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.     

65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转错误率预估

质子单粒子效应是纳米工艺集成电路空间应用面临的主要辐射问题之一。本文开展了一款商业级65 nm工艺4 M×18 bit随机静态存储器（SRAM）质子单粒子翻转实验研究。针对地球同步轨道、低地球轨道,使用Space Radiation 7.0程序,预估了低能质子、高能质子和重离子引起的错误率。错误率预估分析结果表明,不同轨道及环境模型下低能质子错误率占总错误率的比例范围为1%~86%,其中太阳质子事件、地球俘获带等环境模型中低能质子单粒子翻转引起的错误率占主导,建议空间应用的元器件对低能质子不敏感。     

光电耦合器4N49单粒子瞬态脉冲效应的试验研究

通过脉冲激光模拟单粒子效应,对光电耦合器4N49的单粒子瞬态脉冲（SET）效应进行了试验研究。在10V工作电压下,获取了4N49在特定线性能量传输（LET）值下的SET波形特征及其变化规律,得到了器件SET效应的等效LET阈值为10MeV•cm²•mg^-1,而饱和截面数值则高达1.2×10^-3cm²。试验验证了4N49的SET效应对后续数字电路的影响状况,定量研究了SET效应减缓电路的有效性,通过设计合理的电路参数可将器件在5V工作电压下的SET效应阈值由7.89MeV•cm²•mg^-1提高至22.19MeV•cm²•mg^-1。4N49的SET效应试验研究为光电耦合器SET效应的测试及防护措施的有效性验证提供了新的试验方法。     

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。     

钨-铜合金影锥屏蔽体屏蔽性能的MCNP程序计算

利用MCNP程序对影锥屏蔽体的屏蔽性能进行计算和深入分析。结果表明：影锥屏蔽体对于周围及样品造成的散射中子本底影响低于1.4%。中子穿透影锥屏蔽体而产生的γ射线泄漏率为10^-16～10^-14数量级，对于中子散射微分截面的实验测量，其影响可以忽略不计。W-Cu合金影锥屏蔽体的设计模型符合设计标准，就飞行距离为4～10 m的范围而言，影锥屏蔽体可使源中子注量衰减10^-7，屏蔽效果显著。     

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。     

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。     

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。     

基于SnF2靶样的加速器质谱测量裂变产物126Sn的方法研究

在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器质谱系统上建立了以SnF₂为靶样,引出SnF₃^-分子负离子形式的¹²⁶Sn-AMS分析方法。介绍了用于AMS测量的¹²⁶Sn实验室参考标准的研制以及靶物质SnF₂的化学制备过程,通过引束实验确定了可将同量异位素¹²⁶Te本底干扰压低2～3个量级的SnF₃^-分子负离子引出形式,实现了¹²⁶Sn束流的传输以及同量异位素的探测和鉴别。对制备的3个标准样品（¹²⁶Sn/Sn原子个数比为1.033×10^-8、4.54×10^-9、6.43×10^-10）的测量结果显示,¹²⁶Sn/Sn原子个数比测量值与标称值呈良好的线性关系（R²=0.999）,通过测量空白样品获得系统探测¹²⁶Sn测量的灵敏度为（1.92±1.13）×10^-10。     

静态随机存取存储器重离子单粒子翻转效应实验研究

应用重离子加速器和 2 52 Cf源进行单粒子翻转效应实验 ,测量得到 IDT系列和 HM系列静态随机存取存储器的单粒子翻转重离子 L ET阈值为 4～ 8Me V· cm2 /mg,单粒子翻转饱和截面为 10 -7cm2 · bit-1量级 ,位单粒子翻转截面随集成度的提高而减小。实验结果表明 ,可以用 2 52 Cf源替代重离子加速器测量静态随机存取存储器的单粒子翻转饱和截面     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

pA量级质子束流测量系统

研制的质子束流测量系统,本底电流仅为１０＾－１４Ａ量级,可测最大电流达ｍＡ量级。在质子单粒子效应实验中,测得了ｐＡ量级的质子束及其随时间变化的关系,为半导体体器件粒子翻转截面的计算提供了必需的数据。     

Experimental study on heavy ion single event effects in SOI SRAMs

Silicon-on-insulator (SOI) technologies have been developed for radiation-hardened military and space applications. The use of SOI has been motivated by the full dielectric isolation of individual transistors, which prevents latch-up. The sensitive region for charge collection in SOI technologies is much smaller than for bulk-silicon devices potentially making SOI devices much harder to single event upset (SEU). In this study, 64 kB SOI SRAMs were exposed to different heavy ions, such as Cu, Br, I, Kr. Experimental results show that the heavy ion SEU threshold linear energy transfer (LET) in the 64 kB SOI SRAMs is about 71.8 MeV cm²/mg. Accorded to the experimental results, the single event upset rate (SEUR) in space orbits were calculated and they are at the order of 10⁻¹³ upset/(day bit).     

Effectiveness and failure modes of error correcting code in industrial 65 nm CMOS SRAMs exposed to heavy ions

Single event upsets （SEUs） induced by heavy ions were observed in 65 nm SRAMs to quantitatively evaluate the applicability and effectiveness of single-bit error correcting code （ECC） utilizing Hamming Code. The results show that the ECC did improve the performance dramatically, with the SEU cross sections of SRAMs with ECC being at the order of 10-11 cm2/bit, two orders of magnitude higher than that without ECC （at the order of 10-9 cm2/bit）. Also, ineffectiveness of ECC module, including 1-, 2- and 3-bits errors in single word （not Multiple Bit Upsets）, was detected. The ECC modules in SRAMs utilizing （12, 8） Hamming code would lose work when 2-bits upset accumulates in one codeword. Finally, the probabilities of failure modes involving 1-, 2- and 3-bits errors, were calcaulated at 39.39%, 37.88% and 22.73%, respectively, which agree well with the experimental results.