基于TCAD模型仿真的65纳米CMOS标准单元单粒子闩锁效应防护设计.docx
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2022-12-01
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1. 引言
CMOS 集成电路的闩锁效应
[1-4]
是一种在电源和地之间形成低阻抗电流通路，进而产生
大电流烧毁电路的效应，其原理是半导体内部的寄生 PN 结会形成 n-p-n-p 的可控硅结构，
在特定条件下引发闩锁效应.单粒子闩锁是 CMOS 器件在空间环境下失效的主要原因之
一，在重离子轰击下，阱/衬底 p-n 结内会出现单粒子电流，引起阱内产生电压降.CMOS 工
艺下寄生闩锁结构如图 1 所示，当器件因为重离子入射而产生闩锁电流时，N 阱寄生电阻
r
sv
两端的电势差增大，使垂直方向的寄生双极性晶体管将开启，放大基极电流并形成一个
大的 P 衬底电流后进一步开启水平方向的寄生双极性晶体管，形成正反馈回路.一旦闩锁结
构被触发，闩锁电流将在短时间内迅速增大，进而对器件造成永久损伤乃至整体功能失效.
图 1 PNPN 半导体可控硅截面图
下载: 全尺寸图片 幻灯片
在宇航应用中，抗单粒子闩锁设计对于超深亚微米工艺的可靠性至关重要，器件的可
靠性不足会导致整个卫星系统的失效.目前最广泛使用的抗单粒子闩锁防护设计为抗辐照设
计防护(Radiation Hardening by Design，RHBD)
[5]
和抗辐照工艺防护(Radiation Hardening by
Process，RHBP)
[6]
.工艺加固设计中，通常使用全耗尽型绝缘体上硅
[7-10]
(Full depletion Silicon
on insolation，FD-SOI)，SOI 工艺中的埋氧层可以避免形成寄生的 PNPN 晶闸管四层结
构，从根本上阻止可控硅结构的形成.这种方法虽然可以有效的解决单粒子闩锁问题，但由
于埋氧层会俘获大量的粒子，进而引发另一个常见的空间辐射效应——总剂量效应(TID)，
导致器件性能的大幅降低
[11]
.
在使用抗辐照设计防护方法进行加固设计时，其关键点在于如何通过较少的设计开销
来实现抗辐照加固效果.由于使用设计加固的抗辐照标准单元不需要通过特殊工艺实现，可
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