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     

基于中国散裂中子源的商用静态随机存取存储器中子单粒子效应实验研究

利用中国散裂中子源反角白光中子束线开展13款商用静态随机存取存储器的中子单粒子效应实验.研究了测试图形、特征尺寸和版图工艺差异对单粒子效应的影响.结果表明测试图形对器件的单粒子翻转截面影响不大,但对部分器件的多单元翻转占比有较大的影响;特征尺寸对器件单粒子翻转截面的影响没有明显的规律,但对多单元翻转的影响规律明显,多单元翻转占比和最大位数都随着特征尺寸的降低而增大;器件版图工艺差异对器件的单粒子翻转截面和多单元翻转占比都有较大的影响.此外,通过与高原辐照实验结果对比,发现在反角白光中子源获得的多单元翻转占比小于高原辐照实验的结果,其原因是反角白光中子源实验中,中子的最高能量和高能成分占比偏小,且中子束流只有垂直入射.因此,利用反角白光中子源评估器件的大气中子单粒子效应时可能会低估多单元翻转情况.本文的结果可为研究者利用反角白光中子源开展相关研究提供参考.     

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。     

中子单粒子效应研究现状及进展

回顾了中子单粒子研究的国内外发展情况,介绍了近几年西北核技术研究所在西安脉冲堆开展的低能中子单粒子效应研究进展。比较了稳态与脉冲工况下中子单粒子效应的异同性;分析了含有SRAM结构器件随着特征尺寸的减小,中子单粒子效应敏感性加剧的物理机制。分析认为目前中子单粒子效应已成为小尺寸大规模互补金属氧化物半导体器件的主要中子效应表现;中子辐射效应研究中,除了位移损伤效应以外还必需重视由中子电离造成的中子单粒子效应。     

静态随机存储器单粒子翻转的Monte Carlo模拟

利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，对10—20MeV 中子在静态随机存储器(SRAM)中引起的单粒子翻转进行了模拟，着重对中子在SRAM 灵敏区引起的电离能量沉积进行了计算，并对中子引起单粒子翻转过程相关物理量进行了计算.这些计算模拟结果为了解10—20MeV 中子引起SRAM 单粒子翻转过程提供了详细的统计信息，为SRAM 的抗辐射加固提供相关参考信息. 关键词： SRAM单粒子翻转 Monte Carlo 模拟 能量沉积     

深亚微米SRAM质子单粒子翻转实验研究

宇航半导体器件运行在一个复杂的空间辐射环境中,质子是空间辐射环境中粒子的重要组成部分,因而质子在半导体器件中导致的辐射效应一直受到国内外的关注。利用兰州重离子加速器(Heavy Ion Research Facility In Lanzhou) 加速出的H2 分子打靶产生能量为10 MeV 的质子,研究了特征尺寸为0.5/0.35/0.15 μm体硅和绝缘体上硅(SOI) 工艺静态随机存储器(SRAM) 的质子单粒子翻转敏感性,这也是首次在该装置上开展的质子单粒子翻转实验研究。实验结果表明特征尺寸为亚微米的SOI 工艺SRAM器件对质子单粒子翻转不敏感,但随着器件特征尺寸的减小和工作电压的降低,SOI 工艺SRAM器件对质子单粒子翻转越来越敏感;特征尺寸为深亚微米的体硅工艺SRAM器件单粒子翻转截面随入射质子能量变化明显,存在发生翻转的质子能量阈值,CREME-MC模拟结果表明质子在深亚微米的体硅工艺SRAM器件中通过质子核反应导致单粒子翻转。Microelectronic devices are used in a harsh radiation environment for space missions. Among all the reliability issues concerned, proton induced single event upset (SEU) is becoming more and more noticeable for semiconductor components exposed on space. In this work, an experimental research of SEU induced by 10 MeV proton for static random access memory (SRAM) of 0.5, 0.35 and 0.15 m feature size is carried out on HeavyIon Research Facility in Lanzhou for the rst time. The experimental results show that proton induced SEUs in submicron and deep-submicron (SRAMs) are dominated by secondary ions generated by proton nuclear reaction events. The silicon-on-insulator SRAMs characters natural radiation-hardened SEU by proton. For the deep-submicron bulk-silicon technology SRAM, the proton SEU cross section is closely related to the proton energy and there is a threshold energy for the SEU occurrence by proton indirect ionization. CREME-MC simulation indicates that the SEU events in deep-submicron SRAM are induced by the proton nuclear reaction.     

中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

由于缺少可用的散裂中子源,多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究.随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收,基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能.本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验,并与早期开展的高原大气试验结果进行对比,对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估.结果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果,且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系.分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软;后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系.针对截面偏小的问题,根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响,发现能量阈值取12MeV进行计算时,器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面.研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验.考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高,且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近,预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.     

纳米静态随机存储器质子单粒子多位翻转角度相关性研究

器件特征尺寸的减小带来单粒子多位翻转的急剧增加, 对现有加固技术带来了极大挑战. 针对90 nm SRAM(static random access memory, 静态随机存储器)开展了中高能质子入射角度对单粒子多位翻转影响的试验研究, 结果表明随着质子能量的增加, 单粒子多位翻转百分比和多样性增加, 质子单粒子多位翻转角度效应与质子能量相关. 采用一种快速计算质子核反应引起单粒子多位翻转的截面积分算法, 以Geant4中Binary Cascade模型作为中高能质子核反应事件发生器, 从次级粒子的能量和角度分布出发, 揭示了质子与材料核反应产生的次级粒子中, LET(linear energy transfer)最大, 射程最长的粒子优先前向发射是引起单粒子多位翻转角度相关性的根本原因. 质子能量、临界电荷的大小是影响纳米SRAM器件质子多位翻转角度相关性的关键因素. 质子能量越小, 多位翻转截面角度增强效应越大; 临界电荷的增加将增强质子多位翻转角度效应.     

中子单粒子效应TCAD仿真

分析了核裂变与聚变情况下,典型能量的中子与半导体器件反应,所产生的次级粒子及其能谱分布。根据中子所能导致的最恶劣情况,讨论了65nm工艺尺寸下,半导体静态存储器的单粒子效应,并给出了TCAD仿真的结果。结果显示,商用6管单元难以避免中子单粒子效应的发生。双互锁存储单元(DICE)结构在高密度设计时,也由于电荷共享效应,发生了单粒子翻转。由于电荷共享效应难以用SPICE仿真的方法得到,TCAD仿真更适用于中子单粒子免疫的SRAM设计验证。最后,讨论了65nm工艺下,中子单粒子免疫的SRAM设计,指出6管单元加电容的方式,可能是更有竞争力的方案。     

卫星光通信系统中SRAM/MOS器件的单粒子翻转率分析

为了分析单粒子事件对卫星光通信系统造成的影响,需要预估器件的单粒子翻转率。通过比较微分能谱方法和FOM方法,选取FOM方法估算了在不同高度和不同倾角下的单粒子翻转率。分析了质子单粒子翻转率与空间轨道的关系。提出了基于单粒子翻转率的器件可靠性指标。数值计算结果表明,在较低轨道高度和较小轨道倾角条件下,SRAM/MOS器件受单粒子翻转影响较小、可靠性较高。     

Simulation of the characteristics of low-energy proton induced single event upset

Monte Carlo simulation results are reported on the single event upset (SEU) triggered by the direct ionization effect of low-energy proton. The SEU cross-sections on the 45 nm static random access memory (SRAM) were compared with previous research work, which not only validated the simulation approach used herein, but also exposed the existence of saturated cross-section and the multiple bit upsets (MBUs) when the incident energy was less than 1 MeV. Additionally, it was observed that the saturated cross-section and MBUs are involved with energy loss and critical charge. The amount of deposited charge and the distribution with respect to the critical charge as the supplemental evidence are discussed.     

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.     

累积辐照影响静态随机存储器单粒子翻转敏感性的仿真研究

基于解析分析对比了大尺寸与深亚微米尺度下静态随机存取存储器(static random access memory, SRAM)单元单粒子翻转敏感性的表征值及引入累积辐照后的变化趋势. 同时借助仿真模拟计算了0.18 μm工艺对应的六管SRAM单元在对应不同累积剂量情况下, 离子分别入射不同中心单管时的电学响应变化, 计算结果与解析分析所得推论相一致, 即只有当累积辐照阶段与单粒子作用阶段存储相反数值时, SRAM单元的单粒子翻转敏感性才会增强. 关键词： 累积辐照 单粒子翻转 静态随机存储器 器件仿真     

252Cf源和重离子加速器对FPGA的单粒子效应

 对10万门基于静态随机存储器的现场可编程门阵列（FPGA）分别在锎-252（²⁵²Cf）源和HI-13串列加速器下进行了单粒子效应试验研究,测试了静态单粒子翻转截面及发生单粒子闩锁的线性能量转移阈值,并对试验结果进行了等效性分析比较。试验结果表明²⁵²Cf源引起的FPGA单粒子翻转截面比重离子加速器引起的约低1个数量级;使用²⁵²Cf源未能观测到该器件的单粒子闩锁现象,而使用重离子加速器可以测出该FPGA发生单粒子闩锁的线性能量转移阈值;在现代集成电路的宇航辐射效应地面模拟单粒子效应试验中²⁵²Cf源不是理想的测试单粒子闩锁的辐射源。     

Dependence of single event upsets sensitivity of low energy proton on test factors in 65 nm SRAM

In order to accurately predict the single event upsets(SEU) rate of on-orbit proton, the influence of the proton energy distribution, incident angle, supply voltage, and test pattern on the height, width, and position of SEU peak of low energy protons(LEP) in 65 nm static random access memory(SRAM) are quantitatively evaluated and analyzed based on LEP testing data and Monte Carlo simulation. The results show that different initial proton energies used to degrade the beam energy will bring about the difference in the energy distribution of average proton energy at the surface and sensitive region of the device under test(DUT), which further leads to significant differences including the height of SEU peak and the threshold energy of SEU. Using the lowest initial proton energy is extremely important for SEU testing with low energy protons. The proton energy corresponding to the SEU peak shifts to higher average proton energies with the increase of the tilt angle, and the SEU peaks also increase significantly. The reduction of supply voltage lowers the critical charge of SEU, leading to the increase of LEP SEU cross section. For standard 6-transitor SRAM with bit-interleaving technology,SEU peak does not show clear dependence on three test patterns of logical checkerboard 55 H, all "1", and all "0". It should be noted that all the SEUs in 65 nm SRAM are single cell upset in LEP testing due to proton's low linear energy transfer(LET) value.     

The impact of scaling on single event upset in 6T and 12T SRAMs from 130 to 22 nm CMOS technology

ABSTRACT

As transistor sizes scale down to nanometres dimensions, CMOS circuits become more sensitive to radiation. High-performance static random access memory (SRAM) cells are prone to radiation-induced single event upsets (SEU) which come from the natural space environment. The SEU generates a soft error in the transistor due to the strike of an ionizing particle. Thus, this paper compares the endurance of 12T SRAM and 6T SRAM circuit on 130 up to 22?nm CMOS technology towards SEU. Besides that, this paper discusses the trend of critical linear energy transfer (LET) and collected charge due to technology scaling for the respective circuit. The critical LET (LETcrit) and critical charge (Qcrit) of 6T are approximately 50% lower compared with 12T SRAMs.