利用加速器重离子进行sram单粒子效应的研究.pdf
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第， 届全国核电 子学与核探润技术学术年会论文集 P r o c e s c lin g s o f 加 9 th N a t io n a l C o n f e r e n c e o n N u cl e a r E le c t r o n i c s 乙N u cl e a r D e t e c t io n T e d u d m 利用加速器重离子进行S R A M 单粒子效应的研究 张正选1 2李国政1 罗晋生， 陈晓华1姬琳1王燕萍 I 巩玲华3 ( ‘ 西北核技术研究所， 西安， 7 1 0 0 2 4 ) ( 西安交通大学， 西安， 7 1 0 0 4 9 ) ( 3 北京大学， 北京， 1 0 0 8 7 1 ) 本文报道了 利用北京 大学申 列静电 加 速器提 供的 Y离子对两类静态随 机存佑器进行单粒子效应的研 究. 给出了 两类静态随机存褚器的单较子效应翻转截面随线性能f传翰值( L E I ) 的变化关系曲 线. 1 前言 自 从1 9 7 5 年B in d .研 究 小 组 [c1 1 观 寮 到 通信 卫星的 致 字电 路J K触 发 器由 于 单 个重 核 粒 子的 作 用被 触发 而出现 器 件 逻辑 状态的 变化. 后来又陆 续观侧到阳 瓷 管壳 所 含的 徽 量反 射性 同 位数铀和牡放出的a 粒子以及宇宙射线中 存在的高能中 子及质子都能引 起器件产生单粒子 翻转. 从此， 对单拉子效应的研究工作引起人们的足够盆视。
随粉更大规模的集成电 路在通信 卫星上的应用， 单粒子效应对在轨运行的卫星和航天器构成的危害 越来越大. 静态随机存贮器 ( S R A M) 在星载计算机中 的普进使用， 有必要对其单粒子效应的 机理及其加固技术进行深入 的研究 国外早在- 1 i 年代初就开始进行静态随机存贮器的 单拉子效应的研究工作. 研究工作主要 是 利用加 邃 器 提供的 各 种 盆 粒子 对静态随 机存贮 器的 单狡 子翻转 截面 进行甜 j u a 1 . 国内 研究 人员从 1 , 年代后期开始， 先后开展利用 U C f 裂片、 高能质子及中 子进行静态随机存贮器的单 粒子 效应的 研究工 作U s 3 . 本文主要介绍 我们利 用北京 大学重离子加速器开 展的 . 态随机存 储器(( S R A M) 的 单拉子效应的研究工作 2 加速器 贡离子束及实验安排 本次实脸是在北京大学f离子物理所2 X 6 M V串列静电加速器上进行的 图1 给出 该加 速器及单较子效应实脸布局图. 该加速器是从英国牛津大学引进的一台由H V E C 公司生产的E N塑申列静电加速器， 1 9 9 1 年安 装 调试 成功. 在 该 加速器 上进行了 一系 列改进 工作， 并 开展了 大2的 物 理实 验工 作， 建立了 一些有特色的 分析方法[.]。
为进行电 子器件单位子效应侧t实脸， 要求入射的重离子在 器件 具 有足 够的 射程( >1 0 W m ) 和L E T 值(( 1 ^ - 2 M e V / ( m g . c m - ) 以 上) ， 才会 发 生单 位子效应 和有足够的统计 为此， 要求更宜元素的里离子和尽可能大的电 荷态， 宜离子的能t才会更高 根据这个要求， 北京大学主要在离子泳上作了改进， 调试了固 体剥离器， 提供了电 荷态更高的 C , O , F , N a , S i , C 1 , B r 等离子 2 3 由 于重离子的单粒子效应截面很大， 打在器件灵敏结上的重离子几乎百分之百地产生单 粒 子效应， 因 此即 使重离子束流降低 到3 ^ - 3 0 p A ， 直接辐照器件也会发生“ 剂I率效应” 和“ 多 次翻转效应” 而不能得到真实测f结果. 为此， 采用 厚~1 5 0 L e g / c m ， 金箔散射法使入射到器件 重离子束流降低四五个量级以 上， 此时器件里于与初始束成4 5 , 方向一定距离上( 见图1 ) 且垂 直入射到被照芯片上， 由 于金质t数远大于离子质A致， 并且金佰足够薄， 徽射的重离子能量 较初始离子能蚤变化很小。
I C粗皿板 金依封枯 金硅面垒 探 侧 粉‘ - 日1 北京大掌盆离 子加速荟S xf j 实脸布局 3 C M O S 器件的单粒子翻转及实验测t 1 ) C MO S 器件的单狡子翻转(( S E U ) 高能狡子入射C M O S 器件可以引 起器 件的 逻辑 状态的 改变 G I . 图2 示出 了C M O S S R A M单元内 单较子翻转灵敏区和位于径 迹 图中灵敏区为P 沟晶体管和N沟晶体 管的汤区 每个P N结周田都存在耗尽区 1 图中忽略了高挤杂 N + 和P 十 区的耗尽 区) 高能位子径迹A和D 通过P + 和N 十 区 中心， 可以从耗尽区和由电荷滚集效应收 图2 C M O S S R A M单元内 的 单控 子翻 转 灵饭区和翻转拉子径注 集瞬态电 荷 而离子径迹B 和C只能通过耗尽区， 由于离子径迹与高接杂的P + 和N + 区距离 的 增加， 则电 荷的 聚集效 应降 低， 主要 考 虑耗尽区内 的 收 集电 荷. 试脸观侧到， 最 灵敏的 离子径 迹 在耗 尽区内， 又 正 好为N + 翻区 边 缘和P + 谕区 边 缘. 这 祥的 离子径迹 可从整 个纵向结 和侧 场 结以 及由电 荷滚集效应收集电 荷。
实脸结果表明: 在C M O S S R A M存贮单元中 最灵敬的区 城 是P沟晶体管的P 十偏区 幻试脸器件 试 ， 器 件 }V J d t7 1 64 ,几 7 1 2 5 两 种 静 : 存 储 器 芯 片 ，存 贮 单 元 为 六 管 单 元 ，工 艺 为 C M O S 工艺由于盆离子射程仅几十” m ， 器件需要开盖 2 3 6 3 ) 人射器件重离子注盆确定 汲器件S E U的测量 注入芯片上的离子监测采用金硅面垒 探测器( S S D ) 和法拉第筒( F C ) 在与入射束流对称且 成4 5 . 方向 位1上放S S D 1 和S S D 2 ， 用以 监测重离子能谱( 相对) ， 在入射离子流方向 放F C ， 用 以测f初始束流， 调整束流， 测出S S D I , S S D 2 和F C 和计数从, N , 和N , ， 在做到N , 二N , 并 求出N , / N F 的 值的条件下将S S D 2 换成待测芯片， 在N , / N , 不变条件下照射芯片测A S E U 值， 芯片接收的离子流由 下式确定: 0二Nn , ( d e / d f 2 ) 1 0 ` Ol l 实际上芯片距靶距离R 与S S D 2 入射原位里并不一样， 此时按R 成反比 关系( 已 经实验 确认) 换算得到芯片位t的离子注盈。
3 0 m长放 图3 存佑拐动态监洲长线系统 试验所用的单粒子效应监浦系 统为西北核技术研究所研制的 存贮器件单拉子效应动态监 测长线系统C q 其系统框图如图3 所示 该侧试系 统通过硬软 件实现 对不同 集 成 度从4 K位 到2 5 6 K位静态随机 存储器的 写 人、 读 出、 比 较、 统计和存贮显 示等功能， 能够准确、 快速统计出 一段时间内的单较子翻转个数及相应 的地址位等 4 实验结果 ， .曰 兰三 若 兰 三兰 :三 712 5 6 : 1 : ; 祖 J 一一一 至 圣 呈 ; .巨、泪娜犯翻 阅 “后、匆粗娜 一一 曰 ‘ 1 0. 口 主 L E T / M. V " ( m g / . ) L ET/ M. V" 协， 加 ( .. 2 . . ) 一 L 田4 7 1 2 5 6 单粒 子翻 转截面随L E T 值变化曲 线图5 7 1 6 4 单枚子口转截 面随L E T 值变化曲 线 在重离子 入射器件 方向 与 器 件表面垂 直时， 所引 起的 器件单较子的 翻转截面可以 通过下 式计算: 口= N/ 公 2 3 7 ， 为器件单粒子翻转截面， 单位c en t i 0为入射器件的粒子注量， 单位个// c m l N为引起 的 器件翻转位数， 单位个。
图4 和图5 分别给出了7 1 2 5 6 , 7 1 6 4 两种芯片的单拉子翻转截面随L E T 值的 变化关系经 拟合处理后得到的曲线， 从图‘ 和图5 中可以看出， 7 1 2 5 6 和7 1 6 4 两种器件的翻转闷 值正处 于所提供的 重离子L E T值范围， 而7 1 2 5 6 器件已 开始走向 饱和截面区域， 由 于实验所用的! 离子的L E T 值比 较低， 实验测定的仅为器件的最灵敏取得面积. 如果L E T 值的 范围选大一些 或 离子能t选高些， 就可以将器件的其他的 灵敏区域测定出 来， 从而得到器件的 单位子翻转截 面在很宽范圈L E T范圈内的变化关系曲 线 5 结论 经过几轮实脸， 可以 得到以下结论: 1 ) 实脸达到了顶期目 的， 建立了 加邃器重离子束用于器件单位子效应实验方法， 取得基本 上可靠、 有用的实验致据 2 ) 证实了 北京大 学2 X 6 M V申 列静电 加速器所产生的 多种宜离子束 可用 于器件单位子 效应实验侧 f研究. 其L E T值范围 大致扭盖器件翻转的闽 值区 城 但如果离子种类再向 更宜 元家扩展， 而剥离的电 荷再高、 产 生的 离于能f更大， 使它们L E T扩展到1 0 ^ - 1 5 M e V / m g . c m 范田， 这台 机器应用的范困就更大了。
感谢北 京大学 盆离 子物理 所倾导 和2X6"加 邀界运行人员的大力支 待和带 助. .考文橄 1 D . B i n d e r e t a l . I E E E T n m. N u c l . e a r S c i enc e 二V o l - N S -2 2 . N o . 6 . P . 2 6 7 5 ( 1 9 7 5 ) 2 I . A . Z o m e n d y k , L . S . S m i t h , a n d G . A . S o l i I E E E T r a c e . N u c l . e r r s c i e n c e p v o l . N S -3 2 . N ‘6 , 1 2 . 卜 4 1 4 6 ( 1 9 8 5 ) 3 R . R a g a , W. A . K o l a ai n a k i . e t . a l I E E E T r a m. N u d . 与 ， V o l . N S - 3 2 , N o . 6 . P . 1 6 3 8 ( . 1 9 8 5 ) 4李国 政等 . 单拉子效应侧f和研究 . ， 杭辐 射加固 技术研究部分 成果集， P 2 4 7 - P 2 6 6 . 1 9 9 3 年3 月 5李国 政等. 利用2 5 2 C f 裂片模拟空间 !离子引起的单较子效应的研究峨 核加固V o l . 8 , N o . 2 P 1 ( 1 9 9 1 ) 6王建勇、 任晓堂执绝: 重离子物理实脸室的加速器设备， 核物理动态V o l . 1 3 , N o . 2 . P . 3 7 ( 1 9 9 6 ) I . A . Z mt e n d 沙eta。
