一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种低能质子直接电离导致的单粒子翻转截面获取方法
本专利技术属于空间辐射效应及加固
，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。本专利技术所述的低能质子指能量小于10MeV的质子。
技术介绍
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,etal.LowEnergyProtonInducedSEEinMemories,IEEETrans.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,etal.Low-Energyproton-inducedsingle-event-upsetsin65nmnode,silicon-on-insulator,latchesandmemorycells,IEEETrans.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,PaulW.Marshall,KennethP.Rodbell,etal.CriticalityofLow-EnergyProtonsinSingle-EventEffectsTestingofHighly-ScaledTechnologies，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,etal.TheContributionofLow-EnergyProtonstotheTotalOn-OrbitSEURate，inProc.IEEERadiationEffectsDataWorkshop,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“BrianD.Sierawski,JonathanA.Pellish,RobertA.Reed,etal.ImpactofLow-EnergyProtonInducedUpsetsonTestMethodsandRatePredictions，IEEETrans.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(MonteCarloEnergyDeposition)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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的专利技术构思是：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。本专利技术的技术解决方案是：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，……，LETn}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，LETn处于器件模型单粒子翻转截面曲线的饱和区域；LET2、LET3、……、LETn-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LETn-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(xh0，yh0)的抽样方法为：其中ζh1、ζh2为[0，1]区间均匀分布的随机数，a、b分别为器本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；其特征在于，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，……，LETn}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，LETn处于器件模型单粒子翻转截面曲线的饱和区域，LET2、LET3、……、LETn‑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LETn‑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(xh0，yh0)的抽样方法为：

【技术特征摘要】
1.一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；其特征在于，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，……，LETn}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，LETn处于器件模型单粒子翻转截面曲线的饱和区域，LET2、LET3、……、LETn-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LETn-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(xh0，yh0)的抽样方法为：其中ζh1、ζh2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，……，LETn}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，……，LETn}中其它LET值所对应的单粒子翻转截面σ2，σ3，……，σn，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σmax；6.5)将重离子单粒子效应物理模型中的LET赋值为LETn，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Ei＝i*ΔE，其中i＝1，2，3……，ΔE≤0.05MeV，Ei≤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(xp0，yp0)的抽样方法为：其中ζp1、ζp2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Qc，Qc＝LET0.5×H，LET0.5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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雯，王忠明，陈伟，丛培天，郭晓强，陈荣梅，罗尹虹，丁李利，郭红霞，王园明，潘霄宇，王坦，王勋，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61