一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子let值的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子LET值的方法,該方法屏蔽層數(shù)目不受限制，適應(yīng)現(xiàn)代器件工藝條件下，金屬布線層逐漸增多帶來的屏蔽層數(shù)目超過8層的問題；可直接得到重離子經(jīng)過多層屏蔽后在硅材料中的LET值，由于目前主流半導(dǎo)體工藝是基于硅襯底的，單粒子試驗(yàn)中的LET值均指重離子在硅中的LET值，直接輸出該結(jié)果可避免非粒子物理專業(yè)試驗(yàn)人員錯誤計(jì)算LET值，確保了試驗(yàn)參數(shù)的正確性。
【專利說明】一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子LET值的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間輻射【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重 離子LET值的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 針對在軌信息處理量越來越大的要求，衛(wèi)星采用的大規(guī)模邏輯器件如FPGA、DSP 等越來越多。這些大規(guī)模邏輯器件受到空間高能粒子的影響產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU)、單粒子 鎖定（SEL)等單粒子效應(yīng)，會影響航天器正?？煽窟\(yùn)行，必須加以防護(hù)設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證工作。
[0003] 防護(hù)設(shè)計(jì)所需的器件單粒子效應(yīng)參數(shù)的獲取，以及防護(hù)設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證工作，主 要在地面重離子加速器上進(jìn)行。采用地面重離子對器件進(jìn)行輻照時，重離子穿過由金屬布 線層、氧化層等組成的屏蔽層，達(dá)到器件有源區(qū)，在此過程中，重離子在器件屏蔽層和有源 區(qū)都會沉積能量，繼而沉積能量轉(zhuǎn)化為電子-空穴對。由于有源區(qū)存在電場、屏蔽層中沒 有電場，因此有源區(qū)的電子-空穴對會被器件吸收，從而引發(fā)單粒子效應(yīng)，屏蔽層中的電 子-空穴對不會被器件吸收，對單粒子效應(yīng)沒有貢獻(xiàn)。
[0004] 電子-空穴對是由重離子的沉積能量轉(zhuǎn)化而來的，因此從單粒子效應(yīng)的角度，只 需關(guān)注重離子在器件有源區(qū)中的能量沉積。重離子的能量沉積采用線性能量傳輸系數(shù) (Linear Energy Transfer,LET)進(jìn)行分析，LET是重離子在單位距離上損失的能量，將重離 子在器件有源區(qū)表面的LET乘以有源區(qū)的厚度，就可以得到沉積能量。
[0005] 器件進(jìn)行地面重離子加速器試驗(yàn)時，一般情況下加速器方面給出的是重離子在器 件表面的LET值。由于重離子經(jīng)過器件金屬布線層、氧化層等屏蔽層到達(dá)有源區(qū)后，會有一 定的能量損失，而重離子LET值與能量有關(guān)，因此重離子在器件有源區(qū)表面的LET值與在器 件表面的LET值不同，特別是在重離子能量過低或者屏蔽厚度過大的情況下，這兩種LET值 的差別更大。
[0006] 采用地面重離子加速器對器件進(jìn)行單粒子試驗(yàn)時，為保證器件單粒子效應(yīng)參數(shù)的 試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值不出現(xiàn)偏差，確保防護(hù)驗(yàn)證效果的有效性，應(yīng)準(zhǔn)確確定重離子在器件有 源區(qū)表面的LET值。
[0007] 目前分析重離子在有源區(qū)表面LET值，一般采用TRIM (the Transport of Ions in Matter)軟件[1]。TRM軟件主要用于分析重離子在材料中的能量沉積，當(dāng)應(yīng)用于重離子經(jīng) 過多層屏蔽后的LET值分析時，存在2項(xiàng)不足之處：（1)最多可設(shè)定8層屏蔽材料[2]，現(xiàn)代器 件工藝技術(shù)條件下的最高金屬布線層數(shù)在2013年已經(jīng)達(dá)到13層[3][4]，氧化層數(shù)目與布線 層接近，因此總屏蔽層數(shù)在26層以上，該軟件在此情況下的適應(yīng)性不好；（2)只能給出重離 子剩余能量[5]，不能直接給出剩余能量對應(yīng)的LET值，非粒子物理專業(yè)的人應(yīng)用時不方便。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子LET值的方 法，能夠得到重離子穿過元器件的屏蔽層到達(dá)有源區(qū)表面時的LET值。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 本發(fā)明的一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子LET值的方法，包括如下步 驟：
[0011] 步驟1、確定單粒子效試驗(yàn)所用的元器件的屏蔽層中各層屏蔽材料的厚度和成分， 具體為：
[0012] 首先，將所述元器件縱切，露出元器件的斷面；
[0013] 然后，采用掃描電子顯微鏡對元器件斷面進(jìn)行測量，獲得各層屏蔽材料的厚度參 數(shù)；
[0014] 最后，通過X射線衍射方法分析獲得各層屏蔽材料的成分；
[0015] 步驟2、根據(jù)單粒子試驗(yàn)中實(shí)際采用的重離子，確定重離子的類型、原子序數(shù)以及 入射時的初始能量Etl ;
[0016] 步驟3、根據(jù)步驟2獲得的重離子類型、原子序數(shù)和入射時的初始能量Etl，以及步 驟1獲得的各層屏蔽材料的厚度和成分，利用Beth-Block重離子能量損失理論，獲得所述 重離子在元器件屏蔽層中的能量損失AE ;
[0017] 步驟4、根據(jù)步驟2得到的重離子初始能量Etl和步驟3得到的重離子經(jīng)過元器件 屏蔽層后的能量損失AE，得到重離子經(jīng)過屏蔽層后的剩余能量E' =Etl-AE;
[0018] 步驟5、根據(jù)剩余能量E'得到所述重離子經(jīng)過元器件的屏蔽層后到達(dá)元器件的 有源區(qū)表面時的速度V';然后根據(jù)如下公式得到所述重離子到達(dá)所述有源區(qū)表面時在對 應(yīng)的硅材料中的LET值：

【權(quán)利要求】
1. 一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子LET值的方法，其特征在于，包括如下 步驟： 步驟1、確定單粒子效試驗(yàn)所用的元器件的屏蔽層中各層屏蔽材料的厚度和成分，具體 為： 首先，將所述元器件縱切，露出元器件的斷面； 然后，采用掃描電子顯微鏡對元器件斷面進(jìn)行測量，獲得各層屏蔽材料的厚度參數(shù)； 最后，通過X射線衍射方法分析獲得各層屏蔽材料的成分； 步驟2、根據(jù)單粒子試驗(yàn)中實(shí)際采用的重離子，確定重離子的類型、原子序數(shù)以及入射 時的初始能量&; 步驟3、根據(jù)步驟2獲得的重離子類型、原子序數(shù)和入射時的初始能量^，以及步驟1獲 得的各層屏蔽材料的厚度和成分，利用Beth-Block重離子能量損失理論，獲得所述重離子 在元器件屏蔽層中的能量損失AE; 步驟4、根據(jù)步驟2得到的重離子初始能量^和步驟3得到的重離子經(jīng)過元器件屏蔽 層后的能量損失AE，得到重離子經(jīng)過屏蔽層后的剩余能量E'iE^AE; 步驟5、根據(jù)剩余能量E'得到所述重離子經(jīng)過元器件的屏蔽層后到達(dá)元器件的有源 區(qū)表面時的速度V;然后根據(jù)如下公式得到所述重離子到達(dá)所述有源區(qū)表面時在對應(yīng)的 硅材料中的LET值：
其中，P為硅的密度；I為硅的平均電離和激發(fā)電位，大小為173eV;z為單粒子試驗(yàn)中 實(shí)際采用的重離子的原子序數(shù);％為電子質(zhì)量；e為單位電荷的電量；N為硅材料單位體積 中的原子數(shù)；Z為硅的原子序數(shù)；e^為真空介電常數(shù)；k= 1/1. 6Xl(Tn ;
.表示重離 子到達(dá)元器件有源區(qū)表面速度與光速之比。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子LET值的方法，其 特征在于，所述步驟3中獲得所述重離子在元器件屏蔽層中的能量損失AE公式為：
式中，n表示屏蔽層的層數(shù)；屯表示屏蔽層中第i層屏蔽材料的厚度；隊(duì)表示第i層屏 蔽材料的單位體積中的原子個數(shù)式表示第i層屏蔽材料的原子序數(shù)；Ii表示第i層屏蔽 材料的原子平均激發(fā)和電離電位，其中，i= 1，2,. ..，n;P^表示重離子入射速度與光速之 比。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種確定元器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中的重離子LET值的方法，其 特征在于，所述步驟1中，用掃描電子顯微鏡對元器件斷面進(jìn)行測量前，先采用化學(xué)機(jī)械研 磨方法對斷面進(jìn)行光滑處理。
【文檔編號】G01N23/20GK104406998SQ201410637372
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】李衍存, 蔡震波, 張慶祥, 趙小宇 申請人:北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部