铁电存储器的辐射效应及其抗辐射加固技术研究

发布时间：2017-05-09 07:11

  本文关键词：铁电存储器的辐射效应及其抗辐射加固技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：半导体存储器是航天电子系统中的重要组成部件,担负着飞行器正常工作所需要的指令、代码及状态参数等各类数据的存储任务。随着人类太空探索活动的发展和航天事业的进步,对航天电子设备的性能也提出了越来越高的要求。铁电存储器作为一种新型非易失存储器,具有读写速度快、功耗低、可擦写次数多、掉电数据不丢失及适于嵌入式设计等优点,符合航天领域对电子设备小型化、低功耗、长寿命的要求。此外,由于空间环境的特殊性,还要求电子器件具备较强的抗辐射能力。大量试验证明铁电材料具有很高的耐辐射能力,因此,铁电存储器被认为具有很大的空间应用潜力。铁电存储器是铁电薄膜工艺与CMOS工艺的集成,其辐射效应仍有待全面评估和深入研究。目前国内的相关研究才刚刚起步,仅有极少量文献报道,关于铁电存储器的辐射效应和抗辐射加固设计方面尚有大量问题亟待研究。基于以上背景,本文从铁电存储器辐射效应的测试技术、失效模式、效应机理、仿真分析和加固方法等方面开展了深入研究,具体内容如下:1.基于目前国内的地面模拟辐射试验环境,对铁电存储器的总剂量效应(Total Ionizing Dose Effects,TID)和单粒子效应(Single Event Effects,SEEs)辐射试验方法及流程进行了研究。根据铁电存储器辐射效应试验特点及需求,设计了基于FPGA的铁电存储器测试系统。利用搭建的测试系统,对基于不同工艺线、不同容量、不同接口的多款商用铁电存储器开展了60Coγ射线总剂量效应试验研究,试验结果显示基于不同工艺节点的不同型号铁电存储器的总剂量失效阈值存在较大差别,为航天电子系统设计的器件选型提供了参考数据。2.在60Coγ射线总剂量效应试验的基础上,首次利用同步辐射微束X射线开展了铁电存储器总剂量效应微区辐射试验,研究了铁电存储器内部不同功能模块的失效模式,对比分析了各模块的辐射敏感性和失效机理,为抗辐射加固设计提供了参考。将X射线微束辐射试验结果与60Coγ射线试验结果进行了对比研究,根据两种辐射源的差异性和应用特点,分析了X射线微束辐射方法对大规模集成电路总剂量效应研究的优势与局限性。3.开展了铁电存储器重离子单粒子效应试验,对铁电存储器的静态翻转和动态翻转进行了对比试验研究,测得了铁电存储器发生单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)和单粒子闩锁(Single Event Latch-up,SEL)的线性能量转移(Linear Energy Transfer,LET)阈值范围以及SEU饱和截面,为评估铁电存储器抗单粒子能力提供了试验数据。4.开展了铁电存储单元单粒子效应仿真研究,分析了铁电存储单元的单粒子翻转机理及相关影响因素。采用器件仿真方法研究了不同入射条件下,单粒子在铁电存储单元中产生的瞬态脉冲特点及其对铁电电容极化状态的影响;分析了铁电电容的面积和矫顽电场对单粒子翻转敏感性的影响。采用电路仿真方法研究了单粒子瞬态脉冲对铁电存储单元位线读出信号和读出结果的影响。5.基于0.18μm CMOS工艺,对比研究了条形栅和环形栅NMOS晶体管的总剂量效应,以及封闭形栅设计对铁电存储器的灵敏放大器模块抗总剂量辐射的加固效果。仿真研究了旁路晶体管对铁电存储单元抗单粒子瞬态脉冲的加固效果。设计了一款基于抗辐射加固设计(Radiation-Hardened-By-Design,RHBD)技术的512bit抗辐射铁电存储器电路和版图,并通过了功能仿真验证,为后续研究工作打下基础。
【关键词】：铁电存储器 辐射效应 总剂量效应 单粒子效应 抗辐射加固设计
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 课题研究背景与意义12-23
• 1.1.1 应用需求12-13
• 1.1.2 空间辐射环境13-15
• 1.1.3 辐射效应15-18
• 1.1.3.1 总剂量效应15-17
• 1.1.3.2 单粒子效应17-18
• 1.1.3.3 位移损伤18
• 1.1.4 铁电存储器工作原理18-22
• 1.1.4.1 存储原理18-20
• 1.1.4.2 存储单元结构与读写方式20-22
• 1.1.5 铁电存储器的辐射效应22-23
• 1.1.6 抗辐射加固设计23
• 1.2 国内外研究进展23-26
• 1.2.1 铁电存储器辐射效应的研究进展23-25
• 1.2.2 抗辐射铁电存储器的研究进展25-26
• 1.3 论文的创新及内容安排26-28
• 1.3.1 主要贡献与创新26
• 1.3.2 论文内容安排26-28
• 第二章 铁电存储器总剂量效应试验及测试技术研究28-44
• 2.1 总剂量效应试验方法研究28-31
• 2.1.1 总剂量效应试验的主要地面模拟源29-30
• 2.1.2 试验系统及方法30-31
• 2.2 铁电存储器测试系统设计31-35
• 2.2.1 硬件系统31
• 2.2.2 独立写/读测试程序31-33
• 2.2.3 基于March C-算法的测试程序33-35
• 2.3 铁电存储器~(60)Co γ 射线总剂量效应试验研究35-43
• 2.3.1 试验环境与测试方法35-36
• 2.3.2 试验结果与讨论36-43
• 2.3.2.1 FM22L16试验结果36-37
• 2.3.2.2 FM28V100和MB85R1001试验结果37-38
• 2.3.2.3 FM28V020和MB85R256H试验结果38-39
• 2.3.2.4 FM24C64和FM24CL64试验结果39-40
• 2.3.2.5 FM24C16和FM24CL16试验结果40-41
• 2.3.2.6 几种铁电存储器总剂量效应对比41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第三章X射线微束辐射试验与总剂量失效分析44-57
• 3.1 X射线微束辐射试验平台与测试方法44-46
• 3.1.1 X射线微束辐射装置44-45
• 3.1.2 测试方法45-46
• 3.2 测试结果46-50
• 3.2.1 存储阵列46-47
• 3.2.2 灵敏放大器47
• 3.2.3 列译码电路47-49
• 3.2.4 行译码电路49
• 3.2.5 I/O接口电路49-50
• 3.3 失效分析50-54
• 3.3.1 存储阵列50-53
• 3.3.2 外围电路模块53-54
• 3.4 微束X射线和60Co γ 射线总剂量效应的对比研究54-55
• 3.5 本章小结55-57
• 第四章 铁电存储器重离子单粒子效应试验研究57-67
• 4.1 单粒子效应试验方法研究57-59
• 4.1.1 重离子加速器试验57-58
• 4.1.2 质子加速器试验58-59
• 4.1.3 脉冲激光试验59
• 4.1.4 ~(252)Cf源试验59
• 4.2 铁电存储器重离子单粒子效应试验59-66
• 4.2.1 试验环境与方法60-62
• 4.2.2 单粒子翻转截面与Weibull曲线拟合62-63
• 4.2.3 重离子单粒子效应试验结果与讨论63-66
• 4.3 本章小结66-67
• 第五章 铁电存储单元单粒子效应仿真研究67-83
• 5.1 铁电存储单元单粒子效应器件仿真研究67-77
• 5.1.1 单粒子入射点和入射角度的影响68-71
• 5.1.2 入射粒子LET值的影响71-73
• 5.1.3 铁电电容面积的影响73-74
• 5.1.4 矫顽电场的影响74-77
• 5.2 铁电存储单元的单粒子效应对位线读出信号的影响77-81
• 5.2.1 单粒子瞬态脉冲模型注入77-79
• 5.2.2 仿真结果与讨论79-81
• 5.3 本章小结81-83
• 第六章 铁电存储器抗辐射加固设计研究83-98
• 6.1 抗辐射加固技术概述83-86
• 6.1.1 材料及工艺加固技术83-84
• 6.1.2 RHBD技术84-86
• 6.1.2.1 电路及系统加固设计84-85
• 6.1.2.2 版图加固设计85-86
• 6.2 抗总剂量加固设计研究86-90
• 6.2.1 环形栅NMOS晶体管辐射效应研究86-87
• 6.2.2 灵敏放大器抗总剂量加固设计研究87-90
• 6.3 旁路晶体管抗SEU性能研究90-92
• 6.4 抗辐射铁电存储器设计92-97
• 6.4.1 电路设计92-95
• 6.4.2 版图设计95-97
• 6.5 本章小结97-98
• 第七章 结论与展望98-101
• 7.1 全文总结98-99
• 7.2 工作展望99-101
• 致谢101-102
• 参考文献102-109
• 攻读博士学位期间取得的成果109-110

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