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.     

纳米级静态随机存取存储器的α粒子软错误机理研究

本文使用镅-241作为α粒子放射源,开展65和90 nm静态随机存取存储器软错误机理研究,结合反向分析、TRIM和CREME-MC蒙特卡罗仿真揭示α粒子在器件中的能量输运过程、沉积能量谱和截面特性.结果表明, 65 nm器件的软错误敏感性远高于90 nm器件,未发现翻转极性.根据西藏羊八井地区4300 m海拔的实时测量软错误率、热中子敏感性和α粒子软错误率,演算得到65 nm静态随机存取存储器在北京海平面应用的总体软错误率为429 FIT/Mb,其中α粒子的贡献占比为70.63%.基于反向分析结果构建器件三维仿真模型,研究α粒子入射角度对单粒子翻转特性的影响,发现随着入射角度从0°增大至60°,灵敏区中粒子数峰值处对应的沉积能量值减小了40%,原因为衰变α粒子的能量较低,入射角度增大导致α粒子穿过空气层和多层金属布线的厚度增大1/cos(q)倍,引起粒子能量减小,有效LET值随之减小.随着入射角度从0°增大至60°,单粒子翻转截面增大了79%,原因为65 nm器件灵敏区中明显的单粒子翻转边缘效应.     

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.     

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。     

铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究

利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.     

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.     

0.18 μm部分耗尽绝缘体上硅互补金属氧化物半导体电路单粒子瞬态特性研究

利用脉冲激光入射技术研究100级0.18 μm部分耗尽绝缘体上硅互补金属氧化物半导体反相器链的单粒子瞬态效应, 分析了激光入射器件类型及入射位置对单粒子瞬态脉冲传输特性的影响. 实验结果表明, 单粒子瞬态脉冲在反相器链中的传输与激光入射位置有关, 当激光入射第100级到第2级的n型金属-氧化物-半导体器件, 得到的脉冲宽度从287.4 ps增加到427.5 ps; 当激光入射第99级到第1级的p型金属-氧化物-半导体器件, 得到的脉冲宽度从150.5 ps增加到295.9 ps. 激光入射点靠近输出则得到的瞬态波形窄; 靠近输入则得到的瞬态波形较宽, 单粒子瞬态脉冲随着反相器链的传输而展宽. 入射器件的类型对单粒子瞬态脉冲展宽无影响. 通过理论分析得到, 部分耗尽绝缘体上硅器件浮体效应导致的阈值电压迟滞是反相器链单粒子瞬态脉冲展宽的主要原因. 而示波器观察到的与预期结果幅值相反的正输出脉冲, 是输出节点电容充放电的结果.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

利用加速器提供的重离子进行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戴面随线性能量转移值的变化关系曲线。     

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     

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.     

静态随机存储器单粒子效应的角度影响研究

利用兰州重离子加速器加速的高能离子研究了入射角度对IDT71256的单粒子翻转截面和多位翻转比例的影响.研究表明：在大角度掠射轰击下单粒子翻转截面的增大包括了多位翻转的贡献；离子在器件敏感层中沉积的能量及其横向分布是影响多位翻转的两个重要参数，IDT71256发生三位以上多位翻转的比例随着离子入射角度的增大而增加. 关键词： 静态存储器 单粒子翻转 多位翻转 沉积能量 横向分布     

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。     

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.