质子引起纳米SRAM器件单粒子翻转研究

发布时间：2018-03-18 17:42

本文选题：纳米器件　切入点：SRAM　出处：《兰州大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：半导体器件的辐照损伤效应研究领域较广,但是主要集中在三个方面:单粒子效应(SEE),总剂量效应(TID)和位移损伤效应(DD)。每种效应都有着不同的研究手段,以及评估损伤严重性的方法和方案。三大效应都是粒子辐照对半导体器件带来的不同影响,本论文主要针对单粒子效应开展研究。根据摩尔定律,半导体集成电路中可容纳的晶体管数目大约每两年(18个月)就会增加一倍。半导体行业也确实如摩尔定律所描述的这样不断地进步发展,不断地涌现出令人惊叹的科技成果,方便着人们的工作和生活。半导体行业的发展虽然令人振奋,但是晶体管数目不断增长的同时也引入了一些新问题,特别是在航天应用领域,随着半导体器件的集成度不断增加,器件的特征尺寸不断缩小,芯片的工作电压越来越低,工作频率越来越高,最终导致半导体器件对于带电粒子入射变得越来越敏感,本论文的工作正是建立在这个基础之上的。一方面,空间辐射环境中质子是主要成分,随着航天器件特征尺寸的减小,质子所带来的威胁越来越大。另一方面,国内目前缺乏用于开展质子地面模拟实验的加速器装置,对于质子引起的单粒子效应研究有限,因此开展质子引起的纳米器件单粒子翻转效应研究无论是从基础研究还是航天应用角度都具有较大的意义。本论文分别从兰州重离子加速器(HIRFL)获取了25MeV/u的Kr离子束流以及9.5 MeV/u的Bi离子束流,从北京大学重离子物理研究所的EN-18串列静电加速器获得了初始质子能量为1 MeV-8 MeV的低能质子束流,从瑞士保罗谢尔国家实验室(PSI)质子辐照终端(PIF)获取了初始能量为200 MeV的高能质子束流。利用这些束流针对纳米器件开展了一系列单粒子翻转效应实验研究,主要研究了一系列束流参数(能量、LET、射程等)及器件参数(填充数据、工作电压、工作温度等)条件下对于单粒子翻转的敏感性研究。并且使用聚焦离子束技术(FIB)及扫描电子显微镜(SEM)手段对实验芯片内部结构信息进行了分析,从而建立了相关的器件模型。使用SRIM、CREME-MC、Geant4等模拟计算软件开展了更深入的分析讨论和研究。本论文主要内容有:·低能质子通过直接电离引起商业级纳米SRAM器件单粒子翻转效应实验研究。结果表明,低能质子通过直接电离机理能够引起商业级纳米SRAM器件的单粒子翻转效应,并且其翻转截面要相对高能质子高出好几个数量级。直接电离引起的器件翻转截面对于质子能量非常敏感,并且在不同的工作电压及工作温度下影响较大。对于不同的填充数据图形,翻转截面几乎没有变化。·开展了不同质子能量以及不同工作温度下中高能质子通过核反应引起纳米SRAM器件单粒子翻转效应实验研究。结果表明,随着器件特征尺寸降低,器件对于高能质子引起的单粒子翻转效应更加敏感。并且随着温度的升高,器件单粒子翻转效应的敏感性增加。·能量岐离对于实验测试质子引起的单粒子翻转效应截面的研究。结果表明,在低能质子区域使用降能片会大大的降低单粒子翻转截面峰值,并且得到错误的单粒子翻转的质子能量阈值,而高能质子区域降能片的使用有可能会引起翻转截面数据的异常。·结合实验数据再通过Space Radiation模拟仿真软件,预估了实验所用器件的空间在轨错误率,并且得到了低能质子所占的比例。结果表明对于特征尺寸为商业级65 nm的SRAM来说,低能质子直接电离引起的在轨错误率和高能质子核反应大致相当,不可忽略。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN303

【参考文献】