商用CMOS工艺SRAM脉冲中子辐射效应实验

为研究互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺静态随机处理内存(SRAM)脉冲中子辐射效应机理,对SRAM翻转效应进行了蒙特卡罗模拟。该模拟基于脉冲中子辐照下SRAM翻转是单粒子翻转的叠加的假设,计算了单位翻转和伪多位翻转在总翻转数中的百分比。在西安脉冲反应堆上对3种特征尺寸商用SRAM开展了脉冲工况实验研究,得到了单位翻转和伪2位翻转数据,结合模拟结果分析了SRAM在脉冲中子作用下的翻转机制。     

质子引入的6T SRAM单粒子翻转截面预测模型

提出了一种基于SOI工艺6T SRAM单元质子辐射的单粒子饱和翻转截面的预测模型,该模型通过器件物理来模拟辐照效应,利用版图和工艺参数来预测质子引入的单粒子饱和翻转截面。该模型采用重离子的SPICE测试程序对质子辐射的翻转截面进行预测,该方法简单高效,测试实例表明在0.15μm SOI工艺下,预测的质子引入的单粒子翻转饱和截面和实际测试的翻转截面一致。     

温度对SRAM器件单粒子翻转重离子测试的影响

本文基于单粒子效应地面重离子模拟实验,选取体硅SRAM与SOI SRAM两种待测器件,在兰州重离子加速器上（HIRLF）研究了温度对单粒子翻转测试的影响。用12C粒子对体硅SRAM器件的温度实验显示,单粒子翻转截面易受温度的影响。对于SOI SRAM器件,12C粒子测得的单粒子翻转截面随温度升高有显著的增大,但209Bi 粒子测得的单粒子翻转截面却随温度保持恒定。用Monte Carlo的方法分析了温度对单粒子翻转测试的影响规律,发现在单粒子翻转阈值LET附近温度对单粒子翻转截面有大的影响,但是随着单粒子翻转的发生接近于饱和,单粒子翻转截面渐渐的表现出低的温度依赖性。基于该模拟结果,我们对实验数据进行了分析,同时提出了一种准确评估在轨翻转率的合理方法。     

粒子入射条件对28nm SRAM单元单粒子电荷共享效应影响的TCAD仿真研究

利用器件仿真工具TCAD,建立28 nm体硅工艺器件的三维模型,研究了粒子入射条件和器件间距等因素对28 nm体硅工艺器件单粒子效应电荷共享的影响规律。结果表明,粒子LET值增大、入射角度的增大、器件间距的减小和浅槽隔离(STI)深度的减少都会增加相邻器件的电荷收集,增强电荷共享效应,影响器件敏感节点产生的瞬态电流大小;SRAM单元内不同敏感节点的翻转阈值不同,粒子LET值和入射角度的改变会对SRAM单元的单粒子翻转造成影响;LET值和粒子入射位置变化时,多个SRAM单元发生的单粒子多位翻转的位数和位置也会变化。     

部分耗尽SOI工艺器件辐射效应的研究

对0.13μm部分耗尽SOI工艺的抗辐射特性进行了研究.首先通过三维仿真研究了单粒子事件中的器件敏感区域,随后通过实验分析了器件的总剂量效应.三维仿真研究了离子入射位置不同时SOI NMOS器件的寄生双极效应和电荷收集现象,结果表明,离子入射在晶体管的体区和漏区时,均可以引起较大水平的电荷收集.对SRAM单元的单粒子翻转效应(SEU)进行了仿真,结果表明,体区和反偏的漏区都是翻转的敏感区域.通过辐照实验分析了器件的总剂量效应,在该工艺下对于隐埋氧化层,关断状态是比传输门状态更劣的辐射偏置条件.     

FinFET工艺对MOS器件辐射效应的影响北大核心CSCD

基于商用工艺线生产抗辐射器件具有一定的通用性,需要对商用工艺本征的抗辐射能力进行评估。综述了当前最新绝缘体上硅鳍式场效应晶体管(SOI FinFET)和体硅FinFET工艺的鳍宽和敏感面积对辐射效应的影响。SOI FinFET和体硅FinFET工艺的抗总剂量能力随着鳍宽的变化呈现相反的趋势。SOI FinFET的阈值电压漂移和亚阈值摆幅的退化随着鳍宽减小而减小,而体硅FinFET工艺的漏电流随着鳍宽减小而增大。FinFET工艺由于其自身结构的特点,与相同工艺节点下的平面工艺相比,敏感面积更小,抗单粒子翻转能力更好。从整体趋势来看,随着工艺节点的减小,FinFET工艺的本征抗总剂量能力较为可观,而本征抗单粒子翻转能力较差。     

5管SRAM单元的抗辐射性能研究

利用3D TCAD仿真,在45 nm 体硅工艺下,对5管SRAM单元和传统6管SRAM单元的抗辐射性能进行了对比研究。结果表明,5管SRAM单元的敏感面积更小,由该单元构成的SRAM阵列更难发生多位翻转。提出了一种带额外保护环的5管SRAM单元抗辐射加固策略,这种加固策略没有面积开销,模拟结果证实了该加固策略的有效性。     

0.18 μm SOI工艺抗辐照触发器性能研究

随着集成电路制造工艺尺寸不断减小、集成度不断提高,集成电路在太空环境应用中更容易受到单粒子辐照效应的影响,可靠性问题越发严重。特别是对高频数字电路而言,单粒子翻转效应(SEU)及单粒子瞬态扰动(SET)会导致数据软错误。虽然以往的大尺寸SOI工艺,具有很好的抗单粒子性能,但仍需要对深亚微米SOI电路进行辐照效应研究。文中通过对4种触发器链进行抗辐照设计,用0.18μm SOI工艺进行了流片验证,并与体硅CMOS工艺对比分析。1.8V电源电压条件下的触发器翻转阈值可以达到41.7MeV·cm2/mg,抗辐射性能比0.18μm体硅CMOS工艺提升了约200%。     

超大规模FPGA的单粒子效应脉冲激光测试方法

建立了一种28 nm HPL硅工艺超大规模SRAM型FPGA的单粒子效应测试方法。采用静态测试与动态测试相结合的方式,通过ps级脉冲激光模拟辐照实验,对超大规模FPGA进行单粒子效应测试。对实验所用FPGA的各敏感单元(包括块随机读取存储器、可配置逻辑单元、可配置存储器)的单粒子闩锁效应和单粒子翻转极性进行了研究。实验结果证明了测试方法的有效性,揭示了多种单粒子闩锁效应的电流变化模式,得出了各单元的单粒子效应敏感性区别。针对块随机读取存储器、可配置逻辑单元中单粒子效应翻转极性的差异问题,从电路结构方面进行了机理分析。     

一种带自刷新功能的三模冗余触发器设计

随着体硅CMOS电路工艺尺寸的不断缩小,数字电路在宇宙空间中受到的单粒子效应愈发严重。特别是触发器结构电路,单粒子效应中的单粒子翻转效应会造成触发器内部存储的数据发生错乱,影响电路正常工作。提出了一种带自刷新功能的三模冗余触发器设计,改进了传统三模冗余触发器设计只表决修正输出不刷新错误数据的不足。     

北京正负电子对撞机次级束质子单粒子翻转计算和试验研究

北京正负电子对撞机(BEPC)电子直线加速器试验束打靶产生的次级束中包含质子,其中能量约为50MeV~100MeV的质子占有很大比例,这弥补了国内高能质子源的空白。本工作计算得到次级束中的质子能谱,建立质子单粒子翻转截面计算方法,在北京正负电子对撞机次级束质子辐射环境中,计算静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面,设计了SRAM质子单粒子翻转截面测试试验,发现SRAM单粒子翻转和注量有良好的线性,这是SRAM发生单粒子翻转的证据。统计得到不同特征尺寸下SRAM单粒子翻转截面,试验数据与计算结果相符,计算和试验结果表明随着器件特征尺寸的减小器件位单粒子翻转截面减小,但器件容量的增大,翻转截面依然增大,BEPC次级束中的质子束可以开展中高能质子单粒子效应测试。     

SRAM single event upset calculation and test using protons in the secondary beam in the BEPC

The protons in the secondary beam in the Beijing Electron Positron Collider(BEPC) are first analyzed and a large proportion at the energy of 50-100 MeV supply a source gap of high energy protons.In this study, the proton energy spectrum of the secondary beam was obtained and a model for calculating the proton single event upset(SEU) cross section of a static random access memory(SRAM) cell has been presented in the BEPC secondary beam proton radiation environment.The proton SEU cross section for different characteristic dimensions has been calculated.The test of SRAM SEU cross sections has been designed,and a good linear relation between SEUs in SRAM and the fluence was found,which is evidence that an SEU has taken place in the SRAM.The SEU cross sections were measured in SRAM with different dimensions.The test result shows that the SEU cross section per bit will decrease with the decrease of the characteristic dimensions of the device,while the total SEU cross section still increases upon the increase of device capacity.The test data accords with the calculation results,so the high-energy proton SEU test on the proton beam in the BEPC secondary beam could be conducted.     

Single Event Upset rate determination for 65 nm SRAM bit-cell in LEO radiation environments

The degradation of SRAM bit-cells designed in a 65 nm bulk CMOS technology in a Sun-Synchronous Low Earth Orbit (LEO) ionizing radiation environment is analyzed. We propose an inflight SEU rate estimation approach based on a modeled heavy ion cross section as opposed to the standard experimental characterization. Effects of irradiation with estimated LET spectrum in SRAM bit cell, i.e. the location of sensitive regions, its tendency to cause upset, magnitude and duration of transient current as well as voltage pulses were determined. It was found with SEU map that 65 nm SRAM bit-cell can flip even if high LET particle strikes in close proximity of bit-cell outside the SRAM bit-cell area. The SEU sensitive parameters required to predict SEU rate of on-board target device, i.e., 65 nm SRAM were calculated with typical aluminum spot shielding using fully physical mechanism simulation. In order to characterize the robustness of scaled CMOS devices, state of the art simulation tools such as Visual TCAD/Genius, GSEAT/Visual Particle, runSEU, were utilized whereas LEO radiation environment assessment, upset rate prediction was accomplished with the help of OMERE-TRAD software.     

基于OMP的SRAM成品率分析的分组建模方法

静态随机存取存储器(SRAM)电路的失效是极小概率事件,并且不同电路条件下的失效区域边界可能相距很远。因此,为了更高效地获得更精准的SRAM成品率预测结果,提出一种基于正交匹配追踪(OMP)算法的SRAM性能分组建模方法,并应用于典型SRAM电路成品率的预测。此方法主要根据不同SRAM电路条件下失效区域边界距离的差异将仿真数据划分为多组,之后利用OMP算法对不同组的数据分别建立多项式模型,该模型可用于对SRAM电路的成品率进行快速分析预测。与标准蒙特卡洛统计算法及基于OMP的单一建模方法相比,基于OMP的分组建模方法不仅可以缩短建模时间,提高建模准确度,还能够获得更加精确的SRAM成品率预测结果。     

Radiation hardness of static random-access-memory tested usingdose-to-failure and gamma-ray exposure

A dose-to-failure, which is extracted by measuring the number of error bytes as a function of dose, is proposed and then demonstrated to be an ideal parameter for radiation-hardness test of a static random-access-memory (SRAM). The radiation exposure is performed using the Co-60 gamma ray. The test conditions of dose rate, power-supply voltage, and temperature must be specified. The possible mechanisms for the changes of radiation hardness at various test conditions are explained. The radiation hardness tests of SRAM are useful for the practical assessment of integrated circuit (IC) reliability     

辐照加固SRAM型FPGA总剂量辐射效应研究

在航天辐射环境中,电离辐射产生的辐射效应会对电子元器件性能产生影响。文章对自主研发的SRAM型FPGA芯片在60Co-γ源辐照下的总剂量辐射效应进行了研究。实验表明:(1)总剂量累积到一定程度后功耗电流线性增大,但只要功耗电流在极限范围内,FPGA仍能正常工作;(2)SRAM型FPGA在配置过程中需要瞬间大电流,故辐照后不能立即配置;(3)总剂量辐照实验时,功耗电流能直观反映器件随总剂量的变化关系,可作为判断器件失效的一个敏感参数。该研究为FPGA的设计提供了基础。     

基于SRL结构的抗辐射SRAM单元设计

在空间辐射环境中,单粒子翻转(SEU)效应严重影响了SRAM的可靠性,对航天设备的正常运行构成极大的威胁。提出了一种基于自恢复逻辑(SRL)结构的新型抗辐射SRAM单元,该单元的存储结构由3个Muller C单元和2个反相器构成,并采用读写线路分开设计。单粒子效应模拟实验结果表明,该单元不仅在静态存储状态下对SEU效应具有免疫能力,在读写过程中对SEU效应同样具有免疫能力。     

Simulation and research on a 4T-cell based duplication redundancy SRAM for SEU radiation hardening

A novel 4T-cell based duplication redundancy SRAM is proposed for SEU radiation hardening applications. The memory cell is designed with a 65-nm low leakage process; the operation principle and the SEU radiation hardening mechanism are discussed in detail. The SEE characteristics and failure mechanism are also studied with a 3-D device simulator. The results show that the proposed SRAM structure exhibits high SEU hardening performance with a small cell size.