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.     

脉冲激光和重离子辐照FPGA产生的多位翻转效应的比较

以SRAM型FPGA为试验对象,研究脉冲激光模拟重离子产生单粒子多位翻转效应的可行性。FPGA的多位翻转依据其物理位置关系的不同分为3种类型:同帧同字节、同帧相邻字节和相邻帧。针对Virtex-ⅡFPGA分别进行脉冲激光与重离子的单粒子多位翻转效应的测试,对比脉冲激光和重离子在Virtex-ⅡFPGA产生多位翻转的类型、多位翻转的物理位置关系。结果表明,脉冲激光触发的Virtex-ⅡFPGA的多位翻转物理位置关系与重离子相同,对比脉冲激光与重离子的饱和翻转截面发现,应用脉冲激光和重离子得到的Virtex-Ⅱ饱和翻转截面基本一致,表明脉冲激光可模拟重离子研究Virtex-ⅡFPGA的多位翻转效应。     

FPGA单粒子效应的脉冲激光试验方法研究

通过测试基于静态随机存储器（SRAM）的现场可编程门阵列（FPGA）芯片的单粒子效应,研究脉冲激光的试验方法,评估脉冲激光试验单粒子效应的有效性。研究表明,激光光斑聚焦深度和激光注量是影响脉冲激光单粒子效应试验的重要因素。试验发现,脉冲激光在较高能量时,单个激光脉冲会触发多个配置存储位发生单粒子翻转,造成芯片饱和翻转截面偏大。激光辐照芯片时,观察到芯片的内核工作电流以1～2 mA的幅度逐渐增加,在此期间器件工作正常。试验获得了Virtex 2 FPGA芯片的静态单粒子翻转截面和翻转阈值。通过对比激光与重离子的试验结果发现,二者在测试器件单粒子翻转方面基本一致,脉冲激光可有效研究芯片的单粒子效应特性。     

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。     

SRAM型FPGA的静态与动态单粒子效应试验

静态随机存取存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)在空间电子设备中取得了广泛的应用。但它内部大量的SRAM型存储单元极易发生单粒子软错误,特别是配置存储器中的单粒子翻转,有可能改变整个电路的结构,给其空间应用带来严重的可靠性问题。因此,有必要开展地面加速器模拟试验以评价该器件对单粒子效应的敏感程度,且对系统在空间中的失效行为进行预估。本工作在重离子加速器上对Xilinx的Virtex系列FPGA进行了单粒子效应试验,取得了典型器件的静态单粒子翻转截面曲线。针对3个测试电路进行的动态测试表明,系统的失效率远低于内部存储器发生翻转的频率,也不能简单地用资源占用率来进行估计。     

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。     

重离子辐照引发的25nm NAND Flash存储器数据位翻转

为研究不同注量下浮栅存储单元位翻转特点及其翻转截面变化，以及重离子入射导致的多单元翻转，以两款25 nm NAND Flash存储器为载体开展了重离子实验研究。实验结果表明，单个重离子在击中存储单元灵敏体积的情况下足以引起位翻转，位翻转比率随着注量累积基本呈线性变化。由于处于编程状态阈值电压分布低压区的存储单元倾向于在相邻或靠近的地址上集中分布，随着注量累积，这类存储单元数量迅速减少，而其他大量存储单元的翻转数增长率变化不明显，因此位翻转截面随注量累积呈下降趋势。重离子导致两款器件出现多单元翻转，多单元翻转呈现单列、双列以及列间隔等结构。利用离子电离径迹模型估算得到离子电离有效径迹半径，可以判定多单元翻转是由于一个离子的电离有效径迹覆盖了多个存储单元。     

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。     

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。     

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.     

铁电存储器激光微束单粒子效应试验研究

利用脉冲激光微束单粒子效应(SEE)模拟装置,研究了铁电存储器(FRAM)工作频率对其单粒子翻转(SEU)的影响。研究结果表明,随工作频率的降低,被测器件SEU截面显著增大,且翻转是由外围电路引发的。被测芯片1→0翻转截面明显大于0→1翻转截面。对FRAM工作时序及不同芯片使能信号(CE)占空比下SEU截面的分析表明,频率降低导致的CE有效时间延长与SEU截面的增大有直接关系。本文同时开展了FRAM不同功能模块的单粒子锁定(SEL)敏感性试验,获得了相应的SEL阈值能量和饱和截面,并研究了静态和动态工作模式下由SEL引发的数据翻转情况,发现动态模式下被测器件更易受SEL影响而发生翻转。     

Verification of SEU resistance in 65 nm high-performance SRAM with dual DICE interleaving and EDAC mitigation strategies

A dual double interlocked storage cell(DICE)interleaving layout static random-access memory(SRAM)is designed and manufactured based on 65 nm bulk com-plementary metal oxide semiconductor technology.The single event upset(SEU)cross sections of this memory are obtained via heavy ion irradiation with a linear energy transfer(LET)value ranging from 1.7 to 83.4 MeV/(mg/cm2).Experimental results show that the upset threshold(LETth)of a 4 KB block is approximately 6 MeV/(mg/cm2),which is much better than that of a standard unhardened SRAM with an identical technology node.A 1 KB block has a higher LETth of 25 MeV/(mg/cm2)owing to the use of the error detection and correction(EDAC)code.For a Ta ion irradiation test with the highest LET value(83.4 MeV/(mg/cm2)),the benefit of the EDAC code is reduced significantly because the multi-bit upset pro-portion in the SEU is increased remarkably.Compared with normal incident ions,the memory exhibits a higher SEU sensitivity in the tilt angle irradiation test.Moreover,the SEU cross section indicates a significant dependence on the data pattern.When comprehensively considering HSPICE simulation results and the sensitive area distri-butions of the DICE cell,it is shown that the data pattern dependence is primarily associated with the arrangement of sensitive transistor pairs in the layout.Finally,some sug-gestions are provided to further improve the radiation resistance of the memory.By implementing a particular design at the layout level,the SEU tolerance of the memory is improved significantly at a low area cost.Therefore,the designed 65 nm SRAM is suitable for electronic systems operating in serious radiation environments.     

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。     

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。     

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。     

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。