考虑多节点电荷收集的纳米CMOS单粒子瞬态效应研究

Radiation hardening is one of the key techniques to the space integrated circuits (ICs). In NanoCMOS process, the soft error rate induced by single event transient (SET) has become the dominate source in the total soft error rate. This program would evaluate the impact of multi-node charge collection on SET in the mainstream CMOS process. First, the impact of multi-node charge collection on the SET generation and propagation is analyzed. An accurate model would be proposed to analyze the impact of multi-node charge collection on the soft error rates. Then, from the point of experimental, the detailed and accurate SET measurement techniques would be designed, which could validate the mechanism analysis and evaluate the radiation hardened performance. Also, we would measure the amount of multi-node charge collection. Finally, the SET would be evaluated under neutron radiation environment to propose the contribution of neutron nuclear reaction on the multi-node charge collection. This program could provide theory guidance to develop the next generation high radiation hardened performance ICs.

抗辐射加固是空间应用集成电路的关键技术之一。在纳米尺寸下，单粒子瞬态效应引发的软错误率已逐渐成为总的软错误率的主要来源。本项目面向当前主流的纳米体硅CMOS工艺，深入开展多节点电荷收集情况下的单粒子瞬态效应研究。首先深入分析多节点电荷收集对单粒子瞬态产生和传播的影响，并建立相应的模型，用于进行电路级的软错误率分析，在此基础上给出多节点电荷收集对集成电路软错误率的影响机理；其次将从试验的角度出发，提出更加全面准确的单粒子瞬态表征技术，用于验证机理分析和评估电路的抗辐照性能，并采用试验的方法量化多节点电荷收集的严重程度；最后将在中子辐射环境下进一步研究单粒子瞬态效应，分析中子核反应对多节点电荷收集的贡献。本项目的研究将为研制下一代纳米尺寸高性能抗辐照集成电路提供理论支持和指导。

抗辐射加固是空间应用集成电路的关键技术之一。在纳米尺寸下，单粒子瞬态效应引发的软错误率已逐渐成为总的软错误率的主要来源。本项目面向当前主流的纳米体硅CMOS工艺，深入开展多节点电荷收集情况下的单粒子瞬态效应研究。.提出了一种多节点电荷收集的SET建模技术。该技术首先通过TCAD模拟得到单粒子多瞬态敏感面积，结合静态计算得到单粒子多瞬态传播概率。评估了65纳米工艺下的Benchmark电路ISCAS'85测试集，发现在65纳米CMOS体硅工艺下，单粒子多瞬态的敏感性大约比单粒子单瞬态的敏感性低一个数量级。.首次提出了单粒子多瞬态脉冲测试结构并实现了纳米工艺下多瞬态脉冲的测量。该测试方法对于掌握先进工艺下单粒子多瞬态对集成电路的危害、开发单粒子瞬态加固技术以及实现高精度软错误评估具有重要意义。测试结果表明，在Ge和Ti离子轰击下，65纳米体硅CMOS工艺下单粒子多瞬态的比例在30%以内。.揭示了单粒子多瞬态脉冲引发的新型间接翻转机制，并对该机制受阱结构、接触孔尺寸、器件距离等版图因素的影响进行了分析。该研究揭示了纳米尺度下这种新型翻转机制对触发器翻转的贡献。.采用“S-like”反相器链，首次实现了P-hit和N-hit电荷共享的分离测量。试验测量结果显示，在双阱工艺中，NMOS之间的电荷共享远小于PMOS之间的电荷共享；而在三阱工艺中，NMOS之间的电荷共享得到增强，PMOS之间的电荷共享被削弱，NMOS之间的电荷共享与PMOS之间的电荷共享基本相似。该试验结果要比仿真结果以及先前的未分离的试验结果更有意义，将有助于提高未来软错误评估的精度。.提出了标准单元内部共享的概念，标准单元内部电荷共享指的是NMOS晶体管与N-well/PMOS晶体管之间的电荷共享，标准单元内部的电荷共享会放大N-well的保护漏作用，同时会增大PMOS晶体管的驱动电流。相比于美国Vanderbilt大学在2012年提出的脉冲截止效应，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。根据标准单元内部电荷共享效应机理，在标准单元版图设计时，NMOS晶体管距离N-well的距离应该最小。