辐射环境中的高能粒子入射半导体材料时,其轨迹上淀积的电荷将被敏感节点收集,引发单粒子效应。单粒子效应将引起存储数据错误,影响后续计算,甚至半导体器件永久损坏,从而导致整个系统崩溃,造成严重的后果。国内外的航天器故障统计表明,单粒子效应是航天器电子系统中主要可靠性问题之一。随着集成电路工艺的不断进步,SEU引起的软错误率在持续上升,SET和MBU等二次效应逐渐成为重要的失效模式。在当前的工艺条件下,传统的单粒子效应建模方法在精度和速度上,传统的加固方法在性能和代价上体现出来越来越多的不足。本文针对当前工艺下单粒子效应的特点,对单粒子效应的建模和加固方法进行了深入研究,取得的主要研究成果如下:(1)提出了一种SEU加固的存储单元结构。通过对电荷收集敏感区域特点的分析以及合理的电路设计,提出了一种新型的抗SEU加固的存储单元结构,该存储单元可以自行从单个翻转中恢复。该存储单元可以使用商用的CMOS工艺线,从而极大的降低了抗辐照芯片的成本,并且有较高的性能、集成度和较低的功耗。(2)开展了电荷共享收集以及对存储单元的影响的研究。使用器件模拟的手段分析了电荷共享收集量的温度相关性,发现了温度对电荷共享受有显著的影响。并详细分析了电荷共享引起SRAM单元MBU和加固存储单元MNU的过程。进而提出了增加敏感节点对的距离、背靠背结构以及在敏感节点对之间插入保护环等抑制电荷共享的方法。(3)提出了电路级耦合SET脉冲注入方法。传统的独立电流源SET模型在超深亚微米工艺下有较大误差。本文探讨了各种影响SET脉冲的因素,通过合理的假设,将SET电流脉冲简化为电荷收集量和PN结偏压的二维查找表模型,并且在开源的SPICE软件中实现了这一模型。该方法相比独立电流源模型的精度有很大提高。(4)提出了组合逻辑SET脉冲重汇聚的分析方法。本文提出了脉冲传播过程中的重汇聚分析框架SERAR。其中将重汇聚分为4种模式:ROR、RSUB、RAND和RXOR,对每一种模式都提出了基于布尔差分的敏化条件。实验表明重汇聚对SER计算结果和节点敏感性有显著影响。(5)设计实现了一款基于SOI工艺的SRAM。本设计采用全定制设计方法,基于0.5 m PD SOI工艺实现,容量256 32。完成了从逻辑设计、版图设计以及投片的完整流程。对于抗辐照加固,除了依赖SOI工艺本身的能力,还采用了体引出等技术降低对单粒子效应的敏感性,采用环形栅等技术改善其总剂量的敏感性。最后本文单粒子效应建模和加固技术未来的研究方向进行了展望。