CN104732031B - 一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法 - Google Patents

一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104732031B
CN104732031B CN201510145019.XA CN201510145019A CN104732031B CN 104732031 B CN104732031 B CN 104732031B CN 201510145019 A CN201510145019 A CN 201510145019A CN 104732031 B CN104732031 B CN 104732031B
Authority
CN
China
Prior art keywords
proton
energy
section
sensitizing range
upset cross
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510145019.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN104732031A (zh
Inventor
于登云
李衍存
蔡震波
张庆祥
贾晓宇
赵小宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Original Assignee
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Spacecraft System Engineering filed Critical Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority to CN201510145019.XA priority Critical patent/CN104732031B/zh
Publication of CN104732031A publication Critical patent/CN104732031A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104732031B publication Critical patent/CN104732031B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，步骤如下：确定质子能量；确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度；确定器件敏感区的材料和厚度；分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱；将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱；计算器件在质子辐照下的翻转截面。本发明考虑了器件金属布线层、氧化层中核反应的影响，使得该方法更适合现代工艺条件下的器件，使得器件对质子影响的计算更加准确，可靠性大大增强。

Description

一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法
技术领域
本发明涉及一种利用器件在加速器重离子辐照下获得的翻转截面试验数据，分析器件在质子辐照下翻转截面的方法，属于航天单粒子效应技术领域。
背景技术
卫星运行空间存在高能重离子和高能质子，这两种粒子均会在半导体器件中产生单粒子效应，为保障卫星在轨可靠稳定运行，须对器件进行单粒子效应防护设计。器件在重离子和质子辐照下的翻转截面参数，是进行单粒子效应防护设计的输入。
重离子翻转截面参数，可通过地面加速器试验获得。质子翻转截面参数，尽管可以通过加速器试验获取，但质子单粒子试验存在几个缺点：(1)受质子辐照的器件会被活化而产生放射性；(2)质子在器件中产生单粒子效应的截面低，为获得具有统计学意义的单粒子事件数，所需质子注量大，这会给器件带来总剂量效应。
基于上述原因，目前计算器件质子翻转截面最常用的方法是利用重离子单粒子翻转试验数据计算质子单粒子翻转率，这类方法存在下列不足：未考虑器件金属布线层、氧化层中核反应的影响，质子产生单粒子效应的原理是通过与材料发生核反应产生次级重带电粒子，次级粒子在敏感区中沉积能量而造成单粒子效应，质子在金属布线层、氧化层中产生的次级粒子，当射程足够大时，也会在敏感区中沉积能量，特别是在现代器件工艺条件下，金属布线层数和氧化层数越来越多，质子在金属布线层和氧化层中核反应的概率越来越大，对质子单粒子效应的影响也越来越大，应加以考虑。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提出了一种基于重离子试验数据的器件质子单粒子翻转截面，本发明以器件的金属布线层、氧化层等结构和特定的敏感区厚度作为输入，采用蒙特卡罗分析方法分析质子核反应在器件敏感区中的等效LET谱，将该LET谱与器件重离子试验得到的翻转截面与LET关系曲线(σ-LET)积分，得到器件在质子辐照下的翻转截面。
本发明的解决方案是：
一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，包括步骤如下：
(1)确定质子能量；
(2)确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度；
(3)确定器件敏感区的材料和厚度；
器件敏感区的材料根据器件所采用的材料确定；
器件敏感区的厚度根据下式确定：
其中，d为敏感区厚度；μn为电子迁移率；μp为空穴迁移率；ε为介电常数；q为元电荷电量；Na为受主掺杂浓度；Nd为施主掺杂浓度；V为外加电压；Vb为内建电势，其中k为波尔兹曼常数，T为温度，ni为本征载流子浓度；
(4)分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱
(5)将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱转化公式为：
其中，是质子在敏感区中的能量沉积微分谱；是质子在敏感区中的等效LET微分谱；ρ是硅的密度；d是敏感区厚度；
(6)以等效LET谱为输入，基于器件在重离子辐照下的Weibull(威布尔)曲线σ-LET，计算器件在质子辐照下的翻转截面：
通过下面的公式计算得到质子的翻转截面：
其中，σp是器件质子翻转截面；σi是器件重离子翻转截面Weibull曲线σ-LET，包含4个参数器件饱和翻转截面σsat、LET阈值Lth、宽度参数W、形状参数S；LETmax表示LET取值的上限；LETmin表示表示LET取值的下限。
步骤(1)中的质子能量取1MeV～1GeV范围内的任意数值。
步骤(2)中的确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度的方式：通过化学机械研磨获得器件光滑的断面；采用扫描电子显微镜对器件断面进行测量，获得各层的厚度参数；通过X射线衍射方法分析各层的成分。
步骤(4)中分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱的具体方式如下：
利用GEANT4分析质子穿过器件金属布线层和氧化层达到敏感区的过程中，次级粒子在敏感区中的能量沉积E，统计每个能量沉积间隔(E，E+ΔE)的概率由此即可确定能量沉积微分谱
GEANT4分析过程中的高能物理模块根据入射质子能量进行选择，质子能量在1MeV～70MeV时选择预复合模型，在70MeV～1GeV时选择级联模型；粒子能量损失分析模块选择标准电磁相互作用模型。
步骤(6)中LET取值的具体计算方式如下：
其中，LET为线性能量传输系数；E为能量沉积；ρ为硅的密度；能量沉积E的范围为Emin～Emax，相应可以得到LET的范围为LETmin～LETmax。
本发明与现有方法相比的有益效果是：
(1)本发明充分考虑了器件金属布线层、氧化层中核反应的影响，使得该方法更适合现代工艺条件下的器件，使得器件对质子影响的计算更加准确，可靠性大大增强。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明建立的分析方法模型；
图3是本发明分析得到的质子在器件敏感区中的能量沉积微分谱；
图4是本发明由能量沉积微分谱转化得到的等效LET微分谱；
图5是本发明分析得到的器件在不同能量入射下的翻转截面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程作说明和解释。
如图1所示，本发明一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，包括步骤如下：
(1)确定质子能量；不同能量质子，核反应模型不同，根据实际需求，确定质子能量，本实施例中质子能量取1MeV～1GeV范围内的任意数值。
(2)确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度；
质子会在器件金属布线层、氧化层中发生核反应并产生次级粒子，当次级粒子的射程和LET值足够时，会在器件敏感区中沉积能量并产生单粒子效应，应考虑此种效应。
质子在器件金属布线层、氧化层中产生的次级粒子，与金属布线层、氧化层的材料类型和厚度两个参数相关，在建模过程中确定材料类型和厚度，作为质子翻转截面确定方法的输入参数。
确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度的方式：通过化学机械研磨获得器件光滑的断面；采用扫描电子显微镜对器件断面进行测量，获得各层的厚度参数；通过X射线衍射方法分析各层的成分。
如图2所示，给出了通过本方法得到的Xilinx Virtex II XC2V1000为例的模型，其中：(1)1为氧化层，材料为二氧化硅，厚度为0.7μm；(2)2为金属布线层，材料为铝，厚度为1μm；(3)3为多晶硅，材料为二氧化硅，厚度为1μm。(3)确定器件敏感区的材料和厚度；
敏感区是单粒子效应分析中的重要区域，主要有两个作用：第一是质子在敏感区中发生核反应并产生次级粒子，第二是质子在金属布线层、氧化层中产生的次级粒子，以及质子在敏感区中产生的次级粒子，都在敏感区中沉积能量，并转换为电子空穴对，电子空穴对被敏感区收集，当收集的电荷超过器件临界电荷时就会发生单粒子翻转。
器件敏感区的材料根据器件所采用的材料确定；
器件敏感区的厚度根据下式确定：
其中，d为敏感区厚度，单位为μm；μn为电子迁移率，单位为cm2/(V·s)；μp为空穴迁移率，单位为cm2/(V·s)；ε为介电常数，单位为C2/(N·m2)；q为元电荷电量，q＝1.6×10- 19C；Na为受主掺杂浓度，单位为cm-3；Nd为施主掺杂浓度，单位为cm-3；V为外加电压；Vb为内建电势，其中k为波尔兹曼常数，T为温度，ni为本征载流子浓度；
以Xilinx Virtex II XC2V1000FPGA为例，该FPGA采用0.15μm硅工艺，电源电压V＝1.5V，典型掺杂浓度Na＝1×1020cm-3，Nd＝1×1017cm-3，硅的相对介电常数ε＝11.9×8.85×10-12C2/(N·m2)，电子迁移率μn大约是空穴迁移率μp的3倍，T＝300K时，硅的本征载流子浓度ni＝1.5×1010cm-3，由此可以根据公式计算得到敏感区厚度d＝0.72μm。
(4)分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱
分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱的具体方式如下：
利用GEANT4分析质子穿过器件金属布线层和氧化层达到敏感区的过程中，次级粒子在敏感区中的能量沉积E，统计每个能量沉积间隔(E，E+ΔE)的概率由此即可确定能量沉积微分谱
GEANT4分析过程中的高能物理模块根据入射质子能量进行选择，质子能量在1MeV～70MeV时选择预复合模型，在70MeV～1GeV时选择级联模型；粒子能量损失分析模块选择标准电磁相互作用模型。
如图3所示，给出了150MeV的质子入射到步骤(2)建立的模型中时，在敏感区中的能量沉积微分谱
(5)将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱转化公式为：
其中，是质子在敏感区中的能量沉积微分谱，单位为eV-1；是质子在敏感区中的等效LET微分谱，单位为(MeV·cm2/mg)-1；ρ是硅的密度，ρ＝2.33g/cm3；d是敏感区厚度，d＝0.72μm；
如图4所示，是将图3的能量沉积微分谱转化得到的等效LET微分谱。
(6)以等效LET谱为输入，基于器件在重离子辐照下的Weibul l曲线σ-LET，计算器件在质子辐照下的翻转截面：
通过下面的公式计算得到质子的翻转截面：
其中，σp是器件质子翻转截面；σi是器件重离子翻转截面Weibull曲线σ-LET，包含4个参数器件饱和翻转截面σsat、LET阈值Lth、宽度参数W、形状参数S；LETmax表示LET取值的上限；LETmin表示表示LET取值的下限。对于Xilinx Virtex II XC2V1000，σsat＝4.38×10- 8cm2/bit，Lth＝1.0MeV·cm2/mg，W＝33MeV·cm2/mg，S＝0.8。
LET取值的具体计算方式如下：
其中，LET为线性能量传输系数；E为能量沉积；ρ为硅的密度；能量沉积E的范围为Emin～Emax，相应可以得到LET的范围为LETmin～LETmax。
如图5所示，为采用步骤(5)得到的等效LET微分谱，基于器件重离子翻转截面Weibull曲线，得到的器件在不同能量质子入射下翻转截面理论分析值与试验值。
本发明未公开的部分为本领域的技术常识。

Claims (5)

1.一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其特征在于包括步骤如下：
(1)确定质子能量；
(2)确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度；
(3)确定器件敏感区的材料和厚度；
所述器件敏感区的材料根据器件所采用的材料确定；
所述器件敏感区的厚度根据下式确定：
其中，d为敏感区厚度；μn为电子迁移率；μp为空穴迁移率；ε为介电常数；q为元电荷电量；Na为受主掺杂浓度；Nd为施主掺杂浓度；V为外加电压；Vb为内建电势，其中k为波尔兹曼常数，T为温度，ni为本征载流子浓度；
(4)分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱
(5)将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱 转化公式为：
其中，是质子在敏感区中的能量沉积微分谱；是质子在敏感区中的等效LET微分谱；ρ是硅的密度；d是敏感区厚度；
(6)以等效LET谱为输入，基于器件在重离子辐照下的Weibull曲线σ-LET，计算器件在质子辐照下的翻转截面：
通过下面的公式计算得到质子的翻转截面：
其中，σp是器件质子翻转截面；σi是器件重离子翻转截面Weibull曲线σ-LET，包含4个参数：器件饱和翻转截面σsat、LET阈值Lth、宽度参数W、形状参数S；LETmax表示LET取值的上限；LETmin表示LET取值的下限。
2.根据权利要求1所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其特征在于：所述步骤(1)中的质子能量取1MeV～1GeV范围内的任意数值。
3.根据权利要求1所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其特征在于：所述步骤(2)中的确定器件金属布线层、氧化层的材料类型和厚度的方式：通过化学机械研磨获得器件光滑的断面；采用扫描电子显微镜对器件断面进行测量，获得各层的厚度参数；通过X射线衍射方法分析各层的成分。
4.根据权利要求2所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其特征在于：所述步骤(4)中分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱 的具体方式如下：
利用GEANT4分析质子穿过器件金属布线层和氧化层达到敏感区的过程中，次级粒子在敏感区中的能量沉积E，统计每个能量沉积间隔(E，E+ΔE)的概率由此即可确定能量沉积微分谱
GEANT4分析过程中的高能物理模块根据入射质子能量进行选择，质子能量在1MeV～70MeV时选择预复合模型，在70MeV～1GeV时选择级联模型；粒子能量损失分析模块选择标准电磁相互作用模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法，其特征在于：所述步骤(6)中LET取值的具体计算方式如下：
其中，LET为线性能量传输系数；E为能量沉积；ρ为硅的密度；能量沉积E的范围为Emin～Emax，相应可以得到LET的范围为LETmin～LETmax。
CN201510145019.XA 2015-03-30 2015-03-30 一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法 Active CN104732031B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510145019.XA CN104732031B (zh) 2015-03-30 2015-03-30 一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510145019.XA CN104732031B (zh) 2015-03-30 2015-03-30 一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104732031A CN104732031A (zh) 2015-06-24
CN104732031B true CN104732031B (zh) 2017-08-29

Family

ID=53455913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510145019.XA Active CN104732031B (zh) 2015-03-30 2015-03-30 一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104732031B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105548861B (zh) * 2015-12-10 2018-04-27 中国空间技术研究院 用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法
CN105866573B (zh) * 2016-03-28 2018-10-09 北京空间飞行器总体设计部 一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法
CN107145638B (zh) * 2017-04-12 2018-10-26 西北核技术研究所 一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法
CN107229775A (zh) * 2017-05-04 2017-10-03 西北核技术研究所 利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法
CN108008289B (zh) * 2017-11-22 2019-12-27 西北核技术研究所 一种器件质子单粒子效应截面的获取方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101900770A (zh) * 2009-05-25 2010-12-01 北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司 一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其系统
CN103884926A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种脉冲激光等效let计算方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7023235B2 (en) * 2003-12-12 2006-04-04 Universities Research Association, Inc. Redundant single event upset supression system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101900770A (zh) * 2009-05-25 2010-12-01 北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司 一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其系统
CN103884926A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种脉冲激光等效let计算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104732031A (zh) 2015-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104732031B (zh) 一种基于重离子试验数据的器件质子翻转截面反演方法
CN109657370B (zh) 航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法
CN107145638B (zh) 一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法
CN105866573B (zh) 一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法
CN106124953B (zh) 单粒子效应预测方法和装置
CN107229775A (zh) 利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法
CN108460196A (zh) 双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法
Yakimov Prediction of betavoltaic battery output parameters based on SEM measurements and Monte Carlo simulation
Conway et al. Numerical simulations of pillar structured solid state thermal neutron detector: efficiency and gamma discrimination
CN113109859B (zh) 一种获取低let值重离子单粒子翻转截面的方法
Ye et al. Investigation of radiation response for III-V binary compound semiconductors due to protons using Geant4
Emfietzoglou et al. New Monte Carlo calculations of charged particle track-structure in silicon
CN104406998B (zh) 一种确定元器件单粒子效应试验中的重离子let值的方法
Geng et al. Modeling the applicability of linear energy transfer on single event upset occurrence
Cui et al. Mixed conduction in BaF 2 nanocrystals under high pressure
Doan et al. The effects of an uncapped nanocrystal on a simulated induced current collected by a nano-contact
Peng et al. Terrestrial neutron induced failure rate measurement of SiC MOSFETs using China spallation neutron source
Gaillardin et al. Analysis of Nanowire Field-Effect Transistors SET Response: Geometrical Considerations
Skobelev et al. Study of fusion and nucleon transfer channels in the 197 Au+ 6 He reaction in an energy range of 6 He to 20 Mev/A
Kobayashi et al. Application of a single crystal CVD diamond detector for fast neutron measurement in high dose and mixed radiation fields
Wender et al. Measured energy-dependent neutron attenuation through the stacked printed circuit boards
Muralidharan et al. A kinetic Monte Carlo approach to study transport in amorphous silicon/crystalline silicon HIT cells
CN108345747A (zh) 一种研究电离缺陷和位移缺陷间接交互作用的试验方法
Serebrov et al. Search for sterile neutrinos in the neutrino-4 experiment
Jin et al. Simulation and Experiment in Neutron Induced Single Event Effects in SRAM

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Yu Dengyun

Inventor after: Li Yancun

Inventor after: Cai Zhenbo

Inventor after: Zhang Qingxiang

Inventor after: Jia Xiaoyu

Inventor after: Zhao Xiaoyu

Inventor before: Li Yancun

Inventor before: Cai Zhenbo

Inventor before: Zhang Qingxiang

Inventor before: Jia Xiaoyu

Inventor before: Zhao Xiaoyu

COR Change of bibliographic data
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant