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。     

22 nm FDSOI工艺SRAM单粒子效应的重离子实验研究

针对22 nm全耗尽绝缘体上硅（FDSOI）工艺静态随机存储器（SRAM）开展了重离子实验,对比了不同加固设计的FDSOI SRAM的抗单粒子翻转（SEU）和多单元翻转（MCU）能力,分析了读写错误致存储阵列MCU的效应表征和作用机制,揭示了衬底偏置对FDSOI SRAM SEU敏感性的影响机理。研究结果表明：对5款被测FDSOI SRAM而言,抗SEU能力由弱到强依次为八管加固型SRAM2、冗余加固型SRAM1、双互锁结构（DICE）型SRAM3或SRAM4、双DICE型SRAM5;3款DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU性能优于其他两款SRAM;虽然DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU能力强,但读写错误致存储阵列MCU的影响不可忽略,且该影响随SRAM工作频率的提高愈加严重;衬底偏置通过对寄生双极放大效应的控制来影响FDSOI SRAM的SEU敏感性。     

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。     

65 nm双阱CMOS静态随机存储器多位翻转微束及宽束实验研究

利用微束和宽束辐照装置分别对两款65 nm双阱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（multiple-cell upset, MCU）类型、位置、事件数与器件结构布局相结合对单粒子翻转（single-event upset, SEU）的截面、MCU机理进行深入分析。结果表明，微束束斑小且均匀性好，不存在离子入射外围电路的情况；NMOS晶体管引发的MCU与总SEU事件比值高达32%，NMOS晶体管间的电荷共享不可忽略；实验未测得PMOS晶体管引发的MCU，高密度阱接触能有效抑制PMOS晶体管间的电荷共享；减小晶体管漏极与N阱/P阱界面的间距能降低SRAM器件SEU发生概率；减小存储单元内同类晶体管漏极间距、增大存储单元间同类晶体管漏极间距，可减弱电荷共享，从而减小SRAM器件MCU发生概率。     

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.     

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。     

高能电子单粒子效应模拟实验研究

本文基于2 MeV自屏蔽电子加速器和10 MeV电子直线加速器，开展了电子单粒子效应实验研究，并分析了其机理。在保持入射电子能量不变的情况下，在±20%范围内改变器件的工作电压进行了单粒子翻转实验。实验结果表明：45 nm SRAM（额定工作电压1.5 V）芯片在电子直线加速器产生的高能电子照射下能产生明显的单粒子翻转，单粒子翻转截面随入射电子能量的变化趋势与文献数据相符合；电子引起的单粒子翻转截面随器件工作电压的变化趋势与理论预期一致，即工作电压越小，单粒子翻转临界电荷越小，翻转截面也越高。     

温度对TFT SRAM单粒子翻转及其空间错误率预估的影响

本文研究了215～353 K温度范围内商用4M 0.15 μm薄膜晶体管结构SRAM单粒子翻转(SEU)截面随温度的变化。实验结果显示，在截面曲线饱和区，SEU截面基本不随温度变化；在截面曲线上升区，SEU截面随温度的升高而增加。使用Space Radiation 7.0软件研究了温度对其空间错误率预估的影响，模拟结果显示，SEU截面随温度的变化改变了SRAM SEU截面-LET值曲线形状，导致其LET阈值漂移，从而影响空间错误率预估结果     

SRAM单元中子单粒子翻转效应的Geant4模拟

应用Geant4工具,构造了不同特征尺寸的SRAM单元几何模型及单粒子翻转截面计算模型,分析了敏感体积和临界电荷对低能中子单粒子翻转效应的影响趋势,计算了反应堆裂变中子谱辐射环境下,不同特征尺寸SRAM的中子单粒子翻转截面,认为小尺寸SRAM器件的低能中子单粒子翻转效应更为严重。     

中国原子能科学研究院100 MeV质子单粒子效应辐照装置试验能力研究

为检验中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器（CY CIAE-100）建立的单粒子效应（SEE）辐照装置的试验能力和数据测量的准确性和可靠性，利用欧洲航天局（ESA）研制的SEU监测器进行了校核试验。试验中选取多个不同能量点对SEU监测器进行辐照获取了相应的单粒子翻转（SEU）截面，同时对束流的均匀性进行了检验。SEU监测器SEU截面测试结果与其在国外其他加速器，如瑞士PSI、比利时LIF等所获得的数据基本一致。校核试验验证了中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器SEE试验能力以及数据测量的准确性。     

深亚微米SRAM器件单粒子效应的脉冲激光辐照试验研究

利用脉冲激光模拟试验装置对IDT公司0.13 μm工艺IDT71V416S SRAM的单粒子效应进行了试验研究。在3.3 V正常工作电压下,试验测量了单粒子翻转阈值和截面、单粒子闩锁阈值和闩锁电流及其与写入数据和工作状态的关系。单粒子翻转试验研究表明,该器件对翻转极敏感,测得的翻转阈值与重离子、质子试验结果符合较好;该器件对多位翻转较敏感,其中2位翻转占绝大部分且其所占比例随辐照激光能量增加而增大,这与重离子试验结果也一致。单粒子闩锁试验分析了闩锁效应的区域性特点,发现了器件闩锁电流呈微小增大的现象,即表现出单粒子微闩锁效应,分析了这种现象对传统的抗闩锁电路设计可能造成的影响。     

65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转实验研究

基于北京HI-13串列加速器质子源及技术改进工作,获得2～15 MeV低能质子束流。针对商业级65 nm工艺4M×18 bit大容量随机静态存储器（SRAM）,开展了质子单粒子翻转实验研究。实验结果表明,低能质子通过直接电离机制可在存储器中引起显著的单粒子翻转,其翻转截面较核反应机制引起的翻转截面大2～3个数量级。结合实验数据分析了质子翻转机制、LET值及射程、临界电荷及空间软错误率等,分析结果表明,实验器件翻转临界电荷约为0.97 fC,而低能质子超过高能质子成为质子软错误率的主要贡献因素。     

Single event upset tests of an 80-Mb/s optical receiver

This paper studies the single event upset (SEU) sensitivity of a radiation-tolerant 80-Mb/s receiver developed for the CMS Tracker digital optical link. Bit error rate (BER) measurements were made while irradiating the receiver with protons and neutrons at different beam energies and incident angles and for a wide range of optical power levels in the link. Monte Carlo simulations have also been used to assist in the interpretation of the experimental results. As expected, the photodiode is the most sensitive element to SEU. The fake signal induced by direct ionization dominates the bit-error cross-section only for protons incident on the photodiode at large angles and low levels of optical power. Comparison of the neutron and proton bit-error cross-sections demonstrates that nuclear interactions contribute significantly to the proton-induced SEU errors and that they will dominate the radiation-induced error rate in the real Tracker application     

质子核反应二次粒子引起的静态存储器单粒子翻转截面计算

研究建立了质子单粒子翻转截面计算方法。基于蒙特卡罗软件Geant4,计算分析了不同能量质子核反应产生二次粒子对有效体积带来的影响,确定了有效体积大小。计算了静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面和多位翻转截面。计算结果在趋势上与双参数公式所预言的相符合,并可得到很高能量质子引起的极限截面;在较低能段的数据与文献的理论和实验值相符。     

Heavy ion-induced single event upset sensitivity evaluation of 3D integrated static random access memory

Heavy ion-induced single event upsets(SEUs)of static random access memory(SRAM), integrated with three-dimensional integrated circuit technology, are evaluated using a Monte Carlo simulation method based on the Geant4 simulation toolkit. The SEU cross sections and multiple cell upset(MCU) susceptibility of 3D SRAM are explored using different types and energies of heavy ions.In the simulations, the sensitivities of different dies of 3D SRAM show noticeable discrepancies for low linear energy transfers(LETs). The average percentage of MCUs of 3D SRAM increases from 17.2 to 32.95%, followed by the energy of ~(209)Bi decreasing from 71.77 to 38.28 MeV/u. For a specific LET, the percentage of MCUs presents a notable difference between the face-to-face and back-toface structures. In the back-to-face structure, the percentage of MCUs increases with a deeper die, compared with the face-to-face structure. The simulation method and process are verified by comparing the SEU cross sections of planar SRAM with experimental data. The upset cross sections of the planar process and 3D integrated SRAM are analyzed. The results demonstrate that the 3D SRAM sensitivity is not greater than that of the planar SRAM. The 3D process technology has the potential to be applied to the aerospace and military fields.     

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。