基于静态随机存储器的大规模集成电路总剂量辐射损伤传递机制研究

With the trend of high performance and miniaturization of satellite, the use of large scale integrated circuits on electronic system of satellite is inevitable. However, the total dose irradiation damages will limit its application. The damage transmission from transistor to logic gate, functional module and to circuit is not clear until now, which is a key issue in total dose effect research and is crucial to radiation hardness assurance and radiation hardening. In this project, transmission mechanism of total dose irradiation induced damage in large scale integrated circuits is researched based on static random access memory, since static random access memory is basic units of other large scale integrated circuits. By cross-contrasting functional testing covering different functional failure modes and invoking different function modules, we can obtain total dose responses of function modules. By transistor and circuit simulation including radiation, radiation damages in unmeasured nodes can be obtained. Combining the results of test and simulation, we can get the relationship between the transistor parameters degradation and macro damages in functional module and circuits, and reveal the damage transmission mechanism. The innovation of the project is to combine functional module test method with circuit simulation to analyze damage transmission. The results of this project will enrich radiation damage theory and method, and provide scientific basis for radiation hardening and hardness assurance of large scale integrated circuits.

大规模集成电路的广泛应用是卫星电子系统向高性能、小型化发展的必然趋势，但其受到了总剂量辐射损伤效应的制约。由晶体管到逻辑门、功能模块直至电路的辐射损伤传递过程机制，是其总剂量辐射效应研究尚未解决的关键问题，也是对其进行抗辐射能力评估和加固的关键所在。本项目以典型大规模电路静态随机存储器为研究对象，开展辐射损伤传递机制研究：设计调用功能模块、覆盖失效模式有异同的功能测试，交叉对比功能测试结果，获得功能模块辐射损伤特性；建立晶体管辐射损伤模型，进一步模拟仿真功能模块内部辐射损伤过程；综合试验、仿真结果，揭示辐射损伤传递机制。本项目的创新点在于以电路宏观参数测试为基础的功能模块辐射损伤测试新方法，与考虑辐照偏置条件影响的辐射损伤电路仿真新途径相结合，解决大规模电路结构复杂导致的内部模块级辐射损伤难以测试分析的问题。本项目的实施可丰富辐射损伤测试表征理论和方法，为电路加固设计和评估提供支撑。

大规模集成电路具有高频、高存储容量及功能强大等特点，将其应用于卫星电子系统，可提高系统的运算能力、数据存储能力等，是卫星向高性能、小型化发展的必然选择。然而，电子元器件受空间环境中高能粒子导致辐射效应影响，严重威胁卫星的安全可靠运行，总剂量辐射效应是其中重要的辐射损伤效应之一，决定了器件在空间使用的最长期限。由于大规模集成电路结构、功能的复杂性和多样性，我们对其总剂量辐射损伤机理的认识处在微观机理和宏观表象两端清晰，但辐射损伤由晶体管至电路传递的中间过程仍需探索的状态中。大规模集成电路总剂量辐射损伤传递过程的深入认识，是对其进行抗辐射加固设计和抗辐射能力准确评估的基础和前提。针对以上问题，本项目以静态随机存储器（SRAM）为对象，开展了大规模集成电路总剂量辐射损伤传递机制研究。在130nm SOI工艺平台设计了SRAM电路、单元、晶体管测试结构，测试了SRAM电路的总剂量辐射损伤传递过程。建立了晶体管辐射损伤SPICE模型，模拟了SRAM内部不可测试节点总剂量辐射损伤。结合试验与仿真的结果，揭示了SRAM电路总剂量辐射损伤传递机制。总剂量效应使晶体管阈值电压漂移、关态漏电流上升。晶体管阈值电压漂移使得反相器输入输出曲线漂移、存储单元噪声容限下降，但由于阈值电压漂移较小，不足以导致电路功能失效。IO晶体管关态漏电流上升直接导致单元、电路的静态功耗电流急剧上升，甚至参数失效，是需要解决的关键问题。本项目克服了无静电防护器件封装及辐照测试难题，实现了SRAM Cell等多个单元辐射损伤的直接测试，试验技术的创新为总剂量效应研究提供了新的技术途径。总剂量效应SPICE模型的建立拓展了我们对晶体管辐射损伤受电场及几何尺寸影响的认识。本项目获得的试验数据以及理论分析为130nm SOI工艺平台的总剂量效应加固及评估提供了关键数据支持。