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。     

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。     

利用Geant4模拟研究中子在半导体中引发的单粒子翻转效应

静态随机存储器在反应堆中子辐射环境中会发生单粒子翻转(Single event upset,SEU)。钨和铜等重金属作为局部互联,在半导体中已得到广泛应用,这些重金属对中子在半导体中的单粒子翻转截面会产生影响。不同条件下单粒子翻转截面与临界能量的关系可作为器件设计和使用时的参考,利用Geant4对特定中子能谱在CMOS(Complementary metal oxide semiconductor)器件中的能量沉积进行模拟,给出特定能谱下翻转截面σ与临界能量Ec的关系:σ=exp[-18.7×Ec-32.3],其中能量单位为Me V,截面单位为cm2。并且模拟了1-14 Me V的单能中子在含有互联金属钨及不含钨的CMOS中的沉积能量及单粒子翻转截面,得出在1-14 Me V内单粒子翻转截面随中子能量而增大,且钨的存在会增加α粒子的产额,从而增大了1-3 Me V中子的单粒子翻转截面,而对4-14 Me V中子基本不会产生影响。     

脉冲激光模拟SRAM器件单粒子翻转效应的试验方法研究

针对0.13 μm和0.35 μm工艺尺寸的两款商用SRAM器件进行了脉冲激光背部单粒子翻转效应试验方法研究。单粒子翻转效应主要测试单粒子翻转阈值和单粒子翻转截面,本文主要研究了激光聚焦深度、激光脉冲注量、测试模式和芯片配置的数据对测试两者的影响。试验结果表明：只有聚焦到芯片有源区才可测得最低的翻转阈值和最大的翻转截面,此时的结果与重离子结果基本一致;注量对翻转阈值测试无影响,但注量增大时翻转截面会减小,测试时激光脉冲注量应小于1×10⁷cm^-2;测试模式和存储数据对翻转阈值和翻转截面的影响不大,测试时可不考虑。     

加速器单粒子效应样品温度测控系统研制及实验应用

为满足国内半导体器件单粒子效应(SEE)截面与温度的关系研究需求,本文基于北京HI-13串列加速器SEE辐照实验终端研制了样品温度测控系统,实现了90~450K范围内实验样品温度的测量和控制,系统控制精度好于±1K。为验证系统可靠性,使用该系统研究了SRAM单粒子翻转(SEU)截面随温度的变化关系,在215~353 K范围内测量了SRAM翻转截面随温度的变化曲线。结果表明,SRAM SEU截面随温度的升高而增加,与理论预期结果一致。     

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     

重离子单粒子翻转截面与γ累积剂量的关系研究

应用^252Cf源和^60Coγ源进行单粒子翻转斋与γ累积剂量的关系研究，实验结果表明，静态加电和不加电状态下，γ累积剂量对单粒子翻转截面的影响不大，无明显的规律。动态测量状态下，在存储单元中写入相同数据时，器件的单粒子翻转截面随累积剂量的增加而增大。在实验中把存储单元中的数据相反，会使器件的单粒子翻转截面水经^60Coγ源辐照时的水平，甚至更低，从而抵消了累积剂量对单粒子翻转截面的影响。     

CMOS图像传感器单粒子效应及加固技术研究进展

互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)在空间应用时会受到单个粒子辐照影响,这通常会导致CIS采集图像出现异常,严重时会导致器件功能失效。本文从不同粒子的角度:重离子、质子、电子和中子,从CIS容易发生的单粒子效应类型:单粒子瞬态(Single Event Transient,SET)、单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)、单粒子闩锁(Single Event Latchup,SEL)、单粒子功能中断(Single Event Functional Interrupt,SEFI)等方面综述了CIS单粒子效应研究进展。简要介绍了CIS单粒子效应加固技术研究进展。分析总结了目前CIS单粒子效应及加固技术中亟待解决的问题,为今后深入开展相关研究提供理论参考。     

片上存储器单粒子翻转效应诊断及修复

研究了Zynq-7000片上存储器(OCM)的单粒子翻转效应(SEU),进行了SEU的诊断设计,可以及时诊断出OCM中发生SEU的具体位置以及具体数据位,能够实现对发生于OCM中的单位翻转和多位翻转诊断;进行了SEU修复的设计,可以准确地修复OCM中发生的SEU。能够利用较少的空间资源占用和运行时间实现OCM中SEU百分之百的诊断和修复。     

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。     

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。     

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。     

应用锎源实验结果预估空间轨道单粒子翻转率

在实验研究的基础上，分析了应用锎源实验结果预估空间轨道单粒子翻转率的可行性。以静态存储器的锎源单粒子翻转截面为例，分3种情况预估了该器件在地球同步轨道上的单粒子翻转率。结果表明，若器件的锎源单粒子翻转截面小于10^-10 cm²/bit，在地球同步轨道上的单粒子翻转率则应小于10^-8d^-1•bit^-1。     

单粒子翻转敏感区定位的脉冲激光试验研究

利用脉冲激光单粒子翻转敏感区定位成像系统,对静态随机存储器件IDT71256开展了单粒子翻转敏感区定位的试验研究。为避开器件正面金属层对激光的阻挡,试验采用背面辐照方式进行测试。试验结果表明,存储单元中存储数据类型对器件单粒子翻转的敏感性有较大影响,由测得的单粒子翻转敏感区分布图经处理得到单粒子翻转截面,结果与重离子试验测得的翻转截面数据一致。     

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。     

Azimuthal dependence of single-event and multiple-bit upsets in SRAM devices with anisotropic layout

Experimental evidence is presented showing obvious azimuthal dependence of single event upsets(SEU) and multiple-bit upset(MBU) patterns in radiation hardened by design(RHBD) and MBU-sensitive static random access memories(SRAMs), due to the anisotropic device layouts. Depending on the test devices, a discrepancy from 24.5% to 50% in the SEU cross sections of dual interlock cell(DICE) SRAMs is shown between two perpendicular ion azimuths under the same tilt angle. Significant angular dependence of the SEU data in this kind of design is also observed, which does not fit the inverse-cosine law in the effective LET method. Ion trajectory-oriented MBU patterns are identified, which is also affected by the topological distribution of sensitive volumes. Due to that the sensitive volumes are periodically isolated by the BL/BLB contacts along the Y-axis direction, double-bit upsets along the X-axis become the predominant configuration under normal incidence.Predominant triple-bit upset and quadruple-bit upset patterns are the same under different ion azimuths(Lshaped and square-shaped configurations, respectively). Those results suggest that traditional RPP/IRPP model should be promoted to consider the azimuthal and angular dependence of single event effects in certain designs.During earth-based evaluation of SEE sensitivity, worst case beam direction, i.e., the worst case response, should be revealed to avoid underestimation of the on-orbit error rate.