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核技术 2021年第5期44卷 62-68页

作者：蔡娇姚帅陆妩于新王信李小龙刘默寒孙静郭旗新疆大学物理科学与技术学院乌鲁木齐830046 中国科学院新疆理化技术研究所中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室乌鲁木齐830011 新疆电子信息材料与器件重点实验室乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049

为研究双极运算放大器电离总剂量与单粒子瞬态的协同效应,选取双极运算放大器LM158分别在高剂量率0.1 Gy·s^(-1)(Si)和低剂量率1×10^(−4) Gy·s^(-1)(Si)条件下进行^(60)Coγ射线辐照试验,累积电离总剂量至1000 Gy(Si)后... 详细信息

为研究双极运算放大器电离总剂量与单粒子瞬态的协同效应,选取双极运算放大器LM158分别在高剂量率0.1 Gy·s^(-1)(Si)和低剂量率1×10^(−4) Gy·s^(-1)(Si)条件下进行^(60)Coγ射线辐照试验,累积电离总剂量至1000 Gy(Si)后,再进行重离子类型为钽(Ta)离子的协同辐照试验。试验结果表明:电离总剂量会导致运算放大器LM158的单粒子瞬态脉冲幅值减小和脉冲展宽,同时,相比于高剂量率辐照条件,低剂量率辐照条件下双极运算放大器LM158的瞬态脉冲宽度展宽50%。研究发现,电离总剂量在双极晶体管中累积的界面陷阱电荷是产生电离总剂量与单粒子瞬态协同效应的根本原因。

关键词：双极运算放大器电离总剂量单粒子瞬态协同效应

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22nm FDSOI工艺的器件单粒子效应研究与SRAM加固设计

22nm FDSOI工艺的器件单粒子效应研究与SRAM加固设计

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作者：刘长俊西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着集成电路的特征尺寸不断减少,其敏感节点的临界电荷值也不断减少,同时增加了发生电荷共享效应的几率,使得太空中集成电路受辐射影响的概率随之加大。SRAM作为集成电路系统的重要组成部分,其容易受到单粒子轰击而发生单粒子翻转现象... 详细信息

随着集成电路的特征尺寸不断减少,其敏感节点的临界电荷值也不断减少,同时增加了发生电荷共享效应的几率,使得太空中集成电路受辐射影响的概率随之加大。SRAM作为集成电路系统的重要组成部分,其容易受到单粒子轰击而发生单粒子翻转现象。采用抵抗能力更好的工艺和通过增加冗余节点的电路级加固技术对SRAM进行加固是一种有效的技术。本文着重研究了22nm FDSOI工艺节点下的器件单粒子效应,并结合电路级加固技术提出了具备抗单粒子单节点和单粒子多节点翻转的新型SRAM加固单元。论文的主要内容如下: (1)分析了航天集成电路所面临的各种辐射环境以及辐照环境下器件出现的各种辐照现象,重点分析了单粒子效应的各种表现形式。对FDSOI工艺的发展历程和现状进行了介绍,分析了FDSOI工艺相对于体硅工艺的优缺点,此外还对当前的基于FDSOI工艺的单粒子效应研究做了总结和分析。 (2)研究了22nm FDSOI器件的单粒子效应。利用Sentaurus TCAD工具对格芯公司22nm FDSOI工艺节点下的MOSFET器件进行了建模和校准,从单粒子入射位置、入射方向,入射深度、单粒子LET值四个方面对单粒子入射关断器件敏感节点后电荷收集的情况进行研究。仿真结果表明:PMOS器件和NMOS器件的敏感位置均在漏极的LDD区域;其最坏的入射方向为漏极LDD区域向沟道区域入射的方向(本次仿真中仿真角度为30度);入射深度与其在有源区的路径长度相关,路径长度越长收集的电荷越多,当深度进入埋氧层之后由于其绝缘性质收集电荷将不会在增加。综合分析可得到该节点下最坏的单粒子入射情况,研究最坏情况下不同LET值入射粒子产生的脉冲电流,有利于进行电路级的单粒子效应仿真。 (3)分析了不同的单粒子脉冲拟合函数的特点,结合单粒子效应的物理机制及最终的拟合效果选择合适的模型对单粒子脉冲进行拟合。对常用的双指数函数以及Weibull函数模型通过用MATLAB编程进行函数拟合,并对拟合结果进行了对比,结果表明Weibull函数拟合结果中的峰值和脉冲宽度都比双指数函数的拟合程度更高,且其与仿真出的脉冲电流曲线的拟合度也很高。此外,本文利用Weibull模型进行了最坏入射条件下不同LET值入射粒子所产生的电流曲线的拟合,建立了电路级单粒子效应仿真的故障注入模型。 (4)对传统的SRAM加固单元进行了仿真验证,分析了其在先进工艺下的加固能力和性能。针对传统加固单元研究多为基于体硅工艺的研究且以往的加固方案无法应对尺寸缩小电荷共享效应加剧所带来的单粒子多节点翻转效应进行了FDSOI工艺的SRAM单粒子效应研究,提出了新型的低功耗抗辐照PP10T加固单元。对提出的新型加固单元和以往提出的加固单元采用相同的仿真条件利用格芯22nm FDSOI工艺进行仿真,仿真对比其读写速度、噪声容限、抗辐照能力、功耗等特性。仿真结果表明:提出的PP10T单元具备完全的抗单节点翻转和部分抗多节点翻转能力;提出的单元对读干扰免疫,不会出现6T SRAM中的读破坏现象。

关键词：全耗尽型绝缘体上硅器件单粒子瞬态静态随机存储器单粒子翻转辐照加固

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阱接触布局对纳米CMOS电路单粒子效应敏感性的影响研究

阱接触布局对纳米CMOS电路单粒子效应敏感性的影响研究

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作者：陈南心湘潭大学

学位级别：硕士

随着集成电路工艺的不断发展,辐射效应对航天器的正常功能影响越来越大,随着特征尺寸降低,引发单粒子效应的临界电荷越来越小,单粒子效应逐渐成为引发航天器故障的主要因素。为了精准的研究版图加固对单粒子瞬态效应的影响,本论文基于TC... 详细信息

随着集成电路工艺的不断发展,辐射效应对航天器的正常功能影响越来越大,随着特征尺寸降低,引发单粒子效应的临界电荷越来越小,单粒子效应逐渐成为引发航天器故障的主要因素。为了精准的研究版图加固对单粒子瞬态效应的影响,本论文基于TCAD(Technology Computer Aided Design)三维仿真针对N阱接触布局、P阱接触布局、重离子参数三个因素对40 nm CMOS反相器进行了建模仿真。论文主要展开了以下三方面的研究。 1、综合单粒子瞬态效应产生的机理与入射粒子轰击器件后器件内部载流子收集的过程,基于40 nm工艺节点CMOS反相器进行了TCAD三维仿真模型的建立,根据器件参数调整倒角,轻掺杂等半导体技术校准了器件模型。通过调整了N阱接触面积测试了N阱接触布局对CMOS反相器单粒子瞬态效应的影响,验证了传统加固手段对SET脉冲缓解的作用。 2、通过三维TCAD仿真计算,总结了P阱阱接触面积对于单粒子敏感性的影响。仿真结果表明,轰击N型有源区(Nhit)时,增大P阱接触面积可以稳定器件电势、减小双极放大效应,可以有效减小SET脉冲宽度。轰击P型有源区(Phit)时,器件受到多种效应影响,增大P阱接触面积不仅能够减小双极放大效应,还会产生强内建电场加剧载流子漂移收集导致单粒子瞬态(Single Event Transient,SET)脉冲宽度不减反增。文中还对阱接触与晶体管的距离对SET脉冲宽度的影响展开研究,结果表明增大阱接触与晶体管之间的距离可以减小SET脉冲宽度,但是在Phit的情况下,增大阱接触与晶体管之间的距离反而会增大SET脉冲宽度。P阱接触布局对单粒子瞬态效应具有两向性,需要结合实际情况综合考虑。 3、基于复杂的空间辐射环境,研究了重离子参数对阱接触加固有效性的影响。研究了不同重离子能量下阱接触布局对器件的SET敏感性的影响,调整了入射粒子的倾角与方位角,使器件受到不同方向的粒子轰击,模拟器件在空间辐射环境中,不同角度的入射粒子轰击器件的情况,验证了阱接触布局对于不同入射角度的高能粒子的加固能力。研究表明器件SET脉冲宽度会随线性能量转移值(linear energy transfer,LET)值增大而增大,随倾角角度变大而增大,阱接触布局对器件SET加固能力趋势不变。

关键词：寄生效应单粒子效应单粒子瞬态版图结构 TCAD仿真

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SET辐射加固LDO研究与设计

SET辐射加固LDO研究与设计

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作者：严世泉佛山科学技术学院

学位级别：硕士

集成电路与航空航天技术的快速发展,航天器对电源管理芯片提出了更高的要求。随着器件特征尺寸的不断减小,单粒子瞬态（Single Event Transient,SET）效应对模拟集成电路的影响愈发严重。低压差稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）作... 详细信息

集成电路与航空航天技术的快速发展,航天器对电源管理芯片提出了更高的要求。随着器件特征尺寸的不断减小,单粒子瞬态（Single Event Transient,SET）效应对模拟集成电路的影响愈发严重。低压差稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）作为电源管理芯片的重要电路,在受到单粒子瞬态影响时其输出电压将出现波动,直接影响由LDO供电且对电源噪声敏感的模拟电路。为减小这种影响,需要提高LDO的瞬态响应以及SET辐射抗性,以保证输出电压能够快速地恢复至正常范围且不易受到SET的影响,因此,设计一款SET辐射加固的快速瞬态响应LDO具有重要意义。论文对经典LDO与基于共源共栅翻转电压跟随器（Cascoded Flipped Voltage Follower,CAFVF）的LDO进行了详细的分析,从瞬态响应与电源抑制（Power Supply Rejection,PSR）两个方面对基于CAFVF的LDO结构进行创新设计,提出了PSR增强的多环路快速瞬态响应LDO并对其进行了SET辐射加固,最终得到一个SET辐射加固的快速瞬态响应LDO。论文的创新点如下: 1.提出电压-电流反馈环路与CAFVF结构原有环路在功率管栅端形成的推挽结构,提高了功率管栅端的转换速率以及LDO的瞬态响应,使得LDO的瞬态恢复时间不超过3μs。 2.设计高精度控制环路与辅助LDO,有效抑制了从电源至输出端的主要传递路径上的电源噪声,使得LDO在0～10MHz范围内的电源抑制比高于52.4dB,提高了LDO的电源抑制性能。 3.提出了基于环路滤波的SET加固方法,利用电路带宽的低通特性降低了LDO电路中结点的SET敏感性。此外,结合模拟平均法与SET电流抵消的设计思路,提出了偏置电路的SET辐射加固电路,降低了结点约60%的SET敏感性。论文基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,对设计完成的SET辐射加固的快速瞬态响应LDO进行了重要性能指标的仿真验证以及单粒子轰击仿真实验,仿真结果表明:在电源电压为1.7V至1.9V时,LDO能够实现1.5V的稳定输出,压差为300mV;最大静态电流与负载电流分别为80μA和10mA;线性与负载调整率分别为0.0668mV/V和0.225mV/mA。在所有负载条件下,LDO的环路稳定且相位裕度不低于54°。负载电流在轻载与重载之间阶跃时,欠冲电压为1.67mV,无过冲电压,瞬态恢复时间分别为2.92μs和1.44μs。在0～10MHz频率范围内,LDO的电源抑制比高于52.4dB。经过SET辐射加固设计后,LDO受到单粒子轰击时输出电压的波动不超过1.26mV。LDO的整体版图面积约为0.0066mm2。

关键词： LDO 快速瞬态响应电源抑制单粒子瞬态辐射加固

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65nm体硅CMOS电路多目标优化与加固设计研究

65nm体硅CMOS电路多目标优化与加固设计研究

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作者：董汉文安徽大学

学位级别：硕士

航空航天、太空宇宙探索等伟大事业,对集成电路产品有着严峻而苛刻的要求。由于宇宙空间环境的特殊性,各种辐射粒子的存在会对航天器件工作稳定性造成影响。如今,辐射粒子入射芯片产生的单粒子效应已经成为了引起芯片失效的主要原因,对... 详细信息

航空航天、太空宇宙探索等伟大事业,对集成电路产品有着严峻而苛刻的要求。由于宇宙空间环境的特殊性,各种辐射粒子的存在会对航天器件工作稳定性造成影响。如今,辐射粒子入射芯片产生的单粒子效应已经成为了引起芯片失效的主要原因,对集成电路进行抗辐照加固设计是有效降低芯片由于单粒子效应引发软错误的关键手段。本文在65nm体硅互补金属氧化物半导体工艺下,对集成电路基本器件以及基本数字存储单元的抗辐照加固设计展开研究,并结合电路设计和版图优化布局技术的方法,提出了全新的抗辐照加固的反相器、反相器链以及静态随机存储器单元,使它们可以避免由于单粒子效应导致的软错误所带来的影响。此外,电路在具备抗辐照性能的基础上,还有着良好的电路基本性能,从而实现电路多目标优化设计的目的。本文主要内容如下: (1)对PMOS晶体管抑制单粒子瞬态方法展开研究,发现源隔离技术可以有效的抑制单粒子瞬态脉冲幅度;并且通过电路设计,与版图布局的方式增强源隔离技术所达到的效果。然后利用上述方法设计了一种全新的可以抑制单粒子瞬态脉冲信号的反相器单元,并对其抗辐照性能以及基础功能进行仿真验证。 (2)利用上文设计的反相器,设计了可以屏蔽错误单粒子瞬态脉冲信号的反相器链;并通过搭建晶体管三维模型,以TCAD和SPICE混合仿真的方式,调用重离子模型对电路敏感区域进行粒子入射,从而验证它对于单粒子瞬态脉冲信号的屏蔽效果。最后将本文设计的电路与其它现有反相器链电路进行性能对比,发现本文设计的电路具有较快的传输速度以及最优的屏蔽单粒子瞬态脉冲信号的能力。 (3)采用PMOS晶体管极性加固技术,设计了一种可以抵抗单节点以及双节点翻转的静态随机存储单元:NRHC-14T。然后以SPICE电路级仿真的方式,调用双指数电流源验证其抗辐照性能。通过对电路性能进行仿真,发现相比于DICE、SAR14T和SEA14T等抗辐照SRAM单元,NRHC-14T单元写速度分别提高了9.22%、21.39%和129.48%;通过测量不同供电电压(0.8V-1.2V)下的噪声容限,结果表明NRHC-14T单元有着较好的抗干扰能力;通过对节点电压翻转恢复能力进行的蒙特卡洛仿真,结果表明NRHC-14T单元有着较好的稳定性。此外,从整体电路性能角度分析,NRHC-14T单元有着最优秀的综合电路性能。综上所述,本文先对现有抗辐照加固技术展开研究,然后利用现有技术对反相器、反相器链以及静态随机存储器进行了抗辐照加固设计,并对设计的电路分别进行抗辐照功能以及电路基础功能验证。最后发现本文提出的电路除了具备优异的抗辐照能力外,还有着良好的电路基础性能。结合电路设计与版图优化布局的方法对集成电路模块进行抗辐照加固设计研究有着良好的现实意义以及实际应用价值。

关键词：单粒子效应抗辐照加固互补金属氧化物半导体单粒子瞬态静态随机存储器

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一种基于双模冗余的扫描结构TSPC型D触发器设计

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微处理机 2023年第5期44卷 1-5页

作者：曹雪兵中国电子科技集团公司第四十七研究所沈阳110000

针对纳米级工艺中存在的组合逻辑电路单粒子瞬态现象对电路可靠性的危害问题。通过采用基于延迟单元的双模冗余思想,在传统设计的基础上,提出一种改进的可以抗单粒子翻转和单粒子瞬态的带有扫描输入功能的TSPC型D触发器。该设计采用双... 详细信息

针对纳米级工艺中存在的组合逻辑电路单粒子瞬态现象对电路可靠性的危害问题。通过采用基于延迟单元的双模冗余思想,在传统设计的基础上,提出一种改进的可以抗单粒子翻转和单粒子瞬态的带有扫描输入功能的TSPC型D触发器。该设计采用双模冗余结构实现抗单粒子翻转加固,通过引入延迟单元结构消除输入数据信号所产生的SET瞬态脉冲,并添加扫描输入功能增强触发器的灵活性与系统的可测性。通过UMC 55nm工艺软错误故障注入仿真,结果表明,所提出的电路结构能够有效抑制单粒子翻转和单粒子瞬态脉冲对D触发器可靠性的影响。

关键词：单粒子翻转单粒子瞬态双模冗余 D触发器

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HfO2基铁电场效应晶体管读写电路的单粒子翻转效应模拟

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物理学报 2020年第9期69卷 270-279页

作者：黎华梅侯鹏飞王金斌宋宏甲钟向丽湘潭大学材料科学与工程学院湘潭411105 工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室广州510610

使用器件-电路仿真方法搭建了氧化铪基铁电场效应晶体管读写电路,研究了单粒子入射铁电场效应晶体管存储单元和外围灵敏放大器敏感节点后读写数据的变化情况,分析了读写数据波动的内在机制.结果表明:高能粒子入射该读写电路中的铁电存... 详细信息

使用器件-电路仿真方法搭建了氧化铪基铁电场效应晶体管读写电路,研究了单粒子入射铁电场效应晶体管存储单元和外围灵敏放大器敏感节点后读写数据的变化情况,分析了读写数据波动的内在机制.结果表明:高能粒子入射该读写电路中的铁电存储单元漏极时,处于"0"状态的存储单元产生的电子空穴对在器件内部堆积,使得栅极的电场强度和铁电极化增大,而处于"1"状态的存储单元由于源极的电荷注入作用使得输出的瞬态脉冲电压信号有较大波动;高能粒子入射放大器灵敏节点时,产生的收集电流使处于读"0"状态的放大器开启,导致输出数据波动,但是其波动时间仅为0.4 ns,数据没有发生单粒子翻转能正常读出.两束高能粒子时间间隔0.5 ns先后作用铁电存储单元漏极,比单束高能粒子产生更大的输出数据信号波动,读写"1"状态的最终输出电压差变小.

关键词：铁电场效应晶体管单粒子瞬态单粒子翻转

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28纳米CMOS工艺直流偏置电路抗单粒子辐射加固技术研究

28纳米CMOS工艺直流偏置电路抗单粒子辐射加固技术研究

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作者：刘婧恬国防科技大学

学位级别：博士

航天器中的微电子电路和系统时刻面临着空间辐射环境的威胁。随着工艺尺寸的不断缩减和电路规模的急剧上升,单粒子瞬态（SET）的产生与传播越来越复杂,严重威胁到纳米CMOS集成电路在空间辐射环境下的正常工作。直流偏置电路作为模拟电... 详细信息

航天器中的微电子电路和系统时刻面临着空间辐射环境的威胁。随着工艺尺寸的不断缩减和电路规模的急剧上升,单粒子瞬态（SET）的产生与传播越来越复杂,严重威胁到纳米CMOS集成电路在空间辐射环境下的正常工作。直流偏置电路作为模拟电路的一个重要组成部分,广泛应用于模拟和数模混合电路系统。相较于数字电路工作在二进制“0”或“1”状态,直流偏置电路输出静态直流（DC）电压或电流,为模拟和混合电路系统设计提供全局信号。因此,一旦有粒子轰击在直流偏置电路的关键节点上,单粒子辐射效应引起的扰动可在整个IC中引起广泛的全局效应,造成信号输出错误甚至系统功能中断。因此,面向先进CMOS工艺直流偏置电路的抗辐射加固方法是宇航用电子系统亟待突破的关键技术。本文以28 nm CMOS工艺直流偏置电路作为主要研究对象,以理论分析、模型模拟、激光辐照实验和重离子辐照实验作为研究方法,从SET效应机理分析、晶体管级加固技术、电路级加固技术和模块级加固技术多个层面对单粒子辐射效应在直流偏置电路中引起的电荷收集机理和抗辐射技术展开系统性研究。本文的主要工作和创新点如下:（1）机理分析方面,系统研究了模拟电路相邻级之间的电荷共享效应。仿真发现在28 nm体硅CMOS工艺下,模拟电路相邻级之间存在一个最佳间距,可以通过电荷共享效应实现单粒子扰动的最大程度抑制。如果模拟电路相邻级之间过近,虽然被轰击节点的单粒子扰动得到有效抑制,但是电荷共享晶体管收集的电荷在电路输出端产生主导作用。本文提出电荷共享效应在模拟电路SET抑制过程中起到双重作用,为版图级抗辐射加固提供了新的思路。（2）晶体管级加固方面,提出将MOS管的体极和源极相连（BTS技术）可以有效地抑制模拟电路单粒子瞬态,并将该技术成功应用到运算放大器和数字单元电路的抗辐射加固设计中。针对运算放大器电路,仿真结果表明,当LET为30Me V?cm2/mg的粒子轰击敏感节点时,采用BTS的运算放大器可以将SET脉冲幅度减小26.4%,脉冲宽度减小75.8%,并且不引入额外的性能损失。针对数字单元电路,实验结果表明采用BTS抗辐射加固技术可以将数字电路的敏感面积减小45%以上。（3）晶体管级和电路级加固方面,以电流镜电路为例进行了研究。晶体管级方面,提出将电流镜晶体管采用动态阈值管（DTMOS）方式连接,即将多个晶体管的体极和栅极相连,实现电流镜电路的晶体管级加固。仿真结果表明,DTMOS技术有效抑制了共源共栅电流镜由单粒子效应引起的输出扰动。电路级方面,增加了一个额外的电荷耗散晶体管实现单粒子瞬态抑制。该技术包括两个反相器和一个耗散晶体管。反相器作为单粒子轰击传感器,当重离子击中敏感节点时反相器将耗散晶体管打开,从而实现辐射收集电荷的快速耗散。仿真结果表明,当LET为30 Me V?cm2/mg的粒子轰击敏感节点时,该技术将SET脉冲宽度减小48.4%。（4）模块级加固方面,针对带隙基准电路提出了两种加固方法。提出输出信号自动误差检测和隔离技术,结合双模冗余技术可以最大程度上消除SET轰击带隙基准所产生的输出扰动。该技术可以广泛地应用于直流电路加固,无论带隙基准电路架构和输出直流电压大小,都可以将SET扰动降低到基本可忽略的水平。提出一种带隙基准输出扰动滤波消除技术,将较低频率的SET脉冲信号转变为高速跳变的误差信号,再通过片上滤波器滤除。该技术在不引入过大面积开销的前提下实现了带隙基准电路的有效加固。（5）将直流偏置电路的加固设计应用在高速数模混合系统中。面向高速串行接口（Ser Des）系统,以16 Gbps时钟数据恢复（CDR）电路为例,研究了直流偏置电路对复杂的高速数模混合电路抗辐射性能的影响。在28 nm工艺下设计并流片了加固和非加固对照测试芯片。激光辐照实验表明,在直流偏置电路上采用了以上提出的抗辐射加固设计后的CDR电路,其抗SET辐射性能得到大幅提升。论文最后对纳米CMOS直流偏置电路单粒子瞬态抗辐射相关工作进行了总结和展望。

关键词： 28纳米CMOS集成电路直流偏置电路模拟电路单粒子瞬态抗辐射加固设计

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纳米存储器件和组合逻辑器件的单粒子效应研究

纳米存储器件和组合逻辑器件的单粒子效应研究

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作者：贺泽中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

学位级别：博士

随着航天科技的飞速发展,其电子系统对高性能集成电路的需求日益增长。提升集成电路的性能主要有两种技术发展路线,一是延续摩尔定律,继续减小晶体管的特征尺寸;另外是采用新兴的三维（3D）堆叠集成工艺。然而,晶体管特征尺寸的减小降... 详细信息

随着航天科技的飞速发展,其电子系统对高性能集成电路的需求日益增长。提升集成电路的性能主要有两种技术发展路线,一是延续摩尔定律,继续减小晶体管的特征尺寸;另外是采用新兴的三维（3D）堆叠集成工艺。然而,晶体管特征尺寸的减小降低了工作电压和节点电容,导致发生单粒子效应的临界电荷减小;同时,敏感节点间距的减小使电荷共享效应变得更加显著;3D器件相比于传统的平面工艺器件具有多层敏感区,不同器件层之间的辐照效应可能存在很大区别;这些因素导致先进工艺器件中的辐射响应更加复杂。因此,开展高性能器件的辐照效应机理研究对于研制抗辐射加固器件和性能评估具有重要意义。本文分别针对一款具有双层堆叠结构的90 nm体硅工艺3D SRAM,一款22nm FDSOI工艺的瞬态脉冲表征电路,以及一款65 nm体硅工艺的抗辐射加固SRAM,开展了地面加速器模拟实验。同时,还采用GEANT4仿真工具计算了重离子的电离径迹分布,并通过SPICE仿真工具研究了重离子在电路中引起的辐射响应规律,基于仿真对实验结果进行了深入的分析和讨论。主要的研究结果如下:（1）质子的直接电离和间接电离两种机制使3D SRAM不同器件层上的单粒子翻转截面出现显著差异。5.5 Me V的质子在器件下层的有源区具有最高的LET,因此其主要通过直接电离引起单粒子翻转;其他情况下,质子则通过核反应产生次级粒子的间接电离引起单粒子翻转;直接电离的翻转截面比间接电离的大约高2～3个数量级。（2）重离子的种类、射程和LET都会对3D SRAM的单粒子翻转截面产生显著影响。在相近的LET条件下,高能重离子引起的翻转截面大约是中能重离子的3倍,这归因于高能重离子所产生的电离径迹分布范围更广;而重离子的射程决定了3D器件中受到重离子影响的器件层数量,当重离子无法到达器件下层时,总翻转截面会明显降低。这表明了针对纳米级3D器件开展辐照效应研究和评估时必须同时考虑离子的种类、射程以及LET的影响。（3）纳米级器件中的脉冲猝灭效应对单粒子瞬态的产生与传输具有显著影响。与较低LET的84Kr离子相比,高LET的181Ta离子引起的瞬态脉冲宽度较小;然而,GEANT4的仿真结果表明,181Ta离子产生的离化电荷浓度和径迹半径都高于84Kr离子的;表明181Ta离子能引起更严重的电荷共享效应;利用电路级的脉冲注入仿真方法研究了纳米级器件中电荷共享效应对瞬态脉冲宽度产生的影响,仿真结果表明,电荷共享效应可以引起脉冲猝灭效应,从而显著减小了瞬态脉冲的宽度。（4）利用双DICE单元交错布局与EDAC校验码两种加固方法可以显著提升纳米级器件的抗辐射能力。由于双DICE单元交错布局的加固效果取决于敏感节点对在版图中的最小间距,在设计过程中需要对敏感节点对进行充分隔离,以使双DICE单元交错设计取得最大效益;而EDAC码的加固效果与字节内的多位翻转有关,在高LET的重离子辐照中,多位翻转在单粒子翻转中占据主导地位,导致EDAC码的加固效果大大降低;双DICE单元交错布局和EDAC码分别在单元级和电路级抑制了单粒子翻转的发生,将这两种加固措施结合使用可以使器件获得卓越的抗辐射能力。本文给出了3D SRAM与瞬态脉冲表征电路的单粒子效应实验结果,并深入探讨了器件辐射响应的影响因素和物理机理。此外,还表征了抗辐射加固技术在纳米级器件中的有效性。基于实验和仿真结果探讨了加固技术的失效原因,并提出了改进建议。这些研究结果为先进工艺器件的抗辐射加固设计提供了必要的数据支撑和理论指导。

关键词：重离子质子单粒子翻转单粒子瞬态抗辐射加固技术

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标准单元单粒子效应敏感性分析

标准单元单粒子效应敏感性分析

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作者：程佳良西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着工艺尺寸的不断缩小,单粒子瞬态成为研究的重点。当器件尺寸在亚微米甚至深亚微米工艺下时,即使粒子入射到漏区周围单粒子瞬态脉冲也会出现。这使得只把漏区作为敏感区域进行分析将存在较大的偏差,因此有必要对器件的敏感区域进行... 详细信息

随着工艺尺寸的不断缩小,单粒子瞬态成为研究的重点。当器件尺寸在亚微米甚至深亚微米工艺下时,即使粒子入射到漏区周围单粒子瞬态脉冲也会出现。这使得只把漏区作为敏感区域进行分析将存在较大的偏差,因此有必要对器件的敏感区域进行更细致的分析。本文针对65nm工艺标准单元的单粒子瞬态敏感性进行了研究。主要研究内容和成果如下: 1.基于Congenda的仿真工具构建三维器件模型,采用混合仿真的方法,针对反相器的单粒子瞬态进行了研究。对不同的LET值、注入深度和输出负载电容对瞬态特性曲线的影响进行分析比较,发现不同的LET值直接影响瞬态电流曲线的形态,输出电压脉冲宽度也与电流平台宽度相关;注入深度的变化则对瞬态电流脉冲的峰值和电流平台宽度有较小影响;在小LET下,输出负载电容越大,瞬态电流曲线的峰值越大,输出电压的变化越小;但在大LET下输出电压脉冲宽度越大。 2.对反相器单粒子瞬态的敏感区域及脉冲变化进行分析。研究发现,单粒子瞬态敏感区域包括了整个漏区且在源区部分超出不少区域,随着LET值的增大,单粒子瞬态的敏感区域变大且逐渐向上下与左边源区快速扩展,漏区右边敏感区域变化很小,左边源区更容易随LET的增加而受到单粒子瞬态的影响。当反相器中的NMOS与PMOS晶体管的宽度都加倍时,输出电压脉冲宽度减小但减小幅度不大,横向影响范围减小,纵向影响范围随MOS宽度增加而有所增加。对两种不同阱接触长度的反相器进行比较,发现单粒子瞬态的影响范围基本一致。 3.提出了一种高斯函数与双指数函数相结合的电流源模型,根据给出的不同参数,实现对不同LET下的瞬态电流曲线的拟合。同时提出了一种考虑位置信息的漏电流瞬态脉冲模型的构建方法,应用该方法构建出输出电压脉冲宽度随位置变化的模型,用于对不同位置的输出电压脉冲宽度进行估计。 4.对与非门和或非门不同输入个数、不同输入状态、不同LET、不同位置的单粒子瞬态变化情况进行了比较分析。研究发现,两输入、三输入、四输入与非门的最敏感状态分别为N10、N110、N1110。当与地节点直接相连的NMOS晶体管关闭而其他NMOS晶体管打开时,对应与非门串联NMOS晶体管的最敏感状态,输出电压脉冲宽度最大且单粒子瞬态的影响范围也最大。而对于或非门则输入状态刚好相反,只有与电源节点相连的PMOS晶体管关闭时,为或非门串联PMOS晶体管的最敏感状态。对于并联晶体管,在小LET下输出电压脉冲宽度在漏区较大,而在源区相对较小,脉冲宽度分布具有一定的对称结构;当LET较大时,单粒子瞬态的影响范围几乎包括了整个有源区。对比不同输入逻辑门的最优、最劣态情况,输出电压脉冲宽度受到MOS管宽度、等效漏区面积、恢复电流强度、阱接触面积等多个因素的共同影响。 5.对门单元的输出电压脉冲宽度进行拟合,并根据不同的电路输入状态进行建模。根据所发现的不同输入状态的分组比例关系提出了一种缩放近似方法,用于已知某输入状态的输出电压脉冲宽度分布的情况下,根据缩放比例关系近似计算另一输入状态不同位置的输出电压脉冲宽度。

关键词：单粒子瞬态标准单元敏感区域电流源模型输出电压脉冲宽度

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