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中国航天科技的快速发展驱动集成电路系统在航空航天领域中有着广泛的应用,芯片制造工艺的特征尺寸不断缩小使得空间高能粒子辐射引发的单粒子效应成为干扰航天控制系统稳定性的主要因素。随着CMOS器件工艺进入到纳米尺寸时电路节点的存储电荷减少,逻辑电平翻转的临界电荷量降低使得半导体器件对重离子辐射愈加敏感,纳米CMOS多器件间发生的电荷共享和单粒子多位翻转成为单粒子效应主要表现形式,目前不同阱工艺对载流子电荷传输方式有着很大的影响,因此多阱研究值得重点关注。针对纳米CMOS器件的SEE机理研究对抗辐射加固具有很强的理论指导性,本文分别从物理级建模、器件级仿真和电路级加固验证对纳米CMOS器件多阱工艺的单粒子效应机理进行了详细研究,取得的主要研究成果可列为以下几个部分:(1)采用基于蒙特卡罗的SRIM模拟程序追踪一定数量的高能氦离子入射硅材料的能量损耗过程,拟合硅材料电离损伤分布得出重离子在硅的浅表层能量损耗最大,硅电离过程最为显著,验证电荷聚集区能为浅硅层器件的敏感节点提供大量电荷。根据氦离子电离能量的三维分布数据拟合出的氦离子平均比电离与入射深度的布拉格曲线,为重离子在硅中有效线性能量传输提供了换算方程,完善了数值模拟调用LET的可行性。(2)通过TCAD数值模拟软件构建双阱工艺器件,重点对与非门的瞬态脉冲电流传输和电压翻转输出进行了分析,研究了三维双阱SRAM单元的瞬态脉冲电流主要成分并评估NMOS管的电荷收集量,采用小信号电路模型探究电荷共享对相邻PMOS管的瞬态影响。准确得出三维反相器间翻转电压输出的幅值和脉宽并解释了SET脉冲传输的机理,为下一步进行三维的三阱工艺加固设计的研究提供对比参考。(3)深化研究改进型三阱器件的SET和电荷收集机理。详细研究了三维三阱保护环SRAM单元器件与相应的双阱SRAM单元的SET电流脉冲波形和电荷收集的区别,定量分析了电荷收集对单粒子翻转的贡献值。研究发现,三阱保护环加固设计能有效减少器件的电荷收集量,电荷减少量能达到双阱的60%,因此三阱器件中的寄生双极放大效应对器件电荷收集的贡献不明显,说明三阱保护环布局是可行的辐射加固设计方式。(4)运用HSPICE电路仿真软件对改进型D触发器逻辑电路进行注入脉冲仿真验证。分析了加固和未加固D触发器电路在瞬态电流注入下的响应特点,电路级仿真研究发现输出缓冲电路对注入瞬态脉冲的电平响应有着良好的减缓效果,因此该缓冲电路模块拓扑布局方法给抗辐射加固电路设计提供一种技术参考。