[发明专利]一种CMOS集成电路抗单粒子辐照加固电路

说明书

技术领域

本发明涉及抗辐照加固微电子学和固体电子学中CMOS电路瞬态辐照技术领域，尤其涉及一种CMOS集成电路抗单粒子辐照加固电路。

背景技术

电离辐射在半导体器件中产生电荷有两种方法，一是直接电离辐照，二是间接电离辐照这两种机制都会导致集成电路失效。其中：

对于直接电离辐照，由入射粒子直接电离产生电荷。当高能带电粒子穿过半导体材料时，损失能量，沿着入射路径离化产生电子空穴对。入射粒子损失所有的能量后，在半导体材料中经过的路径称为射程。LET表示粒子入射材料中单位路径上损失的能量，单位是MeV/cm²/mg，为单位路径上能量损失(MeV/cm)与入射靶材料密度(mg/cm³)的比值，所以LET值与靶材料不相关。我们可以很容易的将LET值和单位路径上淀积的电荷联系起来。在Si中，LET为97MeV/cm²/mg的粒子入射淀积电荷为1pC/μm。重离子导致直接电离辐照，产生电荷淀积导致翻转。重离子是指原子序数大于等于2的离子(质子、电子、中子和介子除外)。轻粒子如质子通过直接电离辐照不能够产生足够导致翻转的电荷。然而近年来随着器件尺寸的不断缩小，质子通过直接电离辐照也有可能产生足够的电荷致翻转。

对于间接电离辐照，入射粒子和器件发生核反应产生二次粒子电离产生电荷。尽管轻粒子通过直接电离辐照不能够产生足够多的电荷导致翻转，这并不意味着轻粒子可以被忽略。通过间接电离辐照，质子和中子可以产生明显的翻转。当高能质子或中子进入半导体晶格会和靶核发生非弹性碰撞。可能会产生下面所述的核反应：1)弹性碰撞使Si反冲，2)发射alpha或者gamma粒子，产生Mg核反冲，3)裂变反应，靶核Si裂变成C和O粒子，每种粒子均反冲。上述任何反应产物均沿它们的路径通过直接电离辐照淀积电荷。这些反应产物粒子比初始的质子和中子重得多，因此淀积更多的电荷，有可能导致单粒子翻转。非弹性碰撞反应产物能量很低。

电荷输运的基本原理：当粒子入射半导体器件，最敏感的区域通常是反向偏置的pn结。反向偏置pn结耗尽区的高电场通过漂移机制有效地收集入射粒子产生电荷，产生瞬态电流。如果粒子入射位置靠近耗尽区则会导致明显的瞬态电流，因为产生电荷将会扩散到耗尽区，被有效地收集。由于入射粒子路径高电导特性和耗尽区电场分离离化产生电荷，粒子入射路径产生电荷会导致结电场局部塌陷。漏斗(funnel)效应拓展了结电场，使之更深入衬底，即使距离结较远的电荷也可以通过漂移机制被有效收集，从而增加了入射节点的电荷收集。对于静态电路如SRAM，反向偏置的pn结连接到外部有源电路，漏斗效应不是主要因素。粒子入射pn结的电压不是常数，入射pn结有可能从反向偏置变到零偏置，减弱了漂移收集机制(漏斗效应)。因此，漏斗效应在电路早期SEE响应中起作用，初始化翻转节点电压，扩散效应在电路晚期SEE响应中起作用，翻转节点电压。

为了避免单粒子脉冲产生错误，提出了多种方法，这些技术分为两类，一种是从电路中消除单粒子脉冲，一种是消除单粒子脉冲对于电路产生的影响。消除单粒子脉冲，通常是限制单粒子入射节点后的收集电荷数量。在过去，这些方法是通过改变工艺来实现的。然而这种方法越来与昂贵，辐照效应研究者倾向于采用电路设计来消除单粒子脉冲。电路设计加固分为两类，一种是允许单粒子脉冲在系统中自由传输，甚至被存储单元捕获，为了消除单粒子脉冲的影响，采用空间或者时序上的冗余电路。空间冗余方法，多个相同的电路投票获得逻辑节点的正确值。时序冗余方法，在一个时钟周期内多次采样作为投票电路的输入。三模冗余技术面积和功耗增大了三倍，对于速度影响很小。时序冗余方法对于信号在一个时钟周期内多次采样作为投票电路的输入，只需对锁存器电路进行修改，面积和功耗增加少，速度减少明显。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于一种CMOS集成电路抗单粒子辐照加固电路，对CMOS集成电路中敏感的逻辑门电路进行抗辐照加固，在集成电路面积和速度之间折中，以提高CMOS集成电路抗单粒子翻转的水平。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种CMOS集成电路抗单粒子辐照加固电路，该电路包括一个容易发生单粒子翻转的逻辑门电路100和一个冗余逻辑门电路101，逻辑门电路100和冗余逻辑门电路101共用一个输入端，逻辑门电路100的输出端与冗余逻辑门电路101的输出端之间连接有第一二极管102和第二二极管103，且第一二极管102和第二二极管103的导通方向相反。