[发明专利]一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法

说明书

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。

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.LowEnergy 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 in65nm 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“JonathanA.Pellish,Paul W.Marshall,Kenneth P.Rodbell,et al.Criticality of Low-EnergyProtons in Single-Event Effects Testing of Highly-Scaled Technologies，IEEETrans.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 theTotal 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。