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.     

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.     

质子辐照作用下浮栅单元的数据翻转及错误退火

本文利用60 MeV质子束流,开展了NAND (not and) flash存储器的质子辐照实验,获取了浮栅单元的单粒子翻转截面,分析了浮栅单元错误的退火规律,研究了质子辐照对浮栅单元的数据保存能力的影响.实验结果表明,浮栅单元单粒子翻转截面随质子能量的升高而增大,随质子注量的升高而减小.浮栅单元错误随着退火时间的推移持续增多,该效应在低能量质子入射时更为明显.经质子辐照后,浮栅单元的数据保存能力有明显的退化.分析认为高能质子通过与靶原子的核反应,间接电离导致浮栅单元发生单粒子翻转,翻转截面与质子注量的相关性是因为浮栅单元单粒子敏感性的差异.质子引起的非电离损伤会在隧穿氧化层形成部分永久性的缺陷损伤,产生可以泄漏浮栅电子的多辅助陷阱导电通道,导致浮栅单元错误增多及数据保存能力退化.     

质子与金属布线层核反应对微纳级静态随机存储器单粒子效应的影响分析

金属布线层对微纳级静态随机存储器(static random access memory, SRAM) 质子单粒子效应敏感性的影响值得关注. 利用Geant4针对不同能量(30 MeV, 100 MeV, 200 MeV和500 MeV)的质子与微纳级SRAM器件的核反应过程开展计算, 研究了核反应次级粒子的种类、线性能量传输值(linear energy transfer, LET)及射程情况, 尤其对高LET 值的核反应次级粒子及其射程开展了详细分析. 研究表明, 金属布线层的存在和质子能量的增大为原子序数大于或等于30的重核次级粒子的产生创造了条件, 器件体硅区中原子序数大于60的重核离子来源于质子与钨材料的核反应, 核反应过程中的特殊作用机理会生成原子序数在30至50之间的次级粒子, 且质子能量的增大有助于这种作用机理的发生, 原子序数在30至50之间的次级粒子在器件体硅区的LET值最大约为37 MeV·cm²/mg, 相应射程可达到几微米, 对于阱深在微米量级的微纳级SRAM器件而言, 有引发单粒子闩锁的可能. 研究结果为空间辐射环境中宇航器件的质子单粒子效应研究提供理论支撑.     

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.     

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.     

质子辐照电荷耦合器件诱导电荷转移效率退化的实验分析

开展了电荷耦合器件（CCD）质子辐照损伤的实验研究. 分析了质子辐照CCD后电荷转移效率的退化规律,阐述了质子辐照诱导电荷转移效率退化的损伤机理,比较了不同能量质子对电荷转移效率的损伤程度. 通过开展辐射粒子输运理论计算,分析了不同能量质子对电荷转移效率损伤差异的原因. 关键词： 电荷耦合器件 质子 辐照效应 电荷转移效率     

90nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器局部单粒子闩锁传播效应诱发多位翻转的机理

基于单粒子效应脉冲激光实验装置,开展了90 nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器的单粒子翻转和闩锁效应实验,并给出了器件单粒子翻转效应位图.实验发现,器件出现了大量的多位翻转和约20 mA的电源电流脉冲.借助器件仿真工具,揭示了器件发生单粒子多位翻转效应的原因.结果表明,器件局部阵列发生单粒子闩锁效应并传播到多个位单元是诱发多位翻转的主要原因.通过对比分析脉冲激光和器件仿真实验结果,发现P/N阱电势塌陷是导致90 nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器出现单粒子闩锁传播效应的内在物理机制.     

高能质子单粒子翻转效应的模拟计算

在分析质子与硅反应的基础上,提出质子单粒子翻转截面理论计算模型,建立了模拟计算方法.计算得到了不同能量的高能质子在存储单元的灵敏区内沉积的能量.指出高能质子主要通过与硅反应产生的重离子在存储单元灵敏区内沉积能量,产生电荷,导致单粒子效应,得到了单粒子翻转截面与质子能量以及随临界电荷变化的关系.并将计算得到的单粒子翻转截面与实验数据进行了比较.     

空间用GaN功率器件单粒子烧毁效应激光定量模拟技术研究

利用飞秒脉冲激光对氮化镓(GaN)功率器件进行单粒子烧毁效应定量评估技术研究,针对器件结构建立脉冲激光有效能量传输模型,理论计算了激光有效能量与重离子线性能量传输(LET)的等效关系并开展了试验验证.考虑器件材料反射率与吸收系数对激光的影响,针对介质层界面间的激光多次反射进行参数修正,减小有源区有效能量计算误差.选择一款氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)与一款肖特基势垒二极管(SBD)功率器件作为典型案例,分别开展飞秒脉冲激光正面与背部辐照试验,计算诱发单粒子烧毁的有效能量,并得到不同入射激光波长的烧毁等效LET阈值,对比了模型理论计算值与实际测量值.同时,研究结果对材料参数未知的GaN功率器件,提供了正面与背部辐照模型的激光试验波长选择参考.该工作将为激光定量评估空间用GaN等宽禁带半导体器件的单粒子烧毁效应机理研究及加固设计与验证提供技术支撑.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

质子辐照下正照式和背照式图像传感器的单粒子瞬态效应

CMOS图像传感器应用于空间任务时容易受到质子单粒子效应影响.本文采用商用正照式(FSI)和背照式(BSI)CMOS图像传感器开展了不同能量的质子辐照实验,实验中通过在线测试方法分析质子单粒子效应.其中,质子能量最高为200 Me V,总注量为10¹⁰ particle/cm~2,结果未发现外围电路的单粒子效应,但观察到像素阵列出现不同形状的单粒子瞬态亮斑.通过提取瞬态亮斑沉积能量和尺寸大小两个特征参数,比较了不同能量质子对瞬态亮斑特征的影响,以及FSI和BSI中瞬态亮斑特征的差异.最后,结合仿真方法,与实验结果进行比较,预测了质子在CMOS图像传感器像素单元产生瞬态亮斑的能量沉积分布.仿真结果验证了光电二极管耗尽区厚度减小和外延层减薄是导致BSI图像传感器中质子能量沉积分布左移的主要因素.     

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同能量质子辐照损伤模拟

以GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,开展了能量为0.7, 1, 3, 5, 10 MeV的质子辐照损伤模拟研究,建立了三结太阳电池结构模型和不同能量质子辐照模型,获得了不同质子辐照条件下的I-V曲线,光谱响应曲线,结合已有实验结果验证了本文模拟结果,分析了三结太阳电池短路电流、开路电压、最大功率、光谱响应随质子能量的变化规律,利用不同辐照条件下三结太阳电池最大输出功率退化结果,拟合得到了三结太阳电池最大输出功率随位移损伤剂量的退化曲线.研究结果表明,质子辐照会在三结太阳电池中引入位移损伤缺陷,使得少数载流子扩散长度退化幅度随质子能量的减小而增大,从而导致三结太阳电池相关电学参数的退化随质子能量的减小而增大.相同辐照条件下,中电池光谱响应退化幅度远大于顶电池光谱响应退化幅度,中电池抗辐照性能较差,同时中电池长波范围内光谱响应的退化幅度比短波范围更大,表明中电池相关电学参数的退化主要来源于基区损伤.     

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.