CMOS APS光电器件单粒子效应重离子试验研究

基于新型互补金属氧化物半导体有源像素传感器(ComplementaryMetalOxideSemiconductorActive Pixel Sensor, CMOS APS)光电器件的内部结构特点,分析了重离子对CMOS APS光电器件的影响,以及CMOS APS光电器件的单粒子效应敏感性。结合CMOS APS光电器件的结构特点和辐射影响分析,形成了基于监测数据逻辑状态和图像"白点"相结合的测试方法。在此基础上,利用重离子加速器进行了单粒子效应模拟试验。试验结果表明:当重离子线性能量传输(Linear Energy Transition, LET)低于9.01 MeV·cm2·mg-1时,像素阵列没有出现扰动现象,仅是电荷在像素阵列的不断累积。同时,试验获得单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)饱和截面对应的LET值约为42.0 MeV·cm2·mg-1。     

空间低剂量率辐射感生漏电流预估方法研究

本文给出了一种预估CMOS器件辐照感生漏电流的总剂量辐射响应模型,并利用模型计算了非加固C4007B和加固CC4007RH NMOS器件受不同γ射线剂量率辐射下的总剂量效应.研究结果表明,在实验室选用任意一特定剂量率进行辐射实验和室温退火,利用给定的模型可以预估其它剂量率辐射下的总剂量效应,并给出了CC4007RH和C4007B器件空间低剂量率(1×10-4-1×10-2 rad/s)环境下的漏电流的预估结果.     

基于GEANT4模拟分析不同能量质子在CMOS APS中的位移损伤研究

本文针对图像传感器在空间辐射环境中电学性能退化问题,采用蒙特卡罗方法基于互补金属氧化物半导体（CMOS）APS器件建立几何模型,开展不同能量质子与靶原子的相互作用过程研究。通过研究不同能量质子辐照下初级碰撞原子的能谱分布及平均位移损伤能量沉积随质子能量的变化,讨论不同能量质子及空间站轨道质子能谱下在CMOS APS器件中位移损伤的差异。计算结果表明：随着入射质子能量的增大,辐照产生的初级碰撞原子的最大能量及核反应产生的初级碰撞原子（PKA）对位移损伤能量沉积的贡献逐步增加;对于大于1 MeV的质子辐照,CMOS APS器件中位移损伤研究可忽略氧化层的影响;不同能量的质子和CREME96程序中空间站轨道质子能谱下器件中位移损伤能量沉积分布结果显示,35 MeV质子与该空间站轨道质子能谱在器件敏感区中产生的总位移损伤能量沉积相近。该工作对模拟空间站轨道质子辐照下电子器件暗电流增长研究中辐照实验的能量选择,提供了参考依据。     

诱发单粒子多位翻转的电荷分享研究

针对TSMC 0.18μm CMOS工艺分析了高能粒子入射漏区以及周围区域时NMOS管的电荷分享和电荷收集情况,并定量评估了节点隔离对电荷分享的影响.研究结果表明器件周围的区域比漏区更容易诱发多位翻转,因为高能粒子在器件周围区域产生的电子-空穴对在扩散作用下更容易到达各相邻灵敏单元,进而诱发多位翻转;节点隔离可以抑制电...     

基于高温抗辐照SOI CMOS工艺的器件特性研究

绝缘体上硅（SOI）技术因其独特的优势而广泛应用于辐射和高温环境中,研究不同顶层硅膜厚度（tSi）的器件特性,对进一步提升高温抗辐照SOI CMOS器件的性能至关重要。本工作首先通过工艺级仿真构建了N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOSFET）的模型,并对其进行了分析,基于仿真结果,采用015 μm抗辐照SOI CMOS工艺制备出具有不同硅膜厚度的实际器件,该工艺针对高温应用引入了设计与材料的优化。结果表明,薄硅膜和厚硅膜NMOSFET在150 krad(Si) 总剂量辐射下表现出相近的抗辐照加固性能,而前者在225 ℃高温下具有较小的漏电流,因此具有较薄硅膜的NMOSFET更适用于高温电子器件的制造。     

CMOS器件SEL效应电路级防护设计及试验验证

利用脉冲激光单粒子效应试验装置,开展了两种CMOS SRAM器件IDT71V416S和K6R4016V1D单粒子闭锁(SEL)效应的研究。基于CMOS电路结构SEL效应的机理及触发条件,分析两种CMOS器件的闩锁响应特性,设计了两种CMOS器件SEL效应防护电路,并探讨了两种防护电路的适用范围及限流电阻、恒流源电流的选取。利用脉冲激光和重离子辐照试验验证了两种防护方法的防护效果。结果表明,当器件工作电流和闩锁维持电流相差不大时,加入限流电阻虽能降低闩锁电流幅值,但电路不能自动退出闩锁状态。恒流源限流防护电路不但降低了SEL电流的幅值,而且自动退出闩锁状态,能更有效地减缓CMOS器件电路级闩锁效应。     

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。     

空间单粒子效应加速器模拟试验技术及应用

空间环境中存在大量的高能粒子，单个高能粒子穿过航天器壳体轰击到电子器件，引发器件逻辑状态翻转、功能异常等单粒子效应，进而影响航天器的可靠运行和任务达成。基于地面加速器辐照试验模拟空间单粒子效应是评估电子器件在空间应用时发生单粒子错误风险的重要手段，只有其抗单粒子效应的指标符合宇航应用要求的器件才能在航天器中使用。航天器面临的空间辐射粒子主要是重离子和质子，它们诱发的单粒子效应也最为显著。开展宇航器件单粒子效应地面模拟试验主要依托重离子加速器和质子加速器，为满足单粒子试验需求，需要研发大面积束流扩束及均匀化、高精度束流快速诊断等技术，以及满足大批量试验任务需求的高效试验终端，重点介绍中国原子能科学研究院的基于加速器的重离子单粒子效应模拟试验技术、质子单粒子效应模拟试验技术和用于器件辐射损伤敏感区识别的重离子微束技术，以及上述技术在宇航器件单粒子效应风险评估中的应用。     

单粒子效应TCAD数值仿真的三维建模方法

文中探讨了单粒子效应数值仿真建模的问题.首先,基于对单阱N+-P结构的二极管在重离子辐照下的TCAD仿真,研究电流脉冲和电荷收集特性对器件模型几何尺寸与比例的依赖关系,进一步给出了精确仿真单粒子效应所需的模型尺寸的实用标准.其次,讨论阱接触电极的位置对电流脉冲和电荷收集的影响,指出对阱接触的正确建模的必要性.     

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。     

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。     

14 nm FinFET器件单粒子瞬态特性研究

为评估鳍式场效应晶体管（FinFET）的本征抗辐射能力,本文通过三维工艺计算机辅助设计（TCAD）仿真研究了14 nm FinFET工艺的单粒子瞬态（SET）特性。研究结果表明,在不同的线性能量传输（LET）值及不同的入射位置下,FinFET器件具有不同的单粒子敏感性。SET脉冲宽度随LET值的增大而展宽。此外,SET特性与粒子轰击位置的关系呈现出复杂性。对于低LET值（LET≤1 MeV·cm2/mg）,SET特性与重离子的入射位置具有很强的依赖性;对于高LET值（LET＞10 MeV·cm2/mg）,由于加强了衬底的电荷收集,SET特性与粒子轰击位置的依赖性减弱。     

利用重离子束开展半导体器件单粒子效应的探讨

讨论了利用重离子研究宇航半导体器件单粒子效应（ＳＥＥ）时应重视的几个问题，即空间辐射环境中的重离子，粒子辐射对半导体器件的影响和利用重离子束进行ＳＥＥ测试，以及重离子和质子在器件单粒子效应研究中的关系，最后介绍单粒子翻转重离子显微学。     

CsI(Na)闪烁薄膜对重带电粒子时间响应实验研究

为发展具有粒子甄别能力的空间带电粒子辐射场测量的闪烁探测技术,本文采用单光子计数方法测量了片状CsI(Na)晶体在质子、锂离子和氧离子激发下的衰减时间曲线,结合CsI(Na)对脉冲X射线瞬态响应的波形分析,结果表明,CsI(Na)晶体对质子、重带电粒子和电子展示出完全不同的衰减时间特征。基于CsI(Na)材料的闪烁探测器在电流型计数模式下可望实现对高能电子、质子和重离子的分辨,从而为其用于空间辐射场测量的信号波形甄别奠定基础。     

CMOS APS用移位寄存器抗SEU加固方法

电离辐射环境中使用的CMOS 有源像素图像传感器(APS)的基于反相器的准静态移位寄存器容易发生单粒子翻转(SEU),而致使CMOS APS不能正常工作。本文对基于反相器的准静态移位寄存器中的单粒子翻转效应进行了分析,其对单粒子瞬态(SET)最敏感的节点存在于反相器的输入端,反相器的输入阈值电压和输入节点电容决定了其抗SEU的能力。提出了用施密特触发器代替反相器的加固方案,因施密特触发器的电压传输特性存在一滞回区间,所以有更高的翻转阈值,从而可获得更好的抗SEU能力。仿真结果表明,采用施密特触发器的移位寄存器结构较原电路结构的抗SEU能力提高了约10倍。     

SiC器件单粒子效应敏感性分析

新一代航天器需要使用耐高压、功率损耗低的第3代半导体SiC器件,为了给器件选用和抗辐射设计提供依据,以SiC MOSFET和SiC二极管为对象,进行单粒子效应敏感性分析。重离子试验发现,在较低电压下,重离子会在SiC器件内部产生永久损伤,引起漏电流增加,甚至单粒子烧毁。SiC MOSFET和SiC二极管试验结果类似。试验结果表明SiC器件抗单粒子能力弱,与器件类型关系不大,与SiC材料有关。为了满足空间应用需求,有必要进一步开展SiC器件辐射效应机理、试验方法和器件加固技术等研究。     

ZnO：Ga无机晶体对单重带电粒子响应研究

利用符合法原理，建立了ZnO：Ga晶体对单重带电粒子响应的标定方法，得到了该晶体对单α粒子的响应曲线，并对此进行了分析，根据等离子体时间的相对关系得到其对质子的时间响应范围。结果表明，ZnO：Ga晶体对α粒子响应的上升时间为324ps、半高宽为686ps，该晶体对重带电粒子具有非常好的响应特性，为伴随α粒子监测和发展新的辐射探测方法提供了新的选择。     

Soft error rate analysis based on multiple sensitive volume model using PHITS

Secondary cosmic-ray neutron-induced soft errors in an n-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistor are analyzed based on the multiple sensitive volume (MSV) model using Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS). The soft error rates (SERs) and the collected charge for each single event are compared with those obtained by PHits-HYenexss integrated code System for Effects of Radiation on Device (PHYSERD) based on the detailed technology computer-aided design (TCAD) simulation and by the single sensitive volume (SSV) model using PHITS. It is found that PHITS+MSV provides approximate SERs in a shorter time than PHYSERD by estimating collected charges without event-by-event TCAD simulation. Furthermore, PHITS+MSV reproduces collected charge for each single event more accurately than PHITS+SSV by considering spatial dependence of the charge collection efficiencies. Therefore, PHITS+MSV is the most suitable to estimate SERs in practical design of semiconductor devices which require high accuracy and a short computational time.