电离总剂量对纳米SRAM器件单粒子翻转敏感性的影响

电离总剂量（TID）与单粒子效应（SEE）是纳米SRAM器件在航天应用中的主要威胁。随着CMOS工艺的进步,两种辐射效应在纳米SRAM器件中的协同效应出现了一些新现象,有必要进一步开展深入研究。利用γ射线以及不同种类重离子对两款纳米SRAM器件开展了辐照实验,研究了不同辐照参数、测试模式以及数据图形条件下,电离总剂量对单粒子翻转（SEU）敏感性的影响。研究结果表明,γ射线辐照过后,存储单元中反相器开关阈值减小,漏电流增大,导致SRAM存储单元抗翻转能力降低,SEU截面有明显增大;未观察到"印记效应",数据图形对测试结果没有明显影响;多位翻转（MBU）比例无明显变化。     

重离子产生δ电子对SRAM单粒子翻转的影响

随着微电子器件集成度增加,由入射离子在器件灵敏区内引起的δ电子分布对器件单粒子效应的影响越来越显著;尤其是它极易引发多位翻转,严重影响设计加固的有效性。首先利用蒙特卡罗软件包Geant4模拟得到重离子在器件灵敏区内产生的δ电子分布,分析得出以下规律:入射离子单核能越高,其产生δ电子分布的径向范围越大;单核能相同的不同种离子,原子序数越大其产生的δ电子密度越大。其次,通过模拟一款45 nm静态随机存储器的单粒子翻转效应,说明δ电子和灵敏区分布共同影响器件的多位翻转。当器件灵敏区间距一定时,多位翻转率随入射离子能量的升高先上升后下降;在多位翻转率峰值和布喇格峰之间,多位翻转率随入射离子线性能量传输(LET)值的升高而降低,在该区域两侧多位翻转率随离子LET值的升高而升高。     

重离子在14-nm FinFET SRAM器件引起的单粒子翻转

通过重离子实验研究了14-nm FinFET工艺静态随机存取存储器(SRAM)的单粒子翻转(SEU)特性。通过使用Weibull函数拟合SEU截面获得该器件的线性能量转移(LET)阈值:0.1 MeV/(mg/cm2)。对多位翻转(MBU)贡献的统计结果表明,当LET等于40.3 MeV/(mg/cm2)时,MBU的占比超过95%。此外,FinFET SRAM的SEU截面呈现出与Fin相关的入射角度的各向异性。该研究对基于FinFET工艺的抗辐射CMOS集成电路(IC)的设计具有一定的指导作用。     

基于重离子试验数据预测纳米加固静态随机存储器质子单粒子效应敏感性

为实现对纳米DICE (dual interlocked cell)加固器件抗质子单粒子能力的准确评估,通过对65 nm双DICE加固静态随机存储器(static random access memory, SRAM)重离子单粒子翻转试验数据的分析,获取了其在重离子垂直和倾角入射时的单粒子翻转(single event upset, SEU)阈值以及离子入射最劣方位角,并结合蒙卡仿真获取不同能量质子与器件多层金属布线层发生核反应产生的次级粒子LET(linear energy transfer)值最大值以及角度分布特性,对器件在不同能量下的质子单粒子效应敏感性进行了预测,质子单粒子效应实验结果验证了预测方法的有效性以及预测结果的准确性,并提出针对DICE加固类器件在重离子和质子单粒子效应试验评估中均应开展离子最劣方位角下的倾角入射试验.     

静态单粒子翻转截面的获取及分类

 为了评估静态随机访问存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)器件的单粒子效应,寻求单粒子翻转敏感部位,以XCV300PQ240为实验样品,利用重离子辐照装置详细测试了该器件的静态翻转截面,并根据配置存储单元用途的不同,对翻转数据进行了分类。结果表明：SRAM型FPGA的内部存储单元对单粒子翻转效应十分敏感;配置存储器翻转主要由查找表(LUT)及互连线资控制位造成,这两者的翻转占总翻转数的97.46%;配置存储器中各类资源的单粒子翻转(SEU)敏感性并不一致,输入输出端口(IOB)控制位和LUT的单粒子翻转的敏感性远高于其它几类资源,但LUT在配置存储器中占有很大比例,在加固时应予以重点考虑。     

空间高能离子在纳米级SOI SRAM中引起的单粒子翻转特性及物理机理研究

基于蒙特卡罗方法研究空间高能离子在65—32 nm绝缘体上硅静态随机存取存储器(SOI SRAM)中产生的灵敏区沉积能量谱、单粒子翻转截面和空间错误率特性及内在的物理机理.结果表明:单核能为200 MeV/n的空间离子在60—40 nm厚的灵敏区中产生的能损歧离导致纳米级SOI SRAM在亚线性能量转移阈值区域出现单粒子翻转;宽的二次电子分布导致灵敏区仅能部分收集单个高能离子径迹中的电子-空穴对,致使灵敏区最大和平均沉积能量各下降25%和33.3%,进而引起单粒子翻转概率降低,以及在轨错误率下降约80%.发现俘获带质子直接电离作用导致65 nm SOI SRAM的在轨错误率增大一到两个数量级.     

静态随机存储器单粒子翻转效应三维数值模拟

针对特征尺寸为1.5 μm的国产静态随机存储器（SRAM）,构建了三维SRAM存储单元模型,并对重离子引起的SRAM单粒子翻转效应进行了数值模拟.计算并分析了单粒子引起的单粒子翻转和电荷收集的物理图像,得到了SRAM器件的单粒子翻转截面曲线.单粒子翻转的数值模拟结果与重离子微束、重离子宽束实验结果比较一致,表明所建立的三维器件模型可以用来研究SRAM器件的单粒子翻转效应. 关键词： 三维数值模拟 单粒子翻转 微束 宽束     

静态随机存储器单粒子效应的角度影响研究

利用兰州重离子加速器加速的高能离子研究了入射角度对IDT71256的单粒子翻转截面和多位翻转比例的影响.研究表明：在大角度掠射轰击下单粒子翻转截面的增大包括了多位翻转的贡献；离子在器件敏感层中沉积的能量及其横向分布是影响多位翻转的两个重要参数，IDT71256发生三位以上多位翻转的比例随着离子入射角度的增大而增加. 关键词： 静态存储器 单粒子翻转 多位翻转 沉积能量 横向分布     

欧空局监测器单粒子翻转能量和角度相关性

结合欧空局推广需求,以及国内加速器和国际加速器比对的愿望,将欧空局单粒子翻转监测器(Europe space agency single event upset monitor,ESA SEU Monitor)成功应用于国内串列重离子加速器束流标定.通过和欧洲主要加速器的数据结果进行比对,分析系统内部单粒子翻转物理位图,验证了串列加速器在重离子束流监测技术方面的准确性.结合多方试验数据,观察到在低LET(linear energy transfer)单粒子翻转截面曲线亚阈区,相同LET值不同能量重离子引起ESA SEU Monitor翻转截面相差1—3个量级.采用基于试验数据的方法,确定了器件灵敏体积的几何尺寸、临界电荷以及收集效率,通过蒙特卡罗仿真揭示了ESA SEU Monitor单粒子翻转能量相关性的物理机理.同时针对试验中低LET值倾斜角度时,ESA SEU Monitor存储阵列中不同模块单粒子翻转所表现的敏感性差异,基于对器件结构的分析和计算验证,表明低LET重离子倾斜入射时,离子穿过不同模块灵敏区上方层间介质的差异是引起单粒子翻转角度相关性的根本原因.     

纳米DDR SRAM器件重离子单粒子效应试验研究

针对90 nm和65 nm DDR（双倍数率）SRAM器件,开展与纳米尺度SRAM单粒子效应相关性的试验研究。分析了特征尺寸、测试图形、离子入射角度、工作电压等不同试验条件对单粒子翻转（SEU）的影响和效应规律,并对现有试验方法的可行性进行了分析。研究表明:特征尺寸减小导致翻转截面降低,测试图形和工作电压对器件单粒子翻转截面影响不大;随着入射角度增加,多位翻转的增加导致器件SEU截面有所增大;余弦倾角的试验方法对于纳米器件的适用性与离子种类和线性能量转移（LET）值相关,具有很大的局限性。     

Geant4 simulation of proton-induced single event upset in three-dimensional die-stacked SRAM device

Geant4 Monte Carlo simulation results of the single event upset(SEU) induced by protons with energy ranging from0.3 MeV to 1 GeV are reported.The SEU cross section for planar and three-dimensional(3 D) die-stacked SRAM are calculated.The results show that the SEU cross sections of the planar device and the 3 D device are different from each other under low energy proton direct ionization mechanism,but almost the same for the high energy proton.Besides,the multi-bit upset(MBU) ratio and pattern are presented and analyzed.The results indicate that the MBU ratio of the 3 D die-stacked device is higher than that of the planar device,and the MBU patterns are more complicated.Finally,the onorbit upset rate for the 3 D die-stacked device and the planar device are calculated by SPACE RADIATION software.The calculation results indicate that no matter what the orbital parameters and shielding conditions are,the on-orbit upset rate of planar device is higher than that of 3 D die-stacked device.     

14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比

使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流,开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究,发现相比于65 nm器件,14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降至约1/40,而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%,源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm×30 nm×45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小.不同于65 nm器件对热中子免疫的现象,14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性.进一步的中子输运仿真结果表明,高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因,而单粒子翻转主要来自于p,He,Si等轻离子的贡献.     

基于蒙特卡洛和器件仿真的单粒子翻转计算方法

文章提出了一种基于蒙特卡洛和器件仿真的存储器单粒子翻转截面获取方法,可以准确计算存储器单粒子效应,并定位单粒子翻转的灵敏区域.基于该方法,计算了国产静态存储器和现场可编程门阵列(FPGA)存储区的单粒子效应的截面数据,仿真结果和重离子单粒子效应试验结果符合较好.仿真计算揭示了器件单粒子翻转敏感程度与器件n,p截止管区域面积相关的物理机理,并获得了不同线性能量转移(LET)值下单粒子翻转灵敏区域分布.采用蒙特卡洛方法计算了具有相同LET、不同能量的离子径迹分布,结果显示高能离子的电离径迹半径远大于低能离子,而低能离子径迹中心的能量密度却要高约两到三个数量级.随着器件特征尺寸的减小,这种差别的影响将会越来越明显,阈值LET和饱和截面将不能完全描述器件单粒子效应结果.     

Neutron-induced single event upset simulation in Geant4 for three-dimensional die-stacked SRAM

Three-dimensional integrated circuits(3D ICs)have entered into the mainstream due to their high performance,high integration,and low power consumption.When used in atmospheric environments,3D ICs are irradiated inevitably by neutrons.In this paper,a 3D die-stacked SRAM device is constructed based on a real planar SRAM device.Then,the single event upsets(SEUs)caused by neutrons with different energies are studied by the Monte Carlo method.The SEU cross-sections for each die and for the whole three-layer die-stacked SRAM device is obtained for neutrons with energy ranging from 1 MeV to 1000 MeV.The results indicate that the variation trend of the SEU cross-section for every single die and for the entire die-stacked device is consistent,but the specific values are different.The SEU cross-section is shown to be dependent on the threshold of linear energy transfer(LETth)and thickness of the sensitive volume(Tsv).The secondary particle distribution and energy deposition are analyzed,and the internal mechanism that is responsible for this difference is illustrated.Besides,the ratio and patterns of multiple bit upset(MBU)caused by neutrons with different energies are also presented.This work is helpful for the aerospace IC designers to understand the SEU mechanism of 3D ICs caused by neutrons irradiation.     

中子引起单粒子翻转过程中能量沉积统计分析

利用Monte Carlo方法,对14MeV中子引起存储器单粒子翻转过程进行了计算模拟,从而对引起单粒子翻转的关键因素——存储器灵敏区中的能量沉积进行了统计分析,为了解单粒子翻转随机过程提供了详细的能量沉积统计信息。The process of the single event upset induced by 14 MeV neutrons in SRAM silicon chip is simulated by using a Monte Carlo method. The deposited energies in sensitive volumes in the chip, which is an important factor in the single event upset, are statistically analysed. The statistic information about the deposited energies is provided for understanding the detailed random process of the single event upset.