范家熠

（江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院電子工程系 江蘇 張家港 215600）

1 引言

在太空環(huán)境下，輻射會(huì)穿透人造衛(wèi)星的表面，這使得人造衛(wèi)星中的集成電器會(huì)逐漸聚集離子，進(jìn)而產(chǎn)生電離，并引發(fā)嚴(yán)重的瞬時(shí)效應(yīng)與閉鎖效應(yīng)，從而導(dǎo)致微電子器件失效，這種影響非常不利于人造衛(wèi)星的可靠運(yùn)行，因此需要采取相應(yīng)的工藝方法來(lái)對(duì)微電子器件進(jìn)行保護(hù)。SOI工藝是國(guó)際上使用最為廣泛的抗輻射加固工藝，這種工藝能夠有效保護(hù)微電子器件不會(huì)受到輻射的影響，大大提高微電子器件的抗輻射性能，使微電子器件在壽命周期內(nèi)得到了非常可靠的保護(hù)。

2 SOI工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀

2.1 SOI工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段，世界各國(guó)在制造微電子器件抗輻射電路過(guò)程中，主要采用SOI與SOS兩種工藝，這兩種工藝的加工精度能夠控制在0.2至1μm范圍以內(nèi)，相比于SOS工藝，SOI工藝的制造成本要更低，而且集成度較高，所產(chǎn)生的漏電流也非常小，并且在抗輻射性能要更好，速度也較高，SOI工藝的出現(xiàn)，使體硅CMOS中因?qū)щ婎?lèi)型的不同而造成隔離結(jié)構(gòu)不同的技術(shù)難題得到了有效解決，SOI工藝是將絕緣層埋置于單晶層中，并通過(guò)在開(kāi)溝下設(shè)置絕緣介質(zhì)來(lái)進(jìn)行隔離的，這種工藝能夠去除PN結(jié)隔離，從而使隔離結(jié)構(gòu)的漏電量得到了大幅減少，顯著增強(qiáng)了微電子器件的耐壓能力，同時(shí)也大大提高了微電子器件的速度、溫度、耐壓以及抗輻射等特性。可以說(shuō)，SOI工藝的出現(xiàn)，使微電子器件在太空環(huán)境中的閉鎖效應(yīng)得到了根本上的解決。

2.2 SOI工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀

就目前來(lái)看，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始全面研究SOI工藝技術(shù)，但還尚未應(yīng)用于大規(guī)模微電子器件的生產(chǎn)之中，目前我國(guó)所制作的抗輻射電路已經(jīng)達(dá)到2μm至3μm的加工精度，SOI工藝也將逐漸代替原有的SOS工藝，并進(jìn)一步帶動(dòng)了半導(dǎo)體器件的發(fā)展。SOI工藝的出現(xiàn)，必將在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)成為微電子器件制造的主流技術(shù)。

3 基于SOI的微電子器件抗輻射加固技術(shù)

微電子器件的抗輻射能力是通過(guò)特殊設(shè)計(jì)與處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而微電子器件所具備的抗輻射強(qiáng)度，則是以芯片輻射級(jí)實(shí)驗(yàn)作為前提，以此確保微電子器件在輻射環(huán)境中也能滿足其運(yùn)行可靠性要求。對(duì)微電子器件抗輻射加固的設(shè)計(jì)主要包括其五大特性，這也是SOI工藝的主要內(nèi)容。

3.1 抗總劑量

在太空環(huán)境下，微電子器件會(huì)逐漸聚集離子，當(dāng)離子聚集到一定程度后，便會(huì)產(chǎn)生電離，從而進(jìn)一步引發(fā)瞬時(shí)與閉鎖效應(yīng)。因此，離子總積累量會(huì)逐漸加大對(duì)微電子器件性能的影響，離子電荷主要是在氧化層和表面陷阱中積累的，這會(huì)造成微電子器件出現(xiàn)閡值漂移，從而降低其表面遷移率，使器件性能受到影響。在進(jìn)行加固時(shí)，可采用較高的電子陷阱密度與較低介面態(tài)的材料來(lái)充當(dāng)柵的介質(zhì)，使其能夠在輻射過(guò)程中抵消部分產(chǎn)生的電荷，達(dá)到穩(wěn)定閾值的目的。還可通過(guò)無(wú)厚氧層和非等平面工藝的應(yīng)用來(lái)減少電離子的聚集，并對(duì)柵的形狀進(jìn)行改變，能夠消除邊墻效應(yīng)，利用高濃度源平面結(jié)構(gòu)來(lái)削弱電子空穴對(duì)的占比，從而起到削弱輻射影響的作用，并通過(guò)特殊控制技術(shù)的應(yīng)用來(lái)降低微電子器件的表面態(tài)。

3.2 抗劑量率干擾

對(duì)于抗劑量率干擾問(wèn)題，在SOI工藝中，主要是通過(guò)spice來(lái)模擬輻射作用下微電子器件的光電流效應(yīng)，以此確保輻射可控范圍內(nèi)微電子器件能夠正常工作，對(duì)于模擬過(guò)程中的光電流參數(shù)，則可以采用理論公式進(jìn)行計(jì)算，也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得。

3.3 抗中子

對(duì)于微電子器件來(lái)說(shuō)，其可看作是多數(shù)載流子器件，該器件在抗中子輻射容限上表現(xiàn)良好，其在受到中子輻射時(shí)，其襯底材料中的電阻率會(huì)增加，同時(shí)其溝道載流子的遷移率會(huì)下降，相應(yīng)的柵氧化層所具有的表面態(tài)密度會(huì)增加，從而使器件的柵電容增加，這會(huì)對(duì)器件的高頻特性造成不利影響。因此，在SOI技術(shù)中，需要對(duì)其進(jìn)行速度冗余設(shè)計(jì)，并對(duì)微電子器件在最?lèi)毫迎h(huán)境下的損傷機(jī)理進(jìn)行仿真模擬。

3.4 抗單項(xiàng)干擾和抗閉鎖

在抗單項(xiàng)干擾設(shè)計(jì)中，需要采取橫向隔離的方式將各個(gè)單元進(jìn)行隔離起來(lái)，確保單項(xiàng)效應(yīng)在聚集電荷時(shí)有著最短的充電路徑，以此降低電荷對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的影響。在抗閉鎖設(shè)計(jì)中，微電子器件閉鎖效應(yīng)的主要發(fā)生點(diǎn)為N襯底與P阱的結(jié)，光電流在突破該結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流正反饋，進(jìn)而引發(fā)閉鎖效應(yīng)。因此在SOI工藝中，需要進(jìn)行電流輸導(dǎo)，使光電流能夠直接返回至電源，并通過(guò)橫向隔離的加強(qiáng)來(lái)形成橫縱向之間的輸導(dǎo)反差。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在基于SOI的微電子器件抗輻射加固技術(shù)中，通過(guò)采用上述方法和措施，能夠使微電子器件的抗輻射性能得到大幅提升，進(jìn)而有效保證了電子器件在高輻射環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性，使人工衛(wèi)星得以在太空環(huán)境中正常運(yùn)行。