一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法

摘要

本发明提供了一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法，包括步骤：建立被研究半导体存储器件的器件模型；获取器件模型的蝴蝶特性曲线；对器件模型的蝴蝶特性曲线进行校准；在半导体器件数值计算模型中添加重离子单粒子效应物理模型；设定重离子单粒子效应物理模型参数的抽样方式；获取不同LET值和不同入射角度的重离子导致的单粒子翻转截面；计算器件模型的单粒子效应敏感体积参数；构建被研究半导体存储器件的几何结构模型；设定低能质子源的抽样方式；获取不同能量的低能质子单粒子翻转截面。本发明提高了敏感体积参数的获取效率，具有成本低、计算效率高、可执行性好等优点。

说明书

技术领域

本发明属于空间辐射效应及加固技术领域，涉及一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法。本发明所述的低能质子指能量小于10MeV的质子。

背景技术

宇宙空间中存在大量高能粒子，高能粒子穿透航天器屏蔽层进入到内部电子学系统并与系统中的半导体器件发生相互作用产生电子-空穴对，电子-空穴对被系统中的敏感电路节点收集后导致系统功能受损，影响航天器的在轨可靠运行。这种效应是单个粒子作用的结果，因此称为单粒子效应。

宇宙空间中的质子引发单粒子效应的机制有两种：核反应和直接电离。

高能质子与半导体材料发生核反应生成次级重离子，次级重离子通过电离作用产生电子-空穴对以诱发单粒子效应，这一过程被认为是质子单粒子效应的主要作用机制。

质子也可以与半导体材料发生直接电离作用，由于质子与硅材料直接电离的LET值(LET值是单粒子效应的一项重要参数，代表离子在穿透介质时的能量损失率)很低，一般认为质子直接电离不会导致单粒子效应。然而，当器件的特征尺寸进入纳米尺度时，器件发生单粒子效应的临界电荷很低，低能质子直接电离(质子的LET值随着质子能量的增大而减小，所以低能质子的LET值相对较高)导致的单粒子效应已经不容忽视。低能质子直接电离的相关报道最早始于1997年的文献“S.Duzellier,R.Ecoffet,D.Falgukre,et al.Low Energy Proton Induced SEE in Memories,IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.44,no.6,pp.2306-2310,1997.”，该文献报道了两款商用存储器分别在能量为2.3MeV和1MeV的低能质子辐照下出现单粒子翻转截面增大的现象，认为该现象由低能质子直接电离引起。但后来低能质子直接电离的研究并未引起足够重视，直到2007年，文献“K.P.Rodbell,D.F.Heidel,H.H.K.Tang,et al.Low-Energy proton-induced single-event-upsets in 65nm node,silicon-on-insulator,latches and memory cells,IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.54,no.6,pp.2474-2479,Dec.2007.”证明了能量小于2MeV的质子会导致65nm工艺的SOI锁存器和SRAM发生单粒子翻转。后续研究人员针对不同工艺节点的器件开展了低能质子直接电离的试验研究且近年来研究热度不断上升，更值得注意的是，文献“Jonathan A.Pellish,Paul W.Marshall,Kenneth P.Rodbell,et al.Criticality of Low-Energy Protons in Single-Event Effects Testing of Highly-Scaled Technologies，IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.61,no.6,pp.2896-2903,Dec.2014.”指出对于32nm及即将到来的22nm、14nm工艺，低能质子直接电离导致的多位翻转将不容忽视。文献“N.A.Dodds,M.J.Martinez,P.E.Dodd,et al.The Contribution of Low-Energy Protons to the Total On-Orbit SEU Rate，in Proc.IEEE Radiation Effects Data Workshop,2015,pp.1-12.”针对20nm-90nm工艺节点的bulk和SOI工艺CMOS器件，评估了其在几种不同轨道上的低能质子直接电离翻转率对总翻转率的贡献，发现在器件正常工作电压负向波动10％的范围内，考虑低能质子直接电离时计算得到的SEU翻转率比不考虑低能质子直接电离时计算的SEU翻转率最大可高出4.3倍。通过以上研究现状可以看出，低能质子直接电离对航天器可靠性的影响需引起足够重视。

单粒子翻转截面是预估器件在轨单粒子翻转率的重要输入，对宇航用电子器件的可靠性分析具有重要作用。开展低能质子直接电离试验可获取器件的低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面，但试验中低能质子不可避免地受被测器件的金属布线等因素影响而发生能谱展宽，使得截面曲线中质子能量的分辨率降低，影响器件的低能质子在轨单粒子翻转率预估的准确性。文献“Brian D.Sierawski,Jonathan A.Pellish,Robert A.Reed,et al.Impact of Low-Energy Proton Induced Upsets on Test Methods and Rate Predictions，IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.56,no.6,pp.3085-3092,Dec.2009.”报道了基于仿真的低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法，该方法采用加权灵敏体积模型开展MRED(Monte Carlo Energy Deposition)计算得到低能质子直接电离致单粒子翻转截面，在构建灵敏体积模型过程中，通过重离子试验获取的单粒子效应截面数据和高能质子试验获取的单粒子效应截面数据来迭代校准预设的单粒子效应敏感体积参数，校准过程复杂，也没有公开具体的校准流程，可借鉴性差。

综上所述，现存的低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法在数据可靠性、可执行性、计算效率等方面存在诸多问题，建立一种新的低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有低能质子直接电离导致单粒子翻转截面获取方法校准过程复杂、可借鉴性差的缺点，本发明提供了一种基于仿真的低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法，具有敏感体积参数获取效率高、可执行性好的优点。

本发明的发明构思是：

建立被研究半导体存储器件的器件模型，执行不同角度、多LET值的重离子单粒子效应器件物理仿真，利用仿真获取的截面数据计算单粒子效应敏感体积厚度这一关键参数，在此基础上构建器件的几何结构模型，通过粒子输运模拟获取低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面。

本发明的技术解决方案是：

一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法，包括步骤：

1)建立被研究半导体存储器件的器件模型；

2)求解半导体器件数值计算模型方程，获取所述器件模型的蝴蝶特性曲线；

3)对步骤2)获取的器件模型的蝴蝶特性曲线进行校准；

4)在所述半导体器件数值计算模型方程中添加重离子单粒子效应物理模型；

其特殊之处在于，还包括步骤：

5)设定重离子单粒子效应物理模型参数的抽样方式，包括入射方向、重离子LET值、入射位置的抽样，分别设定为：

入射方向为(1，0，0)；

重离子LET值在集合{LET₁，LET₂，LET₃，……，LET_n}中选取，其中LET₁处于器件模型单粒子翻转截面曲线的阈值区域，LET_n处于器件模型单粒子翻转截面曲线的饱和区域；LET₂、LET₃、……、LET_n-1分布在器件模型单粒子翻转截面曲线的中间区域，并且LET₂和LET_n-1之间有两倍或两倍以上的跨度；所述n为大于等于5的整数；

入射位置在器件模型表面均匀生成，位置坐标(x_h0，y_h0)的抽样方法为：

其中ζ_h1、ζ_h2为[0，1]区间均匀分布的随机数，a、b分别为器件模型的长度和宽度；

6)获取不同重离子LET值和不同入射角度的重离子导致的单粒子翻转截面，具体为：

6.1)在集合{LET₁，LET₂，LET₃，……，LET_n}中选定LET₁，设置重离子LET值为LET₁；

6.2)设置入射方向为(1，0，0)；

6.3)按照步骤5)中设定的入射位置抽样方法，执行入射位置抽样，每执行一次入射位置抽样，就求解添加重离子单粒子效应物理模型的半导体器件数值计算模型方程，获取该入射位置的单粒子翻转情况，直至入射位置覆盖器件模型表面，最后统计所有入射位置的单粒子翻转情况，计算出发生单粒子翻转的位置所占的总面积，即为LET₁对应的单粒子翻转截面σ₁；

6.4)按照步骤6.2)和6.3)的方法获取集合{LET₁，LET₂，LET₃，……，LET_n}中其它LET值所对应的单粒子翻转截面σ₂，σ₃，……，σ_n，然后通过拟合获取重离子单粒子翻转截面曲线，通过所述重离子单粒子翻转截面曲线得到饱和翻转截面σ_max；

6.5)将重离子单粒子效应物理模型中的LET赋值为LET_n，重离子入射方向设置为与器件模型表面法线方向呈θ角，0°﹤θ≤60°，按照步骤6.3)的方法获取单粒子翻转截面σ′_n；

7)根据步骤6)获得的重离子单粒子效应截面数据，计算器件模型的单粒子效应敏感体积参数；所述单粒子效应敏感体积为平行六面体结构，其敏感体积参数为长度L、宽度W和厚度H，根据下面两个公式求解：

8)基于步骤7)获得的单粒子效应敏感体积参数，构建被研究半导体存储器件的几何结构模型；

9)设定低能质子源的抽样方式，包括入射方向、质子能量、入射位置的抽样设定，具体为：

入射方向为(1，0，0)；

质子能量E_i＝i*ΔE，其中i＝1，2，3……，ΔE≤0.05MeV，E_i≤10MeV；

入射位置在所述几何结构模型的表面均匀生成，质子位置坐标(x_p0，y_p0)的抽样方法为：

其中ζ_p1、ζ_p2为[0，1]区间均匀分布的随机数，a、b分别为几何结构模型的长度和宽度；

10)获取不同能量的低能质子单粒子翻转截面，具体为：

10.1)设置质子能量为E₁＝ΔE；

10.2)设置低能质子入射方向为(1，0，0)，按步骤9)设定的抽样方法执行入射位置抽样，每执行一次入射位置抽样后，计算低能质子在步骤8)所述的敏感体积内的沉积电荷，若沉积电荷大于等于Q_c，Q_c＝LET_0.5×H，LET_0.5为重离子单粒子翻转截面曲线中饱和截面的50％所对应的LET值，则认为器件模型发生单粒子翻转，否则，认为器件模型未发生单粒子翻转，以此获取该入射位置的单粒子翻转情况，直至入射位置覆盖器件模型表面，最后统计所有入射位置的单粒子翻转情况；该能量的低能质子的单粒子翻转截面由如下公式计算得到：

其中N为单粒子翻转数，F为低能质子的注量；

10.3)按照步骤10.1)-10.2)的方法获取其它能量的低能质子的单粒子翻转截面数据。

进一步地，上述步骤1)器件模型的建立方法为：选取被研究的半导体存储器件，从该器件的制造厂获取其材料组分、几何结构和掺杂参数，在TCAD中通过器件模型编辑语言建立所述半导体存储器件的器件模型。

进一步地，上述步骤2)中的半导体器件数值计算模型方程包括泊松方程、漂移扩散方程以及载流子连续方程，依次如下：

其中：

分别是电子、空穴的电流密度；

G_n、G_p分别是电子、空穴的产生率；

R_n、R_p分别是电子、空穴的复合率；

D_n、D_p分别是电子、空穴的扩散系数；

μ_n、μ_p分别是电子、空穴的的迁移率；

是电场密度；

n是电子密度；

p是空穴密度；

q为电子电量；

为电离施主杂质浓度；

为电离受主杂质浓度；

ε硅的介电常数；

为电势；

上述步骤2)中蝴蝶特性曲线包括器件模型左侧位线电压随右侧位线电压的变化曲线、器件模型右侧位线电压随左侧位线电压的变化曲线。

进一步地，上述步骤3)中蝴蝶特性曲线校准方法为：

3.1)从被研究半导体存储器件的制造厂获取半导体存储器件的Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)集约模型；

3.2)通过所述Spice集约模型进行电路模拟，获得被研究半导体存储器件的蝴蝶特性曲线；

3.3)将所述器件模型的蝴蝶特性曲线与所述半导体存储器件的蝴蝶特性曲线相比较，若二者一致，表示所述器件模型符合要求；若二者不一致，调整步骤1)中所述器件模型的模型参数，直至所述器件模型符合要求为止。

进一步地，上述步骤4)中重离子单粒子效应物理模型G(w,l,t)为：

G(w,l,t)＝G_LET(l)×R(w,l)×T(t)>

其中：

G(w,l,t)为载流子产生率函数；

G_LET(l)为线性能量传输的载流子产生密度；

R(w,l)为载流子的空间分布函数；

T(t)为载流子的时间分布函数；

a₁-a₄、c₁-c₄为物理模型的默认常数；

k＇为与离子入射半径相关的参数；

LET为重离子穿透介质时的能量损失率；

l为径迹长度变量；

w为径迹半径变量；

t为时间变量。

进一步地，上述步骤8)几何结构模型的构建方法为：在粒子输运计算软件中通过器件几何结构模型编辑语言定义所述半导体存储器件的材料组分、几何结构和敏感体积结构，生成所述半导体存储器件的几何结构模型。

进一步地，为保证器件模型单粒子翻转截面曲线的拟合效果，上述步骤5)中LET₂、LET₃、……、LET_n-1均匀分布在器件模型单粒子翻转截面曲线的中间区域。

进一步地，考虑到实际仿真的成本、效率，又要保证仿真的准确度，上述步骤6)中的重离子LET值在集合{LET₁，LET₂，LET₃，LET₄，LET₅}中选取。

本发明的有益效果：

1、本发明利用不同角度、多LET值的重离子单粒子效应器件物理仿真获取的截面数据来计算单粒子效应敏感体积厚度这一关键参数，与现有加权灵敏体积模型构建方法相比，规避了其复杂的校准过程，提高了敏感体积参数的获取效率，具有成本低、计算效率高、可执行性好等优点。

2、本发明以半导体存储器件为研究对象构建器件模型，在重离子单粒子效应截面数据与敏感体积厚度之间建立起直接关联，排除了重离子试验中多位翻转截面数据的干扰，保证了数据的可靠性。

3、本发明通过仿真方法获取低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面，可规避试验方法中金属布线引起的质子能谱展宽问题，使低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面曲线中质子能量的分辨率得以提高。

4、本发明为半导体存储器件的低能质子在轨单粒子翻转率预估提供了支撑。

附图说明

图1为本发明一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法的流程图；

图2为静态随机存储器单元的器件模型示意图；图中1-二氧化硅；2-钨、钛；3-硅；4-铝；

图3为器件模型的蝴蝶特性曲线示意图；图中曲线A为左侧位线电压随右侧位线电压的变化曲线；曲线B为右侧位线电压随左侧位线电压的变化曲线；

图4为蝴蝶特性曲线校准的基本流程图；

图5为器件模型的蝴蝶特性曲线与Spice集约模型的蝴蝶特性曲线相符合的示意图；图中曲线A为Spice集约模型的左侧位线电压随右侧位线电压的变化曲线；曲线B为Spice集约模型的右侧位线电压随左侧位线电压的变化曲线；图中曲线C为器件模型的左侧位线电压随右侧位线电压的变化曲线；曲线D为器件模型的右侧位线电压随左侧位线电压的变化曲线；

图6为LET值的分布示意图，图中E处为饱和区；

图7为LET₁所对应的单粒子翻转情况统计的示意图，图中Ⅰ处为器件模型表面，Ⅱ处为发生单粒子翻转的区域；

图8为重离子单粒子翻转截面曲线示意图；

图9为敏感体积的结构示意图；

图10为器件的几何结构模型示意图，图中Ⅲ为几何结构模型，Ⅳ为敏感体积；

图11为低能质子的单粒子翻转截面数据的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法包括以下步骤：

1】选取被研究的半导体存储器件，例如某种型号的静态随机存储器，从该静态随机存储器的制造厂获取存储器的材料组分、几何结构和掺杂参数(二氧化硅1，钨、钛2，硅3，铝4)，在TCAD(Technology Computer Aided Design，即半导体工艺模拟以及器件模拟工具)中通过器件模型编辑语言建立该静态随机存储器的器件模型，如图2所示。

2】针对静态随机存储器单元的器件模型求解半导体器件数值计算模型方程，即泊松方程、漂移扩散方程和载流子连续性方程，获取步骤1】得到的器件模型的蝴蝶特性曲线，包括器件模型左侧位线电压随右侧位线电压的变化曲线、器件模型右侧位线电压随左侧位线电压的变化曲线，如图3所示；泊松方程、漂移扩散方程和载流子连续性方程依次如下所示：

其中：

分别是电子、空穴的电流密度；

G_n、G_p分别是电子、空穴的产生率；

R_n、R_p分别是电子、空穴的复合率；

D_n、D_p分别是电子、空穴的扩散系数；

μ_n、μ_p分别是电子、空穴的的迁移率；

是电场密度；

n是电子密度；

p是空穴密度；

q为电子电量；

为电离施主杂质浓度；

为电离受主杂质浓度；

ε硅的介电常数；

为电势。

3】按照附图4所示流程对步骤2】所得器件模型的蝴蝶特性曲线进行校准，使器件模型的蝴蝶特性曲线与所述静态随机存储器制造厂提供的Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，集成电路仿真程序)集约模型的蝴蝶特性曲线相符合；当器件模型的蝴蝶特性曲线与Spice集约模型的蝴蝶特性曲线接近重合时表示二者相符合，如图5所示。

4】在步骤2】中的半导体器件数值计算模型方程中添加重离子单粒子效应物理模型，即将重离子单粒子效应物理模型添加到步骤2】中的漂移扩散方程的载流子产生项G_n和G_p中；重离子单粒子效应物理模型具体为：

G(w,l,t)＝G_LET(l)×R(w,l)×T(t)

其中：

G(w,l,t)为载流子产生率函数；

G_LET(l)为线性能量传输的载流子产生密度；

R(w,l)为载流子的空间分布函数；

T(t)为载流子的时间分布函数；

a₁-a₄、c₁-c₄为物理模型的默认常数；

k’为与离子入射半径相关的参数；

LET为重离子穿透介质时的能量损失率；

l为径迹长度变量；

w为径迹半径变量；

t为时间变量。

5】设定重离子单粒子效应物理模型参数的抽样方式，具体设定形式如下：

设置入射方向为(1，0，0)，即入射方向与所述器件模型表面垂直；

重离子LET值在集合{LET₁，LET₂，LET₃，LET₄，LET₅}中选取，其中LET₁应处于器件模型单粒子翻转截面曲线的阈值区域，LET₅应处于器件模型单粒子翻转截面曲线的饱和区域；LET₂、LET₃、LET₄应均匀分布在器件模型单粒子翻转截面曲线的中间区域，并且LET₂和LET₄之间有两倍或两倍以上的跨度，LET值的分布如图6所示，图中E为饱和区；

入射位置在所述器件模型表面均匀生成，位置坐标(x_h0，y_h0)的抽样方法为：

其中ζ_h1、ζ_h2为[0，1]区间均匀分布的随机数，a、b分别为器件模型的长度和宽度。

6】获取不同LET值和不同入射角度的重离子导致的单粒子翻转截面，具体步骤如下：

6.1】在集合{LET₁，LET₂，LET₃，LET₄，LET₅}中选定LET₁，设置重离子LET值为LET₁；

6.2】设置入射方向为(1，0，0)；

6.3】按照步骤5】设定的入射位置抽样方法，执行入射位置抽样，每执行一次入射位置抽样，就求解添加重离子单粒子效应物理模型的半导体器件数值计算模型方程，获取该入射位置的单粒子翻转情况，直至入射位置覆盖器件模型表面，最后统计所有入射位置的单粒子翻转情况，计算出发生单粒子翻转的位置所占的总面积，即为LET₁所对应的单粒子翻转截面σ₁，如图7所示；

6.4】按照步骤6.2】和6.3】的方法获取集合{LET₁，LET₂，LET₃，LET₄，LET₅}中其它LET值所对应的单粒子翻转截面σ₂，σ₃，σ₄，σ₅，然后通过Weibull拟合获取重离子单粒子翻转截面曲线，如图8所示，通过所述重离子单粒子翻转截面曲线得到饱和翻转截面σ_max，即所述重离子单粒子翻转截面曲线达到饱和时的截面值；

6.5】将重离子单粒子效应物理模型中的LET赋值为LET₅，将重离子入射方向设置为与器件模型表面法线方向呈θ角(考虑到实际试验中被测器件的封装对重离子束流的遮挡因素，θ的取值范围为0°﹤θ≤60°)，按照步骤6.3】的方法获取单粒子翻转截面σ′₅。

7】根据步骤6】获得的重离子单粒子效应截面数据，计算器件模型的单粒子效应敏感体积参数；所述单粒子效应敏感体积为平行六面体结构，如图9所示，其敏感体积参数为长度L、宽度W和厚度H，各参数通过下面两个公式计算：

8】基于步骤7】获得的单粒子效应敏感体积参数，构建被研究半导体存储器件的几何结构模型，具体方法为：

在粒子输运计算软件中通过器件几何结构模型编辑语言定义所述静态随机存储器的材料组分、器件几何结构和敏感体积结构，生成静态随机存储器的几何结构模型；其中材料组分和器件几何结构用于描述器件各组成部分的形状、大小和材料，具体信息来源于步骤1】；敏感体积结构为平行六面体，参数包括长度L、宽度W和厚度H，步骤7】给出了这三个参数的计算公式；构建的几何结构模型如图10所示。

9】设定低能质子源的抽样方式，具体设定如下：

设置入射方向为(1，0，0)，即低能质子源的入射方向与几何结构模型表面垂直；

质子能量E_i＝i*ΔE，其中i＝1，2，3……，ΔE≤0.05MeV，E_i≤10MeV；

入射位置在器件几何结构模型表面均匀分布，质子位置坐标(x_p0，y_p0)的抽样方法为：

其中ζ_p1、ζ_p2为[0，1]区间均匀分布的随机数，a、b分别为几何结构模型的长度和宽度。

10】获取不同能量的低能质子单粒子翻转截面，具体步骤如下：

10.1】设置质子能量为E₁＝ΔE；

10.2】设置低能质子入射方向为(1，0，0)，按步骤9】设定的抽样方法执行入射位置抽样，每执行一次入射位置抽样后，计算低能质子在步骤8】所述的敏感体积内的沉积电荷，若沉积电荷大于等于Q_c(Q_c＝LET_0.5×H，LET_0.5为重离子单粒子翻转截面曲线中饱和截面的50％所对应的LET值)，则认为器件模型发生单粒子翻转，否则，认为器件模型未发生单粒子翻转，以此获取该入射位置的单粒子翻转情况，直至入射位置覆盖器件模型表面，最后统计所有入射位置的单粒子翻转情况；质子能量为E₁的单粒子翻转截面由如下公式计算得到：

其中N为单粒子翻转数，F为低能质子的注量(即单位面积的入射质子数)。

10.3】按照步骤10.2】的方法获取其它能量的低能质子的单粒子翻转截面数据，其数据分布如图11所示。