用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)敏感性的方法，屬于 空間用元器件抗輻射技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器運(yùn)行在空間輻射環(huán)境，空間單個(gè)高能粒子與航天器電子系統(tǒng)用元器件發(fā)生 相互作用，可能導(dǎo)致元器件產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，是誘發(fā)航天器故障的重要因素之一。
[0003] 隨著微電子技術(shù)發(fā)展，器件特征尺寸發(fā)展至納米級(jí)，器件單粒子效應(yīng)更加敏感。質(zhì) 子直接電離的LET值最高可達(dá)0.45MeV- Cm2/mg，理論上，在重離子加速器輻照試驗(yàn)中，對(duì)LET 小于lMeV-cm2/mg的粒子仍能檢測到單粒子現(xiàn)象的器件，則質(zhì)子直接電離可引起單粒子翻 轉(zhuǎn)。國外已有相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明低能質(zhì)子直接電離引起的單粒子翻轉(zhuǎn)截面比高能質(zhì)子核反 應(yīng)產(chǎn)物引起的單粒子翻轉(zhuǎn)截面高2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此應(yīng)對(duì)納米器件低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)進(jìn)行 地面加速器試驗(yàn)評(píng)估。
[0004] 低能質(zhì)子直接電離效應(yīng)的試驗(yàn)需LET Bragg峰值附近能量質(zhì)子，質(zhì)子加速器不能 直接提供低能質(zhì)子，需經(jīng)過降能；目前工程上通常使用金屬降能片方法進(jìn)行降能。如圖1所 示為現(xiàn)有技術(shù)中質(zhì)子在硅中LET值和射程隨能量變化曲線，在峰值附近，質(zhì)子能量隨入射材 料厚度變化率較大，LET隨能量變化率較大，且工程使用的降能片厚度精度工程很難實(shí)現(xiàn) lOOum以下。通過現(xiàn)在常用的金屬降能片方法，很難使入射質(zhì)子在器件有源區(qū)（電荷收集有 效區(qū)）能量準(zhǔn)確達(dá)到LET峰值能量。
[0005] 器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性還與入射質(zhì)子的角度和方向有關(guān)。通常認(rèn)為平行于溝道寬 度的方向?yàn)樽盍臃较?；質(zhì)子以傾角入射到芯片表面，質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)可能增加。地面加速 器若要實(shí)現(xiàn)模擬空間質(zhì)子全向入射的環(huán)境，需要在低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)最劣的入射角度和 方向下進(jìn)行試驗(yàn)。
[0006] 目前已制定了重離子單粒子試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法，如航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ10005《宇航用半導(dǎo) 體器件重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)指南》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于采用加速器重離子評(píng)估器件因空間重 離子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)，不適用于評(píng)估質(zhì)子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)。已申請(qǐng)受理的專利《一種用 加速器高能質(zhì)子進(jìn)行器件質(zhì)子單粒子試驗(yàn)方法》對(duì)評(píng)估空間高能質(zhì)子引起的單粒子試驗(yàn)程 序和方法進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，但對(duì)能量選擇與獲得方法、入射方向和角度的選取方法等低能 質(zhì)子單粒子試驗(yàn)方法要素未有具體描述?？臻g輻射環(huán)境中有大量低能質(zhì)子，隨著微電子技 術(shù)的發(fā)展到納米級(jí)，器件的單粒子敏感度增加，低能質(zhì)子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)愈來愈顯著，需 要建立評(píng)估空間低能質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)的試驗(yàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用于測量納米器件低能質(zhì) 子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)敏感性的方法，給出了低能質(zhì)子能量選擇與獲取、入射角度和方向的選 取的具體實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)宇航用元器件，尤其是高集成度、小特征尺寸的深亞微米、納米器 件的低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)評(píng)估，最大程度滿足衛(wèi)星抗輻射加固設(shè)計(jì)的需求。
[0008] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：
[0010] (1)、選擇單粒子試驗(yàn)質(zhì)子入射方向，具體方法為：
[0011 ]使質(zhì)子以入射角度α入射器件表面，且質(zhì)子入射方向在器件表面的投影與器件表 面的一個(gè)邊平行，獲得單粒子翻轉(zhuǎn)截面Α1;仍使質(zhì)子以入射角度α入射器件表面，改變質(zhì)子 入射方向，使質(zhì)子在器件表面的投影與所述器件表面的一個(gè)邊垂直，獲得單粒子翻轉(zhuǎn)截面 Α2,比較Α1與Α2,以單粒子翻轉(zhuǎn)截面高的入射方向，確定為最劣入射方向，即單粒子試驗(yàn)各 能量質(zhì)子的入射方向；所述單粒子翻轉(zhuǎn)截面為單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)與入射質(zhì)子注量的比值;所述 入射角度α取值在設(shè)定值Β1和Β2之間；
[0012] (2)、選擇單粒子試驗(yàn)質(zhì)子入射角度，具體方法為：
[0013] 以步驟（1)確定的單粒子試驗(yàn)質(zhì)子入射方向，在設(shè)定值Β1和Β2之間變化入射角度 α，角度變化步進(jìn)為S，獲得質(zhì)子在不同入射角度α入射下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面，比較所述單粒 子翻轉(zhuǎn)截面，以單粒子翻轉(zhuǎn)截面最高的入射角度作為單粒子試驗(yàn)質(zhì)子入射角度；
[0014] (3)、選擇納米器件低能質(zhì)子單粒子試驗(yàn)質(zhì)子能量范圍為〇 · 01~〇 · IMeV;
[0015] (4)、確定獲得納米器件低能質(zhì)子單粒子試驗(yàn)質(zhì)子能量范圍內(nèi)的峰值能量Μ所需的 金屬降能膜厚度L1和降能空氣層厚度L2、L3,具體方法如下：
[0016] (a)、得到使福射源初始質(zhì)子通過金屬降能膜降能至2~3MeV時(shí)金屬降能膜的厚度 L1，并使輻射源初始質(zhì)子降能至2~3MeV;
[0017] (b)、得到使能量為2~3MeV質(zhì)子通過空氣層降能至0.2~0.3MeV時(shí)空氣層的厚度 L2，并使質(zhì)子能量從2~3MeV降能至0.2~0.3MeV;
[0018] (c)、以逐步增加或減少空氣層厚度，同時(shí)檢測比較單粒子翻轉(zhuǎn)截面的方法獲得降 能空氣層厚度L3,具體為：空氣層厚度步進(jìn)小于300um，調(diào)整過程中空氣層厚度變化不小于 3.5mm，在各空氣層厚度步進(jìn)下檢測單粒子翻轉(zhuǎn)，獲得單粒子翻轉(zhuǎn)截面，以單粒子翻轉(zhuǎn)截面 最大時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣層厚度，為質(zhì)子到達(dá)峰值能量Μ所需的降能空氣層厚度L3;
[0019] (5)、在步驟(3)確定的單粒子試驗(yàn)質(zhì)子能量范圍內(nèi)，除峰值能量Μ外選擇不少于四 種能量的質(zhì)子，根據(jù)步驟(4)中確定的峰值能量Μ對(duì)應(yīng)的金屬降能膜厚度L1和降能空氣層厚 度L2、L3,獲得上述不少于四種能量的質(zhì)子分別對(duì)應(yīng)的金屬降能膜厚度L1'和降能空氣層厚 度L2，、L3，；
[0020] (6)、選擇單粒子試驗(yàn)的質(zhì)子注量率為5 X 107~5 X 108個(gè)質(zhì)子數(shù)/cm2. S;
[0021] (7)、根據(jù)步驟（1)~(6)確定的質(zhì)子入射方向、入射角度α、質(zhì)子能量范圍、峰值能 量Μ及對(duì)應(yīng)的金屬降能膜厚度L1和降能空氣層厚度L2、L3;不少于四種能量及對(duì)應(yīng)的金屬降 能膜厚度L1'和降能空氣層厚度L2 '、L3 '以及質(zhì)子注量率進(jìn)行納米器件低能質(zhì)子單粒子翻 轉(zhuǎn)試驗(yàn)。
[0022] 在上述用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法中，步驟(2)中 角度變化步進(jìn)S不大于5°。
[0023] 在上述用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法中，步驟（1)、 (2)中試驗(yàn)質(zhì)子能量范圍為10~50MeV。
[0024] 在上述用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法中，步驟（1)中 入射角度α取值為45° -65°間的任一角度;所述步驟(2)中入射角度α在45° -65°之間變化。
[0025] 在上述用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法中，步驟(4)中 金屬降能I吳為錯(cuò)月旲。
[0026] 在上述用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法中，步驟(4)中 質(zhì)子峰值能量Μ為0.06~0.07MeV。
[0027] 在上述用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法中，步驟(5)中 不少于四種能量的質(zhì)子對(duì)應(yīng)的金屬降能膜厚度L1'取值與峰值能量Μ對(duì)應(yīng)的金屬降能膜厚 度L1相同；降能空氣層厚度L2 '取值與峰值能量Μ對(duì)應(yīng)的降能空氣層厚度L2相同；降能空氣 層厚度L3'的確定方法如下：
[0028] 在空氣層厚度L3的基礎(chǔ)上調(diào)整空氣層厚度，獲得不少于四個(gè)不同質(zhì)子能量下的單 粒子翻轉(zhuǎn)截面，滿足:其中至少2個(gè)質(zhì)子能量下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子峰值能量Μ下測量 的單粒子翻轉(zhuǎn)截面相差不大于50%，至少2個(gè)質(zhì)子能量下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子峰值能 量Μ下測量的單粒子翻轉(zhuǎn)截面相差大于50%，此時(shí)不少于四個(gè)不同質(zhì)子能量分別對(duì)應(yīng)的空 氣層厚度即為降能空氣層厚度L3'。
[0029] 在上述用于測量納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的試驗(yàn)方法中，步驟(4)的 (c)中，空氣層厚度步進(jìn)為100~200um，空氣層厚度變化為3.5~4.0mm。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：
[0031] (1)、本發(fā)明提出的納米器件低能質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法，與現(xiàn)有技術(shù)中采用加 速器高能質(zhì)子進(jìn)行器件質(zhì)子單粒子試驗(yàn)方法相比，給出了低能質(zhì)子能量選擇與獲取、入射 角度和方向的選取等的具體實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)宇航用元器件，尤其是高集成度、小特征尺寸的 深亞微米、納米器件的低能質(zhì)子單粒子效應(yīng)評(píng)估，最大程度滿足衛(wèi)星抗輻射加固設(shè)計(jì)的需 求；
[0032] (2)、本發(fā)明考慮入射質(zhì)子方向與器件溝道寬度的方向的相關(guān)性，給出了進(jìn)行低能 質(zhì)子單粒子試驗(yàn)時(shí)的質(zhì)子入射方向、入射角度的選取方法和確定原則；同時(shí)給出了金屬膜 粗調(diào)降能和空氣層精調(diào)降能結(jié)合的質(zhì)子能量選擇和獲取方法，通過獲取金屬膜層厚度和降 能空氣層厚度，從而獲得低能質(zhì)子單粒子試驗(yàn)所需能量，為后續(xù)開展單粒子試驗(yàn)提供了準(zhǔn) 確的依據(jù)；
[0033] (3)、本發(fā)明合理選取單粒子試驗(yàn)質(zhì)子能量范圍，峰值能量以及其余的能量數(shù)值， 在獲取質(zhì)子能量的過程中，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)空氣層厚度步進(jìn)以及空氣層厚度變化范圍，精確 獲取低能質(zhì)子單粒子試驗(yàn)所需能量對(duì)應(yīng)的金屬降能膜厚度和降能空氣層厚度，為后續(xù)單粒 子試驗(yàn)的開展提供進(jìn)一步保證，最大程度滿足衛(wèi)星抗輻射加固設(shè)計(jì)的需求?？捎糜趯?duì)納米 級(jí)器件的低能質(zhì)