电子器件的电离辐射效应:从存储器到图像传感器9787121442063

*1章 电子器件辐射效应介绍 1 

1.1 引言 1 

1.2 辐射效应 1 

1.2.1 空间 1 

1.2.2 地球环境 3 

1.2.3 人造辐射 4 

1.3 电离总剂量效应 4 

1.3.1 金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET) 6 

1.3.2 双极器件 8 

1.4 位移损伤 10 

1.5 单粒子效应 12 

SRAM中的单粒子翻转 14 

1.6 小结 16 

参考文献 16 

*2章 辐射效应的蒙特卡罗仿真 18 

2.1 引言 18 

2.2 蒙特卡罗方法简史 18 

2.3 蒙特卡罗方法的定义 20 

2.4 蒙特卡罗方法模拟半导体器件辐射效应的研究 20 

2.4.1 单粒子效应 21 

2.4.2 总剂量效应 22 

2.4.3 位移损伤剂量效应 23 

2.5 辐射输运的蒙特卡罗仿真 24 

2.5.1 蒙特卡罗方法辐射输运和相互作用的定义 24 

2.5.2 需要考虑的粒子和相互作用 24 

2.5.3 电子输运：简史和截止能量 25 

2.5.4 方差减小技术 27 

2.5.5 辐射输运蒙特卡罗仿真应用总结 28 

2.6 蒙特卡罗工具示例 28 

2.6.1 蒙特卡罗N粒子输运码 28 

2.6.2 Geant4 29 

2.6.3 FLUKA 29 

2.6.4 粒子和重离子输运码系统(PHITS) 29 

2.7 小结 29 

参考文献 30 

第3章 10 nm级CMOS工艺制程SRAM多翻转的完整指南 35 

3.1 引言 35 

3.2 实验装置 36 

3.2.1 计数多翻转的测试算法的重要性 36 

3.2.2 测试设施 37 

3.2.3 测试器件 38 

3.3 实验结果 39 

3.3.1 MCU与辐射源的关系 40 

3.3.2 MCU和阱工艺的关系：三阱的采用 40 

3.3.3 MCU与重离子实验中入射角的关系 42 

3.3.4 MCU与工艺特征尺寸的关系 42 

3.3.5 MCU与设计的关系：阱接触密度 43 

3.3.6 MCU与电源电压的关系 43 

3.3.7 MCU与温度的关系 44 

3.3.8 MCU与位单元架构的关系 44 

3.3.9 MCU与测试位置(LANSCE和TRIUMF)的关系 46 

3.3.10 MCU与衬底的关系：体硅和绝缘体上硅 47 

3.3.11 MCU与测试数据的关系 47 

3.4 MCU发生的3D TCAD建模 47 

3.4.1 有三阱工艺中的双极效应 49 

3.4.2 针对先进工艺优化敏感区域 51 

3.5 一般性结论：影响MCU敏感度因素的排序 54 

3.5.1 SEE敏感区域版图 55 

附录3A 55 

参考文献 56 

第4章 动态随机存取存储器中的辐射效应 60 

4.1 引言 60 

4.2 动态随机存储器基础 61 

4.2.1 工作原理 61 

4.2.2 动态随机存储器的类型 63 

4.3 辐照效应 63 

4.3.1 单粒子效应(SEE) 63 

4.3.2 总剂量效应 70 

4.4 小结 72 

参考文献 72 

第5章 闪存中的辐射效应 76 

5.1 引言 76 

5.2 浮栅技术 76 

5.3 浮栅单元的辐照效应 78 

5.3.1 总剂量辐照引起的位错误 79 

5.3.2 单粒子效应引起的位错误 80 

5.4 外围电路中的辐照效应 83 

5.4.1 电离总剂量效应 84 

5.4.2 单粒子效应 84 

5.5 小结 85 

参考文献 86 

第1章电子器件辐射效应介绍

1.1 引言在地球环境和宇宙空间中存在的电离辐射对电子器件的正常工作构成严重的威胁。地球环境的电离辐射是由大气中子和芯片材料中含有的放射性沾污等引起的；空间电离辐射由地球俘获的带电粒子、太阳抛射的粒子和银河宇宙射线等引起。生物医疗器械、核电站和高能物理实验中的人造辐照也是开展电子器件辐射效应研究的另一个原因。关于电离辐射的基本事实是其在靶材料中淀积能量。因此，辐射可以引起一系列效应：包括存储位的破坏、数字电路和模拟电路中的毛刺、功耗增加和速度降低，以及最坏情况的功能彻底丧失。当设计卫星和航天器中工作的电子系统时，分析辐射效应是必须的。开发银行服务器、生物医疗器件、航天或者汽车电子等地基高可靠系统，也必须分析辐射效应。在本章中，我们将介绍最相关的辐射环境，然后分析三类主要的辐射效应：电离总剂量(Total Ionizing Dose,TID）效应、位移损伤（Displacement Damage,DD)效应和单粒子效应（Single Event Effect，SEE)。前两种辐射效应主要发生在空间中，或者由人造辐射源引起。离化粒子持续入射，使得绝缘层和半导体材料退化，以至于电子器件参数发生持续的漂移。与之相反，SEE是发生在空间和地球环境中，由高能粒子与电子器件敏感区发生随机的相互作用所引起的。1.2辐射效应电子器件经常必须在存有大量电离辐射的环境中工作。为了确保正常工作，必须准确了解电子器件所工作的特定环境的特征。本节首先介绍空间辐射环境，从辐射的角度来看，这也是最为恶劣的环境之一。之后，我们将考虑地球辐射环境，用中子和a粒子来表征。最后，我们将讨论人造辐射环境，例如核电站和高能物理实验等。1.2.1空间如图1.1所示，在空间环境中有三类主要的电离辐射源1]：1.银河宇宙射线；2.太阳粒子事件中产生的粒子；3.地球磁层中俘获的粒子。通常认为，银河宇宙射线来自太阳系之外，但是它们的来源和加速机制到目前还不是很清楚。银河宇宙射线中多数是质子，但包含所有的元素。银河宇宙射线的能量可达到非常高的10"GeV级别，使得它们穿透能力极强，采用普通厚度的屏蔽材料是无社阻挡的。银河宇宙射线通量在每平方厘米每秒几个粒子量级。

空间中的第二类电离粒子来自太阳。这些粒子包含了从质子到铀的所有自然生成的元素，并且它们的通量由太阳周期决定，能量大于10MeV/核的通量可以高达105个粒子/cm²/s。太阳活动是具有周期性的，7年高活动期和4年低活动期交替。太阳黑子数量是该周期的最重要表现之一。在太阳极大期的下行阶段，更频繁地发生太阳粒子事件，包括日冕物质抛射和太阳耀斑。日冕物质抛射是等离子体的抛射，起源于冲击波，紧接着粒子的发射。与之相对，当日冕磁场增加引起能量突然爆发时，会发生太阳耀斑。除了太阳粒子事件，还会发生太阳质量的持续减小，因为电子和质子获得足够高的能量而挣脱引力束缚。这些粒子具有本征磁场的特征，可以和地球磁场发生相互作用。有趣的是，太阳周期也可以调节银河宇宙射线通量：由于太阳粒子的屏蔽效应，太阳活动较强时，银河宇宙射线通量较低。此外，太阳与行星磁层会发生相互作用，特别是和地球。现在让我们聚焦到地球。与地球相关联的磁场（包括两部分，地球本征磁场和来自太阳风的外部磁场）能够俘获带电粒子。这些粒子一旦被地磁场束缚，就会沿着磁力线在南极和北极间螺旋运动。而且，根据这些粒子电荷的符号，它们在纵向以较低的速率运动。地磁场俘获的带电粒子形成了两条不同的带：外带主要由电子构成，内带则包含电子和质子。能量大于1Mev的电子通量可以达到106个粒子/cm²/s，而陷落的质子通量达到105个粒子/cm²/s。地球辐射带的一个异常特征是南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly，SAA)，此处辐射带最靠近地球。地磁场轴和南北极之间形成11度角，其中心并不位于地球中心，而是距离地球中心500km，引起磁场在南大西洋区下陷，形成了SAA。低轨卫星在经过SAA区域时，最容易发生错误和功能异常。由于环境复杂，很难评估入射到空间系统中的离化粒子数量。该数量也与太阳周期和轨道强相关。此外，由于材料的屏蔽效应，特定电子器件接收到的辐照也取决于其在飞船或卫星中的具体位置。在空间中，很重要的是不能过度设计电子系统，因为额外的重量会增加火箭发射成本，同时电子系统板的功耗也有限制。采用复杂的仿真工具和模型可以协助设计人员预测剂量和设计具有适当裕度的系统。