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。     

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。     

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。     

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.     

Predictive approach of SEU occurrence induced by neutron in SRAM and EEPROM

A simulation approach is developed to obtain the linear energy transfer(LET) spectrum of all secondary ions and predict single event upset(SEU) occurrence induced by neutron in memory devices. Neutron reaction channels, secondary ion species and energy ranges, and LET calculation method are introduced respectively. Experimental results of neutron induced SEU effects on static random access memory(SRAM) and programmable read only memory(EEPROM) are presented to confirm the validity of the simulation results.     

Proton induced single event upset cross section prediction for 0.15 μm six-transistor (6T) silicon-on-insulator static random access memories

In this paper, an efficient physics-based method to estimate the saturated proton upset cross section for six-transistor (6T) silicon-on-insulator (SOI) static random access memory (SRAM) cells using layout and technology parameters is proposed. This method calculates the effects of radiation based on device physics. The simple method handles the problem with ease by SPICE simulations, which can be divided into two stages. At first, it uses a standard SPICE program to predict the cross section for recoiling heavy ions with linear energy transfer (LET) of 14 MeV-cm²/mg. Then, the predicted cross section for recoiling heavy ions with LET of 14 MeV-cm²/mg is used to estimate the saturated proton upset cross section for 6T SOI SRAM cells with a simple model. The calculated proton induced upset cross section based on this method is in good agreement with the test results of 6T SOI SRAM cells processed using 0.15 μm technology.     

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。     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。     

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。     

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。     

欧空局单粒子监督器在北京HI-13串列加速器上的单粒子效应校核实验

为检验北京HI-13串列加速器单粒子效应(SEE)实验能力与数据测量的可靠性,利用束流参数校核系统——欧空局单粒子监督器进行了单粒子效应校核实验。实验使用C、F、Cl、Cu 4种离子辐照单粒子监督器,通过改变入射角度获得了有效LET值在1.8~67.4 MeV·cm~2·mg~(-1)之间的单粒子翻转(SEU)截面数据。实验结果与比利时HIF、芬兰RADEF装置上测得的截面数据一致性较好,证实了北京HI-13串列加速器单粒子效应实验束流参数测量的准确性及截面数据测试的可靠性。     

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。     

重离子单粒子效应实验研究

在HI—l3串列加速器上建立了对微电子器件进行单粒子效应模拟实验的辐照和检测技术。利用该Q3D磁谱仪获得种类和能量单一、强度分布均匀且足够弱的重离子辐照源，利用散射室内的半导体探测器和焦面上的位置灵敏半导体探测器监测辐照离子。用该装置和技术测量了在8个传能线密度(LET)值的重离子辐照下引起的几个存储器器件的单粒子翻转（SEI）截面o(L)。从测得的o(L)——LET曲线，结合空间重离子和质子辐照环境模型以及离子与微电子器件相互作用模型计算，预言了器件在空间的单粒子翻转率。     

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。     

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.     

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。     

重离子和脉冲激光模拟单粒子翻转阈值等效性研究

根据重离子和脉冲激发诱发单粒子翻转机理,分析了重离子和脉冲激光模拟单粒子翻转阈值（激光能量与重离子线性能量转移（LET））等效方法，得出脉冲激光与重离子单粒子翻转阈值等效计算公式。应用实验室的激光模拟单粒子效应试验系统，开展了几种器件和集成电路的单粒子翻转实验研究。利用获得的计算公式计算激光等效LET阈值，并与国内外重离子实测数据进行比较。结果表明，脉冲激光能量等效LET阈值与重离子试验LET阈值较为一致。     

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     

Prediction of error rates in dose-imprinted memories on board CRRESby two different methods

An analysis of the expected space radiation effects on the single event upset (SEU) properties of CMOS/bulk memories onboard the Combined Release and Radiation Effects Satellite (CRRES) is presented. Dose-imprint data from ground test irradiations of identical devices are applied to the predictions of cosmic-ray-induced space upset rates in the memories onboard the spacecraft. The calculations take into account the effect of total dose on the SEU sensitivity of the devices as the dose accumulates in orbit. Estimates of error rates, which involved an arbitrary selection of a single pair of threshold linear energy transfer (LET) and asymptotic cross-section values, were compared to the results of an integration over the cross-section curves versus LET. The integration gave lower upset rates than the use of the selected values of the SEU parameters. Since the integration approach is more accurate and eliminates the need for an arbitrary definition of threshold LET and asymptotic cross section, it is recommended for all error rate predictions where experimental σ-versus-LET curves are available     

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。