重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法技术

本发明专利技术提出了重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，通过提取半导体器件工艺参数构建器件结构模型，利用Geant4工具模拟重离子入射到结构模型，考虑重离子与材料中的原子核反应，获得次级重离子能谱，统计能够导致器件发生单粒子翻转的次级重离子概率，并结合半导体器件的饱和翻转截面，计算得到初始重离子通过间接电离导致的单粒子翻转截面。通过本发明专利技术获得的翻转截面数据将对器件抗辐射特性的认识更加深入和全面，为器件的抗辐射加固分析和设计提出科学的建议。

【技术实现步骤摘要】
重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法
本专利技术涉及半导体器件单粒子翻转截面评估方法,特别是由重离子间接电离导致的半导体器件单粒子翻转截面评估方法，属于空间辐射效应领域。
技术介绍
航天器运行在一个十分恶劣的空间辐射环境中，地球辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线中的质子、电子、α以及重离子入射到航天器内部，与航天器电子元器件发生作用，造成电子元器件出现异常甚至损坏，影响航天器的正常工作。单粒子效应是威胁航天器安全的空间辐射效应之一，单粒子效应是单个粒子由于其本身较强的电离能力，即大的线性能量转移值(LET)，入射到器件的敏感节点，能通过电离作用产生大量电子—空穴对，电荷通过扩散和漂移被器件的敏感节点所收集，产生瞬态脉冲，影响器件的正常工作，导致航天器功能异常，甚至彻底失效。单粒子翻转是最为常见的单粒子效应之一，它的危害是引起半导体存储器的数据发生翻转，存储器主要存储重要数据和指令代码，存储器的正常工作对于航天器安全非常重要，航天器故障数据统计表明，单粒子翻转是宇航存储器需要重点关注和考虑的潜在风险。单粒子翻转主要是由具有大的线性能量转移值的重离子引起，重离子入射到宇航半导体器件和电路，与器件中原子发生复杂的相互作用过程，如电离、核弹性散射和非弹性散射等，相互作用的结果就是入射重离子损失能量。按作用类型来分，重离子在半导体器件内的能量损失存在两种方式：直接电离和间接电离。直接电离是入射重离子与器件材料原子核外电子相互作用，导致材料原子直接电离，产生电子—空穴对，被电路敏感节点所收集，触发单粒子翻转。间接电离过程是入射重离子先与材料中的原子发生核反应，核反应产生的次级重离子再通过直接电离，在器件灵敏单元沉积能量导致器件发生单粒子翻转。对于较大特征尺寸的器件，单粒子翻转的LET阈值普遍较高，重离子通过直接电离方式导致单粒子翻转是最主要的形式，间接电离几乎不考虑。但近年随着器件的特征尺寸越来越小，先进器件的单粒子翻转LET阈值逐渐下降，重离子通过间接电离导致单粒子翻转逐渐受到关注。特别是对于采用了抗辐射以及高Z材料的先进半导体器件，在LET阈值以下，重离子间接电离对单粒子翻转的贡献开始显现，并且空间低LET值的重离子通量远大于空间高LET值的重离子通量，在评估半导体器件在轨单粒子事件率时，仅考虑重离子直接电离对单粒子翻转的贡献，存在器件单粒子翻转敏感性被低估的风险。当前高能低LET重离子间接电离导致单粒子翻转实验数据非常匮乏，而且缺乏低LET重离子通过间接电离导致单粒子翻转的截面计算方法，迫切需要一种通用的低LET重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转的计算方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，考虑低LET重离子间接电离方式对单粒子翻转贡献，准确、全面地评估器件在空间环境中受到的辐射威胁。本专利技术的技术解决方案是：重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，该方法步骤如下：(1)、获取被评估半导体器件的单粒子翻转饱和截面σ饱和和线性能量转换阈值LET阈；(2)、构建被评估半导体器件敏感单元结构；(3)、选取线性能量转移值小于被评估器件的单粒子翻转线性能量转移阈值LET阈的重离子，模拟重离子从表面随机入射到被评估半导体器件敏感单元结构内部，入射重离子与被评估半导体器件材料原子电离作用过程，产生次级重离子，获得进入被评估半导体器件敏感区的各种次级重离子的能谱图fz(E),z＝1～Z，Z为次级重离子的种类数；(4)、根据进入被评估半导体器件敏感区的各种次级重离子的能谱图，计算各种次级重离子可导致单粒子翻转的概率P(z),z＝1～Z，并将各种次级重离子可导致单粒子翻转的概率求和，得到次级重离子导致单粒子翻转的总概率P；(5)、利用次级重离子导致单粒子翻转的总概率P和被评估半导体器件的单粒子翻转饱和截面σ饱和，计算得到重离子通过间接电离导致被评估半导体器件单粒子翻转截面σ间。所述步骤(3)中选取的重离子的能量满足在硅中射程不小于30μm的要求。所述步骤(2)结合器件的实际工艺参数和敏感区为长方体的IRPP模型，构建器件敏感单元结构，所述实际工艺参数包括被评估半导体器件的材料及每一种材料厚度。所述步骤(3)采用Geant4工具实现。所述步骤(3)的具体步骤为：(3.1)、将被评估半导体器件敏感单元结构导入至Geant4工具中；(3.2)、选取线性能量转移值小于被评估器件的单粒子翻转线性能量转移阈值LET阈的重离子；(3.3)、在Geant4中选择multiplescattering、ionionization、G4HadronInelasticProcess和G4BinaryLightIonReaction模块，用于模拟入射重离子与被评估半导体器件材料原子电离作用过程，选择重离子从表面随机入射到被评估半导体器件敏感单元结构内部，入射重离子与被评估半导体器件材料原子发生核反应，产生次级重离子，获得进入被评估半导体器件敏感区的各种次级重离子的能谱图；(3.4)、获得每种次级重离子的能谱图fz(E),z＝1～Z，E代表次级重离子的能量。步骤(4)中计算各种次级重离子可导致单粒子翻转的概率P(z)的具体步骤如下：(4.1)、根据器件单粒子翻转的LET阈值，利用SRIM工具计算各种次级重离子的能量阈值Ez0；(4.2)、在步骤(3)获得的各种次级重离子能谱图中，对能量大于Ez0的次级重离子概率进行求和，获得各种次级重离子能够导致单粒子翻转的概率P(z)：其中，Ez∞为第z种次级重离子能谱图中最大的能量值。步骤(4)中次级重离子导致单粒子翻转的总概率P的计算公式为：。所述步骤(5)中重离子通过间接电离导致被评估半导体器件单粒子翻转截面σ间的计算公式为：σ间=P×σ饱。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)、本专利技术通过利用器件本身的单粒子翻转饱和截面和LET阈值获得重离子间接电离导致单粒子翻转截面，可以更加全面地了解器件抗单粒子翻转的能力。(2)本专利技术利用Geant4模拟重离子入射到构建的单元结构，通过增选“G4BinaryLightIonReaction”模块，考虑入射重离子与材料原子核反应产生次级重离子，提高了器件抗单粒子翻转敏感性的准确度；(3)、本专利技术采用器件工艺参数和IRPP模型构建的器件敏感单元，提高了模拟方法的科学性，保证了结果的可靠性；(4)、本专利技术所述方法关注低LET重离子间接电离对器件单粒子翻转敏感性的贡献，可以为器件在轨单粒子事件预估提供重要参考。(5)、本专利技术所述计算方法简单有效，易操作，大大节省财力和获取周期，经济高效。附图说明图1为本专利技术低LET重离子间接电离导致单粒子翻转的计算方法流程图；图2为本专利技术实施例构建的器件敏感单元结构剖面示意图；图3(a)为本专利技术实施例次级Li离子能量谱图；图3(b)为本专利技术实施例次级C离子能量谱图；图3(c)为本专利技术实施例次级N离子能量谱图；图3(d)为本专利技术实施例次级O离子能量谱图；图3(e)为本专利技术实施例次级F离子能量谱图；图3(f)为本专利技术实施例次级Ne离子能量谱图；图3(g)为本专利技术实施例次级Na离子能量谱图；图3(h)为本专利技术实施例次级Al离子能量谱图；图3(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，其特征在于步骤如下：(1)、获取被评估半导体器件的单粒子翻转饱和截面σ饱和和线性能量转换阈值LET阈；(2)、构建被评估半导体器件敏感单元结构；(3)、选取线性能量转移值小于被评估器件的单粒子翻转线性能量转移阈值LET阈的重离子，模拟重离子从表面随机入射到被评估半导体器件敏感单元结构内部，入射重离子与被评估半导体器件材料原子电离作用过程，产生次级重离子，获得进入被评估半导体器件敏感区的各种次级重离子的能谱图fz(E),z＝1～Z，Z为次级重离子的种类数；(4)、根据进入被评估半导体器件敏感区的各种次级重离子的能谱图，计算各种次级重离子可导致单粒子翻转的概率P(z),z＝1～Z，并将各种次级重离子可导致单粒子翻转的概率求和，得到次级重离子导致单粒子翻转的总概率P；(5)、利用次级重离子导致单粒子翻转的总概率P和被评估半导体器件的单粒子翻转饱和截面σ饱和，计算得到重离子通过间接电离导致被评估半导体器件单粒子翻转截面σ间。

【技术特征摘要】
1.重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，其特征在于步骤如下：(1)、获取被评估半导体器件的单粒子翻转饱和截面σ饱和和线性能量转换阈值LET阈；(2)、构建被评估半导体器件敏感单元结构；(3)、选取线性能量转移值小于被评估器件的单粒子翻转线性能量转移阈值LET阈的重离子，模拟重离子从表面随机入射到被评估半导体器件敏感单元结构内部，入射重离子与被评估半导体器件材料原子电离作用过程，产生次级重离子，获得进入被评估半导体器件敏感区的各种次级重离子的能谱图fz(E),z＝1～Z，Z为次级重离子的种类数；(4)、根据进入被评估半导体器件敏感区的各种次级重离子的能谱图，计算各种次级重离子可导致单粒子翻转的概率P(z),z＝1～Z，并将各种次级重离子可导致单粒子翻转的概率求和，得到次级重离子导致单粒子翻转的总概率P；(5)、利用次级重离子导致单粒子翻转的总概率P和被评估半导体器件的单粒子翻转饱和截面σ饱和，计算得到重离子通过间接电离导致被评估半导体器件单粒子翻转截面σ间。2.根据权利要求1所述的重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，其特征在于：所述步骤(3)中选取的重离子的能量满足在硅中射程不小于30μm的要求。3.根据权利要求1所述的重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，其特征在于：所述步骤(2)结合器件的实际工艺参数和敏感区为长方体的IRPP模型，构建器件敏感单元结构，所述实际工艺参数包括被评估半导体器件的材料及每一种材料厚度。4.根据权利要求1所述的重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，其特征在于：所述步骤(3)采用Geant4工具实现。5.根据权利要求1所述的重离子间接电离导致半导体器件单粒子翻转截面评估方法，其特征在于：所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：古松，彭凯，王建军，张颖军，孙静，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61