利用重离子微束研究SRAM的单粒子翻转机制

电子系统采用的大规模半导体集成电路的单粒子效应是威胁航天器正常工作的首要因素，严重制约了航天技术的应用和发展。我国抗辐射集成电路的理论水平和设计能力极其薄弱，迫切要求利用国内的先进科学装置和实验条件，开展半导体集成电路的单粒子效应研究，以适应航天技术日益增长和持续发展的需求。本项目将依托HIRFL重离子微束辐照装置，利用束斑为?1 μm、不同能量和注量的O、Ar、Kr和Bi等离子，研究能量不同的离子在SRAM中的射程、能量沉积，以及耗尽区和漏斗区的电荷产生、扩散与收集规律；测量SRAM单元的σ-LET曲线，确定单粒子翻转的LET阈值和饱和截面；研究不同入射角度和方向对SRAM单粒子翻转的影响规律。在此基础上，确立发生单粒子翻转的条件和判据，揭示单粒子翻转机制。为我国设计高性能抗辐射集成电路提供重要的参考依据和理论基础。

摘要：电子系统采用的大规模半导体集成电路的单粒子效应是威胁航天器正常工作的首要因素，严重制约了航天技术的应用和发展。随着半导体制造工艺向深亚微米的不断发展，电子元器件的特征尺寸越来越小，单粒子效应变得更加敏感，其可靠性和安全性大幅度降低。我国抗辐射集成电路的理论水平和设计能力极其薄弱，迫切要求利用国内的先进科学装置和实验条件，开展半导体集成电路的单粒子效应研究，以适应航天技术日益增长和持续发展的需求。. 本项目依托 HIRFL 提供的不同能量和注量的40Ar、86Kr 和 209Bi 等离子，结合降能和倾角入射的方法，获得了5.38、9.5、13.6、28.1、31.8、45.9 和91 MeV/(mg/cm2)多个LET实验点。在此条件下，对32 kb×8 IDT71256 SRAM器件进行了单粒子翻转测试实验，得到了单粒子翻转的σ- LET 关系曲线。结果表明，随着LET值的增大，SRAM的单粒子翻转增加，但LET值增加到一定程度时，翻转率的增加速度逐渐放缓，并趋于饱和。同时，研究了40Ar和86Kr两种粒子在0、30和45°不同入射角度下的单粒子翻转。结果表明，在倾角入射的情况下，SRAM出现了单粒子多位翻转现象，随着入射角度增加，40Ar和86Kr两种粒子引起的单粒子多位翻转均呈现出增加的趋势，但86Kr引起的单粒子多位翻转比40Ar要大。. 在实验研究的基础上，利用SRIM和GEANT4软件程序，通过理论计算，分析了临界电荷、能量沉积、角度效应等不同的参数对SRAM器件单粒子翻转的影响。结果表明，高能粒子入射器件过程中依靠沉积能量发生电离，产生的电荷只有大于临界电荷的情况下，才会引起单粒子效应。器件灵敏单元的物理结构和尺寸对能量沉积有着重要的影响，且随着入射角度增大，能量沉积变得越来越严重并最终达到饱和。对45nm和65nm工艺的SRAM器件在Bi离子倾角入射条件下的单粒子多位翻转进行计算分析，结果表明，45nm和65nm两种工艺的SRAM器件随着粒子入射角度增大，发生单粒子多位翻转的几率均呈增大的趋势；但45nm工艺的SRAM发生单粒子多位翻转的几率比60nm工艺的SRAM更高。. 通过理论分析和实验研究，得到了影响SRAM发生单粒子翻转的一些基本数据和有用信息，可为我国设计高性能抗辐射集成电路提供参考依据和理论基础。