CN101726254B - 一种用于确定器件单粒子敏感体积厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定器件单粒子敏感体积厚度的方法，属于空间辐射效应及加固技术领域。计算激光在敏感体积中沉积的能量，当激光沉积在器件敏感体积单元中的电荷数，达到或超过器件临界电荷便发生单粒子效应，对于不同脉冲激光波长下的单粒子效应临界电荷相同，激光模拟系统的激光诱发得到单粒子效应能量阈值数据，得到器件单粒子效应敏感体积(Sv)厚度。本发明的方法对器件和实验人员无辐射损伤、操作非常便捷、费用廉价，能精确地测量器件敏感体积厚度大小。

Description

一种用于确定器件单粒子敏感体积厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定器件单粒子敏感体积厚度的方法，属于空间辐射效应及加固技术领域。

背景技术

敏感体积(Sv)厚度在预估空间航天微电子器件单粒子效应(SEE)中是一个关键参数，这是由于多数预估SEE概率的模型都用到Sv的概念，器件单粒子敏感体积Sv概念是建立在RPP模型上，假定器件敏感体积是长方六面体。Sv厚度与器件种类、器件工艺等有关，不同器件之间相差很大。由于国内缺乏器件Sv厚度的准确数据，通常在器件空间单粒子事件(SEP)概率预估中采用2μm的厚度来代替，使预估的结果与实际精确结果有较大的误差。于是从实验上测量器件Sv厚度的实际大小可以提高预估器件在轨发生SEP概率的精度。而目前实验模拟手段对于质子加速器，能量需100-150MeV，国内无法开展试验；对于重离子加速器，主要是束流时间有限、试验费用高，开展试验存在一定的困难；对于放射性锎源模拟系统不适合，主要是锎源裂变碎片LET值单一(LET为43MeV·cm²/mg)。

本发明采用激光模拟手段，实验对器件和实验人员无辐射损伤、操作非常便捷、费用廉价，可以很大程度上弥补上述方法的不足，能便捷地测量器件敏感体积厚度大小。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中由于缺乏器件敏感体积厚度的准确数据而导致的预估结果与实际精确结果存在较大的误差的问题，提出了一种用于确定器件单粒子敏感体积厚度的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于确定器件单粒子敏感体积厚度的方法，其具体实施步骤如下：

由Beer定律可知激光在器件中的能损为：

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)E_0(1-R)\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)z)$

式中，E₀为激光入射在半导体表面的能量，单位为nJ，R为激光入射在半导体表面的反射系数，z为激光在半导体材料中的入射深度，单位为cm，α(λ)是波长为λ的激光在半导体材料中的吸收系数，单位为cm^-1。

激光在敏感体积中沉积的能量为：

$\mathrm{\ΔE}=\underset{h}{\overset{h+Z}{\∫}}\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dz}}f\left(z\right)\mathrm{dz}=\underset{h}{\overset{h+Z}{\∫}}-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)(1-R)E_0\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)z)f\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(1\right)$

式(1)中，f(x)是激光在SEE敏感体积中沉积能量的收集系数，是关于入射深度的函数表达式，且f(x)满足 $\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(z\right)\mathrm{dz}=1.$

当激光沉积在器件敏感体积单元中的电荷数，达到或超过器件临界电荷便发生SEE现象，脉冲激光诱发器件发生SEE的临界电荷为：

式(2)中，e为电子的电量，ε_laser为激光在半导体材料中产生一对电子一空穴对所需的能量。

将(1)式带入(2)式，化简便可得：

Q_C＝(1-R)E₀exp(-α(λ)Z)[exp(α(λ)h)-exp(-α(λ)h)]e/ε_laserZ    (3)

式(3)中，h为器件钝化层厚度，Z为敏感体积厚度，α(λ)为λ波长的激光在半导体材料中的吸收系数。

由于临界电荷是器件的参数，对于不同脉冲激光波长下的SEE临界电荷相同，激光模拟系统的波长λ₁为1064nm和波长λ₂为1079nm的激光诱发的SEE能量阈值数据分别为E₁和E₂，便有：

$\frac{E_1(1-R)\exp (-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)Z)\left(\exp (\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)h-\exp (-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)h\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{laser}}}e=\frac{E_2(1-R)\exp (-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)Z)\left(\exp (\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)h-\exp (-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)h\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{laser}}}e---\left(4\right)$

由于激光波长为1064nm和激光波长为1079nm的穿透深度为几百微米，远远大于器件钝化层，即h＜＜1/α，对方程(4)化解，可得测量器件敏感体积厚度为：

$Z=\frac{\ln \left(\frac{E_2\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{E_1\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\right)}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}---\left(5\right)$

把实验中获得的不同激光波长的SEE能量阈值E₁和E₂代入公式(5)中，便可得到器件SEE敏感体积(Sv)厚度Z，单位为cm。

有益效果

本发明的方法对器件和实验人员无辐射损伤、操作非常便捷、费用廉价，能精确地测量器件敏感体积厚度大小。

附图说明

图1为本发明器件单粒子效应敏感体积示意图；

其中，1-1为器件表面、1-2为器件敏感体积，厚度为Z、1-3为器件的钝化层，是器件敏感层到表面的距离，厚度为h。

具体实施方式

下面结合实验室激光模拟系统获得的静态存储器IDT6116和IDT71256的单粒子翻转实验数据，对本发明的实际测量方法做进一步说明。

实施例

(1)基于实验室的激光模拟系统，完成了2块IDT 71256SRAM和2块IDT6116SRAM单粒子翻转试验。在实验中利用两种波长λ1为1064nm和λ2为1079nm的激光分别对试验样品同一位置进行辐照，获取样品单粒子效应的能量阈值，如表1和表2所示。

表1 IDT6116芯片SEE激光模拟试验结果

表2 IDT71256芯片SEE激光模拟试验结果

(2)根据国外IEEE有关文献，确定了1064nm和1079nm在硅材料中的吸收系数，见表3所示。

表3激光在硅材料中的吸收系数

(3)利用表1-3中的试验数据和方程(5)，计算出SRAM器件SEE敏感体积(Sv)厚度Z的结果，见表4。

表4 SRAM器件SEE敏感体积(Sv)厚度Z

Claims (1)

1.一种用于确定器件单粒子敏感体积厚度的方法，其特征在于：

1)由Beer定律可知激光在器件中的能损为：

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dZ}}=-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)E_0(1-R)\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)z)$

式中，E₀为激光入射半导体表面的能量，R为激光入射在半导体表面的反射系数，z为激光在半导体材料中的入射深度，α(λ)时波长为λ的激光在半导体材料中的吸收系数；

2)激光在敏感体积中沉积的能量为：

$\mathrm{\ΔE}=\underset{h}{\overset{h+z}{\∫}}\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dz}}f\left(z\right)\mathrm{dz}=\underset{h}{\overset{h+z}{\∫}}-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)(1-R)E_0\exp (-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)z)f\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(1\right)$

式中，f(z)是激光在SEE敏感体积中沉积能量的收集系数，时关于入射深度的函数表达式，且满足

$\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(z\right)\mathrm{dz}=1;$

3)当激光沉积在器件敏感体积单元中的电荷数，达到或超过器件临界电荷便发生单粒子效应，脉冲激光诱发器件发生单粒子效应的临界电荷为：

$Q_C=\frac{\mathrm{\ΔE}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{laser}}}e---\left(2\right)$

式中，e为电子的电量，ε_laser为激光在半导体材料中产生一对电子-空穴对所需的能量；

将(1)式带入(2)式，化简便可得：

$Q_C=(1-R)E_0\exp (-a\left(\mathrm{\λ}\right)Z)[\exp \left(\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)h\right)-\exp (-a\left(\mathrm{\λ}\right)h)]e/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{laser}}---\left(3\right)$

式中，h为器件钝化层厚度，Z为敏感体积厚度，a(λ)为λ波长激光在半导体材料中的吸收系数；

4)通过激光模拟系统对器件样品及逆行那个单粒子翻转试验，利用两种波长λ₁为1064nm和λ₂为1079nm的激光对器件样品的同一位置进行辐照，获得样品单粒子效应的能量阈值E₁和E₂，便有：

$\frac{E_1(1-R)\exp (-a\left({\mathrm{\λ}}_1\right)Z)[\exp \left(\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)h\right)-\exp (-a\left({\mathrm{\λ}}_1\right)h)]}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{laser}}}e=\frac{E_2(1-R)\exp (-a\left({\mathrm{\λ}}_2\right)Z)[\exp \left(\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)h\right)-\exp (-a\left({\mathrm{\λ}}_2\right)h)]}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{laser}}}e---\left(4\right)$

5)由于激光波长为1064nm和激光波长为1079nm的穿透深度为几百微米，远远大于器件钝化层，即h＜＜1/α，对方程(4)化解，可得测量器件敏感体积厚度为：

$Z=\frac{\ln \left(\frac{E_2\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{E_1\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\right)}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}---\left(5\right)$

把实验中获得的不同激光波长的单粒子效应能量阈值E₁和E₂带入公式(5)中，便可得到器件单粒子效应敏感体积厚度Z。