单粒子效应辐射模拟实验研究进展

应用质子直线加速器进行了静态随机存取存储器(SRAM)的单粒子效应模拟实验研究.采用金箔散射法降低质子束流,研制了弱流质子束测量系统,测量散射后的质子束流,实验测得SRAM质子单粒子翻转截面为10-14 cm2/bit量级.利用重离子加速器和锎源进行了SRAM的单粒子效应实验.研究其单粒子翻转截面与重离子线性能量传输(LET)值的关系,得到了单粒子翻转阈值和饱和截面.实验表明252Cf源单粒子翻转截面与串列加速器的重离子单粒子翻转截面一致,说明对于SRAM,可以用252Cf源替代重离子加速器测量单粒子翻转饱和截面.与中国原子能研究院、东北微电子研究所合作开展了国内首次重离子微束单粒子效应实验.建立了大规模集成电路重离子微束单粒子效应实验方法,找到了国产SRAM的单粒子翻转敏感区.应用14MeV强流中子发生器进行了SRAM单粒子效应实验,测得了64K位至4M位SRAM器件14MeV中子单粒子翻转截面.用α源进行SRAM单粒子效应辐照实验,模拟封装材料中的232Th和238U杂质发射出的α粒子导致的单粒子翻转.测量α粒子射入SRAM导致的单粒子翻转错误数,计算单粒子翻转截面和失效率,比较三种器件的抗单粒子翻转能力,为器件的选型提供依据.并开展了路由器的α粒子辐照实验,复演了路由器在自然环境中的出错情况,为路由器的设计改进提供了依据.     

不同特征尺寸SRAM质子单粒子效应实验研究

利用中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器开展了一系列不同特征尺寸双数据速率（DDR）静态随机存储器（SRAM）单粒子效应实验研究。获得了不同能量、不同入射角度下3款SRAM的单粒子翻转（SEU）截面曲线。分析了入射质子能量及角度对不同特征尺寸SRAM的SEU饱和截面的影响和效应规律，并利用蒙特卡罗方法对65 nm SRAM SEU特性进行了模拟。研究结果表明：随特征尺寸的减小，SEU饱和截面会出现不同程度的降低，但降低程度会由于多单元翻转（MCU）的增多而变缓；随入射角度的增加，MCU规模及数量的增加导致器件截面增大；3款SRAM所采用的位交错技术并不能有效抑制多位翻转（MBU）的发生。     

不同特征尺寸SRAM质子单粒子效应实验研究

利用中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器开展了一系列不同特征尺寸双数据速率(DDR)静态随机存储器(SRAM)单粒子效应实验研究。获得了不同能量、不同入射角度下3款SRAM的单粒子翻转(SEU)截面曲线。分析了入射质子能量及角度对不同特征尺寸SRAM的SEU饱和截面的影响和效应规律,并利用蒙特卡罗方法对65 nm SRAM SEU特性进行了模拟。研究结果表明:随特征尺寸的减小,SEU饱和截面会出现不同程度的降低,但降低程度会由于多单元翻转(MCU)的增多而变缓;随入射角度的增加,MCU规模及数量的增加导致器件截面增大;3款SRAM所采用的位交错技术并不能有效抑制多位翻转(MBU)的发生。     

离子径迹结构对SRAM单粒子翻转截面的影响

本文基于北京HI-13串列加速器的单粒子效应测试终端对0.15 μm工艺的SRAM进行了单粒子效应测试,再次验证了在截面曲线接近饱和区部分,高能离子翻转截面低于低能离子翻转截面的现象。采用Geant4对其进行模拟研究,结果表明,相同LET条件下高能离子可在较远处沉积能量,更易使同一存储单元内相邻的节点共享电荷发生单粒子翻转恢复而减小其单粒子翻转截面,而低能离子进行单粒子效应测试的结果相对保守。     

亚微米特征工艺尺寸静态随机存储器单粒子效应实验研究

利用中国原子能科学研究院重离子加速器,开展了不同特征尺寸(0.35～0.13μm)CMOS工艺、不同集成度(1M、4M、8M、16M)静态随机存储器(SRAM)单粒子翻转(SEU)和单粒子闩锁(SEL)实验研究,给出了SRAM器件的SEU、SEL截面曲线。与μm级特征尺寸的器件相比,随特征尺寸的减小,单粒子翻转更加严重。测量到了令人关注的单粒子多位翻转(MBU)效应,对翻转位数进行了统计分析。MBU对目前卫星系统采用的EDAC技术提出了挑战。     

特征工艺尺寸对CMOS SRAM抗单粒子翻转性能的影响

采用TCAD工艺模拟工具按照等比例缩小规则构建了从亚微米到超深亚微米级7种不同特征尺寸的MOS晶体管,计算了由这些晶体管组成的静态随机存储器(SRAM)单粒子翻转的临界电荷Qcrit、LET阈值(LETth),建立了LETth与临界电荷之间的解析关系,研究了特征工艺尺寸对CMOS SRAM抗单粒子翻转性能的影响及原因。研究表明:随着特征尺寸的减小,SRAM单元单粒子翻转的临界电荷减小,电荷收集效率由于寄生双极晶体管效应而增加,造成LETth随特征尺寸缩小而迅速减小,CMOS SRAM抗单粒子翻转性能迅速降低。     

65nm三阱CMOS静态随机存储器多位翻转实验研究

利用4种不同线性能量转换值的重离子对一款65nm三阱CMOS静态随机存储器(SRAM)进行重离子垂直辐照实验,将多位翻转图形、位置和事件数与器件结构布局结合对器件单粒子翻转截面、单粒子事件截面及多位翻转机理进行深入分析。结果表明,单粒子事件截面大于单个存储单元内敏感结点面积,单粒子翻转截面远大于单个存储单元面积。多位翻转事件数和规模的显著增长导致单粒子翻转截面远大于单粒子事件截面,多位翻转成为SRAM单粒子翻转的主要来源。结合器件垂直阱隔离布局及横向寄生双极晶体管位置,分析得到多位翻转主要由PMOS和NMOS晶体管的双极效应引起,且NMOS晶体管的双极效应是器件发生多位翻转的主要原因。     

中子辐照后CMOS工艺静态随机存储器瞬时电离辐射翻转效应实验研究

对0.15μm特征尺寸CMOS工艺商用静态随机存储器(SRAM)开展了中子辐照后的瞬时电离辐射效应实验研究,获得了中子辐照后SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律,并与未经中子辐照SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律进行对比。结果表明:中子辐照能有效提高CMOS工艺SRAM器件的瞬时剂量率翻转阈值,中子辐照引起的少数载流子的寿命降低是产生这种现象的主要原因。     

14MeV中子引发SRAM器件单粒子效应实验研究

在中国原子能科学研究院的高压倍加器装置上开展了SRAM器件的14 MeV中子单粒子效应实验研究。介绍了中子的产生、中子注量率的测量和调节以及中子单粒子效应的测试等的实验方法,获得了HM628512BLP型和R1LV1616HSA型SRAM器件的14 MeV中子单粒子效应截面。前者与文献的单粒子效应截面在误差范围内一致,验证了实验方法的科学性和可行性。后者与由效应机制出发获得的理论分析结果在量级上一致,对实验结果给出了定性的解释。     

65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转错误率预估

质子单粒子效应是纳米工艺集成电路空间应用面临的主要辐射问题之一。本文开展了一款商业级65 nm工艺4 M×18 bit随机静态存储器（SRAM）质子单粒子翻转实验研究。针对地球同步轨道、低地球轨道，使用Space Radiation 7.0程序，预估了低能质子、高能质子和重离子引起的错误率。错误率预估分析结果表明，不同轨道及环境模型下低能质子错误率占总错误率的比例范围为1%~86%，其中太阳质子事件、地球俘获带等环境模型中低能质子单粒子翻转引起的错误率占主导，建议空间应用的元器件对低能质子不敏感。     

Proton radiation effects in XC4036XLA field programmable gate arrays

We have measured the proton-induced single-event upset (SEU) cross section of Xilinx XC4036XLA field programmable gate arrays. The threshold energy for SEU was determined to be (22/spl plusmn/2) MeV. The upset cross section saturated at a value of (2.7/spl plusmn/0.2)/spl times/10/sup -9/ cm/sup 2//device. We have demonstrated that Bendel models are unable to describe the upset cross section. The effects of the radiation environment of the liquid argon calorimeter of the ATLAS detector on the XC4036XLA were estimated.     

基于物理的体硅CMOS存储器多位翻转特性电路级仿真分析

本文提出了一种电路级仿真方法,对体硅CMOS存储器中由单粒子效应引发的多位翻转特性进行了建模分析。该方法综合考虑了扩散效应及寄生双极放大效应引发的电荷共享收集机制,能基于版图特征重构多节点电荷收集的电流源,实现对单粒子效应位翻转截面的预估计算。针对一款65 nm工艺体硅CMOS存储器,对不同能量及角度入射的重离子引发的多位翻转效应（MCU）进行了仿真计算,并与试验结果进行了对比。     

Analysis of the influence of MOS device geometry on predicted SEUcross sections

An investigation into the single-event sensitive area geometry of a body-tied-to-source (BTS) SOI nMOS transistor has been performed through a novel simulation technique. Results are presented which demonstrate the influence of spatial variations in charge collection efficiency on the shape of the predicted upset cross section curve. Observations are made on a technique for inferring sensitive area or intra-cell collection efficiencies from cross section data     

Flash型FPGA的单粒子效应测试系统研制

研制了一套Flash型FPGA的单粒子效应测试系统,其具有片上SRAM/Flash ROM单粒子翻转效应测试、D触发器单粒子效应测试、锁相环与时钟网络单粒子瞬态效应测试、单粒子瞬态脉冲宽度测试等功能。本文介绍了该系统的测试原理和软硬件实现方法。     

A comparison of neutron-induced SEU rates in Si and GaAs devices

The single-event-upset rates due to neutron-induced nuclear recoils have been calculated for Si and GaAs components using the HETC and MCNP codes and the ENDF data base for (n, p) and (n, alpha) reactions. For the same critical charge and sensitive volume, the upset rate in Si exceeds that of GaAs by a factor of about 1.7, mainly because more energy is transferred in neutron interactions with lighter Si nuclei. The upset rates due to neutrons are presented as functions of critical charge and atmospheric altitude. Upsets induced by cosmic-ray nuclei, secondary protons and neutrons are compared.     

TMSR白光中子源能量分辨率函数的模拟研究

白光中子源及飞行时间谱仪的能量分辨率函数描述了谱仪装置测量中子能量的分辨率与所测中子的能量之间的函数关系。能量分辨率函数用于中子共振截面测量实验数据分析，对确定共振峰参数至关重要。本工作利用Geant4蒙特卡罗工具包构建了TMSR白光中子源的中子产生靶系统模型，模拟了中子在靶系统内由产生到溢出靶系统的整个物理过程，获得了不同能群中子从产生到溢出的时间分布。基于RPI能量分辨率函数形式，对时间分布进行拟合分析，获得了一套合适的参数，用于确定TMSR白光中子源飞行时间谱仪的中子能量分辨率函数。     

Measurements and analysis of neutron-reaction-induced charges in asilicon surface region

We directly measured neutron-reaction-induced charges in the silicon surface region using silicon-on-insulator (SOI) test structures. Because the neutron beam used has an energy spectrum similar to that of sea-level atmospheric neutrons, our charge collection data correspond to those induced by cosmic ray neutrons. Measured charge collection spectra were dependent on the SOI thickness and agreed with simulated results. An application for the neutron-induced upset rate prediction was also discussed. Furthermore, the charge collection components were separated by our charge collection simulator     

Single Event Upsets in RAMs Induced by Protons at 4.2 GeV and Protons and Neutrons below 100 MeV

Several different types of random-access-memories (RAMs) have been tested for soft upset susceptibility under a variety of different particle bombardments including thermal neutrons, GeV protons, and protons and neutrons below 100 MeV and with few exceptions found to suffer single event upsets. Devices tested included 4K, 16K and 64K dynamic RAMs and 4K NMOS and 256×4 CMOS static RAMs. Mean upset fluences varied from 106 particles/cm2-upset for 64K dynamic RAMs up to no upsets observed for the 256×4 CMOS RAM. No thermal neutron induced upsets are believed to have occurred. GeV protons, simulating primary cosmic rays, caused upsets at levels of 107 particles/cm2-upset.     

质子和中子的单粒子效应等效性实验研究

通过实验方法确定了高能质子和中子引起的单粒子效应等效关系，实验中采用金箔散射法降低了质子束流强度，并利用热释光剂量计（TLD）进行质子注量的监测，采用新研制的存储器长线实时监测系统，进行了64K位至4M位的SRAM器件单粒子效应实验，确定了两种粒子引起单粒子效应等效关系。