高可靠反熔丝PROM的设计及器件辐照性能研究

摘要

随着人类空间探索能力的不断发展，各种卫星、空间站、探测器越来越多的活动在广袤的宇宙空间中。各种人造卫星等设备的工作离不开集成电路的作用，存储器作为集成电路中的一种重要类型，广泛的应用在这些宇宙空间中的飞行器上。然而集成的电路会受到宇宙辐射的影响产生一系列辐射效应，使得集成电路的功能受到影响甚至失效。 反熔丝 PROM 存储器是一种具有抗辐照能力的存储器，本文中设计的 MTM型反熔丝PROM具有制作工艺与CMOS工艺兼容性好、可靠性高、具有抗辐照能力的特点。本文首先分析了反熔丝存储单元的类型并选择了 MTM 型反熔丝存储介质，并基于MTM型反熔丝设计了具有两个2T1C结构的存储单元。本文还设计并分析了反熔丝PROM的两个基本系统读取系统与编程系统中各个模块的电路原理以及工作过程，以确保电路功能的实现。对于PROM全电路及版图的功能进行了仿真，通过设置不同工艺角、温度、电源电压的仿真条件，验证了设计的电路和版图在芯片设计的工作条件范围内能够正确地实现功能。并通过仿真获得了电路的读取电阻阈值、读取时间、电荷泵电压上升时间等一系列电路参数，为后续测试做准备。本文还设计流片了耐压能力不同的环栅与直栅NMOS器件以及模块电路，并进行了测试。测试了环栅器件的性能与并与电路仿真模型进行了对比，获得了自定义器件的测试数据。测试了这些器件的耐压能力并对击穿电压进行了统计和分析。测试了模块电路的功能，并与仿真数据进行对比，验证了电路设计的合理性。对PROM中使用的抗辐照加固的方法进行了研究。对前期流片的器件进行了总剂量辐射实验，通过对比分析实验数据，定量研究了PROM中用到的环栅器件的抗总剂量效应性能。并进一步采用中带电压法对设计中用到的高压器件和低压器件的辐照效应进行了分析，并使用Sentaurus对实验数据进行了辅助分析。对高压器件和低压器件总剂量效应的差异进行了对比，并给出了产生这种差异的一种可能原因。 本文对 PROM 的设计工作进行了全面介绍，介绍了 PROM 的设计原理，对PROM 中使用的器件进行了前期流片，并进行了测试以及辐照实验评估，为后续PROM的设计改进工作提供依据。

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