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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

静态随机存储器单粒子翻转效应的二维数值模拟

采用MEDICI二维模拟软件对静态存储器SRAM的单粒子翻转(SEU)现象进行了计算。对MOSFET漏区模拟得到的结果与电荷漏斗模型相吻合,表明所建立的物理模型的正确性。通过输入不同粒子的线性能量传输LET值,得到了某一结构器件的收集电荷与LET值的关系曲线,并给出临界电荷7 73×10-14C。     

PDSOI SRAM单元的单粒子加固方法

通过MEDICI的二维器件模拟,提出不仅在正栅下的体区受到单粒子入射后释放电荷,漏极也可以在受到单粒子入射后释放干扰电荷。对SOI SRAM单元中器件的漏极掺杂浓度进行优化,可以减小漏极受到单粒子入射所释放的电荷。改进了SOI SRAM的单元结构,可以提高SRAM抗单粒子翻转（SEU）的能力。     

利用重离子微束确定国产2K SRAM单粒子翻转敏感区域

在HI-13串列加速器重离子微束单粒子效应辐射装置上,使用入射能量为145MeV的79Br离子,经2μm×3μm的针孔准直后,辐照存储容量为2K的静态随机存储器(SRAM),通过测量单粒子翻转(SEU)与入射束流位置之间的关系(即SEU成像技术),确定了该存储器存储单元内部的SEU敏感区域的位置和面     

核反应影响半导体器件单粒子翻转的Geant4仿真

利用MC工具Geant4研究核反应对于半导体器件单粒子翻转效应(SEU)的影响,构建了研究的一般方法。辐照过程中电学与核反应物理过程的作用决定器件中敏感单元产生的淀积电荷量的分布,核反应的物理过程对于沉积较高电荷量的贡献很大。此外,利用Geant4分析静态随机存储器(SRAM)敏感单元上的后段互连材料钨对于单粒子翻转的反应截面的影响,并进行了模拟仿真。模拟结果表明,钨层的存在会加重存储器件的单粒子翻转效应。     

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。     

SEU-hardened silicon bipolar and GaAs MESFET SRAM cells using localredundancy techniques

Silicon bipolar and GaAs FET SRAMs have proven to be more difficult to harden with respect to single-event upset (SEU) mechanisms than have silicon CMOS SRAMs. This is a fundamental property of bipolar and JFET or MESFET device technologies which do not have a high-impedance, nonactive isolation between the control electrode and the current of voltage being controlled. All SEU circuit-level hardening techniques applied at the local cell level must use some type of information storage redundancy so that information loss on one node due to an SEU event can be recovered from information stored elsewhere in the cell. Several approaches to the use of local redundancy in bipolar and FET technologies are discussed. At the expense of increased cell complexity and increased power consumption and write time, several approaches are capable of providing complete SEU hardness at the local cell level     

Single event effects in static and dynamic registers in a 0.25μm CMOS technology

We have studied single event effects in static and dynamic registers designed in a quarter micron CMOS process. In our design, we systematically used guardrings and enclosed (edgeless) transistor geometry to improve the total dose tolerance. This design technique improved both the SEL and SEU sensitivity of the circuits. Using SPICE simulations, the measured smooth transition of the cross-section curve between LET threshold and saturation has been traced to the presence of four different upset modes, each corresponding to a different critical charge and sensitive area. A new architecture to protect the content of storage cells has been developed, and a threshold LET around 89 MeV cm ² mg^-1 has been measured for this cell at a power supply voltage of 2 V     

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     

CMOS APS光电器件单粒子效应电荷收集特性仿真分析

卫星在轨飞行期间,星载电子器件将不可避免地遭受空间带电粒子的辐射,随着半导体技术的不断进步,电子器件的单粒子效应敏感性越来越高,已经成为一个影响其可靠性的重要因素。互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor,CMOS APS)光电器件因其低功耗、小体积和微重量的优点已成为遥感卫星成像的重要发展方向。为获取CMOS APS光电器件在遭受带电粒子辐射后性能变化的特征,在分析SOI MOSFET(Silicon on Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)结构和特性的基础上,通过理论分析和数值模拟,分析了重离子在CMOS APS光电器件中引起的辐射损伤,分析晶体管和光电二极管的电荷收集机理。通过TCAD(Technology Computer Aided Design)模拟了电荷收集过程,分析了影响漏电流变化的直接因素,获得了重离子LET(Linear Energy Transition)值、入射位置以及器件偏置电压与漏电流的相互关系,为后续CMOS APS的重离子模拟试验以及抗辐射加固设计提供了理论支撑。     

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。     

A Comparison of Linac and 60Co Response of the CD4007UBE CMOS Inverter

The n-channel saturated threshold voltage shift of a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) inverter was measured as a function of average and peak dose rate irradiation derived from an electron linear accelerator (LINAC). At peak dose rates below 108 rad(Si)/s, the results are dose-rate-independent and comparable to those obtained using a steady-state 60Co source; at higher peak dose rates, less damage per unit dose was observed.