[發明專利]一種低能質子直接電離導致的單粒子翻轉截面獲取方法

有效

• 申請號: 201710236454.2
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107145638B
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 趙雯;王忠明;陳偉;叢培天;郭曉強;陳榮梅;羅尹虹;丁李利;郭紅霞;王園明;潘霄宇;王坦;王勛
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 楊引雪

本發明提供了一種低能質子直接電離導致的單粒子翻轉截面獲取方法，包括步驟：建立被研究半導體存儲器件的器件模型；獲取器件模型的蝴蝶特性曲線；對器件模型的蝴蝶特性曲線進行校準；在半導體器件數值計算模型中添加重離子單粒子效應物理模型；設定重離子單粒子效應物理模型參數的抽樣方式；獲取不同LET值和不同入射角度的重離子導致的單粒子翻轉截面；計算器件模型的單粒子效應敏感體積參數；構建被研究半導體存儲器件的幾何結構模型；設定低能質子源的抽樣方式；獲取不同能量的低能質子單粒子翻轉截面。本發明提高了敏感體積參數的獲取效率，具有成本低、計算效率高、可執行性好等優點。

技術領域

本發明屬于空間輻射效應及加固技術領域，涉及一種低能質子直接電離導致的單粒子翻轉截面獲取方法。本發明所述的低能質子指能量小于10MeV的質子。

背景技術

宇宙空間中存在大量高能粒子，高能粒子穿透航天器屏蔽層進入到內部電子學系統并與系統中的半導體器件發生相互作用產生電子-空穴對，電子-空穴對被系統中的敏感電路節點收集后導致系統功能受損，影響航天器的在軌可靠運行。這種效應是單個粒子作用的結果，因此稱為單粒子效應。

宇宙空間中的質子引發單粒子效應的機制有兩種：核反應和直接電離。

高能質子與半導體材料發生核反應生成次級重離子，次級重離子通過電離作用產生電子-空穴對以誘發單粒子效應，這一過程被認為是質子單粒子效應的主要作用機制。

質子也可以與半導體材料發生直接電離作用，由于質子與硅材料直接電離的LET值(LET值是單粒子效應的一項重要參數，代表離子在穿透介質時的能量損失率)很低，一般認為質子直接電離不會導致單粒子效應。然而，當器件的特征尺寸進入納米尺度時，器件發生單粒子效應的臨界電荷很低，低能質子直接電離(質子的LET值隨著質子能量的增大而減小，所以低能質子的LET值相對較高)導致的單粒子效應已經不容忽視。低能質子直接電離的相關報道最早始于1997年的文獻“S.Duzellier,R.Ecoffet,D.Falgukre,et al.LowEnergy Proton Induced SEE in Memories,IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.44,no.6,pp.2306-2310,1997.”，該文獻報道了兩款商用存儲器分別在能量為2.3MeV和1MeV的低能質子輻照下出現單粒子翻轉截面增大的現象，認為該現象由低能質子直接電離引起。但后來低能質子直接電離的研究并未引起足夠重視，直到2007年，文獻“K.P.Rodbell,D.F.Heidel,H.H.K.Tang,et al.Low-Energy proton-induced single-event-upsets in65nm node,silicon-on-insulator,latches and memory cells,IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.54,no.6,pp.2474-2479,Dec.2007.”證明了能量小于2MeV的質子會導致65nm工藝的SOI鎖存器和SRAM發生單粒子翻轉。后續研究人員針對不同工藝節點的器件開展了低能質子直接電離的試驗研究且近年來研究熱度不斷上升，更值得注意的是，文獻“JonathanA.Pellish,Paul W.Marshall,Kenneth P.Rodbell,et al.Criticality of Low-EnergyProtons in Single-Event Effects Testing of Highly-Scaled Technologies，IEEETrans.Nucl.Sci.,vol.61,no.6,pp.2896-2903,Dec.2014.”指出對于32nm及即將到來的22nm、14nm工藝，低能質子直接電離導致的多位翻轉將不容忽視。文獻“N.A.Dodds,M.J.Martinez,P.E.Dodd,et al.The Contribution of Low-Energy Protons to theTotal On-Orbit SEU Rate，in Proc.IEEE Radiation Effects Data Workshop,2015,pp.1-12.”針對20nm-90nm工藝節點的bulk和SOI工藝CMOS器件，評估了其在幾種不同軌道上的低能質子直接電離翻轉率對總翻轉率的貢獻，發現在器件正常工作電壓負向波動10％的范圍內，考慮低能質子直接電離時計算得到的SEU翻轉率比不考慮低能質子直接電離時計算的SEU翻轉率最大可高出4.3倍。通過以上研究現狀可以看出，低能質子直接電離對航天器可靠性的影響需引起足夠重視。