本文關鍵詞：脈沖激光模擬SRAM單粒子效應的試驗研究

  更多相關文章： 單粒子效應 脈沖激光 敏感區(qū)定位 在軌預估 閂鎖防護

【摘要】：脈沖激光模擬單粒子效應技術以其試驗便捷、效率高、精確的空間和時間分辨特性等優(yōu)勢,在世界范圍內(nèi)越來越多地被應用于單粒子效應機理研究和工程實踐中,已經(jīng)成為單粒子效應特性評估和防護設計驗證的有效手段。隨著微電子技術的發(fā)展,先進工藝半導體器件的單粒子效應表現(xiàn)出新的現(xiàn)象和問題,給脈沖激光模擬單粒子效應技術帶來新的挑戰(zhàn)。本論文利用中科院空間中心自主研發(fā)的脈沖激光試驗裝置,以SRAM為主要研究對象,開展脈沖激光模擬單粒子效應試驗機理和技術方法的研究,并在此基礎上開展單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子閂鎖效應的敏感區(qū)定位、在軌預估和防護加固等方面的研究,對單粒子效應地面模擬試驗研究和工程應用具有重要意義。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1)開展脈沖激光模擬單粒子效應機理和與重離子對比等效方面的研究。在對比脈沖激光和重離子與Si材料相互作用異同的基礎上,分析了影響脈沖激光試驗定量研究的各項因素,修正了以往研究中激光正面入射輻照器件情況下能量傳輸模型的錯誤,完善了激光背面入射輻照器件情況下的能量傳輸模型,形成了系統(tǒng)的脈沖激光與重離子對比等效計算方法。對于典型器件的單粒子閂鎖效應,分別進行了激光閾值能量和重離子閾值LET值試驗測試和相應計算,兩者符合較好。2)實現(xiàn)了脈沖激光精確定位單粒子效應敏感區(qū)和陶瓷封裝器件背部開封技術。以深亞微米工藝SRAM器件為研究對象,開展激光精確定位存儲單元單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)的研究,同時進行SEU敏感特性的TCAD仿真研究。激光定位結(jié)果與TCAD仿真結(jié)果及器件版圖信息一致表明,脈沖激光定位技術可靠而且具有很高的分辨率。利用高功率激光開發(fā)陶瓷封裝器件背部開封技術,實現(xiàn)了激光背部入射陶瓷封裝器件誘發(fā)單粒子效應。3)基于脈沖激光精確定位技術分別開展了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子閂鎖效應敏感區(qū)試驗研究。存儲單元為4T2R結(jié)構(gòu)的SRAM IDT71256S單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)的研究結(jié)果表明,有的存儲單元在存儲1時敏感,有的存儲單元在存儲0時敏感,兩種單元在物理位置上呈互補排列,這種差異與器件正面金屬層對激光的阻擋作用無關。激光試驗結(jié)果與重離子測試數(shù)據(jù)均說明存儲數(shù)據(jù)會對器件SEU敏感特性產(chǎn)生影響。CMOS SRAM單粒子閂鎖效應敏感區(qū)具有周期性的分布特征。閂鎖測試存在“方位傾角”效應:離子入射傾角增大到一定角度時,入射方向?qū)䦟ζ骷䥺瘟Ｗ娱V鎖效應測試產(chǎn)生影響。4)提出并開展了利用脈沖激光定位修正單粒子閂鎖在軌預估的研究。利用激光定位單粒子閂鎖敏感區(qū)確定器件內(nèi)部SEL敏感體積單元的數(shù)量,考慮質(zhì)子直接電離作用對SEL在軌頻次的貢獻。結(jié)果表明,脈沖激光具有快速準確定位SEL敏感區(qū)的優(yōu)勢,為準確獲得SEL敏感體積單元數(shù)量提供了技術支撐。器件SEL敏感體積單元數(shù)量對在軌頻次具有較大影響,重離子和質(zhì)子引起的SEL頻次都隨敏感體積單元數(shù)量的增加而減小。當器件敏感體積厚度較大或者閂鎖閾值較高時,敏感體積單元數(shù)量對SEL在軌頻次的影響更大。敏感體積形狀會對SEL頻次預估產(chǎn)生影響,與傳統(tǒng)長寬相等的假設相比,較高的長寬比使SEL頻次有所減小。5)開展單粒子閂鎖效應電路級防護方法的研究。在測試SRAM單粒子閂鎖效應特性的基礎上,對閂鎖過流常用的防護方法包括電阻限流和恒流源限流及斷電重啟等措施進行了試驗研究。結(jié)果表明,限流電阻可以有效減小閂鎖電流幅值,但不能有效抑制SEL;恒流源限流電路不能阻止SEL的發(fā)生,但可以有效限制閂鎖電流,并使器件最終退出閂鎖狀態(tài);只斷開器件VCC管腳的供電電源,不能有效解除閂鎖狀態(tài),斷開器件與外部電路的全部連接,可以有效解除閂鎖效應。
【關鍵詞】：單粒子效應 脈沖激光 敏感區(qū)定位 在軌預估 閂鎖防護
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(空間科學與應用研究中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-22
• 1 緒論22-42
• 1.1 空間輻射環(huán)境22-25
• 1.1.1 地球輻射帶22-24
• 1.1.2 銀河宇宙線24-25
• 1.1.3 太陽宇宙線25
• 1.2 空間輻射效應25-27
• 1.2.1 總劑量效應26
• 1.2.2 單粒子效應26-27
• 1.3 單粒子效應地面模擬試驗27-32
• 1.3.1 重離子28-30
• 1.3.2 質(zhì)子和中子30-32
• 1.3.3 锎源和a源32
• 1.3.4 脈沖激光32
• 1.4 單粒子效應仿真研究32-35
• 1.4.1 單粒子效應在軌評估仿真33
• 1.4.2 單粒子效應器件仿真33-35
• 1.5 脈沖激光模擬單粒子效應研究及存在問題35-40
• 1.5.1 脈沖激光模擬單粒子效應的研究35-38
• 1.5.2 存在的問題38-40
• 1.6 本文研究工作及組織結(jié)構(gòu)40-42
• 2 脈沖激光模擬單粒子效應試驗裝置及方法42-54
• 2.1 脈沖激光模擬單粒子效應試驗裝置42-47
• 2.1.1 脈沖激光試驗系統(tǒng)42-43
• 2.1.2 單粒子效應檢測硬件43-46
• 2.1.3 單粒子效應檢測軟件46-47
• 2.2 器件預處理方法47-51
• 2.3 脈沖激光模擬單粒子效應試驗基本方法51-54
• 2.3.1 激光背部輻照聚焦深度的確定51-52
• 2.3.2 單粒子效應截面的測試52-54
• 3 脈沖激光模擬單粒子效應機理和等效LET計算54-74
• 3.1 脈沖激光、重離子與Si材料相互作用54-62
• 3.1.1 重離子與Si材料的相互作用54-55
• 3.1.2 脈沖激光與Si材料的相互作用55-56
• 3.1.3 脈沖激光與重離子模擬單粒子效應物理過程的異同56-62
• 3.2 脈沖激光輻照器件的能量傳輸模型62-70
• 3.2.1 激光正面入射輻照器件能量傳輸模型62-67
• 3.2.2 激光背部入射輻照器件能量傳輸模型67-70
• 3.3 脈沖激光能量等效重離子LET計算70-73
• 3.3.1 脈沖激光能量與重離子LET等效的依據(jù)70
• 3.3.2 激光能量等效重離子LET計算70-71
• 3.3.3 單粒子閂鎖效應脈沖激光能量等效重離子LET計算和試驗71-73
• 3.4 小結(jié)73-74
• 4 脈沖激光定位SEE敏感區(qū)技術74-89
• 4.1 脈沖激光定位SEE敏感區(qū)基本試驗技術74-78
• 4.1.1 脈沖激光定位SEE敏感區(qū)試驗系統(tǒng)與方法74-76
• 4.1.2 激光定位SEE敏感區(qū)的分辨率76-78
• 4.2 180nm工藝SRAM SEU敏感區(qū)的激光定位試驗78-83
• 4.2.1 測試器件與試驗條件79
• 4.2.2 定位試驗結(jié)果79-82
• 4.2.3 結(jié)果分析及討論82-83
• 4.3 180nm工藝SRAM SEU敏感性的TCAD仿真83-87
• 4.3.1 3D器件模型83-84
• 4.3.2 TCAD仿真84-85
• 4.3.3 仿真結(jié)果及分析85-87
• 4.4 小結(jié)87-89
• 5 SEU敏感區(qū)的激光定位試驗研究89-97
• 5.1 試驗方案89-90
• 5.1.1 測試器件89-90
• 5.1.2 激光試驗條件90
• 5.2 試驗結(jié)果及分析90-94
• 5.2.1 激光正面輻照90-91
• 5.2.2 激光背部輻照91-93
• 5.2.3 結(jié)果分析93-94
• 5.3 激光SEU截面與重離子SEU截面的對比94-96
• 5.3.1 激光測試SEU截面94-95
• 5.3.2 重離子測試SEU截面95-96
• 5.4 小結(jié)96-97
• 6 SEL敏感區(qū)的激光定位試驗研究97-104
• 6.1 試驗方案97-98
• 6.1.1 測試器件97
• 6.1.2 試驗條件97-98
• 6.2 試驗結(jié)果98-100
• 6.2.1 SRAM K6R4016V1D試驗結(jié)果98-99
• 6.2.2 LCD控制器件MAXQ2000 試驗結(jié)果99-100
• 6.3 SEL敏感區(qū)定位結(jié)果討論100-102
• 6.3.1 SEL重離子測試100-102
• 6.3.2 SEL頻次在軌預估102
• 6.4 小結(jié)102-104
• 7 基于脈沖激光定位SRAM敏感區(qū)的單粒子閂鎖在軌預估104-119
• 7.1 理論計算105-106
• 7.1.1 敏感體積單元數(shù)量對粒子能量沉積的影響105
• 7.1.2 敏感體積單元數(shù)量對SEL頻次的影響105-106
• 7.2 激光定位試驗106-109
• 7.2.1 測試器件及試驗條件106-107
• 7.2.2 激光定位測試107-109
• 7.3 SEL頻次計算109-116
• 7.3.1 SEL頻次計算條件109-110
• 7.3.2 SSO SEL頻次110-114
• 7.3.3 GEO SEL頻次114-116
• 7.4 結(jié)果討論116-117
• 7.4.1 SV數(shù)量vs重離子SEL頻次116
• 7.4.2 SV數(shù)量vs質(zhì)子SEL頻次116-117
• 7.5 小結(jié)117-119
• 8 CMOS SRAM單粒子閂鎖防護方法試驗研究119-130
• 8.1 單粒子閂鎖效應機理119-121
• 8.1.1 CMOS的寄生PNPN結(jié)構(gòu)119-120
• 8.1.2 閂鎖效應的觸發(fā)120-121
• 8.2 單粒子閂鎖效應激光試驗121-124
• 8.2.1 測試器件121
• 8.2.2 SEL閾值和截面測試121-122
• 8.2.3 SEL閾值和截面測試結(jié)果122-124
• 8.3 單粒子閂鎖防護方法124-126
• 8.3.1 電阻限流124-125
• 8.3.2 恒流源限流125
• 8.3.3 斷電解除閂鎖125-126
• 8.4 電路級閂鎖防護方法試驗126-129
• 8.4.1 電阻限流126-127
• 8.4.2 恒流源限流127
• 8.4.3 斷電解除閂鎖127-129
• 8.5 小結(jié)129-130
• 9 總結(jié)與展望130-133
• 9.1 總結(jié)130-131
• 9.2 展望131-133
• 參考文獻133-144
• 作者簡介及發(fā)表論文144-14

【參考文獻】

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本文編號：747003