混合工艺数模转换器总剂量效应研究

硕士学位论文混合工艺数模转换器总剂量效应研究作者姓名：王信指导教师:陆妩研究员中科院新疆理化技术研究所学位类别:工程硕士学科专业:材料工程研究所:中科院新疆理化技术研究所2013年5月ResearchonDamageMechanismofTIDofMixedProcessDigitaltoAnalogConverterByWANGXinADissertation/ThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofEngineeringTheXinjiangTechnicalInstituteofPhysics&Chemistry.CASMay,2013混合工艺数模转换器的总剂量效应研究独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作和取得研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院新疆理化技术研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权说明本学位论文作者完全了解中国科学院新疆理化技术研究所有关保留、使用学位论文的规定。特授权中国科学院新疆理化技术研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意研究所向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的论文在解密后应遵循此规定）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要I摘要在航天事业和数字技术飞速发展的今天，数模转换器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）作为一种将数字信号转换成模拟信号的电路，被广泛应用于卫星、航天等技术领域以提高信号处理能力。然而，卫星及航天器所在的空间环境存在大量的高能粒子和射线，数模转换器处于极端恶劣的辐射环境中，性能将会劣化，给卫星及航天器的可靠性带来威胁。数模转换器复杂的设计为其总剂量效应研究带来挑战，尤其是近年来为提高数模转换器的性能，在其工艺及结构方面所做的改进，使得数模转换器的电路变得更为复杂。工艺方面，随着半导体制作技术的发展，制作工艺不再只是单一的工艺，越来越复杂的制作工艺如薄膜电阻工艺与互补双极(complementarybipolar,CB)CMOS工艺、LC2MOS及BiCMOS工艺等混合工艺被引入到现代数据转换器的制作中，使得数模转换器的精度、稳定性等各项性能指标提高的同时为数模转换器总剂量效应的研究及辐射评估带来了难题；结构方面，不同应用领域对数模转换器的分辨率、转换速度及稳定性等性能的侧重不同，数模转换器采用多种器件架构来达到不同的应用需求，目前主流的器件架构主要有R-2R梯形网络架构、电流舵架构、Σ-Δ架构等。因此，为考察混合工艺数模转换器总剂量效应，了解器件架构和制作工艺对数模转换器总剂量效应的影响，有必要对不同制作工艺及器件架构的数模转换器总剂量效应进行研究。国内外虽然已经报道了部分有关数模转换器辐射效应的研究，但尚未有系统的针对不同混合工艺和器件架构的数模转换器在60Coγ射线环境下总剂量效应及辐射损伤规律的研究成果，本论文率先开展了相关方面的研究工作，为不同工艺及架构的数模转换器总剂量效应评估提供了第一手的试验资料。本论文对混合工艺数模转换器总剂量效应的研究，主要从两个方面进行：研究剂量率对混合工艺数模转换器总剂量效应的影响，选取高低两种剂量率，判断混合工艺数模转换器的总剂量效应是否具有低剂量损伤增强效应；研究不同偏置对数模转换器总剂量效应的影响，分析处于不同工作模式的数模转换器的总剂量效应。通过上述两方面的试验研究，发现各混合工艺数模转换器在辐射作用下均发生功能退化，多项静态参数表现为辐射敏感参数，并进一步分析混合工艺数模转换器的总剂量效应研究了混合工艺数模转换器的辐射损伤特性规律和辐射损伤机理，发现数模转换器的辐射损伤模式及程度与器件工艺及架构密切相关。为获得器件架构及制作工艺对混合工艺数模转换器总剂量效应的影响，本论文选取了四款来自两个公司的混合工艺数模转换器，涉及CBCMOS、LC2MOS及BiCMOS三种混合工艺和R-2R梯形网络架构、电流舵架构两种器件架构。对四款器件进行了高低剂量率和不同偏置条件下的总剂量辐照试验，对比分析各款器件的试验结果，发现，虽然不同工艺及架构的数模转换器抗辐射能力不同，但其辐射损伤模式及剂量率效应表现出一定的规律性：器件架构对数模转换器的失效模式有很大的影响，R-2R架构的数模转换器辐射失效时功能曲线表现出明显的阶梯畸变；制作工艺与数模转换器表现出的剂量率效应有关，LC2MOS工艺以CMOS工艺为基础，内部集成了极少量的双极工艺，该工艺的数模转换器表现出明显的时间相关效应，CBCMOS工艺是集CB工艺和CMOS工艺为一体的混合工艺，该工艺的数模转换器各项参数表现出不同的剂量率效应，部分参数表现为时间相关效应，部分参数表现为低剂量率下更为敏感，而BiCMOS工艺数模转换器的剂量率效应与其辐射敏感模块的工艺特点有关。综上所述，本论文于国内外率先开展了系统的针对不同混合工艺和器件架构的数模转换器在60Coγ射线环境下总剂量效应及辐射损伤规律的研究工作。首先讨论了辐照剂量率及偏置状态对各混合工艺数模转换器的总剂量效应的影响，并初步分析了混合工艺数模转换器的辐射损伤模式及辐射损伤机理；其次，对比分析了不同工艺及架构的混合工艺数模转换器的辐射损伤规律，发现数模转换器功能失效模式取决于器件架构，其剂量率效应取决于数模转换器的复合工艺类型和关键模块采用的工艺类型，初步建立了混合工艺数模转换器总剂量效应试验方法，并为建立其统一的总剂量效应评估方法提供了试验依据。关键词：数模转换器总剂量效应BiCMOSCBCMOSLC2MOS偏置剂量率效应摘要IIIAbstractIIIAbstractWiththerapiddevelopmentofaerospaceindustryanddigitaltechnology,thedigitaltoanalogconverter,asadigitalsignalintoananalogsignalcircuit,hasbeenwidelyusedinthefieldofsatellite,aerospaceandothertechnologiesinordertoimprovethesignalprocessingcapability.However,withalargenumberofhigh-energyparticlesandraysinspaceenvironment,theperformanceofDACs,workingintheextremeradiationenvironment,willbedegradedandorevenfailuretosatellitesandspacecrafts.DACcomplexdesignchallengestheresearchofitstotaldoseirradiation,especiallyinrecentyears.TheeffectinfabricationprocessandstructurefortheimprovementsoftheperformanceofDACresultscircuittobemorecomplex.Withthedevelopmentofthesemiconductorproductiontechnology,fabricationprocessisnotjustasingletechnology,butbecomemoreandmorecomplex,suchasthemixedprocessofthinfilmresistortechnologyandcomplementarybipolarCMOSprocess,LC2MOS(LinearcompatibleCMOS)andBiCMOSprocess.Theabovethreeprocessesareintroducedtomoderndataconverterproduction.TheintroductionofhybridtechnologyimprovestheperformanceofDAC,andyetcomestheproblemtotheresearchofDACtotaldoseirradiation.Accordingtothestructure,differentapplicationfieldfocusondifferentperformance,includingtheresolution,conversionspeedandstability.Inordertomeettheneedofdifferentapplicationareas,avarietyofdevicestructuresaredesignedtoproduceDAC,includingR-2Rladdernetworkarchitecture,currentsteeringarchitectureandsigma-deltaarchitecture.InordertoinvestigatethemixedprocessDACtotaldoseirradiationandtheeffectofdevicearchitectureandprocessontheDACtotaldoseirradiation,itisnecessarytostudytheDACtotaldoseirradiationofdifferentproductionprocessanddevicearchitecture.AlthoughsomeoftheDACradiationeffectshavebeenreported,thereisnosystematicresearchoftotaldoseirradiationandthelawofradiationdamageforDACofdifferentmixingprocessanddevicearchitectureunder60Cogamma-rayenvironment.Inthispaper,混合工艺数模转换器的总剂量效应研究IVwefirstlysystematicallycarryouttherelatedresearchwhichprovidesthefirstexperimentaldatafortheDACtotaldoseirradiationassessmentofdifferentprocessandstructure.TheinvestigationofmixingprocessDACtotaldoseirradiationmainlycontainsthefollowingtwoaspects:TheimpactofdoserateonthemixingprocessDACtotaldoseirradiationhasbeenobtained.SelecthighandlowdoserateintheradiationtestonDACsampletodeterminewhetherthemixingprocessDACtotaldoseirradiationshowsELDRS.TheimpactofbiasontheDACtotaldoseirradiationhasbeenstudiedbymeansofdeterminationofthetotaldoseirradiationinthedifferentoperatingmodes