电离总剂量对纳米SRAM器件单粒子效应的影响机制

The total ionizing dose radiation can have influence on the single event effect in microelectronic devices. The mechanism of this synergistic effect is a very important scientific issue to reliable application of long life satellite. Due to novel process and structure, there are new characteristics and mechanisms for synergy of these two effects in nano-scale devices, and, the influence law and the mechanism of this synergistic effect remain unclear. With the increasing application of nano-scale devices in space, it is extremely urgent to research on the rules of synergistic effect. In this project, we will rely on Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL) and total dose effect research platform to study this affecting mechanism in nano-scale SRAM. In macro sense, the correlation of the heavy ion incident conditions, device operation status and the like with the synergistic effect will be investigated. Moreover, we will also analyze the influence mechanism of the total dose radiation charge on the generation process of single event effects on the microscopic level, and obtain the affecting rules. Then, reveal physical mechanisms of total dose radiation on single event effect charge collection process, and present a new charge collection model about single event effect under action of trapped charge generated by total dose irradiation. The results will provide a scientific basis on radiation evaluation and hardness for nanometer devices applied in long life satellite in comprehensive space radiation environment, supply theoretical basis and methodological guidance for development, independence, and controllability of domestic devices, and will enrich theoretical research of the radiation hardened electronics.

微电子器件总剂量效应与单粒子效应协同作用的机制，是长寿命卫星可靠性面临的重要科学问题。纳米器件的新工艺、新结构使两种效应协同作用产生新的表现形式，目前对其协同效应的影响规律及机制尚不清楚。随着纳米器件在航天领域日益广泛的应用，开展协同效应作用规律的研究具有重要意义。本项目依托兰州重离子加速器和申请单位的总剂量效应研究平台，针对纳米SRAM器件开展电离总剂量对单粒子效应影响机制的研究。宏观上探索重离子入射条件、工作状态等与协同效应的相关性，在微观上分析辐射感生电荷对单粒子效应产生过程的影响机理，获得总剂量辐射对单粒子效应作用的规律，揭示总剂量影响器件单粒子效应电荷收集过程的物理机制，建立总剂量辐射感生陷阱电荷作用下的纳米器件单粒子效应电荷收集模型。研究结果将为长寿命卫星中的纳米器件抗辐射性能全面评估和加固提供科学依据，为国产宇航器件的研发和自主可控提供理论基础和方法指导，丰富抗辐射电子学理论

航天器运行在空间高能粒子辐射环境中，辐射效应会导致电子器件性能下降、状态改变甚至功能失效，严重威胁着航天器的安全运行。因此，空间应用电子器件必须在地面进行严格的抗辐射性能评估。空间辐射环境是一个多种粒子的复合环境，器件辐射损伤是多种效应（总剂量效应、单粒子效应、位移效应）的综合结果，而目前实验室环境只能实现单一效应的模拟，与实际应用环境存在差异。总剂量效应与单粒子效应协同作用，是长寿命卫星应用电子器件可靠性评估面临的关键问题。纳米器件的新工艺、新结构使两种效应协同作用产生新的表现形式，目前对其协同效应的影响规律及机制尚不清楚。本项目依托兰州重离子加速器和申请单位的总剂量效应研究平台，针对纳米SRAM器件开展总剂量对单粒子效应影响机制的研究。项目组充分利用兰州重离子加速器单粒子效应研究的优势，对多个工艺节点SRAM器件（130nm、90nm、65nm）进行了系统协同效应试验，获得目前最为全面的纳米器件协同作用规律，证实纳米器件存在协同作用，并给出了协同作用强度。纳米器件的协同作用表现出与测试向量无关、多位翻转增强等新特点。在机理分析方面，本项目实现了无静电防护器件的封装及辐照测试，首次直接测试了辐射对SRAM存储单元噪声容限的影响，测试结果解释了纳米器件协同作用的新特点。总剂量感生陷阱电荷对单粒子电荷收集的影响是纳米器件协同作用机制分析的新问题。通过设计不同条件辐照试验，本项目获得了总剂量感生陷阱电荷数量、位置等精确信息，为协同效应模型建立提供输入条件，提出了总剂量增强的NMOSFET&PMOSFET电荷共享机制，首次在电荷收集角度对协同作用机制进行了分析。另外，本项目扩展了研究内容，开展了非易失性存储器的协同效应研究，系统获得了总剂量辐射对Flash、FRAM等纳米非易失性存储器单粒子效应影响的试验规律。本项目突破的存储单元辐照试验技术，为辐射效应研究提供新的技术手段，获得的纳米器件协同效应规律及机制，为电子器件抗辐射能力的准确评估提供了重要支撑。