CN113109859B - 一种获取低let值重离子单粒子翻转截面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，包括：获取器件封装信息、灵敏区上方多层金属布线层或衬底信息、器件STI隔离氧化层厚度信息；开展纳米器件低能质子直接电离引发单粒子翻转的辐照实验，提取器件低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak，记录相对应的降能片厚度；获取器件发生单粒子翻转的临界电荷，计算器件发生单粒子翻转的LET阈值；基于LET阈值判断引发器件发生单粒子翻转的质子能量区间，计算在低能质子单粒子翻转峰值位置处，器件灵敏区内位于该能量区间的质子数占入射总质子数的百分比ε，并计算相应的平均质子能量以及平均LET值；将低能质子单粒子翻转峰值截面除以质子数百分比ε，计算与平均LET值相对应的有效单粒子翻转截面。
Description
技术领域
本发明属于空间辐射效应模拟实验技术及抗辐射加固技术研究领域，涉及一种获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法。
背景技术
重离子和质子是空间辐射环境下造成电子器件单粒子效应的主要来源。相比于质子单粒子效应实验，重离子单粒子效应实验时对离子能量和器件样品的要求更高，实验技术也相对更加复杂。在器件重离子单粒子效应实验中，通常需要基于器件重离子单粒子翻转截面实验数据进行威布尔函数拟合，从而评价器件抗单粒子能力并对器件空间在轨单粒子翻转率进行预估。随着器件发展到纳米尺度，器件单粒子翻转临界电荷降低到1fc以下，LET阈值低至0.1MeV.cm2/mg。在当前重离子单粒子效应实验中，受加速器资源和束流机时的限制，实验中重离子LET值通常在1MeV.cm2/mg以上，缺少LET值1MeV.cm2/mg以下的低LET值单粒子翻转截面数据，这对威布尔曲线拟合参数的精度带来较大的不确定性。另一方面，随着器件封装工艺的发展，倒装BGA封装已逐渐成为先进纳米器件的主流封装工艺，其器件衬底厚度通常在几百微米，目前国内外通常采用衬底减薄技术，将倒封装芯片的衬底减至50～100微米左右，不仅增加了样品处理难度和失效概率，也要求实验中需采用具有足够射程的重离子开展单粒子效应实验，这对国内现有重离子加速器的实验能力提出了严峻挑战。同时，由于厚的衬底材料对重离子的散射及阻挡作用，离子到达灵敏区会发生能量展宽和射程歧离，离子的有效LET值与器件表面LET值存在明显差异，离子穿过器件敏感区的注量也会与表面注量存在较大差异。并且，目前的衬底减薄主要采用研磨工艺，难以保证衬底减薄后表面的平整度，使得重离子在不同位置入射到灵敏区的重离子LET也存在差异。这些都会给倒装器件重离子单粒子效应实验评估过程带来极大难度和较大误差。
因此，基于以上问题和现状，需要发展建立一种获取低LET值时重离子单粒子翻转截面数据的新方法，对于科学评价器件抗单粒子性能具有明显的实际意义。由于质子直接电离LET值不超过0.55MeV.cm2/mg，能量损伤小，能够有效穿过器件多层金属布线层或厚的衬底到达器件灵敏区引发单粒子效应。对于纳米器件，能量小于1MeV的低能质子通过直接电离就能引发高截面的单粒子翻转。基于此，提出了一种基于器件低能质子实验数据获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法。
专利申请号为200710177960.5，公开号为CN100538378C，名称为“获取单粒子效应截面与重离子线性能量转移关系的方法”，给出了基于重离子加速器测试器件重离子单粒子效应截面的实验方法；专利申请号为202010982765.5，公开号为CN112230081A，名称为“一种脉冲激光单粒子效应实验等效LET值计算方法”，给出了利用脉冲激光单粒子实验数据等效重离子不同LET值单粒子效应截面的方法。这两个方法均未涉及通过低能质子实验数据获取重离子单粒子翻转截面的方法。
发明内容
本发明提供了一种获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，在无需开展重离子单粒子效应实验的情况下，即可获取低LET值时器件的重离子单粒子翻转截面，且基于质子加速器的能量可无需对器件进行开封或减薄处理，克服了现有技术存在倒装器件重离子单粒子效应实验评估过程难度和误差较大的不足。
本发明的技术解决方案是：
一种获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一：获取器件封装信息、灵敏区上方多层金属布线层或衬底信息、器件STI隔离氧化层厚度信息；
步骤二：基于质子加速器开展纳米器件低能质子直接电离引发单粒子翻转的辐照实验，提取器件低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak，并记录相对应的降能片厚度；
步骤三：获取器件发生单粒子翻转的临界电荷，计算器件发生单粒子翻转的LET阈值；
步骤四：基于LET阈值判断能够引发器件发生单粒子翻转的质子能量区间，计算在器件低能质子单粒子翻转峰值位置处，器件灵敏区内位于该能量区间的质子数占入射总质子数的百分比ε，并计算相应的平均质子能量以及平均LET值；
步骤五：依据步骤二的低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak和步骤四的质子数百分比ε，计算与平均LET值相对应的有效单粒子翻转截面σeff。
进一步地，所述步骤一具体为：
所述器件封装信息、灵敏区上方多层金属布线层或衬底信息、器件STI隔离氧化层厚度信息是通过对器件进行纵切分析或参考器件设计资料获得。
进一步地，所述步骤一具体为：
所述器件封装信息、灵敏区上方多层金属布线层或衬底信息包括器件封装层、多层金属布线层、衬底层厚度与材料信息。
进一步地，所述步骤二具体为：
2.1)基于对器件信息的掌握，选定合适的质子加速器和初始质子能量开展纳米器件低能质子单粒子效应实验；
2.2)采用不同厚度降能片获取低于初始质子能量的质子，能量从高到低依次测量纳米器件单粒子翻转截面，测试低能质子直接电离引发的单粒子翻转截面峰，单粒子翻转截面σ计算公式如下：
式中，σ为器件单位粒子翻转截面，单位cm2/bit；F为入射质子注量，单位p/cm2；M为器件存储容量；
2.3)进一步提取器件低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak，并记录此时与单粒子翻转截面峰相对应的降能片厚度。
进一步地，所述步骤三具体为：
3.1)基于器件特征尺寸或SPCIE电路仿真结果，获取器件发生单粒子翻转的临界电荷；
3.2)依据下式计算器件发生单粒子翻转的LET阈值：
Qcritical＝10.35×LETth×DSV (3-2)
式中，Qcritical为器件单粒子翻转临界电荷，单位为fC；LETth为器件单粒子翻转LET阈值；DSV为器件灵敏体积深度，单位为μm，此处为STI厚度。
进一步地，所述步骤四具体为：
4.1)利用SRIM(离子在物质中的阻止本领和射程)软件计算质子在硅中直接电离LET值与质子能量的关系曲线，基于器件单粒子翻转LET阈值判断能够引发器件发生单粒子翻转的质子能量区间；
4.2)利用SRIM计算初始质子能量穿过与单粒子翻转峰对应的降能片厚度以及器件不同材料到达器件灵敏区的质子能谱分布；
4.3)基于器件灵敏区内的质子能谱分布，统计能量位于4.1)质子能量区间的质子数占入射总质子数的百分比ε；
4.4)进一步计算在该能量区间的平均质子能量，以及相应的平均LET值。
进一步地，所述步骤五具体为：
基于步骤四获取的质子百分比ε，对步骤二中的单粒子翻转峰值截面σpeak进行重新计算，获取与平均LET值相对应的有效单粒子翻转截面σeff，计算方法如下：
σeff＝σpeak/ε (7-1)
式中，σeff为有效单粒子翻转截面，σpeak为质子单粒子翻转峰值截面，ε为步骤4.3)质子能量区间的质子数占入射总质子数的百分比。
进一步地，所述器件为纳米正装器件或纳米倒装器件。
本发明的有益效果是：
1、该方法无需开展低LET值重离子实验，即可获取LET值小于0.55MeV.cm2/mg的重离子单粒子翻转截面数据，降低了对重离子加速器束流条件的依赖，解决了纳米器件和倒封器件低LET值重离子单粒子实验数据的获取问题。
2、当质子加速器能量较高时，实验可在空气中开展，且无需对器件开封或减薄即可开展低能质子直接电离单粒子翻转截面的测试，减少对器件的损伤，较低了实验难度。
附图说明
图1是本发明一个实施例的流程图；
图2是器件纵切后器件灵敏区上方多层布线层信息和STI厚度信息；
图3是器件低能质子单粒子翻转截面与入射器件表面质子能量的关系曲线；
图4是质子直接电离LET值与质子能量的关系曲线；
图5是初始质子能量穿过降能片和器件多层金属布线层后落入器件灵敏区的质子能谱；
图6是包含低能质子实验数据的器件重离子单粒子翻转截面及其威布尔拟合曲线。
具体实施方式
下面以某静态随机存储器为例，结合附图通过一个具体实施例进一步详述，应当理解，以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明一种基于器件低能质子实验数据获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法的流程图，结合图1，对本方法步骤进行详细描述。
S1】对器件进行纵切分析或与器件研制方沟通，获取器件灵敏区上方多层金属布线层信息，包括各层的厚度和材料以及STI厚度，见图2。
S2】基于对器件信息的掌握，选定10MeV低能质子加速器开展纳米器件低能质子单粒子效应实验。质子初始能量1.2MeV，采用不同厚度降能片获取能量低至0.2MeV的质子，能量从高到低依次测量开封纳米器件单粒子翻转截面，见图3，直至无单粒子翻转发生。进一步提取器件低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak为1.18×10-11cm2/bit，记录此时相对应的铝箔厚度9um。
S3】基于对器件特征尺寸的了解或SPCIE电路仿真结果，获取了器件发生单粒子翻转的临界电荷为1fC。当离子LET值位于发生单粒子翻转的LET阈值附近时，此时灵敏体积深度为STI隔离氧化层厚度0.324μm。基于公式计算器件发生单粒子翻转的LET阈值为0.3MeV.cm2/mg。
Qcritical＝10.35×LETth×DSV
式中，Qcritical为器件单粒子翻转临界电荷，单位为fC；LETth为器件单粒子翻转LET阈值，DSV为器件灵敏体积深度，单位为μm。
S4】利用SRIM(离子在物质中的阻止本领和射程)计算质子在硅中直接电离LET值与质子能量的关系曲线，见图4，基于LET阈值判断能够引发器件发生单粒子翻转的质子能量区间为8-400keV。
S5】利用SRIM计算30000个1.2MeV质子穿过9um厚的铝箔和多层金属布线层后到达器件灵敏区的质子能谱分布，见图5。对该曲线进行分析，统计能量位于8-400keV之间的质子数占入射总质子数的百分比ε为98.5％，进一步计算在该能量区间内的平均质子能量为270keV，以及相对应的平均LET值为0.35MeV.cm2/mg。
S6】基于S2】的单粒子翻转峰值截面σpeak和S5】中的质子数百分比ε，计算与平均LET值相对应的有效单粒子翻转截面σeff，计算方法如下：
σeff＝σpeak/ε
经计算，与平均LET值相对应的单粒子翻转截面σeff为1.20×10-11cm2/bit。
S7】进一步将该平均LET值以及相对应的单粒子翻转截面σeff添加在重离子单粒子翻转截面曲线中，见图6，补充低LET值重离子单粒子翻转截面数据，提高威布尔曲线拟合精度。
Claims (8)
1.一种获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取器件封装信息、灵敏区上方多层金属布线层或衬底信息、器件STI隔离氧化层厚度信息；
步骤二：基于质子加速器开展纳米器件低能质子直接电离引发单粒子翻转的辐照实验，提取器件低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak，并记录相对应的降能片厚度；
步骤三：获取器件发生单粒子翻转的临界电荷，计算器件发生单粒子翻转的LET阈值；
步骤四：基于LET阈值判断能够引发器件发生单粒子翻转的质子能量区间，计算在器件低能质子单粒子翻转峰值位置处，器件灵敏区内位于该能量区间的质子数占入射总质子数的百分比ε，并计算相应的平均质子能量以及平均LET值；
步骤五：依据步骤二的低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak和步骤四的质子数百分比ε，计算与平均LET值相对应的有效单粒子翻转截面σeff。
2.如权利要求1所述的获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：
所述器件封装信息、灵敏区上方多层金属布线层或衬底信息、器件STI隔离氧化层厚度信息是通过对器件进行纵切分析或参考器件设计资料获得。
3.如权利要求2所述的获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：
所述器件封装信息、灵敏区上方多层金属布线层或衬底信息包括器件封装层、多层金属布线层、衬底层厚度与材料信息。
4.如权利要求1所述的获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
2.1)基于对器件信息的掌握，选定合适的质子加速器和初始质子能量开展纳米器件低能质子单粒子效应实验；
2.2)采用不同厚度降能片获取低于初始质子能量的质子，能量从高到低依次测量纳米器件单粒子翻转截面，测试低能质子直接电离引发的单粒子翻转截面峰，单粒子翻转截面σ计算公式如下：
式中，σ为器件单位粒子翻转截面，单位cm2/bit；F为入射质子注量，单位p/cm2；M为器件存储容量；N为单粒子翻转数量；
2.3)进一步提取器件低能质子单粒子翻转峰值截面σpeak，并记录此时与单粒子翻转截面峰相对应的降能片厚度。
5.如权利要求1所述的获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，所述步骤三具体为：
3.1)基于器件特征尺寸或SPCIE电路仿真结果，获取器件发生单粒子翻转的临界电荷；
3.2)依据下式计算器件发生单粒子翻转的LET阈值：
Qcritical＝10.35×LETth×DSV (3-2)
式中，Qcritical为器件单粒子翻转临界电荷，单位为fC；LETth为器件单粒子翻转LET阈值；DSV为器件灵敏体积深度，单位为μm，此处为STI厚度。
6.如权利要求1所述的获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，所述步骤四具体为：
4.1)利用SRIM软件计算质子在硅中直接电离LET值与质子能量的关系曲线，基于器件单粒子翻转LET阈值判断能够引发器件发生单粒子翻转的质子能量区间；
4.2)利用SRIM计算初始质子能量穿过与单粒子翻转峰对应的降能片厚度以及器件不同材料到达器件灵敏区的质子能谱分布；
4.3)基于器件灵敏区内的质子能谱分布，统计能量位于4.1)质子能量区间的质子数占入射总质子数的百分比ε；
4.4)进一步计算在该能量区间的平均质子能量，以及相应的平均LET值。
7.如权利要求6所述的获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，所述步骤五具体为：
基于步骤四获取的质子百分比ε，对步骤二中的单粒子翻转峰值截面σpeak进行重新计算，获取与平均LET值相对应的有效单粒子翻转截面σeff，计算方法如下：
σeff＝σpeak/ε (7-1)
式中，σeff为有效单粒子翻转截面，σpeak为质子单粒子翻转峰值截面，ε为步骤4.3)质子能量区间的质子数占入射总质子数的百分比。
8.如权利要求1至7之任一所述的基于器件低能质子实验数据获取低LET值重离子单粒子翻转截面的方法，其特征在于，所述器件为纳米正装器件或纳米倒装器件。
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