【摘 要】
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近年来,航天技术作为衡量国家综合实力的重要一环,得到了越来越多的关注,人们也越来越意识到了保持航天器在宇宙空间环境中可靠性的重要性。而作为航天器中核心器件的半导体器件,全耗尽型绝缘体上硅（FDSOI）结构因其速度高、功耗低、集成密度高、亚阈值特性好等优势受到了业界的认可与关注。但在应用的过程中,由于辐照环境里的高能粒子轰击而造成器件发生软错误的可靠性问题是不容忽视的。因此本论文以小尺寸器件22 n
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近年来,航天技术作为衡量国家综合实力的重要一环,得到了越来越多的关注,人们也越来越意识到了保持航天器在宇宙空间环境中可靠性的重要性。而作为航天器中核心器件的半导体器件,全耗尽型绝缘体上硅（FDSOI）结构因其速度高、功耗低、集成密度高、亚阈值特性好等优势受到了业界的认可与关注。但在应用的过程中,由于辐照环境里的高能粒子轰击而造成器件发生软错误的可靠性问题是不容忽视的。因此本论文以小尺寸器件22 nm FDSOI结构为重点研究对象,基于Sentaurus TCAD平台,仿真研究了 FDSOI器件中单粒子瞬态（SET）脉冲的收集规律以及SRAM电路单元中单粒子翻转（SEU）的变化规律。其中,针对FDSOI器件较为严重的自加热效应,提出了一种选择性埋氧（SELBOX）的新结构,并对其进行单粒子瞬态效应的仿真研究,与FDSOI结构进行对比分析,总结出二者的性能优缺点。全文主要从器件的单粒子瞬态效应和电路单元的单粒子翻转效应这两个方面开展详尽的研究,获得的主要研究结论成果如下:（1）利用Sentaurus TCAD工具对22 nm FDSOI器件进行重离子入射仿真模拟,分别从入射条件、器件参数和温度三个方面讨论了对SET的影响。在入射条件的研究中,分析发现粒子能量LET值和漏端电压都与SET峰值电流和收集电荷呈现正相关,并且过大的粒子能量会带来大注入效应,使得SET脉冲随LET值增大的增幅减小,寄生双极放大增益减小;重离子入射位置的改变引起了 SET脉冲的明显变化,最敏感的入射位置处于轻掺杂漏区附近;添加负的背栅偏压会减小SET脉冲大小。在器件参数的研究中,结果表明栅极功函数与SET峰值电流和收集电荷呈现负相关,并且栅极功函数的改变对直流参数的影响更大;BOX层厚度的改变对SET峰值电流和收集电荷的变化都很微弱。温度与SET峰值电流和收集电荷呈现正相关,分析机理发现在温度对SET的影响中寄生双极放大效应发挥主导作用,而双极放大增益会随着温度的升高而增大,同时研究发现在高LET值环境下,温度对SET的影响会有所减弱。（2）总结22 nm FDSOI器件的SET影响因素,在入射条件方面,我们可以通过适当减小漏端电压和添加负向背栅偏压的方式来降低SET的敏感度;在器件参数和温度方面,我们可以通过适当增大栅极功函数、适当降低温度的方式来减小SET的影响,但是总体来说需要权衡多方面的因素,在保证器件的正常工作的前提下提高器件的单粒子可靠性。（3）对SELBOX SOI器件进行自加热效应以及单粒子瞬态效应的仿真研究。分析自加热效应引起的饱和电流退化发现SELBOX SOI器件退化较小;探究不同BOX窗口位置和不同温度对SET的影响,发现在轻掺杂漏区时的重离子碰撞电离最大,因此具有更大的SET峰值电流和收集电荷,而温度与SET峰值电流和收集电荷呈现正相关。（4）对比SELBOX SOI器件和FDSOI器件的SET脉冲,发现SELBOX SOI器件对单粒子瞬态的敏感度更严重。分析其原因,首先基于电荷的产生,SELBOXSOI器件的碰撞电离率是FDSOI器件的三倍以上,更大的碰撞电离意味着入射时产生了更多的电子空穴对;其次对比发现FDSOI器件具有良好的抑制寄生双极放大效应的能力,SELBOX SOI器件对电荷的收集能力更强。进而总结两种器件的性能优缺点,其中,二者的阈值电压差别不大,而FDSOI器件具有更优越的抗单粒子能力,但自加热效应引起的电流退化较为严重,SELBOXSOI器件具有更好的栅控能力,并且可以有效改善自加热效应引起的退化,但会对单粒子瞬态效应更为敏感。在应用过程中,我们可以权衡二者的性能,综合考虑去选择合适的器件结构。（5）对FDSOI电路单元进行单粒子翻转的研究。在反相器中,当重离子入射进处于截止状态的PMOS后,输出电压呈现一个短暂的电压脉冲上升,且随着LET值的增大而增大;入射进处于截止状态的NMOS会呈现一个电压脉冲降低。在6T-SRAM单元中,分别从LET值、入射位置和背栅偏压等方面研究了对SEU的影响,结果表明轻掺杂漏区为22 nm FDSOI 6T-SRAM单元的SEU敏感入射位置;降低温度和对6T-SRAM单元的Pulldown NFET施加负的背栅偏压都可以用来提高6T-SRAM电路的SEU敏感度容限。
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