基于优化模型的纳米器件逻辑单元单粒子瞬态仿真研究

空间辐射诱发的单粒子瞬态(SET)是航天电子系统可靠性的主要威胁。本文分析了现有电荷注入仿真模型的不足,提出了一种改进的结合灵敏体和双极扩散机制的电荷收集模型,综合考虑了寄生双极放大效应和电荷共享效应,可针对不同角度、不同线性能量传输值(LET)的重离子入射版图不同位置,计算获取SET平均脉宽及敏感截面分布。该方法已集成于项目组自研TREES软件,并针对商用65 nm工艺库中的多种逻辑单元开展了相关仿真计算。结果表明,该方法可在物理版图设计阶段评估单粒子瞬态截面及脉宽分布,为版图屏蔽SET设计加固提供基础参考数据。

阱接触对28 nm SRAM单粒子多位翻转的影响

为研究纳米尺度下,特征尺寸减小和阱接触布放方式对单粒子效应电荷收集机制的影响,在北京HI-13串列加速器上开展了国产28 nm静态随机存储器(SRAM)重离子单粒子效应辐照实验研究,获得了不同线性能量转移(LET)值重离子垂直入射下的器件重离子单粒子位翻转截面、多位翻转百分比和多位翻转拓扑图形,并与65 nm SRAM实验数据进行比对,分析了28 nm SRAM重离子单粒子多位翻转物理机理.结果表明,在特征尺寸减小、工作电压降低等因素影响下,器件重离子单粒子翻转阈值减小,位翻转饱和截面明显降低,多位翻转占比增大,拓扑图形可达n行×3列,且呈现间断性的特点,结合28 nm SRAM的全局阱接触布放对电荷收集机制的影响,分析这种现象的产生源于N阱内p型金属-氧化物-半导体间电荷共享所导致的单粒子翻转再恢复.

重离子辐照引发的25 nm NAND Flash存储器数据位翻转

为研究不同注量下浮栅存储单元位翻转特点及其翻转截面变化,以及重离子入射导致的多单元翻转,以两款25 nm NAND Flash存储器为载体开展了重离子实验研究。实验结果表明,单个重离子在击中存储单元灵敏体积的情况下足以引起位翻转,位翻转比率随着注量累积基本呈线性变化。由于处于编程状态阈值电压分布低压区的存储单元倾向于在相邻或靠近的地址上集中分布,随着注量累积,这类存储单元数量迅速减少,而其他大量存储单元的翻转数增长率变化不明显,因此位翻转截面随注量累积呈下降趋势。重离子导致两款器件出现多单元翻转,多单元翻转呈现单列、双列以及列间隔等结构。利用离子电离径迹模型估算得到离子电离有效径迹半径,可以判定多单元翻转是由于一个离子的电离有效径迹覆盖了多个存储单元。

纳米DDR SRAM器件重离子单粒子效应试验研究

针对90nm和65nm DDR(双倍数率)SRAM器件,开展与纳米尺度SRAM单粒子效应相关性的试验研究。分析了特征尺寸、测试图形、离子入射角度、工作电压等不同试验条件对单粒子翻转(SEU)的影响和效应规律,并对现有试验方法的可行性进行了分析。研究表明:特征尺寸减小导致翻转截面降低,测试图形和工作电压对器件单粒子翻转截面影响不大;随着入射角度增加,多位翻转的增加导致器件SEU截面有所增大;余弦倾角的试验方法对于纳米器件的适用性与离子种类和线性能量转移(LET)值相关,具有很大的局限性。

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.

GaN HEMT器件电子辐照效应研究

对GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件进行了0.8和1.2 MeV电子束的辐照效应研究。结果表明,0.8 MeV电子束对器件损伤甚于1.2 MeV电子束,饱和漏电流增大,阈值电压负向漂移主要是由于AlGaN层中电离辐射产生的俘获正电荷以及GaN层中非电离能量损失产生的N、Ga空位所引起的。栅电流增加主要是由于非电离能量损失在AlGaN势垒层形成的电子陷阱和俘获正电荷引起TAT效应(trap-assisted tunneling)所导致。

SRAM激光微束单粒子效应实验研究

结合器件版图,通过对2 k SRAM存储单元和外围电路进行单粒子效应激光微束辐照,获得SRAM器件的单粒子翻转敏感区域,测定了不同敏感区域单粒子翻转的激光能量阈值和等效LET阈值,并对SRAM器件的单粒子闭锁敏感度进行测试。结果表明,存储单元中截止N管漏区、截止P管漏区、对应门控管漏区是单粒子翻转的敏感区域;实验中没有测到该器件发生单粒子闭锁现象,表明采用外延工艺以及源漏接触、版图布局调整等设计对器件抗单粒子闭锁加固是十分有效的。

欧空局监测器单粒子翻转能量和角度相关性

结合欧空局推广需求,以及国内加速器和国际加速器比对的愿望,将欧空局单粒子翻转监测器(Europe space agency single event upset monitor,ESA SEU Monitor)成功应用于国内串列重离子加速器束流标定.通过和欧洲主要加速器的数据结果进行比对,分析系统内部单粒子翻转物理位图,验证了串列加速器在重离子束流监测技术方面的准确性.结合多方试验数据,观察到在低LET(linear energy transfer)单粒子翻转截面曲线亚阈区,相同LET值不同能量重离子引起ESA SEU Monitor翻转截面相差1—3个量级.采用基于试验数据的方法,确定了器件灵敏体积的几何尺寸、临界电荷以及收集效率,通过蒙特卡罗仿真揭示了ESA SEU Monitor单粒子翻转能量相关性的物理机理.同时针对试验中低LET值倾斜角度时,ESA SEU Monitor存储阵列中不同模块单粒子翻转所表现的敏感性差异,基于对器件结构的分析和计算验证,表明低LET重离子倾斜入射时,离子穿过不同模块灵敏区上方层间介质的差异是引起单粒子翻转角度相关性的根本原因.

典型CMOS器件总剂量加速试验方法验证

应用美军标试验方法1019.5和1019.4分别对两种典型(ComplementaryMetal?Oxide?SemiconductorTransistor,CMOS)器件进行试验验证,论述了试验原理,对试验现象进行了详细的分析,了解实验室条件下评估空间氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷的可行性和保守性。实验表明,两种不同工艺的CC4069器件没有通过1019.5所做出的试验验证,从实验现象观察认为是由于界面陷阱电荷大量建立所引起的。加固LC4007?RHANMOS却通过了与1019.5相比过分保守的1019.4的试验验证。

0.6μm MOS器件稳态总剂量损伤效应研究

合作制备了体硅0.6μm工艺直栅和环栅不同设计结构的MOS器件,开展了稳态高剂量率电离辐射总剂量效应试验。通过对实验数据进行分析,研究当器件特征尺寸达到亚微米、深亚微米时,不同设计结构、不同辐照偏置条件对实验结果的影响。分析了器件的短沟效应、窄沟效应、DIBL增强效应,为器件设计加固提供了有益的试验数据。

Kovar封装CMOS器件X射线剂量增强效应研究

在器件的金属化层及封装等结构中,高原子序数材料在低能X射线的辐照下,会在相邻的低原子序数材料中产生剂量增强效应,从而使得器件性能严重退化。主要介绍了柯伐封装的CMOS器件,在X射线和γ射线辐照下,其辐照敏感参数阈值电压和漏电流随总剂量的变化关系。并对实验结果进行了比较,得出低能X射线辐照对器件损伤程度大于γ射线,对剂量增强效应进行了有益的探讨。

体硅90nm SRAM重离子单粒子多位翻转实验和数值模拟

建立了单粒子多位翻转的测试方法和数据处理方法,在此基础上开展了体硅90nm SRAM重离子单粒子多位翻转的实验研究。通过分析单粒子多位翻转百分比、均值、尺寸等参数随线性能量转移(linear energy transfer,LET)的变化关系,表明了纳米尺度下器件单粒子多位翻转的严重性,指出了单粒子多位翻转对现有重离子单粒子效应实验方法和预估方法带来的影响。构建了包含多个存储单元的全三维器件模型,数值模拟研究了不同阱接触布放位置对单粒子多位翻转电荷收集的影响机制,表明阱电势扰动触发多单元双极放大机制是导致单粒子多位翻转的主要因素,减小阱接触与存储单元之间的距离是降低单粒子多位翻转的有效方法。

MOS器件加固技术的理论研究

对具有侧向寄生晶体管的NMOSFET进行二维数值模拟 ,探讨了掺杂浓度、辐照偏压以及鸟嘴形状 3个关键参数对于器件抗总剂量辐射加固性能的影响。分析得出 ,增加鸟嘴和场氧区下的掺杂浓度、降低辐照栅电压、减小鸟嘴斜率均将有助于降低寄生泄漏电流 ,提高抗辐射能力。

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.

浮栅ROM器件的脉冲与稳态总剂量效应研究

目前国内存储器辐照效应研究多数集中于功能测试,对具体参数研究较少。本文提出了浮栅型存储器阈值电压的测试方法,并引入紫外预辐照方法,对几种不同集成度的浮栅型存储器EPROM,开展了脉冲与稳态总剂量效应对器件阈值电压影响的异同性研究,分析了损伤机理。研究结果表明,不同于MOS和CMOS器件,脉冲辐照引起的浮栅ROM器件阈值电压漂移大于稳态辐照,为系统器件选型提供了重要参考。

MOS器件^(90)Sr-^(90)Y源电离辐射效应研究

介绍了利用90Sr-90Y源辐照装置对MOSFET进行低剂量率辐射条件下的电离辐射效应实验,着重研究了MOSFET的辐照敏感参数随辐照剂量的变化规律,并对实验结果进行了分析讨论。

CMOS器件的脉冲γ总剂量效应初探

利用"强光一号"加速器对部分CMOS器件开展了脉冲总剂量时间关联的辐射效应实验,研究了脉冲辐照后阈值电压漂移与时间的关联响应,以及辐照栅偏压对初始阈值电压漂移的影响,并比较了在给定实验条件下NMOSFET和PMOSFET脉冲总剂量效应与60Coγ稳态总剂量效应之间的损伤差异,运用复合模型、氧化物陷阱电荷的隧道退火以及界面态建立的两阶段模型对实验结果进行了分析。

脉冲总剂量效应测试技术及其损伤规律研究

建立了基于PCI插卡式虚拟仪器的脉冲总剂量效应在线测试系统,详细说明了其工作原理和技术指标。利用该系统研究了脉冲辐照后CMOS器件总剂量损伤以及时间关联的退火响应,包括不同栅偏压对总剂量损伤和退火行为的影响,以及氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷引起的阈值电压漂移与退火时间的关联情况,并从物理机理上进行了详细的分析。

54HC系列CMOS器件脉冲与稳态γ总剂量效应异同性研究

针对现有脉冲辐射模拟装置在模拟真实环境方面累积剂量偏小的特点,开展了54HC系列CMOS器件脉冲γ与60 Coγ总剂量效应损伤异同性研究,获取器件效应损伤因子,以期通过对稳态辐射环境下电路总剂量损伤阈值的测量预估脉冲高剂量率环境下的总剂量损伤阈值。研究结果表明,无论选择哪种敏感参数进行效应损伤异同性研究,稳态辐照造成的总剂量损伤总是高于脉冲辐照,即稳态总剂量引起的器件阈值电压漂移、静态功耗电流增加比脉冲总剂量引起的大。

EPROM脉冲总剂量损伤效应实验研究

针对目前国内存储器辐照效应研究大多集中于功能测试,所测参数少的现状,提出了浮栅型存储器阈值电压的测试方法,并对浮栅型存储器EPROM初步开展了脉冲总剂量对器件阈值电压影响的效应研究,分析了损伤机理。研究结果表明,脉冲总剂量引起存储单元阈值电压向负方向发生明显漂移,在不加电和静态加电两种情况下,存储单元阈值电压漂移基本一致。