基于TCAD和Geant 4的SRAM单粒子效应评估

基于Geant4和TCAD (Technology-Computer Aided-Design)建立了一套评估静态存储器(SRAM)单粒子效应的方法. 该方法利用TCAD软件模拟半导体存储单元对粒子能量沉积的响应, 获得SRAM的重离子单粒子翻转截面, 并应用蒙特卡罗工具包Geant 4计算质子与硅材料的核反应以及次级粒子在灵敏体积内的能量沉积, 进而获得质子的单粒子翻转率. 利用该方法, 计算了TSMC 0.18 μm未加固SRAM的重离子和质子翻转率, 通过与同工艺SRAM的重离子实验结果进行比较, 初步验证了该方法的有效性. 该方法不依赖于地面模拟实验, 可以用来评估处于设计阶段的抗辐射加固器件.      

质子单粒子翻转截面计算方法

在分析质子与硅反应的基础上,建立了质子单粒子翻转截面理论计算模型,提出了模拟计算方法。计算得到了不同能量的高能质子与硅反应产生的次级粒子种类、截面、能谱和双微分截面。采用Monte Carlo方法模拟质子与硅的反应;应用TRIM程序计算次级粒子的射程;计算得到次级粒子在存储单元的灵敏区内沉积的能量,产生的电荷。通过与临界电荷的比较,判断是否导致单粒子翻转,从而得到单粒子翻转截面。计算得到的单粒子翻转截面与实验数据符合较好。     

基于脉冲激光定位的SRAM单粒子闩锁事件率预估

器件单粒子闩锁效应(SEL)预估方法一般是建立在只有一个敏感体积单元的长方体(RPP)模型上,静态随机存储器(SRAM)单粒子闩锁敏感区的定位试验结果表明敏感体积单元不仅有一个.利用脉冲激光定位SRAM K6R4016V1D单粒子闩锁效应敏感区的试验结果对器件在轨SEL事件率进行了修正计算.首先利用脉冲激光定位SRAM SEL敏感区,获得敏感区的分布情况,并确定整个器件敏感体积单元的数量.然后针对不同的空间轨道、辐射粒子以及敏感体积厚度和敏感体积单元数进行了相应的器件SEL事件率计算,并对计算结果进行了分析讨论.结果表明,重离子引起的SEL事件率随敏感体积单元数量的增大而减小;修正敏感体积单元数量对预估质子引起的SEL事件率非常必要,否则将会过高评估质子直接电离作用对SEL事件率的贡献.      

空间高能粒子与器件布线层核反应后次级粒子LET分布研究

空间高能质子和重离子是导致元器件发生单粒子效应的根本原因,为准确评估元器件在轨遭遇的单粒子效应风险,必须清楚高能质子、重离子与器件材料发生核反应的物理过程及生成的次级重离子LET（Line EnergyTransfer）分布规律。针对典型CMOS工艺器件模拟计算了不同能量质子和氦核粒子在器件灵敏单元内产生的反冲核、平均能量及线性能量转移值,并分析了半导体器件金属布线层中重金属对次级重离子LET分布的影响规律。计算结果表明：高能粒子与器件相互作用后产生大量次级重离子,且高能质子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～25MeV·cm²/mg;高能氦核粒子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～35 MeV·cm²/mg;有重金属钨（W）存在时能提高次级粒子的LET值,增加了半导体器件发生单粒子效应的概率,该研究结果可为元器件单粒子效应风险分析、航天器抗单粒子效应指标确定提供重要依据。     

高能重离子径迹结构对单粒子翻转的影响

利用解析法计算了高能重离子的径迹结构,通过MonteCarlo方法研究了径迹结构对微电子芯片单粒子翻转的影响.结果表明,考虑了径迹结构的影响后,当离子能量较高时,具有小尺寸灵敏单元、低翻转阈值的芯片的翻转截面较传统的LET描述结果小许多;当离子更重时,这种差别对灵敏单元尺寸较大、翻转阈值较高的芯片也变得较明显.即离子径迹结构的影响是通过其有效地沉积到灵敏单元中的能量与翻转阈值相比较而表现出来的.还研究了作用距离较深、结构宽大的径迹造成的相邻多个灵敏单元的同时翻转,即多位翻转现象,这是用LET所不能反映的.      

脉冲激光模拟空间载荷单粒子效应研究进展

脉冲激光作为模拟测试空间探测载荷半导体器件的单粒子效应现象的一种较新型手段,具有可以定位器件对单粒子效应敏感的具体单元以及动态测试电路系统对单粒子效应的时间响应特性的特点,能够满足工程部门、器件研发部门的不同需求。通过实验与理论研究,建立单粒子锁定与翻转效应的激光阈值能量与重离子LET值的对应关系,解决了脉冲激光模拟测试的激光结果如何定量的关键问题,据此可以定量摸底评估器件的单粒子效应敏感度,使脉冲激光测试载荷的结果更具评价以及指导意义,这对建立统一的脉冲激光单粒子效应评估试验标准以及对脉冲激光试验的推广具有重要意义。空间探测载荷发生单粒子效应后器件功能特性及电路系统的影响、防范单粒子效应电路条件影响的手段下电路系统的抗单粒子效应设计措施是的有效性,以及为空间探测专门研制的抗辐射ASIC电路评价,都需要更加精细的单粒子效应测试方法。通过建立便捷、低成本的脉冲激光定量试验的手段,解决了空间探测载荷上述单粒子效应试验的问题。     

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.      

一种SEU实验数据的处理方法

对SEU数据——特别是看似不理想，但却包含了丰富的物理信息所谓“坏数据”——的处理方法进行了分析讨论，并具体针对IDT7164器件的SEU数据进行了处理，从中得到了死层厚度、灵敏体积厚度、能量阈值等进行单粒子翻转预测所需要的关键参数，并就如何根据国内加速器的实际情况开展有针对性的单粒子效应模拟试验提出了一些初步想法。     

SRAM型FPGA单粒子翻转效应加固方法

应用重离子加速器和皮秒脉冲激光器开展Virtex-Ⅱ FPGA（Field Programmable Gate Array）单粒子效应加固方法有效性研究.实验结果表明,同时应用三模冗余和动态刷新加固方法能够完全纠正单粒子效应产生的功能错误.实验获得数据加密算法在不同单粒子效应加固方法下功能错误截面,发现少量的存储位翻转就可以导致程序功能错误;程序功能对存储位翻转较敏感.分析Virtex-Ⅱ FPGA不同加固方法在不同卫星轨道的有效性,同时应用动态刷新和三模冗余加固方法,可以完全校正由于存储位翻转造成的功能错误.重离子加速器和脉冲激光器实验结果同时表明,脉冲激光可以模拟重离子加速器研究单粒子效应加固方法有效性.     

SRAM型FPGA单粒子效应逐位翻转故障注入方法

针对SRAM(Static Random Access Memory)型FPGA(Field Programmable Gate Array)空间应用的可靠性评测问题,提出一种逐位翻转的故障注入试验方法,利用动态重配置技术,通过检测逻辑电路设计配置存储单元中的单粒子翻转敏感位数量和位置,可计算出动态翻转截面和失效率,绘出可靠度变化曲线.分别对采用TMR(Triple Modular Redundancy)防护设计的和未采用TMR防护设计的SRAM型FPGA乘法器模块进行了故障注入试验,验证了得到的敏感位位置的正确性,并计算出各自的可靠性参数和曲线.     

几种256Kbit SRAM芯片的单粒子翻转规律

给出了实践４号（ＳＪ－４）星载ＩＤＴ７１２５６Ｄ高速ＣＭＯＳ静态存储器和ＨＭ８８３２异步静态存储器单粒子事件（ＳＥＵ）的总翻转率,器件类型翻转率,逻辑状态翻转率,并与国外某些卫星的监测结果进行了比较。另外对部分ＳＥＵ数据进行了统计分析,给出了ＳＥＵ的片上地址和到达时间差的分布规律及拟合曲线。     

导航卫星单粒子软错误影响建模与仿真方法

单粒子(SEU)软错误是导致卫星中断、影响卫星可用性的重要因素。针对SEU软错误在导航卫星内部的失效传播过程描述与影响评估问题,提出一种基于有限状态机(FSM)理论/Stateflow的软错误影响传播过程建模方法,阐述了构建软错误传播过程有限状态机模型的基本元素与原则,并针对导航卫星特点提出软错误影响传播与防护恢复策略的建模思路。利用Stateflow仿真得到单星可用度与平均任务中断时间,分析了多种恢复策略时间对整星可用性指标的影响;并通过构建MATLAB与STK联合仿真平台,由单星软错误传播仿真结果得到星座位置精度因子(PDOP)可用性指标,从而评估了SEU软错误在整星与星座2个层级的影响。      

存储器空间单粒子翻转率预测

根据SSO上两卫星搭载的三个PREM测得的空间中重离子LET谱,以及利用Weibull分布模型拟合出的不同器件的σ-LET曲线,对由空间中重离子引起的单粒子翻转的翻转率进行了预测估算.将预测值与实测值对比,分析了影响翻转率的因素.对于相同器件,翻转率与设备在卫星上的位置和朝向有关.位于卫星尾部面向后退（-x）方向的翻转率高于位于底部对地（+z）方向的器件翻转率;太阳活动水平高的时间段翻转率高于太阳活动水平低的时间段.探测器接收的重离子微分LET谱的强度和硬度决定了器件的单粒子翻转率.在高于翻转LET阈值时,LET谱的强度越高,其硬度和翻转率越大.不同器件的翻转率也不相同.      

新型高速单粒子翻转自恢复锁存器设计

航天器中芯片工作时钟频率的不断提高使得单粒子翻转(single-event-upset,SEU)效应对时序逻辑的影响更加显著。目前已经提出的辐射加固锁存器存在面积和延时较大、功耗较高且抗单粒子翻转能力有限的问题。针对这些问题，提出了一款基于130nm部分耗尽绝缘体上硅(partially-depleted silicon on insulator,PD SOI)工艺的高速单粒子辐射自恢复锁存器。在对电路设计进行介绍的基础上，与其他已经报道的电路进行了对比，并利用节点翻转分析和仿真波形验证了该锁存器具有抗单粒子翻转自恢复的功能。对比结果表明，与其他的抗单粒子翻转自恢复锁存器相比，在牺牲部分功耗的代价下，大幅减小了锁存器的面积和延时。本方案所提出的辐射加固锁存器的综合开销指标APDP较其他辐射加固锁存器平均节省了71.14%，适用于辐射环境下的对速度和可靠性有较高要求的电路，为国产宇航高可靠自研芯片提供了选择。     

SRAM型FPGA的抗SEU方法研究

通过分析静态随机访问存储器(Static Random Access Memorg,SRAM)型现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array,FPGA)遭受空间单粒子翻转(SEU)效应的影响,并比较几种常见的抗SEU技术:三模冗余(Triple Module Redwcdancy,TMR)、纠错码(Error Correction Code,ECC)和擦洗(Scrubbing),提出了一种硬件、时间冗余相结合的基于双模块冗余比较的抗SEU设计方法。在FPGA平台上对线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)逻辑进行软件仿真的抗SEU验证实现,将各种容错设计方法实现后获得的实验数据进行分析比较。结果表明,64阶LFSR的抗SEU容错开销与基于硬件的TMR方法相比,可以节省92%的冗余逻辑资源;与基于时间的TMR相比,附加时间延迟缩短26%。     

A comparison of two different types of geosynchronous satellite measurements during the 1989 solar proton events.

The proton telescope aboard the GOES-7 satellite continuously records the proton flux at geosynchronous orbit, and therefore provides a direct measurement of the energetic protons arriving during solar energetic particle (SEP) events. Microelectronic devices are susceptible to single event upset (SEU) caused by both energetic protons and galactic cosmic ray (GCR) ions. Some devices are so sensitive that their upsets can be used as a dosimetric indicator of a high fluence of particles. The 93L422 1K SRAM is one such device. Eight of them are on the TDRS-1 satellite in geosynchronous orbit, and collectively they had been experiencing 1-2 upset/day due to the GCR background. During the large SEP events of 1989 the upset rate increased dramatically, up to about 250 for the week of 19 Oct, due to the arrival of the SEP protons. Using the GOES proton spectra, the proton-induced SEU cross section curve for the 93L422 and the shielding distribution around the 93L422, the calculated upsets based on the GOES satellite data compared well against the log of measured upsets on TDRS-1.     

空间轨道单粒子翻转率预估方法研究

系统分析了国外单粒子翻转率预估方法，提出了一种适合国内现状的单粒子翻转率预估方法，计算了五个典型轨道上的单粒子翻转率和轨道翻转系数，为评价半导体器件抗单粒子效应的能力提供了依据。