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.     

静态随机存储器单粒子翻转的Monte Carlo模拟

利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，对10—20MeV 中子在静态随机存储器(SRAM)中引起的单粒子翻转进行了模拟，着重对中子在SRAM 灵敏区引起的电离能量沉积进行了计算，并对中子引起单粒子翻转过程相关物理量进行了计算.这些计算模拟结果为了解10—20MeV 中子引起SRAM 单粒子翻转过程提供了详细的统计信息，为SRAM 的抗辐射加固提供相关参考信息. 关键词： SRAM单粒子翻转 Monte Carlo 模拟 能量沉积     

10—20MeV中子引起单粒子翻转能量沉积统计分析

基于Monte Carlo计算模拟, 对10—20MeV中子引起存储器单粒子翻转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能量沉积统计信息.     

Monte Carlo方法在单粒子翻转数值模拟中的应用

描述了在单粒子翻转数值模拟中的一种有效方法-Monte Carlo方法,并对该方法中的粒子输运过程和相关的随机抽样进行了描述.对14MeV的中子从存储器硅片表面随机入射引起的单粒子翻转进行了计算和分析,同时计算了Monte Carlo方法引起的误差.     

高能质子引起器件单粒子效应的研究方法

简略介绍了高能质子在半导体芯片中引起单粒子效应的实验测量和理论分析方法,包括核反应分析方法、半经验方法,介绍了质子和重离子翻转截面间的关系,并用重离子实验数据预测器件在质子环境下的翻转率. This article introduces briefly the experimental and theoretical methods that have been used to study high energy proton induced single event effect in semiconductor devices. The theoretical methods including nuclear reaction analysis method and semi empirical method are presented. The relationship of upset cross section between proton and heavy ions is described. Finally, on orbit proton upset rates are predicted by using the heavy ion test data.     

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.     

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.     

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.     

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     

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。     

高能物理过程事例产生器的建立

讨论了对特定的高能物理反应过程,如何按理论模型给出的微分截面表达式建立事例模拟产生器,包括用M.C.方法通过对多粒子末态相空间的积分计算反应截面,以及模拟产生末态粒子的四动量。较详细地讨论了通常使用的分层抽样法和重要抽样法的特点、适用范围、具体实现步骤和技巧,以及各自的优缺点.最后概要地介绍了我们建立的一个适用于LEP/SLC加速器能量区间的Bhabha散射事例产生器.     

单分子荧光过程的Monte-Carlo模拟

从单分子发光过程中电子在激发态上的停留时间t服从P(t)=γe^-γt分布出发,对单分子荧光过程进行M-C(Monte-Carlo)随机试验,得到了单分子的激发态相邻两次发光的时间间隔的统计结果以及单分子荧光强度的自相关函数,并对其进行了详细地讨论,这些结果与目前文献报道的实验结果相一致.     

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.     

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.     

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.     

采用壳层效应屏蔽长度Monte Carlo方法计算溅射产额

使用ACAT模拟程序计算了不同离子碰撞在单原子材料上的溅射产额.采用山村等人提出的考虑壳层效应的理论屏蔽长度,原子间作用势用Moliére势.并将计算结果与实验数据和山村等的经验公式进行了比较.     

空间辐射效应的蒙特-卡罗模拟

 概述了天然宇宙空间的辐射环境,简要地分析了辐射效应机制,在辐射效应的蒙特-卡罗模拟中对靶材料作了无定形假设,入射粒子在靶材料中的弹性能量损失采用经典二体散射公式,非弹性能量损失高能时采用Beth-Bloch公式,低能时采用Lindhard-Scharff公式,中能时采用插值公式,撞出晶格原子引起的次级损伤用Kinchin-Pease模型计算,最后对100KeV硼离子入射于硅材料引起的辐射效应进行了模拟计算,并给出了计算结果和分析。