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。     

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.     

Geant4模拟δ电子对单粒子翻转的影响

利用Geant4蒙特卡洛程序包, 基于RPP (Rectangular ParallelePiped Volume)模型构建SRAM器件单元的灵敏体积, 编写了重离子在器件材料中的输运程序和单粒子翻转截面计算方法, 得到了简化器件结构的单粒子翻转截面σ与线性能量转移LET的关系曲线, 计算得到的翻转LET阈值和饱和截面与实验结果基本一致。模拟获得了LET值为99.69 MeV/(cm-2·mg)的Bi离子及LET值为69 MeV/(cm-2·mg)的Bi离子和Xe离子在器件材料中产生的δ电子分布图像,讨论了δ电子分布对翻转截面的影响。 计算了灵敏体积中能量沉积与δ电子分布的关系,认为δ电子分布对单粒子效应的影响随着器件的特征尺寸减小将更加严重。In this paper, the sensitive volume of SRAMs was constructed based on RPP(Rectangular ParallelePiped Volume) model using the Monte-Carlo code Geant4. The interactions of heavy ion with materials and the SEU(Single Event Upset) cross section calculation method were presented in the program. The SEU cross section curves with the linear energy deposition ware obtained. The SEU threshold value and saturation cross section were consistent with the testing data with heavy ions beam. The δ electrons distribution were different in the device material, which were generated by Bi ion with LETs of 99.67 MeV/(cm2·mg) and Bi ion, Xe ion with LETs of 69 MeV/(cm-2·mg). These results indicate δ electrons distribution impacts on the SEU cross section. According to the relation of energy deposition in the sensitive volume, the δ electrons distribution have more and more important effect on the Single Event Effect with reducing the feature size of semiconductor devices.     

15.14MeV/u 136Xe离子引起的单粒子效应

研究了15.14MeV/u ¹³⁶Xe离子在不同批次的32k×8bits静态存储器中所引起的单粒子效应.获得了单粒子翻转和单粒子闭锁截面与入射角度的依赖关系.将单粒子效应截面与灵敏区中沉积的能量相联系,而不是线性能量转移(LET)值.估计了灵敏体积的深度和死层的厚度.     

纳米静态随机存储器低能质子单粒子翻转敏感性研究

针对65, 90, 250 nm三种不同特征尺寸的静态随机存储器基于国内和国外质子加速器试验平台, 获取了从低能到高能完整的质子单粒子翻转截面曲线. 试验结果表明, 对于纳米器件1 MeV以下低能质子所引起的单粒子翻转截面比高能质子单粒子翻转饱和截面最高可达3个数量级. 采用基于试验数据和器件信息相结合的方法, 构建了较为精确的复合灵敏体积几何结构模型, 在此基础上采用蒙特卡罗方法揭示了低能质子穿过多层金属布线层, 由于能量岐离使展宽能谱处于布拉格峰值的附近, 通过直接电离方式将能量集中沉积在灵敏体积内, 是导致单粒子翻转截面峰值的根本原因. 并针对某一轨道环境预估了低能质子对空间质子单粒子翻转率的贡献.     

重离子微束单粒子翻转与单粒子烧毁效应数值模拟

用束径0.4μm的微束重离子数值模拟了单粒子翻转SEU和单粒子烧毁效应SEB.单粒子翻转给出了不同离子注入后漏区的电压(电流)随时间变化规律;计算了CMOSSRAM电路的单粒子翻转;给出了收集电荷随LET值的变化曲线并给出了某一结构器件的临界电荷;VDMOS器件单粒子烧毁给出了不同时刻沿离子径迹场强、电位线、电流和碰撞离化率的变化.     

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.     

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.     

随机静态存储器低能中子单粒子翻转效应

 建立了中子单粒子翻转可视化分析方法,对不同特征尺寸（0.13~1.50 μm）CMOS工艺商用随机静态存储器(SRAM)器件开展了反应堆中子单粒子翻转效应的实验研究,获得了SRAM器件的裂变谱中子单粒子翻转截面随特征尺寸变化的变化趋势。研究结果表明:SRAM器件的特征尺寸越小,其对低能中子导致的单粒子翻转的敏感性越高。     

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。     

Simulation of temporal characteristics of ion-velocity susceptibility to single event upset effect

Using a Monte Carlo simulation tool of the multi-functional package for SEEs Analysis(MUFPSA), we study the temporal characteristics of ion-velocity susceptibility to the single event upset(SEU) effect, including the deposited energy,traversed time within the device, and profile of the current pulse. The results show that the averaged dposited energy decreases with the increase of the ion-velocity, and incident ions of209 Bi have a wider distribution of energy deposition than132 Xe at the same ion-velocity. Additionally, the traversed time presents an obvious decreasing trend with the increase of ion-velocity. Concurrently, ion-velocity certainly has an influence on the current pulse and then it presents a particular regularity. The detailed discussion is conducted to estimate the relevant linear energy transfer(LET) of incident ions and the SEU cross section of the testing device from experiment and simulation and to critically consider the metric of LET.     

单粒子翻转脉冲激光模拟的能量阈值的计算

 根据光的吸收机理,分析了单粒子效应脉冲激光模拟实验中所需用的脉冲激光的特点,探讨了脉冲激光单粒子效应的Monte Carlo计算模拟途径。在只考虑光电效应的简化下,得到存储器硅片单粒子翻转时入射脉冲激光能量阈值与临界电荷的计算关系式,进而给出该硅片的翻转截面的计算公式。在给定了存储器硅片的临界电荷的情况下,对入射脉冲激光能量阈值和单粒子翻转截面进行了计算。     

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.     

重离子核反应对单粒子翻转的影响（英文）

LET作为一个传统的工程参量,并不能完全满足单粒子翻转数据表征的需要,而且也不能直接地反映核反应的一些特性(包括核反应概率与次级粒子),因此研究了重离子与器件作用过程中核反应对单粒子翻转的影响。基于蒙特卡罗模拟与深入的分析,本研究对比了在直接电离与考虑核反应两种模式下的模拟结果。在模拟中,利用不同的重离子表征了核反应在单粒子翻转发生中所起的作用。结果显示,核反应对单粒子翻转截面的贡献依赖于离子的能量,并呈现非单调的变化关系。基于模拟的结果,建议用重离子核反应引起单粒子翻转的最恶劣情况来预估空间单粒子翻转率。     

First principles simulation technique for characterizing single event effects

This paper develops a new simulation technique to characterize single event effects on semiconductor devices. The technique used to calculate the single event effects is developed according to the physical interaction mechanism of a single event effect. An application of the first principles simulation technique is performed to predict the ground-test single event upset effect on field-programmable gate arrays based on 0.25 μm advanced complementary metal-oxide-semiconductor technology. The agreement between the single event upset cross section accessed from a broad-beam heavy ion experiment and simulation shows that the simulation technique could be used to characterize the single event effects induced by heavy ions on a semiconductor device.     

Monte Carlo方法在单粒子翻转数值模拟中的应用

描述了在单粒子翻转数值模拟中的一种有效方法-Monte Carlo方法,并对该方法中的粒子输运过程和相关的随机抽样进行了描述.对14MeV的中子从存储器硅片表面随机入射引起的单粒子翻转进行了计算和分析,同时计算了Monte Carlo方法引起的误差.     

Monte Carlo evaluation of spatial multiple-bit upset sensitivity to oblique incidence

We investigate the impact of heavy ion irradiation on a hypothetical static random access memory (SRAM) device. Influences of the irradiation angle, critical charge, drain-drain spacing, and dimension of device structure on the device sensitivity have been studied. These prediction and simulated results are interpreted with MUFPSA, a Monte Carlo code based on Geant4. The results show that the orientation of ion beams and device with different critical charge exert indispensable effects on multiple-bit upsets (MBUs), and that with the decrease in spacing distance between adjacent cells or the dimension of the cells, the device is more susceptible to single event effect, especially to MBUs at oblique incidence.     

各向异性静态随机存储器中的多位翻转分析研究

重离子实验结果表明,具有高线性能量转移(LET)或大角度入射的快重离子导致静态随机存储器(SRAM)中的多位翻转(MBU)比例增大,甚至超过单位翻转比例。单个离子径迹中的电荷可以沿着径向扩散数个微米,被临近的灵敏区收集后引起MBU。器件灵敏区的各向异性空间布局与离子入射方向共同影响测试器件的MBU图形特征。位线接触点的纵向隔离导致横向型成为主要的两位翻转图形;"L"型和"田"型分别是主要的三位翻转和四位翻转图形。最后,对SRAM抗MBU加固设计和实验验证方法进行了讨论。