一種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用器件在加速器重離子輻照下獲得的翻轉(zhuǎn)截面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析 器件在質(zhì)子輻照下翻轉(zhuǎn)截面的方法，屬于航天單粒子效應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星運(yùn)行空間存在高能重離子和高能質(zhì)子，這兩種粒子均會在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生 單粒子效應(yīng)，為保障衛(wèi)星在軌可靠穩(wěn)定運(yùn)行，須對器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)。器件在重 離子和質(zhì)子輻照下的翻轉(zhuǎn)截面參數(shù)，是進(jìn)行單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的輸入。
[0003] 重離子翻轉(zhuǎn)截面參數(shù)，可通過地面加速器試驗(yàn)獲得。質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面參數(shù)，盡管可以 通過加速器試驗(yàn)獲取，但質(zhì)子單粒子試驗(yàn)存在幾個缺點(diǎn)：（1)受質(zhì)子輻照的器件會被活化 而產(chǎn)生放射性；（2)質(zhì)子在器件中產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的截面低，為獲得具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的單 粒子事件數(shù)，所需質(zhì)子注量大，這會給器件帶來總劑量效應(yīng)。
[0004] 基于上述原因，目前計(jì)算器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面最常用的方法是利用重離子單粒子翻 轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)率，這類方法存在下列不足：未考慮器件金屬布線層、氧化 層中核反應(yīng)的影響，質(zhì)子產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的原理是通過與材料發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生次級重帶電 粒子，次級粒子在敏感區(qū)中沉積能量而造成單粒子效應(yīng)，質(zhì)子在金屬布線層、氧化層中產(chǎn)生 的次級粒子，當(dāng)射程足夠大時，也會在敏感區(qū)中沉積能量，特別是在現(xiàn)代器件工藝條件下， 金屬布線層數(shù)和氧化層數(shù)越來越多，質(zhì)子在金屬布線層和氧化層中核反應(yīng)的概率越來越 大，對質(zhì)子單粒子效應(yīng)的影響也越來越大，應(yīng)加以考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于重離子試驗(yàn)數(shù) 據(jù)的器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面，本發(fā)明以器件的金屬布線層、氧化層等結(jié)構(gòu)和特定的敏感 區(qū)厚度作為輸入，采用蒙特卡羅分析方法分析質(zhì)子核反應(yīng)在器件敏感區(qū)中的等效LET譜， 將該LET譜與器件重離子試驗(yàn)得到的翻轉(zhuǎn)截面與LET關(guān)系曲線（ 〇 -LET)積分，得到器件在 質(zhì)子輻照下的翻轉(zhuǎn)截面。
[0006] 本發(fā)明的解決方案是：
[0007] -種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法，包括步驟如下：
[0008] (1)確定質(zhì)子能量；
[0009] (2)確定器件金屬布線層、氧化層的材料類型和厚度；
[0010] (3)確定器件敏感區(qū)的材料和厚度；
[0011] 器件敏感區(qū)的材料根據(jù)器件所采用的材料確定；
[0012] 器件敏感區(qū)的厚度根據(jù)下式確定：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法，其特征在于包括步驟如 下： (1) 確定質(zhì)子能量； (2) 確定器件金屬布線層、氧化層的材料類型和厚度； (3) 確定器件敏感區(qū)的材料和厚度； 所述器件敏感區(qū)的材料根據(jù)器件所采用的材料確定； 所述器件敏感區(qū)的厚度根據(jù)下式確定：
其中，d為敏感區(qū)厚度；μ n為電子迀移率；μ p為空穴迀移率；ε為介電常數(shù)；q為 元電荷電量；Na為受主摻雜濃度；Nd為施主摻雜濃度；V為外加電壓；Vb為內(nèi)建電勢， N N & ，其中k為波爾茲曼常數(shù)，τ為溫度，ni為本征載流子濃度； ni (4) 分析質(zhì)子在敏感區(qū)中的能量沉積微分譜; (5) 將敏感區(qū)中的能量沉積微分譜dp / "ΔΕ轉(zhuǎn)化為等效LET微分譜dp/ ;轉(zhuǎn) 化公式為：
其中，是質(zhì)子在敏感區(qū)中的能量沉積微分譜；是質(zhì)子在敏感區(qū) 中的等效LET微分譜；P是硅的密度；d是敏感區(qū)厚度； (6) 以等效LET譜為輸入，基于器件在重離子輻照下的Weibull曲線〇-LET，計(jì)算器件 在質(zhì)子輻照下的翻轉(zhuǎn)截面： 通過下面的公式計(jì)算得到質(zhì)子的翻轉(zhuǎn)截面：
其中，σ 5是器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面；〇 1是器件重離子翻轉(zhuǎn)截面Weibull曲線〇 -LET，包含 4個參數(shù)器件飽和翻轉(zhuǎn)截面σ sat、LET閾值Lth、寬度參數(shù)W、形狀參數(shù)S ;LETmax表示LET取 值的上限；LETmin表示表示LET取值的下限。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法，其 特征在于：所述步驟（1)中的質(zhì)子能量取IMeV~IGeV范圍內(nèi)的任意數(shù)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法，其 特征在于：所述步驟（2)中的確定器件金屬布線層、氧化層的材料類型和厚度的方式：通過 化學(xué)機(jī)械研磨獲得器件光滑的斷面；采用掃描電子顯微鏡對器件斷面進(jìn)行測量，獲得各層 的厚度參數(shù)；通過X射線衍射方法分析各層的成分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法，其 特征在于：所述步驟（4)中分析質(zhì)子在敏感區(qū)中的能量沉積微分譜?/ρ/</Δ￡'的具體方式 如下： 利用GEANT4分析質(zhì)子穿過器件金屬布線層和氧化層達(dá)到敏感區(qū)的過程中，次級粒子 在敏感區(qū)中的能量沉積Ε，統(tǒng)計(jì)每個能量沉積間隔（Ε，Ε+ΔΕ)的概率d(p，由此即可確定能 量沉積微分譜; GEANT4分析過程中的高能物理模塊根據(jù)入射質(zhì)子能量進(jìn)行選擇，質(zhì)子能量在IMeV~ 70MeV時選擇預(yù)復(fù)合模型，在70MeV~IGeV時選擇級聯(lián)模型；粒子能量損失分析模塊選擇 標(biāo)準(zhǔn)電磁相互作用模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法，其 特征在于：所述步驟（6)中LET取值的具體計(jì)算方式如下：
其中，LET為線性能量傳輸系數(shù)；E為能量沉積；P為硅的密度；能量沉積E的范圍為 Emin~Emax，相應(yīng)可以得到LET的范圍為LETmin~LETmax。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)的器件質(zhì)子翻轉(zhuǎn)截面反演方法，步驟如下：確定質(zhì)子能量；確定器件金屬布線層、氧化層的材料類型和厚度；確定器件敏感區(qū)的材料和厚度；分析質(zhì)子在敏感區(qū)中的能量沉積微分譜；將敏感區(qū)中的能量沉積微分譜轉(zhuǎn)化為等效LET微分譜；計(jì)算器件在質(zhì)子輻照下的翻轉(zhuǎn)截面。本發(fā)明考慮了器件金屬布線層、氧化層中核反應(yīng)的影響，使得該方法更適合現(xiàn)代工藝條件下的器件，使得器件對質(zhì)子影響的計(jì)算更加準(zhǔn)確，可靠性大大增強(qiáng)。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104732031
【申請?zhí)枴緾N201510145019
【發(fā)明人】李衍存, 蔡震波, 張慶祥, 賈曉宇, 趙小宇
【申請人】北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月30日