温度对SRAM单粒子翻转影响的物理机制实验研究

Space environment exists extreme temperature conditions, lunar exploration, deep space exploration and other space missions are faced with challenges brought by extreme temperatures, and the impact of temperature on single event effects is one of the important researches of single event effects. Recently, with the continuously effort of semiconductor manufacture industry, the ability to shrink transistor sizes, and energies (power-speed products) to switch circuits also shrank, most elements in our circuits are from feature sizes of 10’s of microns to 10’s of nanometers today, these advances typically increase sensitivity to single event upset, and with the increasing application of nano-scale device in space, it is extremely urgent to research on the impact of temperature on single event upset in SRAMs. This project relies on heavy ion irradiation facilities on HI-13 tandem accelerator in Beijing to study this affecting mechanism in nano-scale SRAM. We will establish sample temperature control system suitable for micro-beam irradiation facility, access temperature dependence of SRAM SEU cross-section and single event transient pulse, combined with the temperature effect on the electrical characteristics of the device, charge sharing, pulse quenching, etc., to analyze the physical mechanisms of temperature affecting on SEU in SRAMs. We will improve experimental conditions for single event effect research, and this work is valuable for verifying the reliability of ground-based tests results and to provide the basic data for establishing standard evaluation criteria of ground-based SEE testing in future.

空间环境存在极端温度条件，探月工程、深空探测等航天任务均面临极端温度的挑战，温度对单粒子效应的影响研究是单粒子效应研究的重要课题之一。随着集成电路特征尺寸不断减小，单粒子翻转效应变得更加严重，同时纳米器件在航天领域的应用日益广泛，因此开展温度对纳米SRAM单粒子翻转影响的物理机制研究是十分必要的。本项目依托北京HI-13串列加速器实验平台，针对纳米SRAM，采用实验方法研究温度对SRAM单粒子翻转的影响，建立适用于微束辐照装置的样品温度测控系统，获得SRAM单粒子翻转截面和瞬态脉冲随温度的变化关系，结合温度对器件电学性能以及电荷共享、脉冲截止等的影响，分析温度影响SRAM单粒子翻转的物理机制。研究结果将完善单粒子效应机理研究实验条件，并为将来是否将温度作为单粒子效应评估条件之一提供实验依据。

宇宙空间中的单个高能带电粒子与星载半导体器件相互作用诱发的单粒子效应，轻者影响到卫星的可靠运行，重者甚至可能造成灾难性的后果。深入开展单粒子效应机理研究，提高器件抗辐射加固水平是保证卫星在轨高可靠、长寿命运行的关键。地面模拟试验是进行单粒子效应研究的重要手段，其试验结果可靠与否显得尤为重要。然而已有研究结果表明地空试验结果存在显著差异。导致这些差异的原因是多方面的，以温度差异为例，空间环境存在极端温度条件，探月工程、深空探测等航天任务均面临极端温度的挑战，温度对单粒子效应的影响是单粒子效应研究的重要课题之一。然而国内单粒子效应实验研究多在室温下进行，缺乏宽温度范围辐照实验条件，单粒子效应温度依赖性研究多为数值模拟研究，缺乏实验数据。. 本项目主要研究内容和结论如下：. 1、适用于单粒子效应实验研究的样品温度测控系统研制. 自主设计研制了适用于重离子微束辐照装置的样品温度测控系统，实现了90-450 K范围内样品温度可测控，系统控制精度好于±1 K，满足单粒子效应实验要求，为我国今后开展温度对单粒子效应的影响研究提供了实验条件。. 2、不同结构SRAM器件SEU温度依赖性实验研究. 开展了不同温度下不同结构SRAM宽束和微束辐照实验，得到了不同结构器件SEU温度相关性实验数据。. 3、温度对SRAM SEU影响的物理机制分析. 分别对电荷产生、电荷收集（漂移、扩散、双极放大）以及器件电学性能的温度依赖性进行了分析. 4、温度对SRAM空间错误率预估的影响. 应用Space Radiation 7.0软件开展了温度对空间错误率预估结果的影响研究。截面曲线上升区SRAM SEU截面随温度的变化会影响截面-LET曲线形状，并引起LET阈值发生改变，导致空间错误率预估结果相差两个量级。. 本研究的成果进一步完善了国内单粒子效应地面模拟实验条件，为国内的空间-地面等效性研究及今后国内建立重离子加速器单粒子效应地面模拟试验评估标准及在轨单粒子翻转预估提供了基础数据。