基于体硅CMOS工艺的SRAM单元SEU加固研究

摘要

随着半导体工艺的不断发展，航天集成电路设备在太空中受辐射的影响越来越严重。SRAM是集成电路的重要组成部分，其抗辐照性能尤为重要。由于电路节点电容和供电电压逐步减小，使SRAM更容易发生单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)。通过增加冗余存储节点的电路级加固技术是一种常用且有效的加固方法，其中Quatro-10T结构因其较好的抗辐照性能而被广泛研究。本文基于Quatro-10T结构，提出了一种增强型的抗辐照Quatro(Radiation Harden Enhanced Quatro，RHEQ)SRAM单元结构。论文主要内容如下:
　　(1)简单介绍了航天集成电路面临的各种辐射环境以及由辐射引起的电离辐射效应。介绍了几种常见的单粒子效应(Single Event Effects，SEE)和电荷产生与收集的机理。最后主要从电路级介绍了目前常用的存储单元加固技术。
　　(2)针对Quatro-10T单元读/写稳定性较差以及写速度较慢的问题，提出了RHEQ SRAM单元结构，该结构有效地改善了读静态噪声容限(Read Static Noise Margin，RSNM)、写裕度(Write Margin，WM)和写操作速度，并且由于单元内部晶体管堆叠以及电路拓扑结构的改变，降低了功耗。本文采用了晶体管分割的方法，因而RHEQ单元在面积上与Quatro-10T单元基本相同。单元的读操作速度虽然有所下降，但该问题可以通过改变传输管的尺寸来解决（面积与速度的折衷）。基于SMIC65nm工艺仿真结果显示，与Quatro-10T单元相比，RHEQ单元的RSNM和WM分别提高了51％和208％,写速度提高了45％，读速度降低了43％，泄漏功耗降低了17％，动态功耗降低了76％。
　　(3)分析了Quatro-10T和RHEQ SRAM存储单元在受到单粒子效应影响时其内部各节点的敏感性，找到了单元内部最敏感的存储节点。针对最敏感的存储节点相连接的PMOS，可以在版图级采用源隔离技术来减少其受到高能粒子轰击时漏端所收集的电荷量，从而降低存储节点由‘0’到‘1’翻转的概率。本文仅研究了单粒子效应对单元内部单个节点的影响和PMOS管之间因电荷共享效应所导致的单粒子事件多节点翻转(Single-Event Multiple-Node Upsets，SEMNUs)的情况。最后采用Sentaurus TCAD工具对RHEQ和Quatro-10T单元的抗辐照性能进行了仿真对比分析。仿真结果表明，当粒子轰击的线性能量传输值(Linear Energy Transfer，LET)达到80MeV-cm2/mg时，RHEQ单元仍具有对SEMNUs的免疫力。而Quatro-10T单元的翻转阈值仅在1.3MeV-cm2/mg与1.4MeV-cm2/mg之间。此外，Quatro-10T的某些节点容易受到SEU的影响，然而RHEQ单元任一个内部节点都具有抗SEU的性能。因此，RHEQ SRAM单元相比Quatro-10T具有更好的抗辐照性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容和创新点

1．4 论文整体结构

第二章 单粒子效应综述

2．1 单粒子效应分类

2．2 电荷的产生与收集

2．2．1 电荷的产生

2．2．2 电荷的收集

2．3 存储电路的抗辐照加固方法

2．4 本章小结

第三章 抗辐照SRAM存储单元设计

3．1 Quatro-10T SRAM单元

3．2 RHEQ SRAM单元设计

3．3 SRAM单元性能分析和仿真结果

3．3．1 SRAM单元面积

3．3．2 单元的操作速度

3．4 SRAM单元稳定性分析和仿真结果

3．4．1 保持静态噪声容限

3．4．2 读静态噪声容限

3．4．3 写裕度

3．5 本章小结

第四章 SRAM单元抗辐照性能分析

4．1 单元节点敏感性分析

4．1．1 Quatro-10T单元节点敏感性分析

4．1．2 RHEQ单元节点敏感性分析

4．2 RHEQ结构的版图加固方法

4．3 仿真验证

4．3．1 晶体管建模和校准

4．3．2 SRAM单元抗辐照仿真验证

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的学术成果