一種新型反熔絲存儲(chǔ)器的研制及其抗輻射加固方法研究.pdf

1、隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)抗輻射加固型集成電路的需求更加迫切，與此同時(shí)西方發(fā)達(dá)國(guó)家明確規(guī)定對(duì)抗輻射加固技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格控制或禁運(yùn)，于是抗輻射加固型集成電路的研制成為了我國(guó)“十一五”和“十二五”期間的一個(gè)重要研究方向?？馆椛浞慈劢z可編程只讀存儲(chǔ)器(Programmable Read-Only Memory，PROM)是一種高可靠非易失性存儲(chǔ)器，常被用作航天電子系統(tǒng)中程序代碼以及其他關(guān)鍵信息的存儲(chǔ)。抗輻射反熔絲PROM存儲(chǔ)器的研制在國(guó)內(nèi)剛剛

2、起步，反熔絲單元器件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“反熔絲器件”）本身的材料、結(jié)構(gòu)、制作工藝、擊穿特性、一致性、可靠性，反熔絲器件的制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工藝的兼容性，反熔絲PROM存儲(chǔ)器的輻射效應(yīng)和抗輻射加固設(shè)計(jì)等都亟待大量研究。
　　本論文基于上述背景，圍繞抗輻射反熔絲PROM的研制從反熔絲器件、反熔絲PROM芯片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“反熔絲PROM”）

3、、輻射效應(yīng)和抗輻射加固技術(shù)等幾個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，具體包括：
　　1.提出了一種新型的與商用閃存（Flash）CMOS工藝兼容的反熔絲器件結(jié)構(gòu)，并通過(guò)設(shè)計(jì)、流片，制備了這種結(jié)構(gòu)的反熔絲器件。針對(duì)該新型的反熔絲器件，進(jìn)行了擊穿電壓、擊穿電流、擊穿時(shí)間、擊穿前后電阻值分布的研究，結(jié)果顯示該反熔絲器件有著良好的擊穿特性和擊穿后電阻值分布特性。
　　2.基于該新型的反熔絲器件設(shè)計(jì)并制備了8kbit的反熔絲PROM。通過(guò)對(duì)制備的新型

4、反熔絲器件的特性分析，設(shè)計(jì)了反熔絲存儲(chǔ)單元和陣列、地址譯碼電路、編程電路和讀出電路等外圍電路，并基于商用工藝線完成了反熔絲PROM的流片。對(duì)反熔絲PROM的功能測(cè)試表明該反熔絲PROM可以按位正確實(shí)現(xiàn)編程和讀取。
　　3.基于目前國(guó)內(nèi)的地面模擬輻射實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)CMOS集成電路總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法進(jìn)行了研究，給出了完整的實(shí)驗(yàn)流程，并設(shè)計(jì)了輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)比研究了現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programm

5、able Gate Array,FPGA)在锎-252源和串列重離子加速器下的單粒子效應(yīng)的區(qū)別，定量給出了锎-252源在現(xiàn)代集成電路的單粒子輻射效應(yīng)測(cè)試中的局限性。
　　4.通過(guò)分析反熔絲PROM的電路結(jié)構(gòu)，得出反熔絲PROM的加固重點(diǎn)在于總劑量（TotalIonizing Dose,TID）效應(yīng)和單粒子閂鎖（Single Event Latchup，SEL）效應(yīng)。于是本文針對(duì)封閉形柵的TID加固方法和保護(hù)環(huán)的SEL加固方法進(jìn)行了

6、研究。設(shè)計(jì)和流片制作了不同柵氧層厚度的環(huán)形柵和半環(huán)形柵的NMOS的晶體管，對(duì)環(huán)形柵和半環(huán)形柵的面積犧牲和晶體管的寬長(zhǎng)比提取進(jìn)行了研究，提出了一種簡(jiǎn)易的半環(huán)形柵寬長(zhǎng)比提取方法。并對(duì)比研究了不同柵氧厚度的條形柵、環(huán)形柵和半環(huán)形柵的總劑量輻射效應(yīng)。在商業(yè)CMOS工藝線上實(shí)現(xiàn)了保護(hù)環(huán)加固方法的流片，并對(duì)其面積犧牲和抗SEL性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)研究為基于CMOS電路的抗輻射加固設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為制定加固方案和預(yù)估加固效果提供了重要依據(jù)。<

7、br>　　5．對(duì)研制的反熔絲PROM進(jìn)行了抗輻射加固設(shè)計(jì)和輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)反熔絲器件和反熔絲PROM整體電路初步的總劑量和單粒子輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，分析了反熔絲PROM各部分的抗輻射能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，反熔絲器件有著良好的抗輻射能力。整個(gè)芯片中對(duì) TID輻射敏感的部分為使用高壓器件的泵壓電路和靈敏放大器。通過(guò)在外圍CMOS電路中采用保護(hù)環(huán)的加固設(shè)計(jì)方式可以將發(fā)生SEL的線性能量轉(zhuǎn)移（Linear EnergyTransfer，LE

8、T）閾值從37～52.3MeV·cm2/mg提高到74Mev·cm2/mg以上。
　　6.對(duì)比研究了基于靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Static Random Access Memory, SRAM)的 FPGA、Flash存儲(chǔ)器和反熔絲 PROM的輻射效應(yīng)。對(duì)不同特征尺寸的CMOS工藝耐受TID和SEL的能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。并對(duì)不同類(lèi)型存儲(chǔ)器的靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset，SEU）效應(yīng)和總劑量功能失效特性進(jìn)行了對(duì)