重离子辐照微纳级SRAM器件单粒子效应研究

发布时间：2018-05-12 04:58

本文选题：重离子 + 微纳级　；参考：《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》2017年博士论文

【摘要】：随着国家空间探测任务需求的日益增加,重离子引起宇航元器件的单粒子效应成为在轨航天器可靠性的关键影响因素。近年来,半导体技术的迅猛发展,促使SRAM器件的特征尺寸进入微纳级别,存储节点的电压、电容不断降低,导致器件的临界电荷不断减小,使得单个重离子引起微纳级SRAM器件的单粒子效应变的越来越敏感,严重威胁航天器的在轨运行。本文利用兰州重离子加速器提供的重离子辐照待测器件,系统研究了重离子参数对微纳级SRAM器件单粒子效应的影响,主要包括:重离子LET值对电路级加固SOI/SRAM器件的单粒子翻转敏感性的影响;重离子能量对系统级加固Bulk/SRAM器件的多位翻转的影响;以及重离子射程对微纳级SOI/SRAM器件单粒子翻转截面的影响;揭示了重离子参数影响微纳级SRAM器件单粒子效应的微观机制,旨在为微纳级SRAM器件的抗辐射加固以及单粒子效应测试技术提供一定的基础理论指导和技术支持。具体研究内容和成果如下:首先,系统研究了重离子LET值对6T/SRAM器件(未加固)和ADE/SRAM器件(加固)的单粒子翻转敏感性的影响,测量了两类器件的σ-LET特征曲线,计算了其临界电荷和饱和截面,并分析了引起临界电荷和饱和截面差异的原因。ADE指在传统的6T/SRAM存储单元的反馈回路上增加晶体管来增大临界电荷。实验结果表明,相比于传统6T/SRAM器件,采用ADE加固的器件LET阈值(LETth)从15.7 MeV·cm2/mg 提高到了 28.3 MeV·cm2/mg,饱和翻转截面(σsat)从 4.4 μm2/bit 下降到了 1.6μm2/bit。通过测量σADE和σ6T的比值,计算出了 ADE的电阻值约为21 kΩΩ。此外,在ADE/SRAM器件中,发现了 0 → 1和1 → 0翻转具有不同的敏感性。这与存储单元反馈回路上的反馈时间(tFB)和恢复时间(tREC)有关。当tFBtREC时,较难发生SEU;当tFBtREC时,比较容易发生SEU。通过激光辐照待测器件,验证了理论解释的正确性,对比了激光与重离子辐照的实验结果,实验结果呈现出较好的一致性。通过该部分的研究分析表明ADE元件对于提高器件抗单粒子翻转能力具有显著的效果。其次,开展了重离子能量对系统级加固Bulk/SRAM器件的多位翻转的特性研究。利用重离子辐照了具有纠错编码(ECC)的65 nm SRAM器件,研究了其"伪多位翻转(FMBU)"的敏感性。实验结果表明,Bi离子产生的电荷径迹的影响范围覆盖了多个灵敏单元,使得"纠一检二"的汉明码失效,降低了 ECC的性能。运用概率论的方法对FMBU数据进行了分析,发现了 FMBU的数据特性,并引申到了 MCU的数据分析,其结果为FMBU以及MCU的数据分析提供理论指导和帮助,完善了判别MCU的基本法则。提议在未来的空间应用中,需考虑更高层次的编码算法来抵抗SEU。最后,研究了重离子射程对微纳级SOI/SRAM器件单粒子翻转截面的影响。基于HIRFL提供的Kr和Bi离子测量了 0.5 μm、0.35 μm、0.18 μm及0.13 μm四种工艺尺寸下的SOI/SRAM器件的离子射程阈值。实验结果表明离子射程阈值与器件种类以及离子种类都有很强的依赖关系,揭示了高能重离子在器件灵敏区沉积能量的大小是影响单粒子翻转截面的关键影响因素。基于最坏的离子射程阈值的计算公式,计算了这四种器件的离子射程阈值,并与实验结果进行了对比,结果表明有的计算值大于实验值,有的却小于实验值,两者误差较大,特别是在0.18 μm的ADE器件中,计算值达到实验值的近两倍。因此该公式需要进一步改进和完善。通过该部分的研究分析表明离子射程阈值对于预估器件的在轨错误率来说是一个重要参数,迫切需要提出更准确的模型来描述和计算离子射程阈值。
[Abstract]:In recent years , the effect of heavy ion LET on single particle inversion sensitivity of micro - nano SRAM device is studied . The effect of heavy ion LET on single particle inversion sensitivity of micro - nano SRAM device is studied . The experimental results show that the ion range threshold value is more than the experimental value . The experimental results show that the ion range threshold value is more than the experimental value . The results show that the ion range threshold value is more than the experimental value . The experimental results show that the ion range threshold value is more than the experimental value . The results show that the ion range threshold is an important parameter for estimating the error rate of the device . The results show that the ion range threshold is an important parameter for estimating the error rate of the device .

【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V443;TL56

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