65纳米CMOS单粒子闩锁防护设计：TCAD仿真与抗辐照策略

"该文档详细探讨了65纳米CMOS标准单元在面临单粒子闩锁效应时的防护设计，利用TCAD（Technology Computer-Aided Design）模型进行仿真研究。单粒子闩锁是由于重离子作用在CMOS器件上，使得内部的寄生PN结形成可控硅结构，可能导致大电流流过，从而损坏电路。文中介绍了CMOS工艺下的寄生闩锁结构，并通过图示解释了其工作原理。此外，文件还提到了在宇航应用中抗单粒子闩锁设计的重要性，以及两种主要的防护策略：Radiation Hardening by Design (RHBD)和Radiation Hardening by Process (RHBP)。其中，FD-SOI工艺被提及作为一种工艺加固手段，但其埋氧层可能引发总剂量效应的问题。设计加固方法，尤其是保护环结构，被认为是实现抗单粒子闩锁的有效途径。" 在65纳米CMOS技术中，单粒子闩锁是一个严重的问题，它发生在半导体内部寄生PN结形成可控硅结构时，导致高电流流过，可能造成器件永久性损坏。这种效应在太空环境尤其显著，因为重离子的轰击会激发陷阱/衬底PN结内的电流。为了防止这种情况，理解单粒子闩锁的机理至关重要。如图1所示，当N阱寄生电阻两端的电势差增大，会启动寄生双极性晶体管，形成正反馈回路，从而导致大电流流动。 对抗单粒子闩锁的方法主要有两种策略：RHBD和RHBP。RHBD侧重于设计层面，通过优化电路设计来增强抗辐射能力，而不需要特殊工艺。这种方式的优势在于它可以在标准商业工艺中广泛应用，不会增加额外的设计复杂性。另一方面，RHBP则依赖于工艺改进，例如采用FD-SOI工艺，其埋氧层能防止寄生的PNPN结构形成，但可能会增加总剂量效应的风险。 保护环结构被广泛认为是减少陷阱/衬底寄生电阻和降低寄生晶体管增益的有效手段，从而防止正反馈回路的形成。然而，尽管保护环结构在减少闩锁风险方面表现突出，但文件暗示还有待进一步研究和完善的设计解决方案。 65纳米CMOS标准单元的单粒子闩锁防护设计是一个复杂的问题，涉及到多个领域的知识，包括TCAD仿真、半导体物理、辐射效应以及电路设计策略。通过综合应用这些技术和理论，可以提高CMOS器件在恶劣环境下的可靠性。