随着我国航天事业的飞速发展,对抗辐射加固型集成电路的需求更加迫切,与此同时西方发达国家明确规定对抗辐射加固技术实行严格控制或禁运,于是抗辐射加固型集成电路的研制成为了我国“十一五”和“十二五”期间的一个重要研究方向。抗辐射反熔丝可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory,PROM)是一种高可靠非易失性存储器,常被用作航天电子系统中程序代码以及其他关键信息的存储。抗辐射反熔丝PROM存储器的研制在国内刚刚起步,反熔丝单元器件(以下简称“反熔丝器件”)本身的材料、结构、制作工艺、击穿特性、一致性、可靠性,反熔丝器件的制作工艺与标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺的兼容性,反熔丝PROM存储器的辐射效应和抗辐射加固设计等都亟待大量研究。本论文基于上述背景,围绕抗辐射反熔丝PROM的研制从反熔丝器件、反熔丝PROM芯片(以下简称“反熔丝PROM”)、辐射效应和抗辐射加固技术等几个方面进行了深入研究,具体包括:1.提出了一种新型的与商用闪存(Flash)CMOS工艺兼容的反熔丝器件结构,并通过设计、流片,制备了这种结构的反熔丝器件。针对该新型的反熔丝器件,进行了击穿电压、击穿电流、击穿时间、击穿前后电阻值分布的研究,结果显示该反熔丝器件有着良好的击穿特性和击穿后电阻值分布特性。2.基于该新型的反熔丝器件设计并制备了8kbit的反熔丝PROM。通过对制备的新型反熔丝器件的特性分析,设计了反熔丝存储单元和阵列、地址译码电路、编程电路和读出电路等外围电路,并基于商用工艺线完成了反熔丝PROM的流片。对反熔丝PROM的功能测试表明该反熔丝PROM可以按位正确实现编程和读取。3.基于目前国内的地面模拟辐射实验环境,对CMOS集成电路总剂量效应和单粒子效应的测试环境和测试方法进行了研究,给出了完整的实验流程,并设计了辐射效应测试系统。对比研究了现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)在锎-252源和串列重离子加速器下的单粒子效应的区别,定量给出了锎-252源在现代集成电路的单粒子辐射效应测试中的局限性。4.通过分析反熔丝PROM的电路结构,得出反熔丝PROM的加固重点在于总剂量(Total Ionizing Dose, TID)效应和单粒子闩锁(Single Event Latchup,SEL)效应。于是本文针对封闭形栅的TID加固方法和保护环的SEL加固方法进行了研究。设计和流片制作了不同栅氧层厚度的环形栅和半环形栅的NMOS的晶体管,对环形栅和半环形栅的面积牺牲和晶体管的宽长比提取进行了研究,提出了一种简易的半环形栅宽长比提取方法。并对比研究了不同栅氧厚度的条形栅、环形栅和半环形栅的总剂量辐射效应。在商业CMOS工艺线上实现了保护环加固方法的流片,并对其面积牺牲和抗SEL性能进行了实验研究。相关研究为基于CMOS电路的抗辐射加固设计提供了实验数据,为制定加固方案和预估加固效果提供了重要依据。5.对研制的反熔丝PROM进行了抗辐射加固设计和辐射效应实验研究。通过对反熔丝器件和反熔丝PROM整体电路初步的总剂量和单粒子辐射效应实验研究,分析了反熔丝PROM各部分的抗辐射能力。实验结果显示,反熔丝器件有着良好的抗辐射能力。整个芯片中对TID辐射敏感的部分为使用高压器件的泵压电路和灵敏放大器。通过在外围CMOS电路中采用保护环的加固设计方式可以将发生SEL的线性能量转移(Linear Energy Transfer,LET)阈值从37~52.3MeV·cm2/mg提高到74Mev·cm2/mg以上。6.对比研究了基于静态随机存取存储器(Static Random Access Memory, SRAM)的FPGA、Flash存储器和反熔丝PROM的辐射效应。对不同特征尺寸的CMOS工艺耐受TID和SEL的能力进行了实验研究。并对不同类型存储器的静态单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)效应和总剂量功能失效特性进行了对比研究。实验结果显示了基于不同CMOS工艺节点的不同类型存储器的辐射效应存在着巨大差别,从而为航天电子系统中存储器的选型提供实验数据。