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脉冲激光模拟SRAM单粒子效应的试验研究

余永涛  
【摘要】:脉冲激光模拟单粒子效应技术以其试验便捷、效率高、精确的空间和时间分辨特性等优势,在世界范围内越来越多地被应用于单粒子效应机理研究和工程实践中,已经成为单粒子效应特性评估和防护设计验证的有效手段。随着微电子技术的发展,先进工艺半导体器件的单粒子效应表现出新的现象和问题,给脉冲激光模拟单粒子效应技术带来新的挑战。本论文利用中科院空间中心自主研发的脉冲激光试验装置,以SRAM为主要研究对象,开展脉冲激光模拟单粒子效应试验机理和技术方法的研究,并在此基础上开展单粒子翻转和单粒子闩锁效应的敏感区定位、在轨预估和防护加固等方面的研究,对单粒子效应地面模拟试验研究和工程应用具有重要意义。本文的主要研究内容和成果如下:1)开展脉冲激光模拟单粒子效应机理和与重离子对比等效方面的研究。在对比脉冲激光和重离子与Si材料相互作用异同的基础上,分析了影响脉冲激光试验定量研究的各项因素,修正了以往研究中激光正面入射辐照器件情况下能量传输模型的错误,完善了激光背面入射辐照器件情况下的能量传输模型,形成了系统的脉冲激光与重离子对比等效计算方法。对于典型器件的单粒子闩锁效应,分别进行了激光阈值能量和重离子阈值LET值试验测试和相应计算,两者符合较好。2)实现了脉冲激光精确定位单粒子效应敏感区和陶瓷封装器件背部开封技术。以深亚微米工艺SRAM器件为研究对象,开展激光精确定位存储单元单粒子翻转敏感区的研究,同时进行SEU敏感特性的TCAD仿真研究。激光定位结果与TCAD仿真结果及器件版图信息一致表明,脉冲激光定位技术可靠而且具有很高的分辨率。利用高功率激光开发陶瓷封装器件背部开封技术,实现了激光背部入射陶瓷封装器件诱发单粒子效应。3)基于脉冲激光精确定位技术分别开展了单粒子翻转和单粒子闩锁效应敏感区试验研究。存储单元为4T2R结构的SRAM IDT71256S单粒子翻转敏感区的研究结果表明,有的存储单元在存储1时敏感,有的存储单元在存储0时敏感,两种单元在物理位置上呈互补排列,这种差异与器件正面金属层对激光的阻挡作用无关。激光试验结果与重离子测试数据均说明存储数据会对器件SEU敏感特性产生影响。CMOS SRAM单粒子闩锁效应敏感区具有周期性的分布特征。闩锁测试存在“方位倾角”效应:离子入射倾角增大到一定角度时,入射方向将会对器件单粒子闩锁效应测试产生影响。4)提出并开展了利用脉冲激光定位修正单粒子闩锁在轨预估的研究。利用激光定位单粒子闩锁敏感区确定器件内部SEL敏感体积单元的数量,考虑质子直接电离作用对SEL在轨频次的贡献。结果表明,脉冲激光具有快速准确定位SEL敏感区的优势,为准确获得SEL敏感体积单元数量提供了技术支撑。器件SEL敏感体积单元数量对在轨频次具有较大影响,重离子和质子引起的SEL频次都随敏感体积单元数量的增加而减小。当器件敏感体积厚度较大或者闩锁阈值较高时,敏感体积单元数量对SEL在轨频次的影响更大。敏感体积形状会对SEL频次预估产生影响,与传统长宽相等的假设相比,较高的长宽比使SEL频次有所减小。5)开展单粒子闩锁效应电路级防护方法的研究。在测试SRAM单粒子闩锁效应特性的基础上,对闩锁过流常用的防护方法包括电阻限流和恒流源限流及断电重启等措施进行了试验研究。结果表明,限流电阻可以有效减小闩锁电流幅值,但不能有效抑制SEL;恒流源限流电路不能阻止SEL的发生,但可以有效限制闩锁电流,并使器件最终退出闩锁状态;只断开器件VCC管脚的供电电源,不能有效解除闩锁状态,断开器件与外部电路的全部连接,可以有效解除闩锁效应。


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