基于SOI工艺的集成电路抗辐照设计

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应用在空间及辐照环境时,CMOS集成电路会受到总剂量效应(TID: Total IonizingDose)和单粒子效应(SEE: Single Event Effect)的影响,其主要表现为:电路逻辑功能发生错误、器件阈值电压漂移、电路静态和动态电流增加等。采用普通的半导体材料和电路设计方法已经不能满足太空及军事领域的应用需求,需要对器件进行特殊的抗辐照加固。在实际电路中,绝缘体上硅(SOI: Silicon On Insulator)作为一种半导体材料的制造工艺可以提高器件的抗辐照性能,由于SOI特殊的结构特征,其抗辐照能力要强于体硅CMOS器件,但是应用在太空时还是会受到辐照效应的影响。因此,还需要从实际电路结构设计方面进行器件抗辐照性能的提高。本文基于0.18μm SOI工艺设计一款内嵌式16K SRAM电路,分别从电路和版图两个方面对SRAM电路抗辐照的能力进行加固看,主要内容如下:(1)在存储电路的设计中,使用双互锁单元结构(DICE: Double InterlockedStorage Cell)作为存储单元;在外围电路的设计中,采用地址转换电路(ATD: AddressTranslate Detector)来增加电路的工作稳定性,提高其抗SEE的能力。(2)加入了体硅常用的纠错逻辑电路(EDAC: Error Detection And Correction)作为备用的加固手段,提高电路抗单粒子翻转效应(SEU: Single Event Upset)的能力。(3)采用大头条形栅的版图结构对器件进行抗辐照加固,SRAM的抗总剂量能力从50k rad (Si)提高到150k rad (Si)。经0.18μm SOI工艺流片和测试,该SRAM电路抗TID的能力≥150k rad(Si),抗SEU的能力≥50MeV·cm2/mg,抗单粒子闩锁效应(SEL: Single Event Latchup)的能力≥75MeV·cm2/mg,电路静态电流为80μA,动态电流为45mA,电路的最小读取时间为10ns。
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