CN101910855B - 确定电子部件对粒子的敏感度的方法 - Google Patents

Abstract

为了分析电子部件，可使该部件受到聚焦激光的辐射。由激光绘图提供的与部件的敏感度区域的位置和深度有关的知识被用作预测代码中的输入参数，以量化所绘制的部件对自然辐射环境中的电离粒子的敏感度。预测代码允许评估电子部件中的故障的发生。对与辐射环境相关的风险的评估要求两个方面：第一，概率性的，考虑了粒子/物质相互作用，另一方面，电气上的，考虑了电子部件内部的电荷收集。

Description

确定电子部件对粒子的敏感度的方法

本发明的目的在于通过联合使用激光系统和基于粒子/物质相互作用物理学的故障预测代码来确定电子部件对重离子、中子和质子类型的粒子的敏感度。

天然或人工的辐射环境(中子、质子、重离子、X光、伽马射线)可以干扰电子部件的工作。这种干扰归因于物质和辐射环境中的粒子之间的相互作用。其结果之一是在部件中产生寄生电流。所产生的寄生电流的大小将随物质与粒子之间的相互作用发生的位置而变化。这导致在部件中产生了局部电荷收集区域。

在太空中，卫星和发射器通常会遭受这些由重离子和质子造成的危害。在飞行器行进的较低高度，尤其发现存在由中子造成的危害。在海洋中也可能遭受这些危害，从而影响在便携式设备或车辆中装载的电子部件。

为了能够预测部件对重离子、中子和质子的性能(尤其针对航空或航天应用)，必须知道电荷收集区的表面积及其位置和深度尺度。这意味着能够建立三维绘制。

通常，为了估计电子部件对辐射环境中的粒子的敏感度，使部件经受粒子流的影响并且对干扰进行记录。在整个部件都受到辐射的情况下，这类测试不能够追溯电荷收集区的位置。而且，由于世界上能够产生粒子流的设施较少，所以该测试成本较高。最后，即使来自粒子加速器的粒子与辐射环境中的粒子性质一样，其能量也可能不同。这可能导致显著的偏差，尤其由于其在部件中较差的渗透性。

可以从粒子加速器的输出中提取尺寸较小的粒子束。因此可以使用这种微粒子束来绘制部件的敏感度区域。该绘制在平面中进行，从而只允许以表面的方式显示电荷收集区的位置。通过这类测试无法获得与敏感区的深度位置有关的信息。

截止目前，激光主要用作部件对辐射的敏感度的预表征工具。与辐射环境中的粒子一样，当波长适合时，激光可以在部件内部产生寄生电流。

激光对于研究辐射影响具有非常有利的优点。鉴于激光的空间分辨率相对于包含在电子部件中的基本结构能够达到相对较小的尺度，可以如同微粒子束的情况一样对电子部件进行绘制并标识其电荷收集区。通过在深度上改变粒子束的聚焦点，对敏感度的绘制还可以在第三维度上进行，而且这在工业上很容易。但是，这种认识不足以了解电子部件对辐射的总体性能。

在本发明中，为了解决该问题，产生了通过仿真来进行的构思。在获得了部件的敏感度图示之后，该图示就以模型(在实践中为XYZ和敏感度系数或XYZT和敏感度系数的四维或五维矩阵)的形式呈现。然后使该部件的该模型遭受模拟的危害并测量其模拟的响应。例如作为示意，如果在给定的时刻T，仿真离子(无论该离子是一次离子或是由原子核反应产生的离子)通过坐标为XYZ的基本区域，且如果在此时刻涉及的基本区域具有敏感度s，则部件被赋予品质值s。然后，可对其它仿真离子重复进行试验。因此，在给定的研究期间内，(如果有这种情况的话)在时间流逝并且由部件运行的应用展开运行的同时收集s值，而后例如在给定的测量期结束时，编辑测量到的品质值，以知道部件的真实品质。通过这样做，得到了该品质的真实测量值，而不是经过推测的绘制。

根据本发明，通过激光绘制提供的与电子部件敏感度区域的位置和深度有关的信息可以被用作预测代码中的输入参数，以便量化所绘制的电子部件对来自于自然辐射环境的电离粒子的敏感度。预测代码允许评估电子部件中故障的发生。对与辐射环境有关的风险的评估要求两个方面：第一个方面，概率性的，考虑粒子/物质的相互作用；另一方面，电气的，考虑电子部件内部电荷的收集。

使用该方法，可基于以下激光测试来确定电子部件对辐射的敏感度：与部件的电荷收集区的形状尺寸有关的信息因而作为与粒子(重离子、中子、质子等)有关的错误的预测仿真中的输入参数。本发明的方法允许揭示耐辐射技术的弱点，这对新部件的开发中涉及制造方法的方面和对要用于电子系统中的电子部件的选择(选择的目的在于使系统具有最低的敏感度)而言，都是很重要的信息。在本发明中，在研究对中子和质子的敏感度的情况下，优选地使用预先构建的给定数据库，而不是投入到对使用构成电子部件的原子核的核反应的过度仿真，该数据库针对危害能量给定的入射粒子给出源于反应的产物的特征以及与每个可能的反应相关的概率。在重离子的情况下，并不研究原子核反应而且也不存在数据库，这是因为重离子直接就具有强大的电离能力。仿真代码允许基于标准来评估这些粒子的相互作用对电子部件的功能的影响。

因而本发明的目的是一种表征电子部件对能量相互作用的敏感度的方法，其中：

-使电子部件运行，

-通过由激光辐射产生的激励来激励这样运行的电子部件，

-测量运行中的电子部件对应于这些激励的功能故障，

-建立对部件中受到这些激励影响的敏感度区域的绘图，

-对敏感度区域的绘图应用对由引起能量相互作用的粒子造成的危害进行仿真的仿真程序，

-基于粒子在部件中的大量的可能路径，以及在中子和质子的情况下基于从数据库中提取的大量反应，该仿真程序量化部件的敏感度。

通过阅读后面的说明书并查对其附图将更好地理解本发明。附图仅供参考，而绝非限定本发明。附图所示如下：

-图1a至1c示出了三种不同的研究情况，允许根据部件的集成度来区分危害效力；

-图2示出了数据库的符号化内容，其详细描述了在原子核反应期间对于能量给定的入射粒子所产生的产物和与此反应相关的概率；

-图3示出了用于预测电子部件的敏感度的蒙特卡洛(Monte-Carlo)代码的总的原则；

-图4a和图4b：由离子的通过积累的载荷子收集和用于0.6微米技术的SEU(单粒子翻转)的标准(Imax，tImax)的原理的时间图。

根据本发明，激光设备预先允许要测试的电子部件开始运行，允许由激光射线产生的激励激励该部件，以及允许测量运行中的电子部件对应于这些激励的功能故障。因此该设备允许建立对部件中受到这些激励影响的敏感度区域的绘图。在一个示例中，激光源在部件的半导体材料中引起光子的吸收。

本发明然后基于对激光系统和预测代码的联合使用来计算电子部件对自然辐射环境的敏感度。激光被用来绘制部件对电荷的局部注入的敏感度。对标准进行观测。该观测能够反映所研究的事件。其可能涉及在该事件发生时异于期望的信号的电信号。在逻辑部件(比如存储器)的情况中，该标准可能是存储在存储单元中的值。对于线性部件，该标准可能是部件的模拟信号。

系统包括：

-激光源，其波长允许在所考虑的半导体材料中产生电荷(通过线性或非线性的吸收机制)；

-允许激光相对于被测试的部件沿着空间的三个方向进行相对移动的设备；

-在可能的情况下，允许被测试的部件和激光的控制系统之间进行通信的接口；

-改变激光能量的设备；

-允许确定事件是否发生的设备。

对部件敏感度的绘制沿着空间的三个维度进行。该绘制也可考虑时间，这又加入另一维度。对于绘制的每个位置X、Y、Z，且在必要时对于部件的功能循环或由该部件执行的应用中的每个时刻t，都进行一次激光冲击。该激光冲击引起在半导体材料内部产生电荷。在尤其是电场和扩散机制的影响下，电荷移动并产生可以干扰电子部件的功能的电流。并非绘制中的所有位置(空间和时间的位置)都具有同样的敏感度，这是因为：在空间上，部件的物理参数根据位置并非都一样；而在时间上，并非部件的所有区域在时间进程中都以同样方式被激励。激光绘制允许借助局部电荷生成来揭示部件的敏感度区域，即，揭示空间敏感度和可能有的时间敏感度的变化。这些是对电离(直接或间接电离)粒子如重离子、中子和质子敏感的区域。

激光绘制尤其允许标识：

1-敏感度区域的空间位置X、Y、Z；

2-敏感度区域的时间位置，即区域表现为对电荷注入敏感的时刻；

3-该敏感度区域的形状和体积(在必要时随时间而变化)；

4-该敏感度区域与其相邻的敏感度区域的相对位置；

5-在逻辑部件的情况下，在电荷注入敏感度区域时受到影响的逻辑功能(如果有的话)。

从激光绘制中提取出的信息4和信息5取决于技术、使用条件以及在必要时取决于由部件执行的应用。相反地，所述信息不取决于电荷沉积的形态，因此无论所考虑的电荷沉积如何进行(例如粒子或激光)均是有效的。从激光绘制中提取出的信息1、信息2和信息3取决于技术、使用环境以及在必要时取决于由部件执行的应用。这三种信息还取决于电荷沉积的时间形态(针对信息2)和空间形态(针对信息1和信息3)。在信息2的情况下，存在以下激光：其脉冲持续时间等于电离粒子在半导体材料中的电荷沉积持续时间(接近于皮秒)，且在此情况下无论所考虑的电荷沉积如何进行(例如粒子或激光)，所得到的信息都是有效的。

因此，激光绘制允许获得两种不同类型的信息。在第一种情况中，激光绘制可以被直接利用以提取与电子部件对辐射环境中的粒子的敏感度有关的数据，即情况4和情况5。

在第二种情况中，即情况1、2和3，必须对激光绘制实施处理，以提取对估计电子部件对粒子的敏感度而言有用的信息，该处理考虑了粒子/物质的相互作用的特性。

在涉及直接利用激光绘制的情况下(情况4和情况5)，激光将允许识别敏感度区域的相对位置(随时间变化或不随时间变化)。此信息的准确度与光斑的大小无关，但与为实现激光绘制所采用的移动步长的大小有关。因此，敏感区域之间的距离的信息的获取独立于所考虑的光束的大小。

对于具有非常精细的基本单元周期排列的最大程度集成的部件(比如存储器)，通过激光绘制获得的在单元和其最近的相邻单元之间的距离的尺寸信息还允许给出基本单元的敏感度区域的最大尺寸(整个单元被视为敏感的)。该信息是直接获得的并且可以不经处理地利用。

在涉及激光绘制的处理的标识为1、2和3的第二种情况下，必须对激光绘制实施处理，以提取对估计电子部件对辐射环境中的粒子的敏感度而言有用的信息。因此，应当根据部件的集成度来区分出三种不同的研究情况。这三种情况参照图1a至1c来说明。

情况A：低集成度部件，对其而言激光的电离轨迹和能量给定的离子的电离轨迹的大小小于基本结构的特征尺度和/或小于电子部件的敏感度区域。

情况B：集成部件，对其而言激光的电离轨迹的大小大于基本结构的特征尺度或大于电子部件的敏感度区域，而能量给定的离子的电离轨迹的大小相对于上述结构而言较小。

情况C：高集成度部件，对其而言激光的电离轨迹和能量给定的离子的电离轨迹的大小大于基本结构的特征尺度或大于电子部件的敏感度区域。

在上述每种情况中，都可以对数据进行处理，以便获知对电离(涉及直接或间接电离)粒子的敏感度区域。

在第一种情况A中，由聚焦激光得到的电荷的沉积和由离子得到的电荷的沉积相对于部件的基本结构而言是高度局部化的。通过激光识别为敏感的区域对离子同样敏感。因此激光绘制在此种情况下允许在空间上和/或时间上直接标识出对电离(直接或间接电离)粒子的通过敏感的区域。

在第二种情况B中，激光将敏感度区域的大小估计得比通过离子检测为敏感的区域要大。换句话说，通过激光检测出的敏感度区域表现为部件真正的敏感度区域和由激光产生的电离轨迹尺寸的卷积。因此进行数学去卷积，该数学去卷积允许考虑激光斑点的尺寸以基于激光绘制来提取部件对电离粒子的敏感度区域的估计尺寸。数学去卷积在于：在已知通过激光检测出的敏感度区域和激光的电离轨迹的形状和大小的情况下，发现部件的真正的敏感度区域。从数学的角度来看，这可以表现为对以下方程式的求解：

ZSlaser＝f(ZSi)

其中：ZSlaser为通过激光识别出的敏感度区域，ZSi为部件对粒子的敏感度区域，而f为激光的电离轨迹的函数。

该方程式的求解在于找到函数f^-1以便可以确定：ZSi＝f^-1(ZSlaser)。

在第三种情况C中，无论电荷的沉积是由离子或由激光引起的，沉积的尺寸均大于部件的基本结构的尺寸。从该基本结构的角度来看，由离子或由激光引起的电荷沉积几乎是相同的，这是因为电荷是在整个基本结构中产生的。在这种情况下，因为整个基本结构都是敏感的，所以简单地进行相关，以将通过激光获得的敏感度的信息转换为所期待的对电离粒子的敏感度的信息。通过激光和离子检测出的与基本结构相关联的敏感度区域分别与激光和离子的电离轨迹的尺寸直接相关。

通过改变激光束的聚焦点(要么通过改变焦距，要么通过相对于部件在深度上移动聚焦激光)，来在深度上确定敏感度区域的位置。

因此，激光允许追溯关于电子部件对电离粒子的敏感度区域的大小和位置的尺寸信息。根据情况，情况B，将会有或没有再处理。然后，为了量化电子部件对电离粒子的敏感度，必须使这些尺寸信息结合如下所述的预测代码。

为了评估给定的电子部件在给定的辐射环境(空间或航空的环境)中的敏感度，已经开发了包括SMC DASIE(二次离子影响的简化蒙特卡洛详细分析)在内的很多预测工具。该方法已经在G.Hubert等人在2005年发表在《11^th IEEE International On-Line Testing Symposium》上的文献《A review of DASIE codes family：contribution to SEU/MBUunderstanding》中描述。该代码的不同版本都基于同一原理：利用结合了电荷收集的模型和影响的触发标准的原子核数据库。激光允许通过在开始时对未知技术的特别部件局部地注入电荷来提取方法和敏感度的数据。这些蒙特卡洛计算工具基于对众多相互作用的随机抽取，所述相互作用再现了由重离子与构成部件的原子核之间的相互作用或由中子或质子与构成部件的原子核之间的核反应引起的可能的电离轨迹的条件。因此上述工具计算错误的频率(SER，Single Event Rate，单粒子事件率)。

某些蒙特卡洛预测代码允许考虑大量的基本单元，从而允许处理同时出现在部件的不同单元中的多重影响的问题。

蒙特卡洛方法的实施在于管理三个问题：

1-根据所考虑的环境来管理对相互作用的蒙特卡洛选取；

2-粒子/物质的相互作用的物理学(数据库)：由中子或质子与构成部件的原子核之间的反应产生的一次离子或二次离子的特征的知识；

3-错误的标准：电荷收集及其结果的确定。

为了研究由大气的中子或辐射带的质子在电子部件中引起的独特影响，必须了解这些核子与目标物的原子激励的电离产物(称为二次离子、反冲核、分裂碎片或产物)。

考虑到不同类型相互作用(弹性、非弹性等)的能量范围(从1MeV到1GeV)，使用了不同的代码来产生数据库，以便根据不同相互作用的机制的特性(即反应类型和能量)来描述这些机制。可以使用专用的计算代码(比如HETC、MC-RED、MC-Recoil、GEANT4、GNASH或MCNP)(根据入射粒子的能量)或者相互作用的数据库(比如ENDF或JENDL)。这些原子核代码中的大部分都可以通过因特网获得。在图2中符号化地示出了中子n或质子p和目标原子核的相互作用的原理。

对于低于10MeV的中子/质子能量，弹性反应占有优势。相反地，对于大于50MeV的能量，非弹性类型的反应占大多数。弹性类型的反应为以下反应：引起入射中子/质子的能量损失和反冲离子(动能和质量数守恒)。非弹性反应则多种多样，每个反应均由出现能量阈值来表征。这些反应引起一个或多个二次离子的生成。

数据库处理中子/物质相互作用或质子/物质相互作用，并且对每一入射能量包括数十万非弹性和弹性原子核事件以及原子核反应的细节，也就是说，二次离子的质量和原子核数量，其能量和发射特征(发射角)。

图3中示出用于预测电子部件的敏感度的蒙特卡洛代码的一般原理。该方法在于实现与原子核反应在部件中的位置的选取相关联的对原子核反应的一组随机抽取。对该组抽取的实现与实验持续时间进行比较。对于每个配置，以电荷收集物理机制的研究的简化模型为基础的分析允许对由具有上述特征的二次离子导致的错误进行判定。在研究重离子的情况中，方法保持相同，不过因为只研究一个一次粒子，所以没有原子核反应的随机抽取。

在必要时，这些仿真代码考虑了带电粒子的电离轨迹的尺寸。取代在单个点上布置电荷，引入电荷的径向分布。

基于对部件仿真的大量研究来获得物理模型的简化。对于预先就形成网状的给定结构，这些仿真允许对结构的每个网点而且也对所研究的时域内每个时刻求解半导体的方程式。这些仿真允许非常精确地研究电子部件对电离相互作用的性能。然而，这些仿真相当耗费计算时间。为此，在本发明的框架内，必须对允许对所研究的故障进行仿真的方法加以简化。这就是对部件仿真的大量预先研究，这种预先研究允许识别影响错误产生的参数和允许限定要在预测工具中实施的所使用的物理机制的简化模型。

因此，例如(但绝非限制本发明可以被应用的部件的类型)，尤其已知在SRAM(静态随机存取存储器)单元的翻转的情况下，其敏感度由临界LET参数(定义为每单位路径的能量损失)或者临界电荷表征。为了诱发错误，通过原子核反应产生的离子必须在处于关断(OFF)状态的晶体管的漏极中积累足够的能量。部件仿真示出了利于产生错误的条件是：其轨迹足够接近敏感度区域之一或者穿过敏感度区域之一，以便在其中感应出足以产生翻转的电荷收集或寄生电流。在载荷子双极扩散和被阻断的漏极上的电荷收集的基础上的扩散-收集的简单模型(尤其是分析模型)允许描述载荷子的移动。

可以使用允许评估离子通过后是否发生故障的多种方法。第一方法通过简化方式进行(头等)。该方法建立在对由离子在基本单元的敏感空间中沉积的电荷和将该电荷与翻转阈值进行的比较的判断的基础上。

第二方法是对现象更精细的研究(二等)。图4a表现出在时间角度研究由离子通过而沉积的载荷子的收集以便重建电流。电流随时间的变化允许确定是否产生了翻转。例如，动态标准(Imax，tImax)引入边界曲线，该边界曲线分离开引起翻转(也称为SEU(单粒子翻转))的对(Imax，tlmax)和不引起此类翻转的对(Imax，tlmax)。根据观察，所有粒子通过都感生出具有同样形状(即迅速的增长后伴随着缓慢的下降)的电流，每次离子通过都可以由电流的最大幅度(Imax)与达到该最大幅度的时间(tlmax)构成的对来表征。

图4b示出了用于针对0.6μm技术来研究对SEU的敏感度的动态标准(Imax，tlmax)的原理的示例。为了测量部件的功能故障，可测量激励导致的电流随时间的变化。该电流的标准(Imax，tImax)允许判定部件的逻辑状态的翻转。

上述示例与从SRAM存储器角度对SEU机制的研究有关，但是本发明的目的可应用于任何类型的电子部件和由辐射引起的任何类型的影响，只要识别出由辐射引起的影响的标准(同一标准可能在由辐射引起的多种影响中通用)。

除了以上所述的原子核数据库之外，描述二次离子或重离子在通过材料时的能量沉积性能的计算代码(比如可从因特网获得的SRIM工具)也可以提供曲线。无论所研究的错误类型如何，数据库和SRIM曲线都是固定的，但取决于构成电子部件的材料。计算代码所需的技术输入是与部件的布局(拓扑)(即敏感区域的体积和两个敏感区域之间的距离)有关的信息。这些参数根据部件和所研究的错误类型而变化。

预测电子部件的敏感度所需的输入是：基本单元的尺度、与所希望的现象相关的单元的敏感体积的尺度和位置以及相邻敏感度区域的位置。激光工具允许获取这些信息。因此预测工具和激光绘制之间的结合允许量化电子部件的敏感度和品质。对通过激光绘制得到的信息的可能有的处理取决于部件相对于激光斑点的尺寸以及所采用的粒子的电离轨迹的尺寸的集成度。这些尺寸数据用作预测代码的输入，以便量化电子部件对自然辐射环境中的粒子的敏感度。

Claims (9)

1.一种表征电子部件对能量相互作用的敏感度的方法，其中：

-使所述电子部件运行，

-通过由激光辐射产生的激励来激励这样运行的所述电子部件，

-测量运行中的所述电子部件对应于所述激励的功能故障，

-建立对所述部件中受到这些激励影响的敏感度区域的绘图，

-对敏感度区域的所述绘图应用对由引起所述能量相互作用的粒子造成的危害进行仿真的仿真程序，

-所述仿真程序产生所述粒子在所述部件中的大量的可能路径，以及在中子和质子的情况下产生从数据库中提取的大量原子核反应，

-所述仿真程序基于这些可能的路径和所述部件的敏感度的所述绘图来实施电荷收集模型，

-所述仿真程序对这些电荷收集进行分析并且判定与这些电荷收集相关的错误的发生，

-根据所述分析和判定来得出所述部件的品质信号，

以及其中，

-在中子和质子的情况下，使用提供关于可能的原子核反应的产物和概率的情况的数据库，以及

-测量电离对所述电子部件的功能的影响，

-对于精细集成部件，使用激光绘图来测量基本单元的敏感度区域的最大尺寸，

-所述仿真程序从数据库中选择与所研究的粒子的类型和能量对应的原子核反应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-对建立的激光绘图进行处理以提取有用的绘图，该有用的绘图提供了所述部件对电离粒子的敏感度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

-进行数学去卷积，以相对于所述部件对电离粒子的敏感度区域的估计尺寸来考虑激光冲击的尺寸。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，

-为量化所述部件的敏感度，根据针对所研究的故障而确定的标准，借助所述仿真程序来对所述电子部件对激励的响应进行仿真。

5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，

-作为对能量相互作用的测量，通过激光仿真来测量重离子和/或质子和/或中子的相互作用。

6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，

-激光源的激光光子的能量大于电子部件的半导体材料的禁带的值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

-所述激光源引起在半导体材料中同时吸收多个光子。

8.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，

-所述激光绘图沿空间的三个维度进行。

9.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，

-所述激光绘图沿四个维度进行，即空间的三个维度以及时间。

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