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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

用重离子实验数据推算质子翻转截面和轨道翻转率

空间单粒子辐射环境主要由重离子和高能质子构成,但在地面利用两种离子评估器件单粒子效应敏感度成本太高,因此利用重离子实验数据推算质子敏感参数成为一个非常活跃的研究课题.利用Barak经验公式,在重离子实验获得器件的σ LET值曲线的基础上,计算了几种典型器件在不同能量下的质子翻转截面以及典型轨道上质子引起的翻转率,并同FOM方法预示的质子翻转率进行了比较,其结果将对卫星电子系统抗辐射加固设计具有重要参考价值. The radiation environments concerned with single event upset mainly consist of heavy ions from cosmic ray and large flux proton from solar events and planetary radiation belts. The most reliable calculation for SEE rate induced by proton and henvy ions are the way to use the experimentally measured data rospectively. But it is too expensive to test devices with both heavy ions and protons. So it is necessary to derive models for predicting proton cross sections and rates from heavy ion test data....     

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。     

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。     

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.     

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.     

Impact of energy straggle on proton-induced single event upset test in a 65-nm SRAM cell

This paper presents a simulation study of the impact of energy straggle on a proton-induced single event upset(SEU)test in a commercial 65-nm static random access memory cell. The simulation results indicate that the SEU cross sections for low energy protons are significantly underestimated due to the use of degraders in the SEU test. In contrast, using degraders in a high energy proton test may cause the overestimation of the SEU cross sections. The results are confirmed by the experimental data and the impact of energy straggle on the SEU cross section needs to be taken into account when conducting a proton-induced SEU test in a nanodevice using degraders.     

太阳辐射对卫星光通信系统的影响分析

为了分析太阳辐射对卫星光通信系统造成的影响,利用太阳常数和微元法计算了辐照到目标物体表面的太阳辐射功率。结合地面通信终端的接收信号功率,分析了在太阳辐射影响下的系统信噪比和误码率,并给出了满足系统误码率10-9条件下,发射信号功率、俯仰角以及跟瞄误差之间的关系。结果表明对日俯仰角需要被限制在一个很小的变化范围,而增大信号发射功率和减小系统跟瞄误差都是提高卫星光通信系统可靠性的有效途径。     

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。     

卫星光通信中恒星背景噪声分析及抑制方法研究

建立了以恒星目视星等、等效温度为参数的恒星辐射谱模型,使利用恒星数据库进行背景噪声分析变得更加简捷。在此基础之上,分析了恒星自身特点及卫星光通信终端参数对背景噪声的抑制能力,提出并定义了抑制参数Ψ,以评价卫星光通信系统的抗噪性能;同时考虑背景噪声光功率对卫星光通信的影响,给出了补偿方法;分析结果表明,通过提高CCD采样频率、降低光学系统带宽等方法,可以有效地减少恒星噪点,降低恒星背景光对卫星光通信系统的影响。该项工作为进一步优化卫星光通信系统参数,提高其空间运行的稳定性打下了基础。     

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     

Angular dependence of multiple-bit upset response in static random access memories under heavy ion irradiation

Experimental evidence is presented relevant to the angular dependences of multiple-bit upset (MBU) rates and patterns in static random access memories (SRAMs) under heavy ion irradiation. The single event upset (SEU) cross sections under tilted ion strikes are overestimated by 23.9% 84.6%, compared with under normally incident ion with the equivalent linear energy transfer (LET) value of ～ 41 MeV/(mg/cm 2 ), which can be partially explained by the fact that the MBU rate for tilted ions of 30 is 8.5%-9.8% higher than for normally incident ions. While at a lower LET of ～ 9.5 MeV/(mg/cm 2 ), no clear discrepancy is observed. Moreover, since the ion trajectories at normal and tilted incidences are different, the predominant double-bit upset (DBU) patterns measured are different in both conditions. Those differences depend on the LET values of heavy ions and devices under test. Thus, effective LET method should be used carefully in ground-based testing of single event effects (SEE) sensitivity, especially in MBU-sensitive devices.     

Recovery of single event upset in advanced complementary metal-oxide semiconductor static random access memory cells

Using computer-aided design three-dimensional (3D) simulation technology,the recovery mechanism of single event upset and the effects of spacing and hit angle on the recovery are studied.It is found that the multi-node charge collection plays a key role in recovery and shielding the charge sharing by adding guard rings.It cannot exhibit the recovery effect.It is also indicated that the upset linear energy transfer (LET) threshold is kept constant while the recovery LET threshold increases as the spacing increases.Additionally,the effect of incident angle on recovery is analysed and it is shown that a larger angle can bring about a stronger charge sharing effect,thus strengthening the recovery ability.     

空间环境对卫星光通信系统性能的影响分析

分析了空间环境对卫星光通信系统的主要影响因素,包括高能带电粒子辐射、太阳辐射、等离子体辐射等环境。分析结果表明,为了有效减小卫星光通信器件的单粒子翻转率,需要对轨道倾角和轨道高度进行优化设计;为了有效抑制太阳辐射,对日俯仰角需要限制在一个很小的变化范围;增大信号发射功率和减小系统跟瞄误差都是提高卫星光通信系统可靠性的有效途径;对等离子体辐射环境来说,300eV以上的中等能量等离子体会严重干扰卫星的正常工作。     

Supply voltage scaled dependency of the recovery of single event upset in advanced complementary metal-oxide-semiconductor static random-access memory cells

Using the technology computer-aided design three-dimensional simulation, the supply voltage scaled dependency of the recovery of single event upset and charge collection in static random-access memory cells are investigated. It reveals that the recovery linear energy transfer threshold decreases with the supply voltage reducing, which is quite attractive to the dynamic voltage scaling and subthreshold circuits radiation-hardened design. Additionally, the effect of supply voltage on charge collection is also investigated. It is concluded that the supply voltage mainly affects the bipolar gain of parasitical bipolar junction transistor (BJT) and the existence of the source plays an important role in the supply voltage variation.