CN102928773B - 一种测验器件抗质子单粒子效应能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测验器件抗质子单粒子效应能力的方法。包括以下步骤：第一步准备待测验器件；第二步进行质子诱发的单粒子翻转检测SEU，获得器件位的翻转情况；第三步进行质子诱发的单粒子闩锁检测SEL，获得器件的电流和功耗；第四步根据所述翻转数据和器件的电流和功耗进行试验数据的处理分析，获得器件的抗质子单粒子效应能力。采用该方法可以更真实有效地模拟出空间辐射环境对宇航用半导体器件的单粒子效应，准确灵敏的获得器件的抗质子单粒子效应能力。

Description

一种测验器件抗质子单粒子效应能力的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件试验技术领域，特别是航天用半导体器件抗质子单粒子效应能力检测技术。

背景技术

卫星系统使用大量半导体集电路，如微处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、现场可编程逻辑阵列（FPGA）、存储器（Memory）、及门电路等，但应用在卫星上的半导体集成电路在空间将遭遇非常恶劣的环境，如辐射环境、热真空环境、微流星/空间碎片环境等。

空间辐射环境将会引起半导体集成电路电离损伤及（/或）原子位移损伤。原子位移损伤是高能质子入射半导体材料后原子移位，造成晶格缺陷，导致器件性能下降，移位损伤是累积效应，即累积到一定注量也会导致器件失效；电离损伤包括总剂量效应损伤和单粒子效应损伤。总剂量效应损伤主要是由空间的质子或电子入射半导体器件、在器件氧化层和界面态诱生电子-空穴对，导致器件电性能退化。单粒子效应是指单个高能粒子入射半导体器体导致器件存储单位的状态发生变化、或逻辑状态发生变化、或其它如功能中止等现象，单粒子效应包括单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）等，单粒子效应是瞬态效应，即器件在空间发生单粒子的概率是随机的，单粒子效应主要由空间的重离子及高能质子引起的。

在地面开展电离损伤及（/或）原子位移损伤等空间环境效应试验来科学有效地评估卫星用器件抗辐射能力，是卫星选用元器件的关键环节，也是卫星高可靠的重要保障。

中国专利200910085542公开了一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其系统，该方法通过对待测器件进行重离子单粒子效应试验获取实验数据，分析和和计算质子单粒子反转率，进而评估待测器件的抗辐射能力。

但是，这种方法仅分析和计算了单粒子翻转率获得的器件抗质子单粒子效应的能力不够精确灵敏。

发明内容

本发明是要解决的技术问题是提供一种测验器件抗质子单粒子效应能力的方法，它能够准确灵敏地检测出质子对被试器件的影响，获得器件抗质子单粒子效应的能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测验器件抗质子单粒子效应能力的方法，该方法包括步骤：

S1准备待测验器件；

S2进行质子诱发的单粒子翻转检测SEU，获得器件位的翻转情况；

S3进行质子诱发的单粒子闩锁检测SEL，获得器件的电流和功耗；

S4根据所述翻转数据和器件的电流和功耗进行试验数据的处理分析，获得器件的抗质子单粒子效应能力。

所述的测验器件抗质子单粒子效应能力的方法，所述步骤S2进一步包括：

S21从最高质子能量开始确定最劣条件，所述最劣条件包括最小和最大电源电压、正入射、入射余角；

S22在最小和最大电源电压的情况下测量SEU截面；

S23在正入射和两个入射余角的情况下测量SEU截面；

S24通过对比非TID辐射器件与TID辐射器件（系统要求TID指标的80%）的SEU截面确定总剂量敏感性，如果所述总剂量敏感性为敏感，则复合器件获取单个截面曲线，如果所述总剂量敏感性为不敏感，则执行步骤S25；

S25按照质子能量从高到低的顺序，重复上述步骤S22-S24;

S26确定器件的截面曲线。

所述的测验器件抗质子单粒子效应能力的方法，所述步骤S3进一步包括：

S31质子能量大于400MeV，在最大偏置和温度及正入射下进行闩锁检测；

S32质子能量介于180MeV到400MeV，在最大偏置和温度及入射余角下进行闩锁检测；

S33质子能量小于180MeV到400MeV，在最大偏置和温度下使用重离子进行闩锁检测。

所述的测验器件抗质子单粒子效应能力的方法，所述步骤S4采用Bendel 2-参数方程计算器件的SEU截面，采用威布尔4-参数方程计算器件的饱和截面的相关性，所述Bendel 2-参数方程为

s=S[1-exp(-0.18Y^0.5)]⁴………………………（1）

其中：Y=(18/A)^0.5(E-A)

S表示质子限制截面，单位为proton·cm2/bit；

E表示质子能量，单位为MeV；

A表示质子反应产生的翻转的质子能量阈值，单位为MeV；

s表示SEU截面，单位为proton·cm2/bit。

所述威布尔4-参数方程为

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sat}}[1-\exp {(-\frac{\left({E-E}_0\right)}{w})}^s]...\left(2\right)$

式中：

σ_sat—饱和截面，proton·cm2/bit；

E0—阈值能量，MeV；

w—位置参数；

由于本发明提供了采用质子辐照源进行单粒子效应地面模拟试验的方法，可以更真实有效地模拟出空间辐射环境对宇航用半导体器件的单粒子效应，结合了实际的模拟试验数据与已成熟的理论模型，可以十分方便地进行地面模拟试验数据的处理，准确灵敏获得器件科学的抗质子单粒子效应能力，为系统设计师设计师提供具有重大参考价值的数据。

附图说明

图1为本发明的测验器件抗质子单粒子效应能力的方法流程图；

图2为本发明的质子诱发被试器件SEU的测试流程图；

图3为本发明质子诱发被试器件SEL的测试流程图。

具体实施方式

本发明提出的测验器件抗质子单粒子效应能力的方法，结合附图和实施例说明如下。

如图1所示，本发明质子单粒子效应地面模拟试验方法包括步骤：

S1.1.进行质子单粒子效应试验前的准备，准备待测器件提出质子单粒子效应试验要求；

S2.1.第二步进行质子诱发的单粒子翻转（SEU）试验，监测并记录受试器件位的翻转；

S2.2.进行质子诱发的单粒子闩锁试验（SEL），监测并记录受试器件的功耗电流；

S3.1.根据所述翻转数据和器件的电流和功耗进行试验数据的处理分析，获得器件的抗质子单粒子效应能力。；

步骤S1，进行质子单粒子效应试验前的准备，提出质子单粒子效应试验要求。受试器件应来自同一工艺、同一批次和同一封装，一批试验样品数量应不少于3只，样品在辐照前需经过电性能及功能测试。试验中，若采用高能质子（>20MeV）进行试验，则被试器件无需开盖，若采用较低能量的质子进行试验，则根据质子能量损失及质子可进入材料中的深度确定器件是否需开盖。粒子加速器应能够提供试验所需的质子能量范围，试验过程中持续监测注量且剂量测量系统的精确度应在10%以内，被试器件应尽可能安装在注量监测探测器的附近，试验中被试器件应与束轴垂直。为了安全，被试器件应通过长电缆连接到室外进行远程控制；为了避免累积影响，被试器件在进行质子辐照前应能正常工作；被试器件完成试验前关闭质子束流。

如图2所示，步骤S2进一步包括：

S21从最高质子能量开始确定最劣条件，最劣条件包括最小和最大电源电压、正入射、入射余角；

S22在最小和最大电源电压的情况下测量SEU截面；

S23在正入射和两个入射余角的情况下测量SEU截面；

S24通过对比TID辐射前器件与TID辐射后器件的SEU截面确定总剂量敏感性，其中辐射量按照系统要求TID指标的80%进行选择，如果所述总剂量敏感性为敏感，则复合器件获取单个截面曲线，如果所述总剂量敏感性为不敏感，则执行步骤S25；

S25按照质子能量从高到低的顺序，重复上述步骤S22-S24;

S26确定器件的截面曲线。

在进行质子诱发被试器件的单粒子翻转（SEU）试验中，调整质子流的光束和相应的设备条件。用电缆将测试设备与被测物体及测试控制系统连接起来，用电压表调整受试器件的偏置电压。受试器件必须与质子束中心对齐，同时与质子束发射点保持合适的距离。当质子束开始辐照受试器件后，可以通过计算机控制系统监测受试器件的一些功能。对于动态试验，被试器件翻转数和累积注量只要其中一个达到了所需要的值，就可以停止辐照，或程序被迫终止，该轮次试验结束。对于静态测试，一旦达到测试要求，就要读取受试器件位翻转的数量，假如翻转数量大于期望的翻转数，可以停止试验，否则，测试应该继续。从这些测量数据中可以估计出质子对受试器件的影响。

如图3所示，步骤S3进一步包括：

S31质子能量大于400MeV，在最大偏置和温度及正入射下进行闩锁检测，如果未发生SEL效应则接受器件，如果发生了SEL效应，需完整的界面曲线评估风险；

S32质子能量介于180MeV到400MeV，在最大偏置和温度及入射余角下进行闩锁检测，如果未发生SEL效应则在最大偏置和温度及正入射下进行闩锁检测，如果发生了SEL效应，需完整的界面曲线评估风险；

S33质子能量小于180MeV到400MeV，在最大偏置和温度下使用重离子进行闩锁检测，如果未发生SEL效应则接受器件，如果发生了SEL效应，需完整的界面曲线评估风险。

在进行质子诱发被试器件的单粒子闩锁（SEL）试验中首先根据任务轨道的辐照环境选择质子能量，质子能量有三种选择：大于400MeV，介于180MeV到400MeV，小于180MeV。如果质子能量大于400MeV，一般来说，在被试器件闩锁截面不确定的情况下，质子注量率应尽可能的高；在器件闩锁截面已确定的情况下，质子注量率应足够的低，以保证被试器件发生两次闩锁的时间比电源重启清除闩锁的时间要长。如果质子能量介于180MeV到400MeV，质子束的入射角度分别在0°和85°，器件发射闩锁则停止照射，如果器件未发生闩锁则分别在0°和85°两种入射角度的情况下记录器件的最大注量水平。如果质子能量小于180MeV，则应使用低能质子设备。当如果质子设备产生180MeV能量以上的束流不可用时，应使用重离子源辐照，使用重离子源的试验结果显示SEL阈值大于40MeV-cm2/mg，器件可能会由于质子辐照产生SEL。

步骤S4，器件抗质子单粒子效应能力的处理分析，获得器件的抗质子单粒子效应能力。通过质子试验获得不少于5组的（E，σ）数据，可采用Bendel 2-参数方程和威布尔4-参数方程计算质子能量与器件饱和截面的相关性。

1）Bendel 2-参数方程

s=S[1-exp(-0.18Y^0.5)]⁴………………………（1）

其中：Y=(18/A)^0.5(E-A)

式中：

S—质子限制截面，proton·cm2/bit；

E—质子能量，MeV；

A—质子反应产生的翻转的质子能量阈值，MeV；

s—SEU截面，proton·cm2/bit。

2）威布尔4-参数方程

威布尔函数也可用于数据的拟合。

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sat}}[1-\exp {(-\frac{\left({E-E}_0\right)}{w})}^s]...\left(2\right)$

式中：

σ_sat—饱和截面，proton·cm2/bit；

E0—阈值能量，MeV；

w—位置参数；

s—形状参数。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (1)

1.一种测验器件抗质子单粒子效应能力的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1准备待测验器件；

S2进行质子诱发的单粒子翻转检测SEU，获得器件位的翻转数据；

S3进行质子诱发的单粒子闩锁检测SEL，获得器件的电流和功耗；

S4根据所述翻转数据和器件的电流和功耗进行试验数据的处理分析，获得器件的抗质子单粒子效应能力；

其中所述步骤S2进一步包括：

S21从最高质子能量开始确定最劣条件，所述最劣条件包括最小和最大电源电压、正入射、入射余角；

S22在最小和最大电源电压的情况下测量SEU截面；

S23在正入射和两个入射余角的情况下测量SEU截面；

S24通过对比TID辐射前器件与TID辐射后器件的SEU截面确定总剂量敏感性，如果所述总剂量敏感性为敏感，则获取复合器件的单个截面曲线，如果所述总剂量敏感性为不敏感，则执行步骤S25；

S25按照质子能量从高到低的顺序，重复上述步骤S22-S24；

S26确定器件的截面曲线；

所述步骤S3进一步包括：

S31质子能量大于400MeV，在最大偏置和温度及正入射下进行闩锁检测；

S32质子能量介于180MeV到400MeV，在最大偏置和温度及入射余角下进行闩锁检测；

S33质子能量小于180MeV，在最大偏置和温度下使用重离子进行闩锁检测；

所述步骤S4采用Bendel 2-参数方程计算器件的SEU截面，采用威布尔4-参数方程计算器件的饱和截面的相关性，所述Bendel 2-参数方程为

s＝S[1-exp(-0.18Y^0.5)]⁴………………………(1)

其中：Y＝(18/A)^0.5(E-A)

S表示质子限制截面，单位为proton·cm2/bit；

E表示质子能量，单位为MeV；

A表示质子反应产生的翻转的质子能量阈值，单位为MeV；

s表示SEU截面，单位为proton·cm2/bit；

所述威布尔4-参数方程为

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sat}}[1-\exp {(-\frac{(E-E_0)}{w})}^s]...\left(2\right)$

式中：

σ_sat—饱和截面，proton·cm2/bit；

E0—阈值能量，MeV；

w—位置参数。