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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

HfO2基铁电场效应晶体管读写电路的单粒子翻转效应模拟

使用器件-电路仿真方法搭建了氧化铪基铁电场效应晶体管读写电路,研究了单粒子入射铁电场效应晶体管存储单元和外围灵敏放大器敏感节点后读写数据的变化情况,分析了读写数据波动的内在机制.结果表明:高能粒子入射该读写电路中的铁电存储单元漏极时,处于"0"状态的存储单元产生的电子空穴对在器件内部堆积,使得栅极的电场强度和铁电极化增大,而处于"1"状态的存储单元由于源极的电荷注入作用使得输出的瞬态脉冲电压信号有较大波动;高能粒子入射放大器灵敏节点时,产生的收集电流使处于读"0"状态的放大器开启,导致输出数据波动,但是其波动时间仅为0.4 ns,数据没有发生单粒子翻转能正常读出.两束高能粒子时间间隔0.5 ns先后作用铁电存储单元漏极,比单束高能粒子产生更大的输出数据信号波动,读写"1"状态的最终输出电压差变小.     

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.     

BES-Ⅲ MC 前端板FPGA的辐射损伤实验

研究了Altera公司ACEX 1K系列现场可编程逻辑门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array) EP1K30TC144-3在g射线和14MeV、2.5MeV中子照射下的辐射影响，对得到的试验结果给出了分析和评估. 对于在BES-IIIm子鉴别器读出电子学系统上应用ACEX 1K系列FPGA的可行性给出了结论.     

Ionizing radiation effect on single event upset sensitivity of ferroelectric random access memory

The impact of ionizing radiation effect on single event upset(SEU) sensitivity of ferroelectric random access memory(FRAM) is studied in this work. The test specimens were firstly subjected to ~(60)Co γ-ray and then the SEU evaluation was conducted using ~(209)Bi ions. As a result of TID-induced fatigue-like and imprint-like phenomena of the ferroelectric material, the SEU cross sections of the post-irradiated devices shift substantially. Different trends of SEU cross section with elevated dose were also found, depending on whether the same or complementary test pattern was employed during the TID exposure and the SEU measurement.     

试飞机载测试系统一体化验证平台的设计与实现

为提高智能车对多车道的实际道路车辆行驶环境的适应性,提出了一种基于三车道模型的车辆检测方法。方法在预处理的基础上利用极角及位置约束的Hough变换得到可能的车道线信息并利用消失点对车道线进行筛选;利用三车道四线模型对车道线进行匹配;对于每条车道,分别利用车辆灰度信息对车道线内车辆进行识别,并利用视频的连贯性对车辆识别结果进行修正并跟踪车辆。该算法通过对车道线的二次筛选,提高了三车道模型的准确率,进一步提高了对于不同车道车辆识别的正确率。实验结果表明,在结构化道路上,对于不同路况,算法均具有较好的实时性和鲁棒性。     

遥感CCD相机的抗辐射策略研究

空间辐射环境是遥感相机失效的主要原因之一。为了提高CCD遥感相机的可靠性,本文研究了改善遥感电子器件抗辐射性能的方法。介绍了空间辐射环境,指出太阳活动、宇宙射线、范艾伦辐射带以及次级辐射是产生辐射危害的主要来源。分别从辐射总剂量、单粒子和位移效应分析了空间辐射对不同电子器件和集成电路造成的危害。针对遥感CCD相机,从CCD器件、集成电路和大规模可编程门阵列(FPGA)3方面提出了相应的抗辐射策略,并进行了抗辐射总剂量和抗单粒子的抗辐射验证试验。本文的研究为提高遥感CCD相机的抗辐射能力和可靠性提供了保障。     

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.     

微电路FPGA的γ电离总剂量效应与加固技术

讨论了Actel公司的FPGA芯片A1280XL在有偏置和无偏置条件下的γ电离总剂量效应,试验结果表明偏置条件对FPGA芯片电离总剂量效应有较大影响,在有偏置下FPGA芯片A1280XL失效阈最小,为12.16 Gy(Si);无偏置时FPGA失效阈最大,为33.2 Gy(Si)。对芯片内部结构进行了辐射效应分析,并提出一些加固方法提高器件的抗总剂量能力,如电路设计中采用冗余技术来实现对故障的检测和隔离,以及选取适当的屏蔽材料对器件进行屏蔽。