纳米“高k栅”CMOS电路在单粒子效应下的可靠性研究

With the development of nuclear science and micro-nano electronic technologies, more and more electronical devices are applied for serious radiation environment, which suffer from the radiation of the energetic particles. As technology node scales down, the critical charge of the circuits decreases, which results in that single event effect (SEE) greatly threatens the reliability of the integrated circuits (ICs). This project studies the reliability of nano high-k gate CMOS devices and circuits with novel technics, novel structure and new material under SEE. Firstly, the systemic basic ionization damage mechanisms of energetic particles striking into nano high-k gate CMOS devices and circuits are analyzed. The simulation model of the devices with SEE is built. The transient current from SEE is achieved. Secondly, the effects of SEE on the nano high-k gate CMOS circuits are studied. The impact of Miller and crosstalk effects on SEE is analyzed. The new standard of SET mensurability is proposed. The analytical model of single event crosstalk is also presented. Lastly, the reliability evaluation models for nano CMOS circuits under SEU and SET are proposed, respectively. The models synthetically consider the impacts of crosstalk and masking effects on the reliability.

随着核科学、微纳电子技术的发展，越来越多的电子器件被应用于极其恶劣的辐射环境中，遭受着高能粒子的辐照。技术节点的不断缩减，电路的临界电荷降低，使得单粒子效应（SEE）成为严重威胁集成电路可靠性的重要效应。本项目针对新工艺、新结构、新材料的纳米"高k栅"CMOS器件及其电路，研究其在SEE下的可靠性问题。首先系统分析高能粒子入射纳米"高k栅"CMOS器件的基本电离损伤机理，建立SEE的器件仿真模型，得到SEE产生的瞬态电流。其次，研究SEE对纳米"高k栅"CMOS电路的影响，分析Miller和串扰效应对SEE的影响，给出SET的判别标准，建立单粒子串扰的解析模型，最后，构建评估电路在SEU和SET下的可靠性模型，综合分析串扰效应、遮掩效应等对可靠性的影响。

空间辐射会诱发同步卫星的电子系统发生故障，统计数据显示，由单粒子效应（SEE）造成的高达55%。随着技术节点的不断缩减，SEE已成为威胁集成电路可靠性的最主要的辐射效应。在国家自然科学基金（批准号：11405270）的资助下，课题组以纳米“高k栅”CMOS器件及电路为主要对象，从电离损伤基本机理、器件的SEE、SEE对电路的影响和可靠性的评估等方面，对纳电子器件及电路在SEE下的可靠性问题进行深入、系统的研究。.一、建立重离子在硅中线性能量转移（LET）的简化计算模型，导出了重离子在硅中Bragg峰值的表达式；构建描述重离子在任意物质中径向剂量空间分布的通用数学模型，该模型实现剂量分布计算的统一化，为集成电路的辐射效应和抗辐射加固研究提供了重要理论依据。.二、基于TCAD软件，构建纳米FinFET和“高k栅”FET的SEE仿真模型、VDMOSFET的单粒子烧毁(SEB)效应和单粒子栅穿(SEGR)效应仿真模型，并分析“高k栅”介质、栅厚度等对SEE瞬态电流的影响，分析晶圆各向异性、“高k栅”介质对SEB和SEGR的影响，探讨其影响机制，并提出一些可能的加固方法。研究表明，“高k栅”介质可一定程度提高器件的抗SEGR和SET能力，降低器件对SEE的敏感性。.三、分析Miller效应和互连线耦合效应对SET的影响，提出一种基于临界电荷和脉冲宽度的函数关系判断SET可测性的新标准，并基于SET等效电路和互连线的RLC分布模型，建立一种快速、准确的单粒子串扰的解析模型。该模型预测串扰峰值电压的平均误差为1.76%，有效地解决了串扰波形的量化难题。.四、定义SET的多状态系统，采用通用产生函数，提出一种数字电路在SET下的可靠性综合评估模型；综合逻辑遮掩、电气遮掩、锁存窗口遮掩及SET随机性的影响，建立了一种用于评估组合逻辑电路在SET下的可靠性的蒙特卡罗模型，该模型可有效地用于复杂电路的可靠性评估，为抗辐射加固电路的设计提供理论参考。.五、提出几种用于抗辐射加固的方法，主要包括局部晶体管尺寸调整和增加负载电容的抗SEU加固方法、沟道掺杂和高k栅介质相结合的抗SEB和SEGR方案。