直流输电用特高压晶闸管大气中子失效率评估和损伤机理

本文基于散裂中子源开展了直流输电用8.5 kV/5 kA晶闸管的加速辐照试验。试验证实了大气中子导致的晶闸管单粒子烧毁失效现象,同时基于加速辐照试验结果计算了大气中子导致的晶闸管失效率。晶闸管的反向偏置电压和结温是影响晶闸管器件失效的关键因素。大气中子失效率随着反向偏置电压的增加呈指数增加。此外,失效率随温度的降低而增加。对应器件偏置在50%额定电压下的情况,5℃时的失效率较25℃时增加了近6倍。基于TCAD仿真进一步验证了辐照导致晶闸管失效的机理。仿真表明,单粒子烧毁失效与辐射粒子入射诱发的雪崩击穿效应直接相关。雪崩击穿效应与晶闸管反向偏置电压正相关,而与结温负相关,这与大气中子失效率随电压和结温的变化关系一致。

14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比

使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流,开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究,发现相比于65 nm器件,14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降至约1/40,而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%,源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm×30 nm×45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小.不同于65 nm器件对热中子免疫的现象,14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性.进一步的中子输运仿真结果表明,高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因,而单粒子翻转主要来自于p,He,Si等轻离子的贡献.

纳米级静态随机存取存储器的α粒子软错误机理研究

本文使用镅-241作为α粒子放射源,开展65和90 nm静态随机存取存储器软错误机理研究,结合反向分析、TRIM和CREME-MC蒙特卡罗仿真揭示α粒子在器件中的能量输运过程、沉积能量谱和截面特性.结果表明, 65 nm器件的软错误敏感性远高于90 nm器件,未发现翻转极性.根据西藏羊八井地区4300 m海拔的实时测量软错误率、热中子敏感性和α粒子软错误率,演算得到65 nm静态随机存取存储器在北京海平面应用的总体软错误率为429 FIT/Mb,其中α粒子的贡献占比为70.63%.基于反向分析结果构建器件三维仿真模型,研究α粒子入射角度对单粒子翻转特性的影响,发现随着入射角度从0°增大至60°,灵敏区中粒子数峰值处对应的沉积能量值减小了40%,原因为衰变α粒子的能量较低,入射角度增大导致α粒子穿过空气层和多层金属布线的厚度增大1/cos(q)倍,引起粒子能量减小,有效LET值随之减小.随着入射角度从0°增大至60°,单粒子翻转截面增大了79%,原因为65 nm器件灵敏区中明显的单粒子翻转边缘效应.

临近空间中子辐射环境分析及其引起的单粒子效应预计研究

使用Space Radiation 7.0工具分析临近空间中子辐射环境,研究其与海拔高度、太阳活动和经纬度的关系及内在原因.在此基础上,提出了一种基于蒙特卡罗方法的大气中子实时错误率预计方法,并以航空电子系统关键集成电路FPGA为例,预计其单粒子翻转敏感模块包括配置存储器、块存储器和用户触发器,单粒子功能中断敏感模块包括上电复位电路、SelectMAP接口等的实时飞行错误率.结果表明,配置存储器中发生的单粒子翻转达到总单粒子翻转率的77%,而上电复位电路和SelectMAP接口中发生的单粒子功能中断各占总单粒子功能中断率的36%.根据RTCA DO-254对飞行系统失效等级的划分,该FPGA器件不可用于航空电子系统关键位置.

基于高海拔地区的大气中子单粒子效应实时测量试验研究

开展65 nm高速大容量静态随机存取存储器(SRAM)大气中子单粒子效应特性及试验评价技术研究,基于4 300 m高海拔地区大面积器件阵列实时测量试验,突破效应甄别、智能远程测控等关键技术,在153 d的试验时间内共观测到错误43次,其中器件内单粒子翻转39次,多单元翻转(MCU)在单粒子翻转中占比23%,最大的MCU为9位。对高能中子、热中子和封装α粒子的贡献比例进行了分析,并基于多地中子通量数据,推演得到北京地面和10 km高空应用时的单位翻转(SBU)和MCU失效率(FIT)。发现地面处软错误的主要诱因为封装α粒子,随着海拔的增高,大气中子对软错误的贡献比例明显增大;MCU全部由高能中子引起,北京10 km高空处的MCU FIT值明显增大,其占比由地面的8%增大至26%。结合器件版图布局,对MCU产生机理进行了深入分析。最后,提出一种目标导向的存储器软错误加固策略优化方法。

典型卫星轨道辐射环境及在轨软错误率预计模型分析

使用最新版本的Space Radiation 7.0软件对典型卫星轨道(包括地球同步轨道、中地轨道和低地轨道)的空间辐射环境进行提取和计算,分析不同空间天气和屏蔽条件下的轨道离子通量-能量谱和通量-线性能量沉积(LET)谱特点。以一款SOI SRAM为例,结合地面加速器重离子试验获得的单粒子翻转截面-LET值关系曲线,预计该器件的在轨软错误率(SER),并分析关键参数对预计结果的影响规律和内在机理。结果表明,使用Space Radiation软件的四种输入模式获得的预计结果可相差5倍左右;灵敏区厚度的增大导致在轨SER降低数个数量级,原因为灵敏区厚度的设置与灵敏区平均投影面积和符合条件的空间离子通量的大小直接相关;漏斗长度的大小对预计结果有一定的影响。最后,对SER预计模型的适用性和发展趋势进行了讨论。

空间高能离子在纳米级SOISRAM中引起的单粒子翻转特性及物理机理研究

基于蒙特卡罗方法研究空间高能离子在65—32 nm绝缘体上硅静态随机存取存储器(SOI SRAM)中产生的灵敏区沉积能量谱、单粒子翻转截面和空间错误率特性及内在的物理机理.结果表明:单核能为200 MeV/n的空间离子在60—40 nm厚的灵敏区中产生的能损歧离导致纳米级SOI SRAM在亚线性能量转移阈值区域出现单粒子翻转;宽的二次电子分布导致灵敏区仅能部分收集单个高能离子径迹中的电子-空穴对,致使灵敏区最大和平均沉积能量各下降25%和33.3%,进而引起单粒子翻转概率降低,以及在轨错误率下降约80%.发现俘获带质子直接电离作用导致65 nm SOI SRAM的在轨错误率增大一到两个数量级.

基于青藏高原的14 nm FinFET和28 nm平面CMOS工艺SRAM单粒子效应实时测量试验

本文基于海拔为4300 m的拉萨羊八井国际宇宙射线观测站,开展了14 nm FinFET和28 nm平面互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺静态随机存取存储器(static randomaccess memory,SRAM)阵列的大气辐射长期实时测量试验.试验持续时间为6651 h,共观测到单粒子翻转(single event upset,SEU)事件56个,其中单位翻转(single bit upset,SBU)24个,多单元翻转(multiple cell upset,MCU)32个.结合之前开展的65 nm工艺SRAM结果,研究发现,随着工艺尺寸的减小,器件的整体软错误率(soft error rate,SER)持续降低.但是,相比于65和14 nm工艺器件,28 nm工艺器件的MCU SER最大,其MCU占比(57%)超过SBU,MCU最大位数为16位.虽然14 nm FinFET器件的Fin间距仅有35 nm左右,且临界电荷降至亚fC,但FinFET结构的引入导致灵敏区电荷收集和共享机制发生变化,浅沟道隔离致使电荷扩散通道“狭窄化”,另一方面灵敏区表面积减小至0.0024μm^(2),从而导致14 nm工艺器件SBU和MCU的软错误率均明显下降.

SRAM单粒子效应监测平台的设计

SRAM单粒子效应监测平台用于兰州重离子加速器(HIRFL)辐照终端开展单粒子效应实验,采用"承载子板—主控制板—上位机"结构。简要分析了SRAM单粒子效应产生机理,详细描述了该平台的硬件系统、软件系统和性能指标。重离子辐照实验中,该平台多次检测到IDT71256发生单粒子翻转和单粒子闩锁,实验结果与理论分析的结论基本一致。

超大规模FPGA的单粒子效应脉冲激光测试方法

建立了一种28nm HPL硅工艺超大规模SRAM型FPGA的单粒子效应测试方法。采用静态测试与动态测试相结合的方式,通过ps级脉冲激光模拟辐照实验,对超大规模FPGA进行单粒子效应测试。对实验所用FPGA的各敏感单元(包括块随机读取存储器、可配置逻辑单元、可配置存储器)的单粒子闩锁效应和单粒子翻转极性进行了研究。实验结果证明了测试方法的有效性,揭示了多种单粒子闩锁效应的电流变化模式,得出了各单元的单粒子效应敏感性区别。针对块随机读取存储器、可配置逻辑单元中单粒子效应翻转极性的差异问题,从电路结构方面进行了机理分析。

基于TCAD的绝缘体上硅器件总剂量效应仿真技术研究

绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)器件的全介质隔离结构改善了其抗单粒子效应性能,但也使其对总剂量效应更加敏感.为了评估SOI器件的总剂量效应敏感性,本文提出了一种基于TCAD(Technology Computer Aided Design)的总剂量效应仿真技术.通过对SOI器件三维结构进行建模,利用TCAD内置的辐射模型开展瞬态仿真,模拟氧化层中辐射感应电荷的产生、输运和俘获过程,从而分别评估绝缘埋层(Buried Oxide,BOX)和浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation,STI)氧化层中辐射感应陷阱电荷对器件电学性能的影响.基于该仿真技术,本文分别研究了不同偏置、沟道长度、体区掺杂浓度以及STI形貌对SOI MOSFET器件总剂量辐射效应的影响.仿真结果表明高浓度的体区掺杂、较小的STI凹槽深度和更陡峭的STI侧壁将有助于改善SOI器件的抗总剂量效应性能.

LDO单粒子闩锁效应及维持电流的特性研究

针对一种LDO,研究了重离子Cl、Ge辐照触发的单粒子闩锁(SEL)效应。实验结果表明,输入1.8 V时,SEL电流范围为850~950 mA;输入3.3 V时,SEL电流范围为6.2~6.4 mA。随着限制电流值的增高,退出SEL的时间逐渐增大,最终无法退出。该LDO的SEL维持电流范围为350~400 mA,可通过正常工作电流和允许的中断时间来选择合适的限制电流值。

重离子辐照导致的SiC肖特基势垒二极管损伤机理

基于高能Ta离子辐照研究了SiC肖特基势垒二极管的失效模式和机理,实验表明辐照过程中的反向偏置电压是影响SiC肖特基势垒二极管器件失效的关键因素.当器件反向偏置在400 V时,重离子会导致器件的单粒子烧毁,辐照后的器件出现了因SiC材料熔融形成的“孔洞”;当器件反向偏置在250-300 V时,器件失效表现为关态漏电流随着离子注量增加而增加,且器件的偏压越高,重离子导致的漏电增加率也越高.对于发生漏电增加的器件,基于显微分析技术发现了分布在整个有源区内重离子导致的漏电通道.TCAD仿真结果表明,重离子入射会导致器件内部的晶格温度上升,且最大晶格温度随着偏置电压的增加而增加.当偏置电压足够大时,器件内部的局部晶格温度达到了SiC材料的熔点,最终导致单粒子烧毁;当偏置电压较低时,重离子入射导致的晶格温度增加低于SiC材料的熔点,因此不会造成烧毁.但由于器件内部最大的晶格温度集中在肖特基结附近,且肖特基金属的熔点要远低于SiC材料,因此这可能导致肖特基结的局部损伤,最终产生漏电通路.

绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究

基于^(60)Coγ射线源研究了总剂量辐射对绝缘体上硅(silicon on insulator, SOI)金属氧化物半导体场效应晶体管器件的影响.通过对比不同尺寸器件的辐射响应,分析了导致辐照后器件性能退化的不同机制.实验表明:器件的性能退化来源于辐射增强的寄生效应;浅沟槽隔离(shallow trench isolation, STI)寄生晶体管的开启导致了关态漏电流随总剂量呈指数增加,直到达到饱和; STI氧化层的陷阱电荷共享导致了窄沟道器件的阈值电压漂移,而短沟道器件的阈值电压漂移则来自于背栅阈值耦合;在同一工艺下,尺寸较小的器件对总剂量效应更敏感.探讨了背栅和体区加负偏压对总剂量效应的影响, SOI器件背栅或体区的负偏压可以在一定程度上抑制辐射增强的寄生效应,从而改善辐照后器件的电学特性.

国内典型地区地面大气中子能谱测量与仿真

基于多球能谱仪开展了广州、兰州和拉萨等地区的大气中子能谱和通量测量,获取了大气中子能谱的典型特征。测量结果表明:不同地区的大气中子通量受海拔高度的影响明显,地面大气中子通量随着海拔的增加而增加。此外,基于蒙特卡罗仿真工具也可以模拟初级宇宙射线粒子在地球大气层中的核反应过程,从而计算获取大气中子能谱。大气中子能谱测量数据与仿真数据吻合良好。

硅外延平面NPN双极晶体管的总剂量辐射损伤缺陷研究

本文针对国产NPN双极晶体管开展了不同偏置下的总剂量辐照试验。试验结果表明,辐照主要导致双极晶体管的基极电流增加和电流增益降低。同时,NPN晶体管在反向偏置下表现出较零偏下更严重的退化。分析发现,双极晶体管性能退化主要来源于辐射诱生缺陷导致的复合电流增加。最后,基于深能级瞬态谱开展了NPN晶体管发射结的缺陷测试,发现辐射会导致缺陷密度的增加和缺陷能级的改变。

位移损伤效应对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)分别进行3 MeV质子辐照和14 MeV中子辐照实验。3 MeV质子辐照下累积注量达到1×10^(15) cm^(-2)或14 MeV中子辐照下累积注量达到2×10^(13)cm^(-2)时,AlGaN/GaN HEMTs饱和漏电流下降,阈值电压正向漂移,峰值跨导降低。分别对3 MeV质子辐照和14 MeV中子辐照后的AlGaN/GaN HEMTs进行深能级瞬态谱(DLTS)测试。3 MeV质子辐照后缺陷浓度下降降低了反向栅极漏电流,而14 MeV中子辐照会导致缺陷浓度增加,使得反向栅极漏电流增加。根据质子和中子辐照后的缺陷能级均为(0.850±0.020)eV,推断缺陷类型均为氮间隙缺陷,质子辐照和中子辐照后氮间隙缺陷的位移导致的位移损伤效应是AlGaN/GaN HEMT器件电学性能退化的主要原因。

智能手机大气中子单粒子效应试验研究

基于中国散裂中子源BL09终端提供的宽能谱中子束流,开展智能手机大气中子单粒子效应试验研究。发现死机、内存清空和音频波形失真等故障现象,源于中子在7 nm FinFET工艺CPU、DRAM和Flash芯片中引起的单粒子效应。计算由高能中子和热中子产生的各种故障类型的FIT值,发现高能中子产生的错误率较热中子高5~9倍。观测到录音波形出现幅度整体下降、时间维度的前后移位和局部波形失真等异常现象。试验结果表明,大气中子单粒子效应对地面数以亿计的消费电子产品有显著的影响,必须在产品设计时进行加固处理。

大气中子及α粒子对芯片软错误的贡献趋势

在先进工艺集成电路中,高能中子、热中子和α粒子造成的软错误愈发受到关注。研究了150nm至16nmFinFET工艺节点器件在大气环境中的单粒子效应。随着工艺节点的缩小,高能中子引起的单粒子翻转截面和软错误率整体上均呈下降趋势。高能中子引起的软错误率在各个节点中均占据主导地位。热中子在45nm工艺节点下对软错误率有明显贡献,由其与W塞中所包含的10B核反应引起。α粒子在先进器件中的贡献整体出现下降趋势,在40nm工艺节点下出现极小值。此外,16nm工艺节点下FinFET结构的引入使集成电路的软错误率下降了一个数量级。

中子辐射导致的SiC功率器件漏电增加特性研究

基于14 MeV中子辐照研究了碳化硅(silicon carbide,SiC)肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode,SBD)和金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)器件的位移损伤退化特性.结果表明:总注量为1.18×10^(11)cm^(-2)的中子辐照不会引起SBD正向I-V特性的明显退化,但会导致反向漏电流出现显著增大.通过深能级瞬态谱测试发现中子辐照在SiC中引入的缺陷簇形成了能级位置E_(C)—1.034 eV处的缺陷.该深能级缺陷可能导致SiC漂移层费米能级向禁带中央移动,引起了肖特基势垒的降低,最终导致反向漏电流的增大.此外,中子辐照也会导致SiC MOSFET栅漏电增大.对应栅电压V_(gs)=15 V时,辐照后器件栅电流比辐照前增大了近3.3倍.中子辐照在氧化层中引入的施主型缺陷导致辐照前后MOSFET器件的栅氧导电机制发生了变化.缺陷对载流子越过栅氧化层势垒有辅助作用,从而导致栅漏电的增加.深能级瞬态谱测试结果表明中子辐照还会导致MOSFET器件沟道附近SiC材料中本征缺陷状态的改变,同时形成了新的Si空位缺陷能级,但这些缺陷不是导致器件性能退化的主要原因.