集成电路技术的发展为丰富航天元器件的功能带来了无限可能,但先进工艺元器件在辐射环境下的工作可靠性也将面临新的挑战,因此开展新型纳米集成电路单粒子效应研究,并建立辐照损伤及失效的物理模型,对发展新型抗辐射加固技术具有重要意义。本论文基于兰州重离子加速器提供的中高能重离子,研究了130 nm和22 nm SOI SRAM、3D SRAM和MRAM器件,单粒子效应敏感性随离子种类、能量、注量、累积电离剂量及版图结构等因素的变化规律。通过研究重离子辐照对先进纳米器件和非载流子传输器件损伤的物理机制,获得了由离化电荷扰动或微观损伤累积导致纳米器件的宏观电学状态改变、退化甚至失效的物理模型。研究了重离子电离尺寸特性对纳米器件单粒子翻转效应(SEU)的影响,重点分析了重离子种类和能量对6T结构和延迟滤波加固(7T)SOI SRAM器件单粒子翻转截面的影响。结果表明,a)6T SRAM饱和截面对重离子种类具有明显的依赖性,截面差异最大为200%;b)6T SRAM单元的饱和截面为关态晶体管敏感区的2倍,证实了电离径迹的尺寸效应显著扩大了纳米电路的敏感区;c)随着181Ta离子的单核能从3.7 MeV/u增加到8.3 MeV/u,6T和7T SOI SRAM的翻转截面分别增大了 1倍和100倍,表明离子的径迹尺寸显著影响版图加固器件的翻转截面。针对版图结构对纳米器件单粒子翻转的影响,研究了延迟滤波加固与6T结构电路的翻转敏感性差异。重离子垂直入射时,对130nm6T单元进行单链(7T)延迟滤波加固后,其翻转阈值提高了 10倍,饱和截面下降了 10倍;而对22nm 6T单元进行双链(8T)延迟滤波加固后,其翻转阈值提高了 24倍,饱和截面下降了 0.5倍,表明延迟滤波加固可显著提高纳米电路抗单粒子翻转的能力。当181Ta离子沿位线方位的入射角由0°增加到40°时,130 nm 6T单元和7T单元的翻转截面分别增加了 17.7%和157.2%;当86Kr离子分别沿字线56°和位线56°方位角入射时,130 nm 7T SRAM的翻转截面相差10倍,而在80°方位角下22 nm 8T SRAM的翻转截面相差4倍。实验表明,不同角度下锁存敏感点与延迟滤波元件同时受到离化电荷扰动概率的差异是导致这种现象的根本原因。研究了总剂量对SOI SRAM单粒子翻转的影响,获得了不同γ累积电离剂量下,不同版图结构电路翻转敏感性的变化差异。预辐照800 krad(Si)剂量后,6T SRAM的翻转截面增大了 15%,而7T SRAM翻转截面下降了 60%。实验发现了SOI SRAM的单粒子翻转截面变化受单元版图结构影响的现象,累积陷阱电荷导致加固电路中延迟滤波管的RC延迟升高是产生这种现象的内在机理。研究了重离子电离径迹时空演变特性对3D SRAM单粒子翻转的影响,分析了不同层SRAM翻转敏感性受离子能量、布喇格峰(Bragg peak)所在位置和敏感区垂直空间分布的影响规律。从仿真计算结果中观察到了明显的射程效应,不同射程下上升区截面的差异可达2个数量级,而饱和区截面差异达2倍,分析了3D SRAM各层翻转截面差异与电离径迹时间演化特性的内在联系,提出了最大翻转截面出现的物理模型和临界射程公式,进一步发展了定量评估3D SRAM单粒子效应截面的测试方法,并在100 MeV/u 209Bi实验中得到了验证。针对高能重离子辐射损伤对MRAM器件宏观电学功能的影响,重点研究了磁性隧道结(MTJ)的电学性能受离子种类、能量、LET值和注量影响的物理规律。实验首次发现了高能181Ta离子辐射损伤导致MTJ电学功能失效的现象,并且79.9%的功能失效为高电阻态失效,计算表明单个181Ta离子引入的损伤无法导致MTJ的电学功能失效;MTJ损伤导致的硬错误在常温下表现出了退火特性,且高温环境能够加速其退火进程,证明晶格原子的热振动是损伤修复的内因;结合仿真计算和γ辐照对比实验,提出了绝缘势垒层损伤导致MTJ高电阻态退化的物理模型。