130nm体硅反相器链的单粒子瞬态脉宽特性研究

针对130 nm体硅反相器链,利用脉冲激光和重离子实验研究了目标电路单粒子瞬态（SET）的脉宽特性,并分析了电路被辐射诱发的SET脉宽特性受激光能量、重离子线性能量传递（LET）值、PMOS管栅长尺寸等因素的影响机制。重离子和脉冲激光实验结果类似,均表现为随激光能量、LET值的增加,电路被辐射诱发的SET脉宽逐步增大,且表现出明显的双（多）峰分布趋势,但辐射诱发的SET脉冲个数呈先增加再减少规律。此外,实验结果表明,在不同激光能量、LET值下,PMOS管栅长尺寸影响反相器链SET脉冲的特征不同。当激光能量、LET值较低时,PMOS管栅长尺寸大的电路产生的SET脉宽较大,而当激光能量、LET值较大时,PMOS管栅长尺寸小的电路反而产生更宽的SET脉冲。分析表明,较高激光能量、LET辐照时,寄生双极放大效应被触发可能是导致PMOS管栅长尺寸影响电路SET特征差异的主要原因。      

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。     

运算放大器SET效应的试验研究

模拟器件的单粒子瞬态脉冲效应的研究, 成为近来国际上单粒子效应研究的热点. 针对中国生产的运算放大器SF3503, 利用脉冲激光单粒子效应测试装置, 试验研究了SF3503工作于反相放大器与电压比较器模式SET效应的特征与规律. 获取了器件的敏感节点分布、LET阈值和SET脉冲波形的特征参数, 其中器件的敏感节点均分布在输入级与放大级, LET阈值不大于1.2 MeV•cm2•mg-1, 电压比较器产生的最大SET脉冲的幅度达27 V、脉冲宽度为51μs. 试验表明SF3503对SET效应极其敏感, 在不采取任何措施的情况下, 在空间任务中直接使用, 会严重影响系统的可靠性.      

Flash芯片电流“尖峰”现象的脉冲激光试验

利用皮秒脉冲激光单粒子效应试验装置研究了一款宇航级Flash芯片的电流“尖峰”（HCS）现象。利用激光准确定位的特点，确定电流“尖峰”是由芯片的电荷泵单元充放电引起的，不同的激光能量、入射位置会触发不同频率、相同幅值的电流“尖峰”现象，虽然电流“尖峰”发生的瞬间电流增大的现象与单粒子锁定效应表现一致，但机理完全不同。当激光能量足够高（对应于重离子LET值99.8 MeV·cm2/mg）时，在电荷泵的同一个敏感位置累积多次辐照不断触发芯片发生电流“尖峰”，芯片会因多次充放电而损坏。      

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。     

CMOS器件单粒子效应电荷收集机理

针对90 nm CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺,采用三维数值模拟方法,研究了反相器中NMOS（Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管与PMOS（Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管的单粒子瞬变（SET,Single Event Transient）电流脉冲,深入分析了PMOSFET（Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）与NMOSFET（Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）发生单粒子效应时电荷输运过程和电荷收集机理.研究结果表明,由于电路耦合作用,反相器中晶体管的电荷收集与单个晶体管差异显著;反相器中PMOS晶体管电荷收集过程中存在寄生双极放大效应,NMOS晶体管中不存在寄生双极放大效应;由于双极放大效应,90 nm工艺下PMOS晶体管产生的SET电压脉冲比NMOS晶体管产生的电压脉冲持续时间更长,进而导致PMOS晶体管的SET效应更加敏感.研究结果为数字电路SET的精确建模、进行大规模集成电路SET效应模拟提供了参考依据.      

运算放大器单粒子瞬态脉冲效应试验评估及防护设计

线性器件的单粒子瞬态脉冲效应（SET）具有瞬发性和传播性，其对星用电子系统和设备的在轨故障定位及防护设计造成较大困难，已成为威胁航天器可靠性的重要因素之一.星用电子设备需要对所采用线性器件的SET特征进行细致的试验评估，以确定其最坏情况，并在此基础上结合具体应用电路特点进行有针对性的滤波等防护设计.本文以典型的星用线性器件LM124运算放大器作为研究对象，利用脉冲激光对其SET特征进行试验评估，得到宽度为35μs、幅度为7.2V的最坏情况SET参数.利用Hspice仿真验证LM124的SET特性与规律，针对最坏情况SET，仿真设计了外围滤波电路，研究不同减缓电路参数对SET脉冲的抑制效果，确定出最优电路参数.再次利用脉冲激光试验检验滤波电路对最坏情况SET的减缓效果，结果表明采用最优参数设计的滤波电路对最坏情况SET有较好的抑制作用，能够满足通常的应用电路需求.      

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.     

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.      

脉冲激光诱发130 nm体硅CMOS器件的单粒子闩锁效应

基于130nm体硅CMOS工艺,设计了具有不同阱/衬底接触与MOS管有源区间距、NMOS有源区与PMOS有源区间距的反相器链,利用脉冲激光试验开展了不同设计和不同工作电压下CMOS电路的单粒子闩锁效应敏感性研究.结果表明,随着阱/衬底接触与MOS管有源区的间距减小,以及NMOS与PMOS有源区间距的增大,电路抗SEL效...     

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.      

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.      

临近空间大气中子诱发电子器件单粒子翻转模拟研究

根据重离子试验数据, 采用长方体(RPP)模型, 用GEANT4软件工具包编程, 建立了垂直于器件表面入射的中子诱发电子器件的单粒子翻转模型. 考虑敏感体积及其附近的次级粒子对单粒子翻转的贡献, 统计了次级粒子在敏感体积内沉积能量的微分能谱分布, 对在敏感体积内沉积不同能量的次级粒子对单粒子翻转的贡献进行了区分计算, 模拟计算结果与地面试验结果符合较好.      

14 nm pFinFET器件抗单粒子辐射的加固方法

为探究先进互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺在空间应用中的可靠性问题，研究14 nm工艺下P型沟道鳍式场效应晶体管(pFinFET)器件中的抗单粒子瞬态(SET)加固策略。通过在器件中插入平行于鳍方向的重掺杂N型沟槽(Ntie)和P型沟槽(Ptie)来减缓SET的影响。三维TCAD仿真结果表明：加固之后器件的抗SET特性和沟槽本身的偏置条件相关。当重掺杂沟槽处于零偏状态时，抗辐射加固的性能最好，SET脉冲宽度降低程度可达40%左右；然而，当处于反偏状态时，由于特殊的电荷收集过程的存在，使得SET脉冲幅度反而会明显增大，脉冲宽度减小程度并不明显。此外，还研究沟槽面积、间距及掺杂浓度对pFinFET中的SET脉冲宽度的影响，得到提高抗SET效果的加固方法。     

80C31单粒子效应敏感度评估

采用串列静电加速器对同步轨道气象卫星扫描辐射计控制器用８０Ｃ３１微控制器进行了单粒子效应模拟试验，得到了器件的错误截面与ＬＥＴ关系曲线；根据试验结果，对器件在同步轨道重离子环境中的翻转率进行了预计。     

星用大容量静态存储器多位翻转实验研究

给出典型大容量静态存储器(SRAM)的多位翻转实验研究 结果。用HI-13串列型静电加速器和兰州重离子加速器(HIRFL)加速的重离子轰击样品,用 一套基于 网络协议的高分辨率SRAM单粒子效应检测系统检测发生的多位翻转。实验结果表明多位翻转 可以由多种机制产生：在两种Hitachi SRAM中检测到的同一字节多位翻转(SMU)是由单个离 子产生的电荷被相邻敏感节点共享所致;当IDT71256中写入测试图形“00”时,其外围电路 中产生的单粒子瞬时脉冲(SET)引起多达8位的SMU;离子大角度掠射下,IDT71256中检测到 了同一事件多位翻转(SEMU)。同时预示了两种Hitachi大容量SRAM在地球同步轨道和两条太 阳同步轨道发生SMU的频度。     

K6R4016V1D芯片在低地球轨道发生单粒子效应频次的分析

俄罗斯福布斯-土壤火星探测器于2011年11月9日携带中国首个火星探测器萤火一号进入低地球轨道(LEO),但原定于159min后探测器在轨发动机点火变轨未能实施,最终探测计划失败.俄罗斯航天局研究分析认为,事故最可能是由于宇宙线重离子轰击星载计算机存储器件,导致两台计算机重启所致.但是抗辐射专家对空间辐射粒子会在如此短时间内通过单粒子效应(SEE)导致LEO探测器失效的观点并不认同.本文根据俄罗斯航天局发布的受影响器件信息,通过实验和计算,分析了K6R4016V1D芯片在低地球轨道运行时可能遇到的空间辐射粒子诱发单粒子效应的频次,探讨了单粒子效应导致福布斯-土壤火星探测器失效的可能性.      

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.      

半导体器件单粒子效应的机理,试验和预计

介绍了空间高能粒子环境及单粒子效应的机理、模拟试验方法和错误率计算方法。空间高能粒子环境由银河宇宙射线、太阳宇宙射线及地磁捕获粒子组成。单个高能粒子可在半导体中通过库仑作用或核反应电离出大量电子—空穴对,从而引起半导体器件逻辑紊乱或失效。用加速器产生的高能粒子进行模拟试验可获得器件对单粒子效应的敏感参数;由E.L.Peterson 等人的经验公式或CREME 程序预计器件在特定环境下的出错率。