器件集成电路单粒子效应概论

张鑫

摘 要：文章主要写的是芯片存储电路单粒子效应概论，对单粒子效应增加稳定性的方法在芯片存储电路中产生的效应及解决方法进行了调研，外部强磁环境中的高能粒子入射半导体材料时，其轨迹上淀积的电荷将被敏感节点收集，引发单粒子效应。文章针对单粒子效应对电信号的危害，从单粒子效应的建模进行了深入探究。文章主要对一些新型的解决方法给予论述：（1）SEU加固的存储单元结构。（2）电荷共享收集以及对存储单元的影响。完成了从逻辑设计、版图设计以及投片的完整流程。

关键词：单粒子翻转；单粒子瞬态；绝缘体上硅；抗辐照加固

中图分类号：TN40 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0011-02

Abstract： This paper mainly describes the introduction of single event effect in chip memory circuit， and investigates the effect and solution of single event effect in chip memory circuit to increase the stability of single event effect. When the high energy particles in the external strong magnetic environment are incident on the semiconductor material， the charge deposited on the track will be collected by the sensitive node， which will cause the single event effect. Aiming at the harm of single event effect to electrical signal， this paper makes a deep research from the modeling of single event effect. The paper mainly discusses some new solutions： （1） Memory cell structure strengthened by SEU； and （2） Charge-sharing collection and its effect on memory cells， in order to complete the complete process of logical design， layout design and casting.

Keywords： single event upset； single event transient； silicon on insulator； radiation hardening

引言

由于長期探索宇宙，因其环境比较特殊，具有很强的磁场，进而使得对于集成电路有了更高的要求。未来的探索宇宙的过程中，建设空间站对于集成电路的寿命和抗辐射能力的要求会更高。随着存储电路集成度越来越精密，寄生电容电阻也在增加，因此存储电路的可靠性和性能也有了更加精确的要求。由于探索宇宙的地方不同，对集成电路的辐射就不同，对集成电路的性能要求也就不同。

1 单粒子效应的改善方法

芯片存储电路的稳定性SRAM存储单元通常是电阻进行稳定，就是在存储单元增加两个解耦电阻，增大翻转需求的能量，图1（a）。这种方法有着很多不可靠因素，例如：写入time增加、工艺复杂度在不同程度上提升、在芯片运行过程中产生的热量对电阻的精度造成很大的影响。如图1（b）Rockett改进了上述解决存储电路稳定性技术，在解耦电阻上并联低阻抗开关，写入时低阻抗开关关闭，从而使得其直连，这样就减小了该技术方法对写入速度的影响。

因数字逻辑软错误频率曲线不断攀升，数字逻辑稳定性也备受本行业的关注。由于数字逻辑的样式千变万化，并且很难判断时钟信号和正常信号，使得解决组合逻辑的稳定性的方法受到各种阻碍。虽然TMR技术能起到一定的电荷稳定水平，却不能避免摄像机中由于外界环境的辐射造成时钟信号错误。也可以适当将晶体管的尺寸增加，给门电路的增加一定的驱动电路，这样对存储芯片也对芯片电荷额稳定性有一定的作用。

存储芯片电路中的电荷改变是现在必须解决的一种单粒子效应。先前电荷改变的稳定性主要是靠对电子吸附能力较弱的材料和较先进的制造方法，从而减少粒子入射时电荷的本身的电离与其他寄生电容对电荷的收集量。上述方法需要维护防止电子被辐射的工艺线，由于抗辐射芯片的出货量非常小、工艺线设备维护成本较高、自身生产难度较为困难。另外，抗辐射工艺线很难媲美普通商用工艺，沟道长度一般较商用工艺落后三到四代，从而降低了抗辐射电路的生产速度，降低了集成度，提高了能量损耗。本文的主要思想是在商用工艺的基础上，从电路和布局的设计上重新走开发路线，从而降低集成芯片存储电路在电荷能量的易吸附性。本文的方法也可以使用比较成熟的互补金属氧化物半导体集成工艺，降低了抗辐射芯片的成本，另外还可以提高芯片的性能和集成度，降低芯片本身的功耗。

芯片存储电路稳定性设计的关键是利用对寄生电容电荷采集影响不大的节点和非常合理的芯片IC设计，避免数字信号转到单个存储单元。如果NMOS管的衬底很小，则衬底内电场从漏极指向基极。当带电量较大的电荷入射时，会产生从漏极到基极的电流，使漏极超过一定的负荷，使得两端的电压差不超过额定误差，因此不会因击穿而产生单个粒子效应。相反，如果NMOS管在正常情况下的衬底非常宽，则漏极基体内置磁场强度增加，但是磁场方向不变。当带电量较大的电荷入射时，从基极到衬底的电势增加，导致漏极电荷能量过大，使得芯片存储电路发生单粒子效应。同样，PMOS管的漏极在带电量较大的电荷入射时下不会发生逆转，但带电量较小的电荷入射时会产生单粒子效应。

在底層电路设计中，各种稳定性较强的存储单元都是用了与图2或类似的稳定结构来降低电平其影响区域单元。其中M1和M3衬底较宽，主要是为了防止各MOS管之间的输出结果相互独立，造成输出结果不稳定；M2和M4是两个衬底较小的分压管。如图2中晶体管连接结构以及电路特性，IN发生改变，M2管由于IN发生改变造成晶体管导通，但是其驱动能力过小而不足以影响OUT的输出结果。M4管由于IN发生改变造成晶体管导通，OUT的输出因其影响的能力不够而不发生变化。如果OUT发生改变，M1管关断，不会改变OUT的状态，而M4管则会使得OUT变成低电压。OUT所连接的M2和M1的漏极不能产生反向偏置，不能达到敏感节点条件，因而不会发生OUT不会改变。

2 结束语

通过对大量文献以及数字模拟仿真结果进行分析，对当前单粒子效应解决办法总结如下：（1）因为保护漏极通过加固的存储电路的漏极与附加电极之间的衬底层较薄，二者电势透过衬底层连接在一起，导致器件工作时的特性曲线不能媲美常规MOS管，因此该MOS管就不太适合作为常规MOS管使用；（2）发生单粒子效应后，不论是90度入射还是不确定角度射，保护漏的稳定性结构的漏极所吸收电荷要多于常规MOS管。原因是辅助电极电压对漏极电压的影响使得漏极电压降低，增加了漏极收集电荷的区域，从而使得单粒子效应发生的概率增加。而电压的相对提高也使得电荷收集的速率有所提升；（3）保护漏稳定性结构比常规MOS管所收集多的电荷时间段在单粒子效应产生漏极电流脉冲达到极点之后；（4）七级反向器链终端

脉冲宽度具有一定降低单粒子效应的能力，保护漏稳定性结构具有一定的能力。这是因为漏极上升的电压使得电子吸附能力对于电荷吸附能力要更高，所以反向器链脉冲宽度较短的时间段在电流脉冲和电荷收集量均较高的情况下；（5）经典的保护漏稳定性结构已经不再适用基于更高

集成度及工艺节点要求较高的半导体器件。

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