脉冲激光模拟SRAM单粒子效应的试验研究

发布时间：2017-08-28 02:32

  本文关键词：脉冲激光模拟SRAM单粒子效应的试验研究

  更多相关文章： 单粒子效应 脉冲激光 敏感区定位 在轨预估 闩锁防护

【摘要】：脉冲激光模拟单粒子效应技术以其试验便捷、效率高、精确的空间和时间分辨特性等优势,在世界范围内越来越多地被应用于单粒子效应机理研究和工程实践中,已经成为单粒子效应特性评估和防护设计验证的有效手段。随着微电子技术的发展,先进工艺半导体器件的单粒子效应表现出新的现象和问题,给脉冲激光模拟单粒子效应技术带来新的挑战。本论文利用中科院空间中心自主研发的脉冲激光试验装置,以SRAM为主要研究对象,开展脉冲激光模拟单粒子效应试验机理和技术方法的研究,并在此基础上开展单粒子翻转和单粒子闩锁效应的敏感区定位、在轨预估和防护加固等方面的研究,对单粒子效应地面模拟试验研究和工程应用具有重要意义。本文的主要研究内容和成果如下:1)开展脉冲激光模拟单粒子效应机理和与重离子对比等效方面的研究。在对比脉冲激光和重离子与Si材料相互作用异同的基础上,分析了影响脉冲激光试验定量研究的各项因素,修正了以往研究中激光正面入射辐照器件情况下能量传输模型的错误,完善了激光背面入射辐照器件情况下的能量传输模型,形成了系统的脉冲激光与重离子对比等效计算方法。对于典型器件的单粒子闩锁效应,分别进行了激光阈值能量和重离子阈值LET值试验测试和相应计算,两者符合较好。2)实现了脉冲激光精确定位单粒子效应敏感区和陶瓷封装器件背部开封技术。以深亚微米工艺SRAM器件为研究对象,开展激光精确定位存储单元单粒子翻转敏感区的研究,同时进行SEU敏感特性的TCAD仿真研究。激光定位结果与TCAD仿真结果及器件版图信息一致表明,脉冲激光定位技术可靠而且具有很高的分辨率。利用高功率激光开发陶瓷封装器件背部开封技术,实现了激光背部入射陶瓷封装器件诱发单粒子效应。3)基于脉冲激光精确定位技术分别开展了单粒子翻转和单粒子闩锁效应敏感区试验研究。存储单元为4T2R结构的SRAM IDT71256S单粒子翻转敏感区的研究结果表明,有的存储单元在存储1时敏感,有的存储单元在存储0时敏感,两种单元在物理位置上呈互补排列,这种差异与器件正面金属层对激光的阻挡作用无关。激光试验结果与重离子测试数据均说明存储数据会对器件SEU敏感特性产生影响。CMOS SRAM单粒子闩锁效应敏感区具有周期性的分布特征。闩锁测试存在“方位倾角”效应:离子入射倾角增大到一定角度时,入射方向将会对器件单粒子闩锁效应测试产生影响。4)提出并开展了利用脉冲激光定位修正单粒子闩锁在轨预估的研究。利用激光定位单粒子闩锁敏感区确定器件内部SEL敏感体积单元的数量,考虑质子直接电离作用对SEL在轨频次的贡献。结果表明,脉冲激光具有快速准确定位SEL敏感区的优势,为准确获得SEL敏感体积单元数量提供了技术支撑。器件SEL敏感体积单元数量对在轨频次具有较大影响,重离子和质子引起的SEL频次都随敏感体积单元数量的增加而减小。当器件敏感体积厚度较大或者闩锁阈值较高时,敏感体积单元数量对SEL在轨频次的影响更大。敏感体积形状会对SEL频次预估产生影响,与传统长宽相等的假设相比,较高的长宽比使SEL频次有所减小。5)开展单粒子闩锁效应电路级防护方法的研究。在测试SRAM单粒子闩锁效应特性的基础上,对闩锁过流常用的防护方法包括电阻限流和恒流源限流及断电重启等措施进行了试验研究。结果表明,限流电阻可以有效减小闩锁电流幅值,但不能有效抑制SEL;恒流源限流电路不能阻止SEL的发生,但可以有效限制闩锁电流,并使器件最终退出闩锁状态;只断开器件VCC管脚的供电电源,不能有效解除闩锁状态,断开器件与外部电路的全部连接,可以有效解除闩锁效应。
【关键词】：单粒子效应 脉冲激光 敏感区定位 在轨预估 闩锁防护
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-22
• 1 绪论22-42
• 1.1 空间辐射环境22-25
• 1.1.1 地球辐射带22-24
• 1.1.2 银河宇宙线24-25
• 1.1.3 太阳宇宙线25
• 1.2 空间辐射效应25-27
• 1.2.1 总剂量效应26
• 1.2.2 单粒子效应26-27
• 1.3 单粒子效应地面模拟试验27-32
• 1.3.1 重离子28-30
• 1.3.2 质子和中子30-32
• 1.3.3 锎源和a源32
• 1.3.4 脉冲激光32
• 1.4 单粒子效应仿真研究32-35
• 1.4.1 单粒子效应在轨评估仿真33
• 1.4.2 单粒子效应器件仿真33-35
• 1.5 脉冲激光模拟单粒子效应研究及存在问题35-40
• 1.5.1 脉冲激光模拟单粒子效应的研究35-38
• 1.5.2 存在的问题38-40
• 1.6 本文研究工作及组织结构40-42
• 2 脉冲激光模拟单粒子效应试验装置及方法42-54
• 2.1 脉冲激光模拟单粒子效应试验装置42-47
• 2.1.1 脉冲激光试验系统42-43
• 2.1.2 单粒子效应检测硬件43-46
• 2.1.3 单粒子效应检测软件46-47
• 2.2 器件预处理方法47-51
• 2.3 脉冲激光模拟单粒子效应试验基本方法51-54
• 2.3.1 激光背部辐照聚焦深度的确定51-52
• 2.3.2 单粒子效应截面的测试52-54
• 3 脉冲激光模拟单粒子效应机理和等效LET计算54-74
• 3.1 脉冲激光、重离子与Si材料相互作用54-62
• 3.1.1 重离子与Si材料的相互作用54-55
• 3.1.2 脉冲激光与Si材料的相互作用55-56
• 3.1.3 脉冲激光与重离子模拟单粒子效应物理过程的异同56-62
• 3.2 脉冲激光辐照器件的能量传输模型62-70
• 3.2.1 激光正面入射辐照器件能量传输模型62-67
• 3.2.2 激光背部入射辐照器件能量传输模型67-70
• 3.3 脉冲激光能量等效重离子LET计算70-73
• 3.3.1 脉冲激光能量与重离子LET等效的依据70
• 3.3.2 激光能量等效重离子LET计算70-71
• 3.3.3 单粒子闩锁效应脉冲激光能量等效重离子LET计算和试验71-73
• 3.4 小结73-74
• 4 脉冲激光定位SEE敏感区技术74-89
• 4.1 脉冲激光定位SEE敏感区基本试验技术74-78
• 4.1.1 脉冲激光定位SEE敏感区试验系统与方法74-76
• 4.1.2 激光定位SEE敏感区的分辨率76-78
• 4.2 180nm工艺SRAM SEU敏感区的激光定位试验78-83
• 4.2.1 测试器件与试验条件79
• 4.2.2 定位试验结果79-82
• 4.2.3 结果分析及讨论82-83
• 4.3 180nm工艺SRAM SEU敏感性的TCAD仿真83-87
• 4.3.1 3D器件模型83-84
• 4.3.2 TCAD仿真84-85
• 4.3.3 仿真结果及分析85-87
• 4.4 小结87-89
• 5 SEU敏感区的激光定位试验研究89-97
• 5.1 试验方案89-90
• 5.1.1 测试器件89-90
• 5.1.2 激光试验条件90
• 5.2 试验结果及分析90-94
• 5.2.1 激光正面辐照90-91
• 5.2.2 激光背部辐照91-93
• 5.2.3 结果分析93-94
• 5.3 激光SEU截面与重离子SEU截面的对比94-96
• 5.3.1 激光测试SEU截面94-95
• 5.3.2 重离子测试SEU截面95-96
• 5.4 小结96-97
• 6 SEL敏感区的激光定位试验研究97-104
• 6.1 试验方案97-98
• 6.1.1 测试器件97
• 6.1.2 试验条件97-98
• 6.2 试验结果98-100
• 6.2.1 SRAM K6R4016V1D试验结果98-99
• 6.2.2 LCD控制器件MAXQ2000 试验结果99-100
• 6.3 SEL敏感区定位结果讨论100-102
• 6.3.1 SEL重离子测试100-102
• 6.3.2 SEL频次在轨预估102
• 6.4 小结102-104
• 7 基于脉冲激光定位SRAM敏感区的单粒子闩锁在轨预估104-119
• 7.1 理论计算105-106
• 7.1.1 敏感体积单元数量对粒子能量沉积的影响105
• 7.1.2 敏感体积单元数量对SEL频次的影响105-106
• 7.2 激光定位试验106-109
• 7.2.1 测试器件及试验条件106-107
• 7.2.2 激光定位测试107-109
• 7.3 SEL频次计算109-116
• 7.3.1 SEL频次计算条件109-110
• 7.3.2 SSO SEL频次110-114
• 7.3.3 GEO SEL频次114-116
• 7.4 结果讨论116-117
• 7.4.1 SV数量vs重离子SEL频次116
• 7.4.2 SV数量vs质子SEL频次116-117
• 7.5 小结117-119
• 8 CMOS SRAM单粒子闩锁防护方法试验研究119-130
• 8.1 单粒子闩锁效应机理119-121
• 8.1.1 CMOS的寄生PNPN结构119-120
• 8.1.2 闩锁效应的触发120-121
• 8.2 单粒子闩锁效应激光试验121-124
• 8.2.1 测试器件121
• 8.2.2 SEL阈值和截面测试121-122
• 8.2.3 SEL阈值和截面测试结果122-124
• 8.3 单粒子闩锁防护方法124-126
• 8.3.1 电阻限流124-125
• 8.3.2 恒流源限流125
• 8.3.3 断电解除闩锁125-126
• 8.4 电路级闩锁防护方法试验126-129
• 8.4.1 电阻限流126-127
• 8.4.2 恒流源限流127
• 8.4.3 断电解除闩锁127-129
• 8.5 小结129-130
• 9 总结与展望130-133
• 9.1 总结130-131
• 9.2 展望131-133
• 参考文献133-144
• 作者简介及发表论文144-14

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王长河;单粒子效应对卫星空间运行可靠性影响[J];半导体情报;1998年01期

2 刘征;孙永节;李少青;梁斌;;SRAM单元单粒子翻转效应的电路模拟[J];半导体学报;2007年01期

3 龙恩;陈祝;;CMOS电路结构中的闩锁效应及其防止措施研究[J];电子与封装;2008年11期

4 余永涛;封国强;陈睿;韩建伟;;Laser SEU sensitivity mapping of deep submicron CMOS SRAM[J];Journal of Semiconductors;2014年06期

5 余永涛;韩建伟;封国强;蔡明辉;;基于脉冲激光定位的SRAM单粒子闩锁事件率预估[J];北京航空航天大学学报;2015年04期

6 田恺;曹洲;薛玉雄;杨世宇;;脉冲激光能量等效重离子LET研究[J];原子能科学技术;2010年04期

7 郭红霞;罗尹虹;姚志斌;张凤祁;张科营;何宝平;王园明;;亚微米特征工艺尺寸静态随机存储器单粒子效应实验研究[J];原子能科学技术;2010年12期

8 田恺;曹洲;薛玉雄;杨世宇;;器件表面钝化层对脉冲激光等效重离子LET值的影响[J];真空与低温;2007年02期

9 杨兆铭;单粒子效应对航天器的威胁及空间飞行试验评论（一）[J];真空与低温;1995年01期

10 余永涛;封国强;陈睿;上官士鹏;韩建伟;;SRAM K6R4016V1D单粒子闩锁及防护试验研究[J];原子能科学技术;2012年S1期

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 上官士鹏;脉冲激光模拟试验数字器件单粒子效应的机理与方法研究[D];中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）;2011年

2 党炜;COTS应用于空间辐射环境的可靠性研究[D];中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）;2007年

3 张振力;临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究[D];中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）;2010年

4 楼建设;卫星用典型SRAM存储器空间辐射效应及模拟试验方法研究[D];上海交通大学;2013年

5 张伟;脉冲激光模拟半导体分立器件单粒子效应的实验研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

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本文编号：747003