抗辐射模拟CMOS集成电路研究与设计

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2013年6月第3期抗辐射模拟CMOS集成电路研究与设计赵源1’2徐立新1赵琦2金星1(1北京理工大学，北京100081)(2中国空间技术研究院，北京100094)摘要为研究宇宙辐射环境中航天器里的模拟互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)集成电路性能和各种效应，并在辐射效应所产生机制的基础上，从设计和工艺方面提出了模拟CMOS集成电路主要抗辐射加固设计方法。在宇宙环境中

2、，卫星中的模拟cMOS集成电路存在CMOS半导体元器件阈值电压偏离、线性跨导减小、衬底的漏电流增加和转角1／厂噪声幅值增加。所以提出了3种对模拟CMOS集成电路进行抗辐射加固的方法：1)抗辐射模拟CMOS集成电路的设计；2)抗辐射集成电路版图设计；3)单晶半导体硅膜(SilicononInsulator，SOI)抗辐射工艺与加固设计。根据上面的设计方法研制了抗辐射加固模拟CMOS集成电路，可以取得较好的抗辐射效果。关键词互补金属氧化物半导体阈值电压跨导抗辐射单晶半导体硅膜空间环境航天器DOI：10．3780／i．is

3、sn．1000一758X．2013．03．0111引言模拟CMOS集成电路抗辐射技术是卫星应用的关键技术之一。集成电路作为航天器的核心应用元器件，其性能和功能已成为各种航天器性能的主要衡量指标之一。随着航天技术的发展和进步，模拟CMOS集成电路的可靠性和性能也要进行更大的提升：1)增加芯片的可靠性。未来的空间站和通信卫星的使用寿命在10年以上，对模拟CMOS集成电路的使用寿命和抗辐射能力都有更高的要求。在未来的深空探测中面临的辐射环境将主要是太阳宇宙线和银河宇宙线口]，它们将引起更为严重的单粒子效应。2)加强集成电路

4、的性能。高集成度、系统级芯片(SystemonChip，SOC)、微机电系统(Micro—E1ectro—MechanicalSystems，MEMS)是未来大规模集成电路在航天器中应用的发展趋势。航天器中的电子系统不仅仅要进行姿态控制，而且必须承担更多任务，包括天地一体化通讯、数据的采集和压缩、目标自动跟踪、指挥航天器自动对接以及对突发事件的实时处理等。2宇宙辐射对模拟CMOS集成电路的影响模拟CMoS集成电路的辐射效应取决于所处的辐射环境，即辐射的种类、强度、能量、瞬变或持续时间参数、剂量等。对于运行于行星际空间

5、的卫星和太空站，遇到的主要空间辐射环境是银河宇宙线(GCR)和太阳能量粒子(SEP)[2J。辐射中存在的质子、中子、电子和伽玛射线会使CMOs器件中的栅氧化层中引入大量的氧化层电荷和界面电荷[3]，从而引起半导体器件的电参数变化，导致器件的半永久性和永久性损伤，甚至造成CMOS集成电路完全毁坏失去功能。其中最主要的影响就是CMOS器件阈值电压偏离、跨导g。减小、衬底的漏电流增加、转角1／厂噪声幅值增加。收稿日期：2012一07一04。收修改稿日期：201209—142013年6月中国空间科学技术73CMOS器件阈值电

6、压Vm是MOs器件金属栅下面的形成的载流子沟道时，所需要加的栅源电压。正常环境中，考虑到SiO：中正空间电荷的影响，CMOS的阈值电压V。。与CMOS电容的平带电压Vre漂移是一样的。但是在辐射环境中，产生了界面陷阱电荷，导致GV曲线产生变化，所以CMOS的阈值电压V。n与CMOS电容的平带电压yFB漂移出现了巨大差别。以NMOS器件为例，阈值电压随着辐射总剂量的增加先减小，在辐射总剂量持续增大后，阈值电压开始增大‘“。PMOs器件由于在偏压为负的作用下，界面电荷为正电型，与氧化层陷阱电荷对阈值电压的影响相同，所以P

7、MOS阈值电压随着辐射总剂量的增加一直减小(见图1)。>＼幽脚迥星辐射总剂量／Gy(a)PMOS>＼出脚迥疆辐射总剂量／Gy(b)NMOS图1辐射总剂量下的阈值电压变化Fig．1Deviationofsemiconductorcomponents’thresholdvoltageinDOSE辐射产生的氧化层电荷和界面陷阱都会让CMOS半导体元器件的亚阈值特性发生变化，在阈值电压漂移的同时也会造成CMOS元器件的线性区跨导g。减小。原因是界面态的电荷散射，氧化层陷阱电荷和界面态陷阱电荷的变化，使蠢CMOS器件的阈值电压

8、和CMOS器件的电容平带电压产生非线性变化[5]。辐射引入的陷阱电荷改变沟道载流子的散射，使沟道载流子的迁移率降低，跨导随之降低。随着辐射总剂量的增加，跨导gm会一直减小(见图2)。辐射总剂量／Gy辐射引起cMos半导体器件重要的性能退化是衬底漏。．霉2，辐射廖犁号丁哆跨导笺缎。。电流增大，是由于CMOS结构栅场介质受辐射损伤共同作。19·2n