一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用器件在加速器重离子辐照下获得的翻转截面试验数据，分析 器件在质子辐照下翻转截面的方法，属于航天单粒子效应技术领域。
【背景技术】
[0002] 卫星运行空间存在高能重离子和高能质子，这两种粒子均会在半导体器件中产生 单粒子效应，为保障卫星在轨可靠稳定运行，须对器件进行单粒子效应防护设计。器件在重 离子和质子辐照下的翻转截面参数，是进行单粒子效应防护设计的输入。
[0003] 重离子翻转截面参数，可通过地面加速器试验获得。质子翻转截面参数，尽管可以 通过加速器试验获取，但质子单粒子试验存在几个缺点：（1)受质子辐照的器件会被活化 而产生放射性；（2)质子在器件中产生单粒子效应的截面低，为获得具有统计学意义的单 粒子事件数，所需质子注量大，这会给器件带来总剂量效应。
[0004] 基于上述原因，目前计算器件质子翻转截面最常用的方法是利用重离子单粒子翻 转试验数据计算质子单粒子翻转率，这类方法存在下列不足：未考虑器件金属布线层、氧化 层中核反应的影响，质子产生单粒子效应的原理是通过与材料发生核反应产生次级重带电 粒子，次级粒子在敏感区中沉积能量而造成单粒子效应，质子在金属布线层、氧化层中产生 的次级粒子，当射程足够大时，也会在敏感区中沉积能量，特别是在现代器件工艺条件下， 金属布线层数和氧化层数越来越多，质子在金属布线层和氧化层中核反应的概率越来越 大，对质子单粒子效应的影响也越来越大，应加以考虑。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提出了一种基于重离子试验数 据的器件质子单粒子翻转截面，本发明以器件的金属布线层、氧化层等结构和特定的敏感 区厚度作为输入，采用蒙特卡罗分析方法分析质子核反应在器件敏感区中的等效LET谱， 将该LET谱与器件重离子试验得到的翻转截面与LET关系曲线（ 〇 -LET)积分，得到器件在 质子辐照下的翻转截面。
[0006] 本发明的解决方案是：
[0007] -种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，包括步骤如下：
[0008] (1)确定质子能量；
[0009] (2)确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度；
[0010] (3)确定器件敏感区的材料和厚度；
[0011] 器件敏感区的材料根据器件所采用的材料确定；
[0012] 器件敏感区的厚度根据下式确定：
[0013]
【主权项】
1. 一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其特征在于包括步骤如 下： (1) 确定质子能量； (2) 确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度； (3) 确定器件敏感区的材料和厚度； 所述器件敏感区的材料根据器件所采用的材料确定； 所述器件敏感区的厚度根据下式确定：
其中，d为敏感区厚度；μ n为电子迀移率；μ p为空穴迀移率；ε为介电常数；q为 元电荷电量；Na为受主掺杂浓度；Nd为施主掺杂浓度；V为外加电压；Vb为内建电势， N N & ，其中k为波尔兹曼常数，τ为温度，ni为本征载流子浓度； ni (4) 分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱; (5) 将敏感区中的能量沉积微分谱dp / "ΔΕ转化为等效LET微分谱dp/ ;转 化公式为：
其中，是质子在敏感区中的能量沉积微分谱；是质子在敏感区 中的等效LET微分谱；P是硅的密度；d是敏感区厚度； (6) 以等效LET谱为输入，基于器件在重离子辐照下的Weibull曲线〇-LET，计算器件 在质子辐照下的翻转截面： 通过下面的公式计算得到质子的翻转截面：
其中，σ 5是器件质子翻转截面；〇 1是器件重离子翻转截面Weibull曲线〇 -LET，包含 4个参数器件饱和翻转截面σ sat、LET阈值Lth、宽度参数W、形状参数S ;LETmax表示LET取 值的上限；LETmin表示表示LET取值的下限。
2. 根据权利要求1所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其 特征在于：所述步骤（1)中的质子能量取IMeV~IGeV范围内的任意数值。
3. 根据权利要求1所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其 特征在于：所述步骤（2)中的确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度的方式：通过 化学机械研磨获得器件光滑的断面；采用扫描电子显微镜对器件断面进行测量，获得各层 的厚度参数；通过X射线衍射方法分析各层的成分。
4. 根据权利要求2所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其 特征在于：所述步骤（4)中分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱?/ρ/</Δ￡'的具体方式 如下： 利用GEANT4分析质子穿过器件金属布线层和氧化层达到敏感区的过程中，次级粒子 在敏感区中的能量沉积Ε，统计每个能量沉积间隔（Ε，Ε+ΔΕ)的概率d(p，由此即可确定能 量沉积微分谱; GEANT4分析过程中的高能物理模块根据入射质子能量进行选择，质子能量在IMeV~ 70MeV时选择预复合模型，在70MeV~IGeV时选择级联模型；粒子能量损失分析模块选择 标准电磁相互作用模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其 特征在于：所述步骤（6)中LET取值的具体计算方式如下：
其中，LET为线性能量传输系数；E为能量沉积；P为硅的密度；能量沉积E的范围为 Emin~Emax，相应可以得到LET的范围为LETmin~LETmax。
【专利摘要】本发明涉及一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，步骤如下：确定质子能量；确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度；确定器件敏感区的材料和厚度；分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱；将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱；计算器件在质子辐照下的翻转截面。本发明考虑了器件金属布线层、氧化层中核反应的影响，使得该方法更适合现代工艺条件下的器件，使得器件对质子影响的计算更加准确，可靠性大大增强。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104732031
【申请号】CN201510145019
【发明人】李衍存, 蔡震波, 张庆祥, 贾晓宇, 赵小宇
【申请人】北京空间飞行器总体设计部
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月30日