空间辐射效应是影响空间应用电子器件可靠性的主要因素。针对微米量级及以上器件的单粒子效应机理研究较为深入,出现了一系列较为成熟的单粒子效应模型、辐射加固技术以及软错误评估方法。然而,随着集成电路工艺尺寸缩小、集成度提高、工作电压降低以及时钟频率增大等工艺水平与性能指标的变化,导致新的辐射效应机制不断出现,为单粒子效应研究带来了严峻的挑战。临界电荷的降低使器件对单粒子效应更加敏感,多节点电荷收集和电荷共享导致多单元翻转现象频发;工艺波动对单粒子效应电荷收集共享的影响更加显著;组合逻辑单粒子瞬态逐渐成为集成电路软错误的主要因素;器件尺寸缩小、结构复杂使电荷收集量化难度加大。综上,纳米器件单粒子效应电荷收集共享问题已经成为器件辐射效应研究的热点问题。本文针对以上问题,对影响纳米器件单粒子效应电荷收集共享的关键性问题展开研究,研究内容主要包括:1、软错误评估是电子器件单粒子效应机理研究、抗辐射性能评价以及辐射加固设计验证的有效手段。敏感体模型可量化晶体管的电荷收集,是软错误评估的基础。当工艺尺寸步入纳米量级,新的器件结构和电荷收集机理使敏感体模型量化电荷收集的难度增大。本文对开态晶体管电荷收集展开研究,提出考虑开态晶体管电荷收集的敏感体模型,可提高电荷收集量化精度。建立开态晶体管敏感体参数提取电路结构,有效解决单粒子翻转再恢复导致电荷收集截止问题。改进基于SRAM的单粒子翻转模型,考虑单粒子翻转再恢复对翻转截面的影响。基于该敏感体模型的软错误评估结果准确,对单粒子效应机理研究、加固设计和工程评价具有重要意义;2、随着晶体管特征尺寸的缩小,晶体管工艺波动日趋严重。工艺波动严重影响集成电路性能,是难以避免的可靠性问题。工艺波动对单粒子效应电荷收集共享的影响也不容小觑。本文采用TCAD和蒙特卡罗工艺波动仿真结合的方法,定性和定量分析工艺波动对单粒子瞬态及单粒子瞬态脉宽窄化的影响,为组合电路单粒子效应加固提供参考。量化研究栅氧厚度、阈值电压、栅长和栅宽等参数波动对单粒子效应的影响;通过对多节点电荷收集导致DICE单元加固失效的工艺波动分析,提出DICE加固设计指导方案;定量研究考虑工艺波动的SRAM软错误评估,给出工艺波动对单粒子翻转截面的影响;3、N+深阱工艺可有效缓解系统衬底噪声,广泛应用于数字和模拟电路中。然而,N+深阱结构会增强晶体管寄生双极效应,使单粒子效应更加显著。本文基于65nm N+深阱工艺,深入研究阱掺杂对单粒子效应电荷收集的影响。采用TCAD工具对不同阱掺杂浓度器件进行重离子入射仿真,定性和定量分析N阱和深N阱掺杂浓度对单粒子瞬态、单粒子多瞬态、单粒子瞬态脉宽窄化以及单粒子翻转再恢复的影响,为单粒子效应机理研究和辐射加固工艺技术提供理论支持;采用TCAD仿真量化不同阱掺杂浓度的N+深阱器件敏感体参数,并进行软错误评估。结果表明,单粒子翻转截面随阱掺杂浓度增大而增大;4、纳米量级工艺集成电路中,单粒子瞬态脉宽已经接近时钟周期可被误认为正确信号,导致组合电路单粒子瞬态占集成电路软错误的比重越来越大。因此对纳米量级组合电路单粒子瞬态加固技术的研究迫在眉睫。论文提出增强虚拟晶体管版图级加固技术,在虚拟晶体管加固技术基础上引入一个反偏结。该结构不仅可收集粒子入射电离产生的载流子,而且还收集源区注入载流子,在虚拟晶体管基础上进一步缓解单粒子瞬态。TCAD仿真表明与其他加固版图相比,增强虚拟晶体管加固技术的单粒子瞬态脉宽最小,在一定的粒子角度入射条件下单粒子效应加固显著。该加固技术具有良好的扩展性,可用于多种组合电路标准单元中。论文深入研究影响纳米CMOS器件单粒子效应电荷收集和电荷共享的关键问题。提出了开态晶体管敏感体模型,揭示了开态晶体管电荷收集对单粒子效应的影响;深入研究了N+深阱工艺器件阱掺杂对单粒子效应电荷收集的影响;定性和定量分析了工艺波动对单粒子效应电荷收集共享的影响;提出了一种增强虚拟晶体管版图级加固技术,增强了组合电路抗单粒子瞬态效应能力。本文研究从纳米器件单粒子效应电荷收集和电荷共享、工艺波动、加固设计和软错误评估等方面开展,既是器件辐射效应领域所关注的问题,又是适应国内电子器件空间应用的发展需求,因此,本论文的研究具有理论意义和实际应用价值。