOI/CMOS64Kbit静态随机存储器（SRAM），抗γ总剂量达到1Mrad（
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