用于在具有電離輻射的區(qū)域中運(yùn)行的、并具有與輻射劑量相關(guān)的損壞信息的輸出能力的 ...的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在具有電離輻射的區(qū)域中運(yùn)行的集成電路、尤其是微控制器。
[0002]本發(fā)明另外還涉及一種用于在具有電離輻射的區(qū)域中、尤其是在核區(qū)域中運(yùn)行的危險(xiǎn)報(bào)警器。該危險(xiǎn)報(bào)警器具有至少一個(gè)用于探測(cè)至少一個(gè)危險(xiǎn)參量的探測(cè)單元、用于輸出報(bào)警信號(hào)的至少一個(gè)集成電路以及其他電氣器件。
[0003]最后本發(fā)明涉及一種用于確定由作用在集成電路上的電離輻射所造成的集成電路的損壞信息的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]也被簡(jiǎn)稱為IC (Integrated Circuit)的集成電路是在半導(dǎo)體襯底或在半導(dǎo)體芯片上所設(shè)置的電子電路。因此其也被稱作固體電路或單片電路。這種集成電路典型地具有多個(gè)相互連接的電子器件。用于制造該集成電路的半導(dǎo)體材料優(yōu)選地是硅。也可以替代地是鍺、砷化鎵、碳化硅或其他合適的半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，為了在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)集成電路的的半導(dǎo)體器件而采用了 CMOS半導(dǎo)體工藝(CMOS表示互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)。也可以替代地采用PMOS或NMOS半導(dǎo)體工藝、雙極半導(dǎo)體工藝或其組合，比如BiCMOS半導(dǎo)體工藝。
[0005]危險(xiǎn)報(bào)警器比如是火災(zāi)報(bào)警器，比如光學(xué)煙霧報(bào)警器或熱報(bào)警器。光學(xué)煙霧報(bào)警器比如可以基于散射光原理或基于聲光原理。如果該危險(xiǎn)報(bào)警器是熱報(bào)警器，那么就比如借助依賴于溫度的電阻來(lái)檢測(cè)當(dāng)前存在于該熱報(bào)警器的環(huán)境中的溫度。所考慮的危險(xiǎn)報(bào)警器也可以是煙霧氣體報(bào)警器，其具有氣體傳感器來(lái)作為探測(cè)單元，比如氣體FET (FET表示場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。另外，該危險(xiǎn)報(bào)警器也可以是移動(dòng)報(bào)警器，其具有用于移動(dòng)探測(cè)的PIR探測(cè)單元(PIR表示被動(dòng)紅外)。所考慮的危險(xiǎn)報(bào)警器也可以具有前述探測(cè)單元的組合。
[0006]危險(xiǎn)報(bào)警器也可以作為線型煙霧報(bào)警器來(lái)構(gòu)造，其基于消光原理。這種線型煙霧報(bào)警器尤其用在大或窄的空間中，比如在走廊、倉(cāng)庫(kù)和生產(chǎn)廠房以及飛機(jī)庫(kù)中，并安裝在天花板下的墻壁上。在第一實(shí)施方式中，發(fā)射器和接收器相對(duì)著布置，并且不需要反射器。在第二實(shí)施方式中，由發(fā)射器所發(fā)射的光束通過(guò)反射器被偏轉(zhuǎn)返回到接收器。發(fā)射器和接收器彼此相鄰地布置。這種線型煙霧報(bào)警器的測(cè)量段典型地處于20m至200m的范圍內(nèi)，其在第一實(shí)施方式的情況下對(duì)應(yīng)于在發(fā)射器與接收器之間的與測(cè)量段相對(duì)應(yīng)的距離。在第二實(shí)施方式的情況下，在發(fā)射器/接收器與反射器之間的距離對(duì)應(yīng)于測(cè)量段的一半。
[0007]用電離輻射來(lái)表示具有5eV和更高電離能量的粒子輻射或電磁輻射，其能夠把電子從原子或分子中撞擊出來(lái)，使得留下帶正電荷的離子或分子殘留。
[0008]一些電離輻射來(lái)自于放射性物質(zhì)，比如在具有增大的、尤其具有高放射性輻射的區(qū)域中。這種區(qū)域比如可能是核區(qū)域或太空。核區(qū)域尤其表示比如在核電廠內(nèi)的、放射性廢料的核技術(shù)再加工設(shè)備或最終或臨時(shí)倉(cāng)庫(kù)中的空間隔離區(qū)域。
[0009]電離或放射性輻射通常對(duì)電子構(gòu)件、并尤其是對(duì)半導(dǎo)體器件具有破壞性的有害影響。這種器件具有小于I ym、尤其小于10nm的非常精細(xì)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。所有類型的高能電離輻射在此都與半導(dǎo)體晶體進(jìn)行相互作用。阿爾法和貝塔輻射作為粒子輻射已經(jīng)可以通過(guò)幾毫米厚的材料厚度而被屏蔽，比如通過(guò)殼體鐵板或塑料殼體，而僅利用高的材料耗費(fèi)才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁伽馬輻射的有效屏蔽。按照屏蔽要求，可能需要一米以及更大屏蔽厚度的鉛屏蔽。即使對(duì)阿爾法和貝塔輻射的屏蔽可以相對(duì)簡(jiǎn)單地來(lái)實(shí)現(xiàn)，但伽馬輻射對(duì)半導(dǎo)體器件的屏蔽或殼體的作用仍然導(dǎo)致在小范圍內(nèi)也產(chǎn)生次級(jí)阿爾法粒子和貝塔粒子，其在此方面與半導(dǎo)體晶體進(jìn)行相互作用。通過(guò)這種入射的粒子與晶格原子的相互作用，晶格原子可能從該晶格束縛中釋放出來(lái)，并產(chǎn)生缺陷點(diǎn)。自由的原子如果具有足夠傳輸?shù)臎_擊能量，那么其能夠撞擊出其他的原子，或者運(yùn)動(dòng)到晶格間隙位置中。形成了所謂的空位-晶格間隙原子復(fù)合體。
[0010]起作用的輻射的一種重要影響是產(chǎn)生晶體缺陷，其在禁帶中產(chǎn)生附加的能量狀態(tài)，并因此產(chǎn)生復(fù)合中心。在具有提高的復(fù)雜度的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)中，比如在微控制器、微處理器、ASIC或FPGA中，這種效應(yīng)加速出現(xiàn)。但相反幾乎不涉及電阻或電容器。
[0011]由于該原因，優(yōu)選地使用魯棒的分立的半導(dǎo)體器件、如晶體管或二極管，以便對(duì)電路中的電參數(shù)的加速退化加以考慮，尤其大多數(shù)抗輻射的、較老的集成半導(dǎo)體構(gòu)件、比如1C、邏輯門等，其具有大于I ym的結(jié)構(gòu)尺寸，并由于廣泛發(fā)展的小型化而在半導(dǎo)體市場(chǎng)上幾乎不能獲得。
[0012]通過(guò)采用分立的半導(dǎo)體器件，因此可以實(shí)現(xiàn)諸如3年的、與諸如核電廠中的相關(guān)要求相對(duì)應(yīng)的最短壽命。這種要求比如可以是，火災(zāi)報(bào)警器必須在3年的時(shí)間段內(nèi)“經(jīng)受住”0.25Gy的福射劑量或能量劑量。在此用Gy (表示Gray，=10rad)來(lái)表示所吸收的能量劑量D的SI單位。與時(shí)間有關(guān)的所吸收的能量劑量在此被稱作劑量率或劑量功率。
[0013]放射性輻射對(duì)電子半導(dǎo)體構(gòu)件的影響、尤其是與之相關(guān)聯(lián)的對(duì)這種半導(dǎo)體部件的時(shí)間累積的或時(shí)間瞬時(shí)的損害的詳細(xì)描述在波鴻魯爾大學(xué)電子技術(shù)系1990年DetlefBrumbi 的博士論文“Bauelemente-Degradat1n durch rad1active Strahlung und derenKonsequenzen fuer und Entwurf strahlenresistenter elektronischer Schaltungen(放射性輻射導(dǎo)致的器件退化以及其對(duì)于防輻射電子電路設(shè)計(jì)的影響)”中有描述。
[0014]在2009年6月6日的美國(guó)加利福尼亞帕薩迪娜的加利福尼亞理工學(xué)院(CIT)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的出版物 JPL D-33339 題目為“Test Method for Enhanced Low DoseRate Damage (ELDRS) Effects in Integrated Circuits for Outer Planetary Miss1n(用于外行星任務(wù)的集成電路中的增強(qiáng)低劑量率損害(ELDRS)效應(yīng)的測(cè)試方法)”中，關(guān)于計(jì)劃的歐洲木星軌道器(JEO)任務(wù)，借助一種二級(jí)加速測(cè)試方法而對(duì)不同的集成電路、如雙極技術(shù)和BiCMOS技術(shù)的電壓調(diào)節(jié)器、運(yùn)算放大器和比較裝置關(guān)于其輻射敏感性進(jìn)行研宄。為了加快測(cè)試，而使用了與在任務(wù)期間所期待的真實(shí)劑量率相比更高的劑量率。具有直至100krad (Si)的對(duì)于整個(gè)任務(wù)所期待的累加的輻射劑量的實(shí)際測(cè)試相反在很多時(shí)候都被納入考慮范圍，并因此是不切實(shí)際的。在所推薦的ELDRS測(cè)試中，電路首先以最大1mrad(Si)的小的劑量率被輻射，直至30至50krad的輻射劑量。接著，電路以40 mrad(Si)的劑量率被輻射，直至達(dá)到所要求的總輻射劑量。
[0015]在該出版物的附錄I中還公開，在輻射測(cè)試期間除了提高劑量率之外還可以提高電路的溫度，以便通過(guò)由熱所決定的反作用的復(fù)合速率來(lái)補(bǔ)償由輻射所決定的所引起的空位的形成速率的提高。還公開的是，如果電路溫度選擇得太高(“如果溫度太高，那么損害可能實(shí)際上被退火，如在Motorola LM324的第二附圖中所示”)，如在圖10和11的例子中為135°C，那么電路的真正要確定的損害通過(guò)該“退火效應(yīng)”而以不希望的方式再次消失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]基于前述的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的任務(wù)是說(shuō)明一種集成電路，其在具有電離輻射的區(qū)域中(常規(guī))運(yùn)行時(shí)具有延長(zhǎng)的壽命。
[0017]本發(fā)明的另一任務(wù)是，說(shuō)明一種改進(jìn)的危險(xiǎn)報(bào)警器，用于在具有電離輻射的(常規(guī))區(qū)域中應(yīng)用。
[0018]最后，本發(fā)明的任務(wù)是說(shuō)明一種尤其簡(jiǎn)單的方法，該方法允許確定集成電路的損壞信息，該集成電路遭受產(chǎn)生作用的電離輻射。
[0019]所述任務(wù)通過(guò)獨(dú)立專利權(quán)利要求的主題來(lái)解決。本發(fā)明的有利的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中被描述。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，該集成電路具有溫度調(diào)節(jié)電路的至少一部分，以用于將電路溫度調(diào)節(jié)提高到預(yù)先給定的、基本恒定的運(yùn)行溫度值上。對(duì)此，該電路的電功率消耗被提高了可調(diào)節(jié)的附加電功率。另外，該電路具有輸出對(duì)其作用的電離輻射所導(dǎo)致的該集成電路的損壞信息的能力，其中該損壞信息可以根據(jù)與輻射劑量相關(guān)的所述可調(diào)節(jié)的附加電功率的下降來(lái)確定。“根據(jù)與輻射劑量有關(guān)的所述可調(diào)節(jié)的附加電功率的下降”意思是所述可調(diào)節(jié)的附加電功率的與該集成電路的所吸收的輻射劑量相關(guān)的下降。所吸收的輻射劑量也被簡(jiǎn)稱為TID，其表不