info@panadisplay.com
Penelitian Pada Desain Tata Letak Radiasi Yang Dikeraskan Untuk Sirkuit Terpadu Dalam Teknologi Si

Penelitian Pada Desain Tata Letak Radiasi Yang Dikeraskan Untuk Sirkuit Terpadu Dalam Teknologi Si

Jan 16, 2018

1. Ikhtisar

Dengan eksplorasi manusia yang terus-menerus memperdalam alam semesta, semakin banyak perangkat elektronik telah digunakan di bidang kedirgantaraan. Keberadaan sejumlah besar proton berenergi tinggi, neutron, partikel alfa dan ion berat di lingkungan ruang angkasa akan berdampak pada perangkat semikonduktor di perangkat elektronik, dan kemudian secara serius mengancam keandalan dan kehidupan pesawat ruang angkasa. Oleh karena itu, untuk memenuhi kebutuhan memperluas kedirgantaraan dan meningkatkan keandalan dan stabilitas perangkat semikonduktor di lingkungan radiasi, penelitian tentang efek radiasi perangkat semikonduktor dan penguatan efek radiasi telah menjadi fokus penelitian di bidang ruang aplikasi.


Saat ini, sebagai teknologi utama perangkat semikonduktor, proses CMOS silikon massal telah memasuki submikron dalam dan bahkan kurang dari 100nm. Aplikasi sirkuit terpadu semikonduktor yang dibuat dari proses ini akan dipengaruhi oleh efek dari efek dosis total dan efek dari efek partikel tunggal pada radiasi. Pengaruh efek radiasi pada sirkuit terpadu semikonduktor dicirikan oleh tegangan ambang drift, arus dan peningkatan arus dinamis, dan kesalahan fungsi logika. Oleh karena itu, perangkat biasa dan metode desain sirkuit tidak lagi dapat memenuhi kebutuhan ruang dan aplikasi militer, dan teknologi desain radiasi khusus yang diperkeras diperlukan.


2. Analisis efek radiasi

2.1 Pengaruh efek dosis total pada perangkat

2.11 Pengaruh efek dosis total pada lapisan oksida dari gerbang perangkat

Apakah gerbang silikon atau perangkat gerbang logam, ada 50 ~ 200nm SiO 2 lapisan antara gerbang dan substrat. Di bawah kondisi radiasi, akumulasi muatan positif akan terjadi pada antarmuka SiO 2 / Si. Akumulasi muatan positif seperti itu akan mengarah pada arus tegangan ambang perangkat, yang pada akhirnya akan mempengaruhi kinerja perangkat. Variasi tegangan ambang sesuai dengan jumlah kavitasi yang ditangkap yang diperkenalkan oleh radiasi dapat dinyatakan sebagai:

1.png

Formula: BH adalah bagian muatan positif tetap dari kepadatan tubuh kavitasi yang ditangkap setelah oksida ditangkap. Parameter h 1 adalah jarak dari antarmuka Si / SiO 2 ke oksida, dan lubang yang ditangkap pada jarak ini dapat digabungkan secara elektronik dengan penetrasi substrat ke dalam gerbang. Hanya ketika ketebalan oksida kurang dari 2 xh 1 (6 nm), tidak ada tangkapan lubang yang signifikan yang dapat diamati.


Gambar 1 menunjukkan pergeseran bertahap dari kurva karakteristik IV dari tabung NMOS dan PMOS khas dengan peningkatan total dosis radiasi pengion. Sumbu X dalam diagram adalah tegangan gerbang VG, dan sumbu Y adalah ID arus pengurasan. 0 adalah kurva karakteristik IV perangkat sebelum tidak disinari; 1, 2, 3 dan 4 menunjukkan kurva karakteristik IV perangkat di bawah dosis iradiasi yang berbeda. Seiring waktu meningkat, dosis ionisasi total meningkat, dan peningkatan tegangan ambang naik. Untuk tabung NMOS, ketika tegangan positif gerbang lebih besar dari tegangan ambang, transistor mulai lewat. Untuk transistor PMOS, transistor terhubung ketika tegangan negatif gerbang kurang dari ambang tegangan. Menurut gambar 1 (a), ambang tegangan melayang ke arah negatif dengan peningkatan dosis ionisasi total tabung NMOS, yang menunjukkan penurunan tegangan ambang. Transistor yang seharusnya terputus harus dihidupkan, dan transistor yang harus di perlu berhenti di akhir waktu. Demikian pula, menurut gambar 1 (b), tabung PMOS meningkat dengan peningkatan dosis ionisasi total, dan tegangan ambang bergeser ke arah negatif, menunjukkan peningkatan tegangan ambang. Transistor yang harus dibimbing dimatikan, dan transistor yang harus terputus harus tidak bisa digunakan saat melakukan. Menurut rumus (1), ambang batas tegangan dari tabung NMOS dan tabung PMOS kira-kira sebanding dengan kuadrat ketebalan lapisan oksida dari lapisan oksida gerbang.


Untungnya, dengan pengurangan ukuran kritis dari proses, ketebalan lapisan oksida perangkat menurun, dan penyimpangan karakteristik IV perangkat berkurang. Setelah memasukkan 0,18 mikron m, ketebalan oksida gerbang lebih rendah dari 12NM, dan ambang batas tegangan yang disebabkan oleh radiasi berkurang secara signifikan atau bahkan menghilang. Pengaruh mekanisme pada perangkat dapat diabaikan dalam desain sirkuit.

2.png

2.12 Kebocoran kawasan kebocoran yang disebabkan oleh efek dosis total

Proses penyelarasan diri dari tabung NMOS, gerbang polysilicon diendapkan pada lapisan oksida tipis, dibentuk oleh daerah aktif tidak tercakup oleh sumber / drain ke polysilicon, proses manufaktur sirkuit konsentrasi tinggi, tetapi kehadiran polysilicon gerbang dan gerbang oksida zona transisi oksigen menghasilkan transistor parasit tepi, transistor parasit sangat sensitif terhadap efek dosis total. Di bawah kondisi radiasi, muatan positif yang terakumulasi di tepi bidang SiO2 akan menyebabkan kebocoran transistor parasit tepi. Dengan meningkatnya dosis radiasi, arus bocor dari transistor parasit tepi juga meningkat dengan cepat. Ketika arus bocor meningkat ke arus keadaan terbuka dari transistor intrinsik, transistor akan terbuka secara permanen, yang mengakibatkan kegagalan perangkat. Gambar 2 (a) adalah diagram skematik dari permukaan atas mekanisme kebocoran, dan Gambar 2 (b) adalah diagram skematik dari bagian mekanisme kebocoran.

3.png

4.png



Lapisan oksida medan awalnya diisolasi antara tabung MOS yang berdekatan. Namun, karena efek dosis total, pasangan lubang elektron akan terionisasi dengan adanya oksigen, dan keadaan antarmuka terakumulasi oleh lubang pada sisi SiO 2 dari sistem Si / SiO 2 akan membuat oksigen lapangan terbentuk ke bawah dan membentuk jalur kebocoran elektronik. Motor bocor ditunjukkan pada Gambar 3. Jalur kebocoran yang terbentuk oleh inversi oksigen medan dapat meluas ke zona sumber / kebocoran tabung MOS yang berdekatan, yang akan meningkatkan arus kebocoran statik dari VDD ke VSS.

5.png

2.2 Pengaruh efek flipping partikel tunggal pada perangkat

Efek flipping partikel tunggal terjadi dalam rangkaian sekuensial yang mengandung struktur penyimpanan. Kami mengambil gerendel sebagai contoh untuk menjelaskan mekanisme dari efek balik partikel tunggal. Gambar 4 adalah struktur gerendel sederhana. Ketika node output dikenai insiden partikel tunggal untuk membentuk "efek corong", sejumlah besar muatan dihasilkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Di bawah aksi medan listrik, muatan yang dihasilkan oleh ionisasi melayang di perangkat, yang pada akhirnya mempengaruhi keadaan kait.

6.png

Ketika data yang disimpan adalah "0", tabung NMOS ada di tanah. Pada titik ini, ujung kebocoran tabung PMOS berada dalam keadaan bias terbalik dengan sambungan PN yang dibentuk oleh N dengan baik, dan arah medan listrik yang dibangun diarahkan dari N ke ujung kebocoran PMOS. Ketika kebocoran PMOS terjadi oleh partikel tunggal, banyak pasangan lubang elektron terionisasi. Di bawah aksi medan listrik, sejumlah besar lubang melayang ke ujung bocor dari PMOS, dan elektron-elektron melayang ke perangkap N. Ketika jumlah muatan positif melayang ke ujung kebocoran PMOS sebesar tertentu, itu akan mengubah keadaan penyimpanan asli "0" dan beralih ke penyimpanan "1". Prinsipnya ditunjukkan pada Gambar 6 (a). Demikian pula, ketika data yang disimpan adalah "1", tabung PMOS ada di catu daya. Pada saat ini, ujung kebocoran tabung NMOS berada dalam keadaan bias terbalik dengan sambungan PN yang dibentuk oleh substrat-P, dan arah medan listrik yang dibangun diarahkan dari ujung kebocoran tabung NMOS ke Substrat-P. Ketika kebocoran NMOS terjadi oleh partikel tunggal, banyak pasangan lubang elektron terionisasi. Di bawah aksi medan listrik, sejumlah besar elektron melayang ke ujung yang bocor dari NMOS, sementara kavitasi melayang ke substrat-P. Ketika jumlah muatan negatif melayang ke NMOS mencapai tingkat tertentu, itu akan mengubah status penyimpanan asli "1" dan mengubahnya menjadi "0", yang ditunjukkan pada Gambar 6 (b).

7.png

Dari analisis di atas, tidak sulit untuk menemukan bahwa efek gangguan acara tunggal adalah karena adanya persimpangan PN terbalik dalam struktur sirkuit CMOS, dan penyimpangan muatan listrik diwujudkan oleh medan listrik built-in, yang mempengaruhi keadaan logika asli.