微纳大规模集成电路SRAM的总剂量辐射效应及评估方法研究

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静态随机存储器(Static Random Access Memory)作为使用最广泛的存储器之一,具有功耗低、存取速度快等优点,因而被广泛应用于工业自动化、军事精密武器及航天器的控制系统等领域。然而,空间中的高能辐射粒子作用于SRAM会产生多种辐射效应,其中以总剂量辐射对SRAM的工作性能影响最为明显,这会严重威胁航天系统的可靠性和航天任务的顺利完成。  为了保证星用SRAM器件在空间辐射环境中的可靠性,本文对微纳大规模SRAM器件的总剂量辐射效应、损伤机理以及总剂量试验方法和评估技术进行了较深入细致的研究:建立了SRAM器件在线辐照、测试系统;开发了SRAM器件全参数离线测试技术;研究了基于上述软硬件基础之上的SRAM器件总剂量辐射损伤机理;建立了更全面、更详细的SRAM器件总剂量辐照试验方法和评估技术。  在线测试系统是以FPGA为核心开发的一套参数测试系统,其能够测试的参数有:静态功耗电流、动态功耗电流和存储单元翻转数,其电流测试精度最高可以达到几十纳安。在线辐照偏置系统可以在钴源内对SRAM施加信号激励和进行数据交换,在保证信号完整性的前提下,其最高工作频率可达20MHz。而离线测试是通过Adwantest93000大规模集成电路测试机台来实现的,通过软件及测试程序的开发,使其能够对SRAM进行全参数测试和复杂的功能测试,其参数测试精度可达±10mV和±100uA。  SRAM器件的总剂量辐射效应和损伤机理研究结果表明:SRAM的静态功耗电流和动态功耗电流随总剂量上升幅度最明显,最大可达初始值的几百倍以上,而其他直流参数也存在小幅度的变化;SRAM器件在总剂量辐射环境下主要存在两种功能失效模式,即:存储单元失效和外围电路失效;在同等条件下,离线测试无论在电流参数测试、存储单元翻转和功能测试方面都比在线测试更准确、更严格;对辐照后的SRAM进行电流参数测试,当使用的测试数据不同时,得到的测试结果存在巨大差异,最大可以达到几十毫安;虽然静态功耗电流随总剂量变化最为剧烈,但并不能说明在SRAM的总剂量辐照评估中可以只对静态功耗电流这一直流参数进行测试,其它电参数虽然随总剂量的变化幅度较小,但仍有先于静态功耗电流参数失效的可能性;辐照过程中,在动态读写和静态数据保存两种偏置条件下,SRAM器件的总剂量辐射损伤并没有表现出明显差异;在总剂量辐射环境中,器件处于不同的工作频率时所受到的总剂量辐射损伤存在较大差异,并且工作频率越高其总剂量辐射损伤越严重。  在总剂量辐射环境中,通过多种实验方法和测试方法对SRAM器件的总剂量辐射损伤和评估方法进行了深入的研究。全方位的考虑了辐照条件和测试条件对实验结果的影响,最终确定了一个全面的SRAM器件总剂量辐射损伤评估方法。
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