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.     

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     

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。     

NMOS器件中单粒子瞬态电流收集机制的二维数值分析

通过二维数值模拟,深入分析了NMOSFET在不同漏极偏置、不同栅长度和不同注入位置下的单粒子效应.研究结果表明:漏极偏置电压越高,栅长度越短,器件的单粒子瞬态电流越大,收集电荷越多.通过研究不同注入位置情况下的单粒子效应表明:单粒子瞬态脉冲电流的大小和器件中该处对应的电场强度成比例变化.研究结果为设计抗单粒子器件提供了重要指导.     

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.     

不同偏置影响锗硅异质结双极晶体管单粒子效应的三维数值仿真研究

针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT),采用半导体器件三维计算机模拟工具,建立单粒子效应三维损伤模型,研究不同偏置状态对SiGe HBT单粒子效应的影响.分析比较不同偏置下重离子入射器件后,各端口电流瞬变峰值和电荷收集量随时间的变化关系,获得SiGe HBT单粒子效应与偏置的响应关系.结果表明:不同端口对单粒子效应响应的最劣偏置不同,同一端口电荷收集量和瞬变电流峰值的最劣偏置也有所差异.载流子输运方式变化和外加电场影响是造成这种现象的主要原因.     

纳米体硅鳍形场效应晶体管单粒子瞬态中的源漏导通现象

体硅鳍形场效应晶体管(FinFET)是晶体管尺寸缩小到30 nm以下应用最多的结构,其单粒子瞬态产生机理值得关注.利用脉冲激光单粒子效应模拟平台开展了栅长为30, 40, 60, 100 nm Fin FET器件的单粒子瞬态实验,研究FinFET器件单粒子瞬态电流脉冲波形随栅长变化情况;利用计算机辅助设计(technology computer-aided design, TCAD)软件仿真比较电流脉冲产生过程中器件内部电子浓度和电势变化,研究漏电流脉冲波形产生的物理机理.研究表明,不同栅长Fin FET器件瞬态电流脉冲尾部都存在明显的平台区,且平台区电流值随着栅长变短而增大;入射激光在器件沟道区下方体区产生高浓度电子将源漏导通产生导通电流,而源漏导通升高了体区电势,抑制体区高浓度电子扩散,使得导通状态维持时间长,形成平台区电流;尾部平台区由于持续时间长,收集电荷量大,会严重影响器件工作状态和性能.研究结论为纳米Fin FET器件抗辐射加固提供理论支撑.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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。     

FPGA配置片反熔丝PROMs加速器地面单粒子效应特性研究

针对0.13 μm CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）体硅外延工艺下FPGA（Field Programmable Gate Arrays）配置片反熔丝PROM（Programmable-Read-Only-Memory）进行了单粒子效应（Single Event Effects SEEs）的加速器地面模拟试验研究。以PROM的存储容量、数据类型和工艺差异性为研究变量,考核与验证其在不同种类和能量粒子入射的系列性加速器地面SEEs模拟试验。研究结果表明,相对于8 Mbits PROM而言,空片16 Mbits PROM抗辐射性能最优,且从翻转饱和截面上说,16 Mbits的PROM具备更高的可靠性,优于国外同系列的芯片类型,试验用PROM芯片的单粒子锁定阈值>99.0 MeV·cm2/mg。另一方面,研究0.13 μm CMOS普通与深阱工艺技术下PROM芯片单粒子翻转效应异同性的实验数据表明,在高LET（Linear Energy Transfer）处的两者抗辐射性能并无明显变化,但是低LET处（LET翻转阈值）的加固效果较为明显,即抗辐射技术能力主要体现在LET翻转阈值的提升而非翻转截面的减小。Single event effects (SEEs) have been characterized and investigated on one-time configured devices for field-programmable-gate-arrays (FPGA) of programmable-read-only-memory (PROM) in 0.13 μm Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology.The variables of their memory size,written data and technology have been taken into consideration as the key parameters affecting the SEEs sensitivity when testing and verifying the reliability/radiation tolerance on self-made PROMs by heavy ions.The results show that,16 Mbits PROM within blanked data has been studied that it has better performance to radiation tolerance as compared with the 8 Mbits PROMs.Additionally,16 Mbits PROMs have the higher reliability,if based on the viewpoint of the saturated single event upset cross-section.To the single event latchup,16 Mbits PROMs were exposed to a total fluence of 107 ions/cm2 at the linear energy transfer (LET) of 99.0 MeV·cm2/mg and no obvious fluctuation of current has been observed.Additionally,as comparing the zone of high LET value,0.13 μm CMOS transistors with deep-well technology present a better radiation hardened approach than normal technology,especially in improving the threshold of LET at the zone of low LET value.     

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。     

Strategy to mitigate single event upset in 14-nm CMOS bulk FinFET technology

Three-dimensional (3D) TCAD simulations demonstrate that reducing the distance between the well boundary and N-channel metal-oxide semiconductor (NMOS) transistor or P-channel metal-oxide semiconductor (PMOS) transistor can mitigate the cross section of single event upset (SEU) in 14-nm complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) bulk FinFET technology. The competition of charge collection between well boundary and sensitive nodes, the enhanced restoring currents and the change of bipolar effect are responsible for the decrease of SEU cross section. Unlike dual-interlock cell (DICE) design, this approach is more effective under heavy ion irradiation of higher LET, in the presence of enough taps to ensure the rapid recovery of well potential. Besides, the feasibility of this method and its effectiveness with feature size scaling down are discussed.     

利用加速器重离子进行SRAM单粒子效应研究

 报导了利用北京大学串列静电加速器提供的重离子对两类静态随机存储器进行单粒子效应的实验和测量。给出了两类静态随机存储器的单粒子效应翻转截面随线性能量转移值的变化关系曲线。     

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.     

半导体器件单粒子效应的加速器模拟实验

 着重描述了应用加速器开展半导体器件的单粒子效应实验研究的方法。采用金箔散射法可以降低加速器束流几个量级，从而满足半导体器件单粒子效应实验的要求。研制的弱流质子束流测量系统和建立的质子注量均匀性测量方法解决了质子注量的准确测量问题。实验测得静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面为10^-7 cm²·bit^-11量级，单粒子翻转重离子LET阈值为4～8MeV·cm²/mg，重离子单粒子翻转饱和截面为10^-7 cm²·bit^-1量级。