CN104406998B - 一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子let值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法,该方法屏蔽层数目不受限制，适应现代器件工艺条件下，金属布线层逐渐增多带来的屏蔽层数目超过8层的问题；可直接得到重离子经过多层屏蔽后在硅材料中的LET值，由于目前主流半导体工艺是基于硅衬底的，单粒子试验中的LET值均指重离子在硅中的LET值，直接输出该结果可避免非粒子物理专业试验人员错误计算LET值，确保了试验参数的正确性。

Description

一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法

技术领域

本发明涉及空间辐射技术领域，尤其涉及一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法。

背景技术

针对在轨信息处理量越来越大的要求，卫星采用的大规模逻辑器件如FPGA、DSP等越来越多。这些大规模逻辑器件受到空间高能粒子的影响产生单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)等单粒子效应，会影响航天器正常可靠运行，必须加以防护设计以及验证工作。

防护设计所需的器件单粒子效应参数的获取，以及防护设计效果的验证工作，主要在地面重离子加速器上进行。采用地面重离子对器件进行辐照时，重离子穿过由金属布线层、氧化层等组成的屏蔽层，达到器件有源区，在此过程中，重离子在器件屏蔽层和有源区都会沉积能量，继而沉积能量转化为电子-空穴对。由于有源区存在电场、屏蔽层中没有电场，因此有源区的电子-空穴对会被器件吸收，从而引发单粒子效应，屏蔽层中的电子-空穴对不会被器件吸收，对单粒子效应没有贡献。

电子-空穴对是由重离子的沉积能量转化而来的，因此从单粒子效应的角度，只需关注重离子在器件有源区中的能量沉积。重离子的能量沉积采用线性能量传输系数(Linear Energy Transfer，LET)进行分析，LET是重离子在单位距离上损失的能量，将重离子在器件有源区表面的LET乘以有源区的厚度，就可以得到沉积能量。

器件进行地面重离子加速器试验时，一般情况下加速器方面给出的是重离子在器件表面的LET值。由于重离子经过器件金属布线层、氧化层等屏蔽层到达有源区后，会有一定的能量损失，而重离子LET值与能量有关，因此重离子在器件有源区表面的LET值与在器件表面的LET值不同，特别是在重离子能量过低或者屏蔽厚度过大的情况下，这两种LET值的差别更大。

采用地面重离子加速器对器件进行单粒子试验时，为保证器件单粒子效应参数的试验结果与真实值不出现偏差，确保防护验证效果的有效性，应准确确定重离子在器件有源区表面的LET值。

目前分析重离子在有源区表面LET值，一般采用TRIM(the Transport of Ions inMatter)软件^[1]。TRIM软件主要用于分析重离子在材料中的能量沉积，当应用于重离子经过多层屏蔽后的LET值分析时，存在2项不足之处：(1)最多可设定8层屏蔽材料^[2]，现代器件工艺技术条件下的最高金属布线层数在2013年已经达到13层^[3][4]，氧化层数目与布线层接近，因此总屏蔽层数在26层以上，该软件在此情况下的适应性不好；(2)只能给出重离子剩余能量^[5]，不能直接给出剩余能量对应的LET值，非粒子物理专业的人应用时不方便。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法，能够得到重离子穿过元器件的屏蔽层到达有源区表面时的LET值。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明的一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法，包括如下步骤：

步骤1、确定单粒子效试验所用的元器件的屏蔽层中各层屏蔽材料的厚度和成分，具体为：

首先，将所述元器件纵切，露出元器件的断面；

然后，采用扫描电子显微镜对元器件断面进行测量，获得各层屏蔽材料的厚度参数；

最后，通过X射线衍射方法分析获得各层屏蔽材料的成分；

步骤2、根据单粒子试验中实际采用的重离子，确定重离子的类型、原子序数以及入射时的初始能量E₀；

步骤3、根据步骤2获得的重离子类型、原子序数和入射时的初始能量E₀，以及步骤1获得的各层屏蔽材料的厚度和成分，利用Beth-Block重离子能量损失理论，获得所述重离子在元器件屏蔽层中的能量损失ΔE；

步骤4、根据步骤2得到的重离子初始能量E₀和步骤3得到的重离子经过元器件屏蔽层后的能量损失ΔE，得到重离子经过屏蔽层后的剩余能量E′＝E₀-ΔE；

步骤5、根据剩余能量E′得到所述重离子经过元器件的屏蔽层后到达元器件的有源区表面时的速度v′；然后根据如下公式得到所述重离子到达所述有源区表面时在对应的硅材料中的LET值：

$\mathrm{LET}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{4\mathrm{\π}{e}^4{z}^2}{m_0{v}^{\′2}}\mathrm{NZ}[\ln \left(\frac{2m_0{v}^{\′2}}{I}\right)-\ln (1-{\mathrm{\β}}^2)-{\mathrm{\β}}^2]{\left(\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}\right)}^{2}k;$

其中，ρ为硅的密度；I为硅的平均电离和激发电位，大小为173eV；z为单粒子试验中实际采用的重离子的原子序数；m₀为电子质量；e为单位电荷的电量；N为硅材料单位体积中的原子数；Z为硅的原子序数；ε₀为真空介电常数；k＝1/1.6×10^-11；表示重离子到达元器件有源区表面速度与光速之比。

其中，所述步骤3中获得所述重离子在元器件屏蔽层中的能量损失ΔE公式为：

$\mathrm{\ΔE}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{d_i}{\∫}}\left\{\frac{4\mathrm{\π}{e}^4{z}^2}{m_0{v}^2}{N}_i{Z}_i\right[\ln \left(\frac{2m_0{v}^2}{I_i}\right)-\ln (1-{{\mathrm{\β}}_0}^2)-{{\mathrm{\β}}_0}^2\left]{\left(\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}\right)}^{2}k\right\}\mathrm{dx};$

式中，n表示屏蔽层的层数；d_i表示屏蔽层中第i层屏蔽材料的厚度；N_i表示第i层屏蔽材料的单位体积中的原子个数；Z_i表示第i层屏蔽材料的原子序数；I_i表示第i层屏蔽材料的原子平均激发和电离电位，其中，i＝1,2,...,n；β₀表示重离子入射速度与光速之比。

较佳的，所述步骤1中，用扫描电子显微镜对元器件断面进行测量前，先采用化学机械研磨方法对断面进行光滑处理。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的方法屏蔽层数目不受限制，适应现代器件工艺条件下，金属布线层逐渐增多带来的屏蔽层数目超过8层的问题；

(2)可直接得到重离子经过多层屏蔽后在硅材料中的LET值，由于目前主流半导体工艺是基于硅衬底的，单粒子试验中的LET值均指重离子在硅中的LET值，直接输出该结果可避免非粒子物理专业试验人员错误计算LET值，确保了试验参数的正确性。

附图说明

图1为本发明中多层屏蔽材料示意图，其中：

1-钝化层、2-金属布线层、3-氧化层、4-栅极。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

(1)确定器件屏蔽材料厚度、成分等参数；

如图1所示，元器件的屏蔽层包括以下各层屏蔽层材料：钝化层1、栅极4以及互相交叉叠放的金属布线层2和氧化层3，各层屏蔽材料的厚度及成分是重离子LET值修正方法的输入参数。这些参数的详细数据作为器件厂商的技术秘密，难以通过正常渠道获得，但可通过反向工程的方法获取。

首先将器件纵切，并通过化学机械研磨(CMP)获得器件光滑的断面；然后采用扫描电子显微镜(SEM)对器件断面进行测量，获得各层的厚度参数；最后可通过X射线衍射方法(X-ray diffraction，XRD)分析各层的成分。

图1给出了通过本方法获得的某器件的屏蔽层状态，共4种类型17层：其中，钝化层1的材料为二氧化硅，厚度为2.21μm；金属布线层2的材料为铝，厚度为0.71μm；氧化层3的材料为二氧化硅，厚度为0.71μm；栅极4的材料为多晶硅，厚度为1μm。

(2)确定重离子类型和初始能量；

根据单粒子试验中实际采用的重离子，确定重离子的类型、原子序数以及初始入射时的能量。

本实施例中，重离子类型设定为C离子，原子序数z＝6，初始能量E0＝80MeV。

(3)根据以上两步得到的重离子类型、原子序数和能量以及各层屏蔽材料的厚度和屏蔽材料的成分，利用Beth-Block重离子能量损失理论，分析重离子在器件屏蔽层中的能量损失ΔE；

$\mathrm{\ΔE}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{d_i}{\∫}}\left\{\frac{4\mathrm{\π}{e}^4{z}^2}{m_0{v}^2}{N}_i{Z}_i\right[\ln \left(\frac{2m_0{v}^2}{I_i}\right)-\ln (1-{{\mathrm{\β}}_0}^2)-{{\mathrm{\β}}_0}^2\left]{\left(\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}\right)}^{2}k\right\}\mathrm{dx}$

其中：

n表示屏蔽层的层数；

d_i表示屏蔽层中第i层的厚度，单位为cm；

e：单位电荷，e＝1.6×10^-19C；

z：入射重离子原子序数；

v表示入射的重离子速度，根据相对论效应，速度v与能量E的关系为

$v=c\sqrt{1-\frac{1}{(1+\frac{E}{m_0{c}^2})}};$

N_i表示第i层屏蔽材料的单位体积中的原子个数；

Z_i表示第i层屏蔽材料的原子序数；

m₀：电子质量；

I_i：第i层屏蔽材料的原子平均激发和电离电位，单位为eV；

β₀表示重离子入射速度与光速之比。

ε₀为真空介电常数；ε₀＝8.85×10^-12C²/(N·m²)；

k：J/m与MeV/cm的单位转换系数，k＝1/1.6×10^-11。

本实施例中，80MeV的C离子，经过17层屏蔽材料后，总的能量损失为ΔE＝5.7MeV。

(4)计算重离子经过屏蔽层后的剩余能量；重离子剩余能量计算公式为：

E′＝E₀-ΔE

其中：

E'：重离子剩余能量，单位为MeV；

E₀：重离子初始能量，单位为MeV；

本实施例中，0MeV的C离子，经过17层屏蔽材料后，剩余能量为E'＝74.3MeV。

(5)计算重离子在有源区表面的LET值；

根据重离子穿过屏蔽层、达到有源区表面的剩余能量，到所述重离子经过元器件的屏蔽层后到达元器件的有源区表面时的速度v′,最后计算重离子在硅材料中对应的LET值，计算公式为：

$\mathrm{LET}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{4\mathrm{\π}{e}^4{z}^2}{m_0{v}^{\′2}}\mathrm{NZ}[\ln \left(\frac{2m_0{v}^{\′2}}{I}\right)-\ln (1-{\mathrm{\β}}^2)-{\mathrm{\β}}^2]{\left(\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}\right)}^{2}k;$

其中，ρ为硅的密度为2.33×10³mg/cm³；I为硅的平均电离和激发电位，大小为173eV；m₀为电子质量；N为硅材料单位体积中的原子数；Z为硅的原子序数；k＝1/1.6×10-11；表示重离子到达元器件有源区表面速度与光速之比；LET为重离子在有源区表面的线性能量传输系数，单位为MeV·cm2/mg。

本实施例中，根据C离子74.3MeV的剩余能量，可计算得到C离子在有源区表面的LET值LET＝1.7MeV·cm2/mg。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定单粒子效试验所用的元器件的屏蔽层中各层屏蔽材料的厚度和成分，具体为：

首先，将所述元器件纵切，露出元器件的断面；

然后，采用扫描电子显微镜对元器件断面进行测量，获得各层屏蔽材料的厚度参数；

最后，通过X射线衍射方法分析获得各层屏蔽材料的成分；

步骤2、根据单粒子试验中实际采用的重离子，确定重离子的类型、原子序数以及入射时的初始能量E₀；

步骤3、根据步骤2获得的重离子类型、原子序数和入射时的初始能量E₀，以及步骤1获得的各层屏蔽材料的厚度和成分，利用Beth-Block重离子能量损失理论，获得所述重离子在元器件屏蔽层中的能量损失ΔE；

步骤4、根据步骤2得到的重离子初始能量E₀和步骤3得到的重离子经过元器件屏蔽层后的能量损失ΔE，得到重离子经过屏蔽层后的剩余能量E′＝E₀-ΔE；

步骤5、根据剩余能量E′得到所述重离子经过元器件的屏蔽层后到达元器件的有源区表面时的速度v′；然后根据如下公式得到所述重离子到达所述有源区表面时在对应的硅材料中的LET值：

$LET=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{4{\mathrm{\πe}}^4{z}^2}{m_0{v}^{\′2}}NZ\[ln\left(\frac{2m_0{v}^{\′2}}{I}\right)-ln(1-{\mathrm{\β}}^2)-{\mathrm{\β}}^2\]{\left(\frac{1}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0}\right)}^{2}k;$

其中，ρ为硅的密度；I为硅的平均电离和激发电位，大小为173eV；z为单粒子试验中实际采用的重离子的原子序数；m₀为电子质量；e为单位电荷的电量；N为硅材料单位体积中的原子数；Z为硅的原子序数；ε₀为真空介电常数；k＝1/1.6×10^-11；表示重离子到达元器件有源区表面速度与光速之比。

2.如权利要求1所述的一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法，其特征在于，所述步骤3中获得所述重离子在元器件屏蔽层中的能量损失ΔE公式为：

$\mathrm{\Δ}E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{d_i}{\∫}}\left\{\frac{4{\mathrm{\πe}}^4{z}^2}{m_0{v}^2}{N}_i{Z}_i\[\ln \left(\frac{2m_0{v}^2}{I_i}\right)-\ln \left(1-{{\mathrm{\β}}_0}^2\right)-{{\mathrm{\β}}_0}^2\]{\left(\frac{1}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0}\right)}^{2}k\right\}dx;$

式中，n表示屏蔽层的层数；d_i表示屏蔽层中第i层屏蔽材料的厚度；v表示入射的重离子速度；N_i表示第i层屏蔽材料的单位体积中的原子个数；Z_i表示第i层屏蔽材料的原子序数；I_i表示第i层屏蔽材料的原子平均激发和电离电位，其中，i＝1,2,...,n；β₀表示重离子入射速度与光速之比。

3.如权利要求1所述的一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法，其特征在于，所述步骤1中，用扫描电子显微镜对元器件断面进行测量前，先采用化学机械研磨方法对断面进行光滑处理。