随着航天科技的飞速发展,其电子系统对高性能集成电路的需求日益增长。提升集成电路的性能主要有两种技术发展路线,一是延续摩尔定律,继续减小晶体管的特征尺寸;另外是采用新兴的三维（3D）堆叠集成工艺。然而,晶体管特征尺寸的减小降低了工作电压和节点电容,导致发生单粒子效应的临界电荷减小;同时,敏感节点间距的减小使电荷共享效应变得更加显著;3D器件相比于传统的平面工艺器件具有多层敏感区,不同器件层之间的辐照效应可能存在很大区别;这些因素导致先进工艺器件中的辐射响应更加复杂。因此,开展高性能器件的辐照效应机理研究对于研制抗辐射加固器件和性能评估具有重要意义。本文分别针对一款具有双层堆叠结构的90 nm体硅工艺3D SRAM,一款22nm FDSOI工艺的瞬态脉冲表征电路,以及一款65 nm体硅工艺的抗辐射加固SRAM,开展了地面加速器模拟实验。同时,还采用GEANT4仿真工具计算了重离子的电离径迹分布,并通过SPICE仿真工具研究了重离子在电路中引起的辐射响应规律,基于仿真对实验结果进行了深入的分析和讨论。主要的研究结果如下:（1）质子的直接电离和间接电离两种机制使3D SRAM不同器件层上的单粒子翻转截面出现显著差异。5.5 Me V的质子在器件下层的有源区具有最高的LET,因此其主要通过直接电离引起单粒子翻转;其他情况下,质子则通过核反应产生次级粒子的间接电离引起单粒子翻转;直接电离的翻转截面比间接电离的大约高2～3个数量级。（2）重离子的种类、射程和LET都会对3D SRAM的单粒子翻转截面产生显著影响。在相近的LET条件下,高能重离子引起的翻转截面大约是中能重离子的3倍,这归因于高能重离子所产生的电离径迹分布范围更广;而重离子的射程决定了3D器件中受到重离子影响的器件层数量,当重离子无法到达器件下层时,总翻转截面会明显降低。这表明了针对纳米级3D器件开展辐照效应研究和评估时必须同时考虑离子的种类、射程以及LET的影响。（3）纳米级器件中的脉冲猝灭效应对单粒子瞬态的产生与传输具有显著影响。与较低LET的84Kr离子相比,高LET的181Ta离子引起的瞬态脉冲宽度较小;然而,GEANT4的仿真结果表明,181Ta离子产生的离化电荷浓度和径迹半径都高于84Kr离子的;表明181Ta离子能引起更严重的电荷共享效应;利用电路级的脉冲注入仿真方法研究了纳米级器件中电荷共享效应对瞬态脉冲宽度产生的影响,仿真结果表明,电荷共享效应可以引起脉冲猝灭效应,从而显著减小了瞬态脉冲的宽度。（4）利用双DICE单元交错布局与EDAC校验码两种加固方法可以显著提升纳米级器件的抗辐射能力。由于双DICE单元交错布局的加固效果取决于敏感节点对在版图中的最小间距,在设计过程中需要对敏感节点对进行充分隔离,以使双DICE单元交错设计取得最大效益;而EDAC码的加固效果与字节内的多位翻转有关,在高LET的重离子辐照中,多位翻转在单粒子翻转中占据主导地位,导致EDAC码的加固效果大大降低;双DICE单元交错布局和EDAC码分别在单元级和电路级抑制了单粒子翻转的发生,将这两种加固措施结合使用可以使器件获得卓越的抗辐射能力。本文给出了3D SRAM与瞬态脉冲表征电路的单粒子效应实验结果,并深入探讨了器件辐射响应的影响因素和物理机理。此外,还表征了抗辐射加固技术在纳米级器件中的有效性。基于实验和仿真结果探讨了加固技术的失效原因,并提出了改进建议。这些研究结果为先进工艺器件的抗辐射加固设计提供了必要的数据支撑和理论指导。