info@panadisplay.com
Έρευνα Σχεδιασμός Ακτινοβολίας Σκληρή Διάταξη για Ολοκληρωμένο Κύκλωμα Σε Si Τεχνολογία

Έρευνα Σχεδιασμός Ακτινοβολίας Σκληρή Διάταξη για Ολοκληρωμένο Κύκλωμα Σε Si Τεχνολογία

Jan 16, 2018

1. Επισκόπηση

Με τη συνεχή εμβάθυνση της ανθρώπινης εξερεύνησης του σύμπαντος, όλο και περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές έχουν χρησιμοποιηθεί στον τομέα της αεροδιαστημικής. Η ύπαρξη μεγάλων ποσοτήτων πρωτονίων υψηλής ενέργειας, νετρονίων, σωματιδίων άλφα και βαριών ιόντων στο διαστημικό περιβάλλον θα έχει αντίκτυπο στις συσκευές ημιαγωγών στις ηλεκτρονικές συσκευές και στη συνέχεια θα απειλήσει σοβαρά την αξιοπιστία και τη ζωή των διαστημικών σκαφών. Ως εκ τούτου, προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ανάγκες της επέκτασης της αεροδιαστημικής και να ενισχυθεί η αξιοπιστία και η σταθερότητα των συσκευών ημιαγωγών στο περιβάλλον ακτινοβολίας, η έρευνα σχετικά με τις επιπτώσεις ακτινοβολίας των συσκευών ημιαγωγών και η ενίσχυση των αποτελεσμάτων ακτινοβολίας έχουν καταστεί ερευνητική εστίαση στον τομέα του διαστήματος εφαρμογών.


Επί του παρόντος, ως κύρια τεχνολογία συσκευών ημιαγωγών, η διαδικασία χύδην CMOS πυριτίου έχει εισέλθει σε βαθιά υπομικρόνια και ακόμη λιγότερο από 100nm. Η εφαρμογή του ολοκληρωμένου κυκλώματος ημιαγωγού που παράγεται από αυτή τη διαδικασία θα επηρεαστεί από την επίδραση της επίδρασης της συνολικής δόσης και της επίδρασης της επίδρασης ενός μοναδικού σωματιδίου στην ακτινοβολία. Η επίδραση των επιδράσεων της ακτινοβολίας στα ολοκληρωμένα κυκλώματα ημιαγωγών χαρακτηρίζεται από μεταβολή τάσης κατωφλίου, αύξηση ρεύματος και δυναμικού ρεύματος και σφάλματα λογικής λειτουργίας. Επομένως, οι συνηθισμένες συσκευές και οι μέθοδοι σχεδιασμού κυκλωμάτων δεν μπορούν πλέον να ικανοποιήσουν τις ανάγκες του χώρου και των στρατιωτικών εφαρμογών και απαιτείται ειδική τεχνολογία σχεδίασης με ακτινοβολία.


2. Ανάλυση της επίδρασης ακτινοβολίας

2.1 Επίδραση της επίδρασης της συνολικής δόσης στις συσκευές

2.11 Επίδραση της επίδρασης της συνολικής δόσης στο στρώμα οξειδίου της πύλης της συσκευής

Είτε πύλη πυριτίου είτε μεταλλική πύλη, υπάρχει μια στρώση 50 ~ 200nm SiO2 μεταξύ της πύλης και του υποστρώματος. Κάτω από την κατάσταση ακτινοβολίας, η συσσώρευση θετικών φορτίων θα συμβεί στη διεπαφή SiO 2 / Si. Μια τέτοια συσσώρευση θετικής φόρτισης θα οδηγήσει στην μετατόπιση της τάσης κατωφλίου της συσκευής, η οποία τελικά θα επηρεάσει την απόδοση της συσκευής. Η μεταβολή της τάσης κατωφλίου που αντιστοιχεί στον αριθμό των κατακρημνισμένων κοιλοτήτων που εισάγονται με ακτινοβολία μπορεί να εκφραστεί ως:

1.png

Τύπος: Το BH είναι το σταθερό μέρος θετικού φορτίου της πυκνότητας του σώματος σπηλαίωσης που συλλαμβάνεται μετά την σύλληψη του οξειδίου. Η παράμετρος h 1 είναι η απόσταση από τη διεπιφάνεια Si / SiO 2 στο οξείδιο και η οπή που συλλαμβάνεται σε αυτή την απόσταση μπορεί να συνδυαστεί ηλεκτρονικά με το υπόστρωμα να διεισδύει στην πύλη. Μόνο όταν το πάχος οξειδίου είναι μικρότερο από 2 xh 1 (6 nm), δεν μπορεί να παρατηρηθεί σημαντική δέσμευση οπών.


Το σχήμα 1 δείχνει τη σταδιακή μετατόπιση της χαρακτηριστικής καμπύλης IV των τυπικών σωλήνων NMOS και PMOS με την αύξηση της συνολικής δόσης ιονίζουσας ακτινοβολίας. Ο άξονας Χ στο διάγραμμα είναι η τάση πύλης VG και ο άξονας Y είναι το αναγνωριστικό ρεύματος αποστράγγισης. 0 είναι η χαρακτηριστική καμπύλη IV της συσκευής πριν από την εκτόξευση. 1, 2, 3 και 4 υποδεικνύουν την χαρακτηριστική καμπύλη IV της συσκευής υπό διαφορετικές ακτινοβολημένες δόσεις. Καθώς ο χρόνος αυξάνεται, η συνολική δόση ιονισμού αυξάνεται και αυξάνεται η ολίσθηση της τάσης κατωφλίου. Για το σωλήνα NMOS, όταν η θετική τάση της πύλης είναι μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου, το τρανζίστορ αρχίζει να περνάει. Για τρανζίστορ PMOS, τα τρανζίστορ συνδέονται όταν η αρνητική τάση της πύλης είναι μικρότερη από την τάση κατωφλίου. Σύμφωνα με το σχήμα 1 (α), η τάση κατωφλίου μετατοπίζεται προς την αρνητική κατεύθυνση με την αύξηση της συνολικής δόσης ιονισμού του σωλήνα NMOS, η οποία δείχνει μείωση της τάσης κατωφλίου. Τα τρανζίστορ που πρέπει να αποκόπτονται θα πρέπει να είναι ενεργοποιημένα και τα τρανζίστορ που πρέπει να βρίσκονται πρέπει να σταματήσουν στο τέλος του χρόνου. Ομοίως, σύμφωνα με το σχήμα 1 (β), ο σωλήνας PMOS αυξάνεται με την αύξηση της συνολικής δόσης ιονισμού και η τάση κατωφλίου μετατοπίζεται στην αρνητική κατεύθυνση, δείχνοντας μια αύξηση στην τάση κατωφλίου. Τα τρανζίστορ που πρέπει να καθοδηγούνται είναι απενεργοποιημένα και τα τρανζίστορ που πρέπει να αποκόπτονται πρέπει να είναι ανίκανα κατά τη διεξαγωγή. Σύμφωνα με τον τύπο (1), η απόκλιση τάσης κατωφλίου του σωλήνα NMOS και του σωλήνα PMOS είναι περίπου ανάλογη προς το τετράγωνο του πάχους του στρώματος οξειδίου του στρώματος οξειδίου πύλης.


Ευτυχώς, με τη μείωση του κρίσιμου μεγέθους της διαδικασίας, μειώνεται το πάχος του στρώματος οξειδίου της συσκευής και μειώνεται η απόκλιση της χαρακτηριστικής IV της συσκευής. Μετά την είσοδο 0,18 μικρών m, το πάχος οξειδίου πύλης είναι μικρότερο από 12ΝΜ και η μετατόπιση τάσης κατωφλίου που προκαλείται από την ακτινοβολία μειώνεται σημαντικά ή και εξαφανίζεται. Η επίδραση του μηχανισμού στη συσκευή μπορεί να αγνοηθεί στο σχεδιασμό κυκλώματος.

2.png

2.12 Διαρροή περιοχής διαρροής που προκαλείται από το αποτέλεσμα της συνολικής δόσης

Η διαδικασία αυτόματης ευθυγράμμισης του σωλήνα NMOS, η πύλη πολυπυριτίου εναποτίθεται στο λεπτό στρώμα οξειδίου, που σχηματίζεται από την ενεργή περιοχή δεν καλύπτεται από την πηγή / αποστράγγιση σε πολυπυρίτιο, η διαδικασία κατασκευής του κυκλώματος υψηλής συγκέντρωσης, αλλά η παρουσία του η πύλη πολυπυριτίου και η ζώνη μεταπτώσεως οξυγόνου πύλης παρήγαγαν το παρασιτικό τρανζίστορ της άκρης, το παρασιτικό τρανζίστορ πολύ ευαίσθητο στο αποτέλεσμα της συνολικής δόσης. Κάτω από την κατάσταση ακτινοβολίας, το θετικό φορτίο που συσσωρεύεται στην άκρη του πεδίου SiO2 θα προκαλέσει διαρροή του παρασιτικού τρανζίστορ της άκρης. Με την αύξηση της δόσης ακτινοβολίας, το ρεύμα διαρροής του παρασιτικού τρανζίστορ της άκρης επίσης αυξάνεται ταχέως. Όταν το ρεύμα διαρροής αυξάνεται στο ρεύμα ανοικτής κατάστασης του εγγενούς τρανζίστορ, το τρανζίστορ θα ανοίξει μόνιμα, με αποτέλεσμα την αποτυχία της συσκευής. Το σχήμα 2 (α) είναι ένα σχηματικό διάγραμμα της άνω επιφάνειας του μηχανισμού διαρροής και το σχήμα 2 (β) είναι ένα σχηματικό διάγραμμα του τμήματος μηχανισμού διαρροής.

3.png

4.png



Το στρώμα οξειδίου πεδίου απομονώνεται αρχικά μεταξύ γειτονικών σωλήνων MOS. Ωστόσο, λόγω του συνολικού αποτελέσματος της δόσης, το ζεύγος οπών ηλεκτρονίων θα ιονισθεί παρουσία οξυγόνου και η κατάσταση διεπαφής που συσσωρεύεται από την οπή στην πλευρά SiO 2 του συστήματος Si / SiO 2 θα καταστήσει τη μορφή οξυγόνου πεδίου προς τα κάτω και σχηματίζουν μια ηλεκτρονική διαδρομή διαρροής. Ο κινητήρας διαρροής παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. Η διαδρομή διαρροής που σχηματίζεται από το αντίστροφο του πεδίου οξυγόνου μπορεί να επεκταθεί στην παρακείμενη περιοχή πηγής / διαρροής σωλήνα MOS, η οποία θα αυξήσει το στατικό ρεύμα διαρροής του VDD σε VSS.

5.png

2.2 Επίδραση της επίδρασης μονού σωματιδίου σε συσκευές

Το φαινόμενο ανατροπής μορίων σωματιδίων εμφανίζεται σε ένα διαδοχικό κύκλωμα που περιέχει τη δομή αποθήκευσης. Παίρνουμε το μανδάλωμα ως παράδειγμα για να εξηγήσουμε τον μηχανισμό του φαινομένου flip ενός μορίου. Το σχήμα 4 είναι μία απλή δομή μανδάλωσης. Όταν ο κόμβος εξόδου υποβάλλεται σε ένα περιστατικό μοναδικού σωματιδίου για να σχηματίσει ένα "φαινόμενο χοάνης", δημιουργείται μια μεγάλη ποσότητα φορτίου, όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Κάτω από τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου, το φορτίο που παράγεται από τον ιονισμό παρασύρεται σε η συσκευή, η οποία τελικά επηρεάζει την κατάσταση του μανδάλου.

6.png

Όταν τα αποθηκευμένα δεδομένα είναι "0", ο σωλήνας NMOS βρίσκεται στο έδαφος. Σε αυτό το σημείο, το άκρο διαρροής του σωλήνα PMOS βρίσκεται στην αντίστροφη κατάσταση με τη σύνδεση ΡΝ που σχηματίζεται από το φρεάτιο Ν και η κατεύθυνση του ηλεκτροφόρου πεδίου κατευθύνεται από το άκρο Ν προς το άκρο διαρροής PMOS. Όταν το διαχύσιμο άκρο του PMOS προσπίπτει με ένα μόνο σωματίδιο, πολλά ζεύγη οπών ηλεκτρονίων ιονίζονται. Κάτω από τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου, ένας μεγάλος αριθμός οπών παρασύρεται στο διαπερατό άκρο του PMOS και τα ηλεκτρόνια μετακινούνται προς την παγίδα N. Όταν ο αριθμός των θετικών επιβαρύνσεων παρασύρεται στο άκρο διαρροής PMOS ορισμένου μεγέθους, θα αλλάξει η κατάσταση του αρχικού χώρου αποθήκευσης "0" και θα στραφεί στην αποθήκευση "1". Η αρχή παρουσιάζεται στο σχήμα 6 (α). Ομοίως, όταν τα αποθηκευμένα δεδομένα είναι "1", ο σωλήνας PMOS βρίσκεται στην τροφοδοσία ρεύματος. Αυτή τη στιγμή, το άκρο διαρροής του σωλήνα NMOS βρίσκεται στην αντίστροφη κατάσταση με τη σύνδεση PN που σχηματίζεται από το υπόστρωμα P και η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται κατευθύνεται από το άκρο διαρροής του σωλήνα NMOS στο Ρ- υπόστρωμα. Όταν το άκρο διαρροής του NMOS προσπίπτει με ένα μόνο σωματίδιο, πολλά ζεύγη οπών ηλεκτρονίων ιονίζονται. Κάτω από τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου, ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων παρασύρεται στο διαπερατό άκρο του NMOS, ενώ η σπηλαίωση παρασύρεται στο υπόστρωμα Ρ. Όταν ο αριθμός των αρνητικών μετατοπίσεων φορτίου στο NMOS φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο, θα αλλάξει την αρχική κατάσταση αποθήκευσης "1" και θα την αλλάξει σε "0", η οποία φαίνεται στο σχήμα 6 (b).

7.png

Από την παραπάνω ανάλυση δεν είναι δύσκολο να βρεθεί ότι το φαινόμενο αναστάτωσης ενός γεγονότος οφείλεται στην ύπαρξη αντιστρεπτικής σύνδεσης PN στη δομή του κυκλώματος CMOS και η μετατόπιση του ηλεκτρικού φορτίου πραγματοποιείται από το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο, η οποία επηρεάζει την αρχική κατάσταση λογικής.