一种预估器件在轨单粒子翻转率参考区间的方法与流程

1.本发明涉及一种预估器件在轨单粒子翻转率参考区间的方法，属于宇航集成电路抗空间单粒子效应能力验证技术领域。


背景技术：

2.空间辐射环境中包含了大量的粒子(电子、中子、质子和重离子)和射线。这些辐射粒子与半导体器件相互作用会发生单粒子效应，使半导体器件状态发生扰动或永久性失效，从而诱发航天器发生故障。宇航器件在应用于航天设备之前，需要在地面上评估宇航器件的抗单粒子性能，地面上通常依靠重离子加速器来模拟单粒子效应，在特定的空间辐射条件下获取单粒子翻转错误率。随着器件工艺尺寸的减小，电荷共享、入射角度等因素都导致在轨单粒子翻转率预估变的十分困难。目前宇航元器件在轨单粒子翻转率计算时存在以下问题：
3.(1)单粒子翻转饱和截面(σ
sat
)、单粒子翻转let阈值(let
th
)等参数的获取难度提升，而且获取的数据准确程度不高。
4.(2)通常认为σ-let曲线遵守威布尔分布，目前针对单粒子威布尔曲线的拟合多采用视觉拟合的方式，曲线拟合精度不高。
5.(3)对于敏感区深度和漏斗长度的获取，需要专门对器件进行解剖，获取器件剖面图，然后结合工艺反向建模校准的方法获取初步范围。
6.因而需要开发一种预估器件在轨单粒子翻转率参考区间的方法，该方法能够降低关键参数获取的难度，提升单粒子威布尔曲线的拟合精度，最终获取宇航元器件准确的在轨单粒子翻转率参考区间，有效的指导宇航元器件的选型。


技术实现要素：

7.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种预估器件在轨单粒子翻转率参考区间的方法，降低了关键参数的获取难度，不用过分的关注器件内部参数信息，利用蒙卡仿真工具，验证不同参数变化对器件单粒子翻转率的敏感性，因而更方便的获取器件，尤其是商用器件的在轨单粒子翻转率参考区间，有效指导宇航器件的选型。
8.本发明的技术解决方案是：
9.一种预估器件在轨单粒子翻转率参考区间的方法，包括下列步骤：
10.(1)开展地面重离子辐照试验，获取器件单粒子翻转截面σ和入射离子参数let的试验数据；
11.(2)预估单粒子翻转饱和截面σ
sat
、单粒子翻转let阈值let
th
、器件敏感区深度d、器件漏斗长度f的区间范围；
12.(3)在预估范围内对每一个参数进行调节，采用恰当的估计方法对单粒子威布尔曲线进行拟合，最终采用蒙卡仿真工具开展仿真，获取特定空间条件下器件的单粒子在轨翻转率及在轨翻转率平均优值；
13.(4)获取每一个参数变化与在轨翻转率平均优值的关系，从而确定器件在轨单粒子翻转率参考区间。
14.所述步骤(1)的具体实现如下：
15.(2.1)参照与预估器件结构、工艺最接近的器件的单粒子试验数据，确定进行试验的离子种类；
16.(2.2)为待预估的器件开发单粒子实验系统，在重离子加速器上开展单粒子翻转试验；
17.(2.3)统计单粒子翻转数与入射离子总注量，获取单粒子翻转截面与入射离子参数let的数据。
18.所述步骤(2.3)中，第i种离子入射情况下的单粒子翻转截面σ(i)的计算公式为
19.σ(i)＝n(i)/φ(i)
20.其中，φ(i)为垂直入射到器件表面的第i种离子的总注量；
21.n(i)为第i种离子入射情况下的单粒子翻转数。
22.所述步骤(2)的实现方式如下：
23.(3.1)地面重离子辐照试验中，入射离子应当覆盖引发器件单粒子翻转的let值最小的离子到单粒子翻转截面达到饱和的let值最大的离子，合理设置最小的let值，单粒子翻转let阈值0《let
th
《设置的最小let值；
24.(3.2)单粒子翻转饱和截面-5σ
max
《σ
sat
《5σ
max
，σ
max
为入射离子let最大时的单粒子翻转截面；
25.(3.3)根据待预估器件的结构参数和工艺参数，利用器件仿真工具tcad确定器件敏感区深度和器件漏斗长度的区间范围。
26.所述步骤(3)的具体实现步骤为：
27.(4.1)对单粒子翻转饱和截面、单粒子翻转let阈值在预估范围内进行调节，利用最小二乘法开展威布尔拟合获取单粒子威布尔曲线参数；
28.单粒子威布尔曲线具体形式为：
29.σ(let)＝σ
sat
(1－exp{－[(let－let
th
)/w]s})
[0030]
σ(let)表示let值下的单粒子翻转截面，w表示威布尔曲线的宽度参数，s表示威布尔曲线的形状参数；
[0031]
对上式两边取2次自然对数处理后得到，
[0032]
ln(let－let
th
)＝(1/s)
×
ln{ln[σ
sat
/(σ
sat
－σ(let))]} ln(w)
[0033]
于是变成了线性方程y＝mx b,其中
[0034]
y＝ln(let－let
th
)
[0035]
m＝1/s
[0036]
x＝ln{ln[σ
sat
/(σ
sat
－σ(let))]}
[0037]
b＝ln(w)
[0038]
根据最小二乘法进行线性回归分析，求出线性方程中的斜率m值和截距b值，那么便求出了威布尔曲线的宽度参数w以及形状参数s；
[0039]
(4.2)对敏感区深度和器件漏斗长度在预估范围内进行调节，结合获取的单粒子威布尔曲线的参数，获取蒙卡仿真所需全部参数；
[0040]
(4.3)在蒙卡仿真工具中进行仿真，获取特定空间条件下的单粒子在轨翻转率。
[0041]
所述步骤(3)中，在轨翻转率平均优值mr计算方法为
[0042][0043]
n为步骤(3)中获得的单粒子在轨翻转率的总个数，raten为第n个单粒子在轨翻转率。
[0044]
所述步骤(4)的具体实现步骤为：
[0045]
(1)将每一个参数的变化与在轨翻转率平均优值绘制成折线图；
[0046]
(2)对折线图数据进行分析，获取每一个参数对单粒子翻转率的影响程度，然后根据敏感的参数确定单粒子翻转率的最好与最坏情况，最终获得在轨单粒子翻转率的参考区间。
[0047]
本发明与现有技术相比有益效果为：
[0048]
(1)本发明根据试验数据对单粒子翻转饱和截面(σ
sat
)、单粒子翻转let阈值(let
th
)进行的参考区间进行了预估，然后利用最小二乘法对单粒子试验数据进行威布尔曲线拟合，最终获取的单粒子威布尔曲线拟合程度好，置信度高。
[0049]
(2)本发明利用蒙卡仿真工具获取不同参数对单粒子翻转率敏感性的影响，而不是关注单粒子入射后能量传输的物理过程。
[0050]
(3)本发明对器件的内部结构与工艺参数的精度要求不高，能够获取器件，尤其是商用器件的在轨单粒子翻转率参考区间，有效指导宇航器件的选型。
附图说明
[0051]
图1是本发明流程示意图；
[0052]
图2是本发明一个实施例的单粒子威布尔曲线；
[0053]
图3是本发明一个实施例的可变关键参数随错误率平均优值的变化曲线；
具体实施方式
[0054]
实施例：
[0055]
本发明针对28nm sram存储器电路在轨单粒子翻转率参考区间确定方法的实现步骤如下：
[0056]
1、开展地面重离子辐照试验，获取器件单粒子翻转截面(σ)和入射离子参数(let)的试验数据；
[0057]
(1)参照与目标器件结构、工艺最接近器件的单粒子试验数据，确定选用离子的种类。选用的离子的不但要包含目标器件刚开始发生单粒子翻转的离子，同时还要包含单粒子翻转达到单粒子翻转饱和截面的离子,一般需要获取不少于五个数据点。例如，xilinx公司的artix 7fpga也采用了28nm cmos工艺，查阅公开发表的文献发现其内部的cram结构在c离子(let值为1.73)入射的情况下仍然发生单粒子翻转的情况。那么可推断被测器件的单粒子翻转let阈值也小于3mev
·
cm2/mg。结合国内加速器的实际情况，选用的离子见表1所示。
[0058]
表1选用离子的相关参数
[0059][0060]
(2)开发单粒子试验系统，在重离子加速器上开展单粒子翻转试验。
[0061]
例如，针对存储器电路单粒子测试系统我们采用动态读写模式来获取单粒子翻转数据，在器件的辐照过程中周期性的进行测试码型的写入、等待、读出、比较的过程，其中测试码型可以为全“0”、全“1”、55、aa、斜三角等数据。但是为屏蔽不同码型对单粒子翻转的影响，在同一组试验中，应当选取同一种码型开展试验。
[0062]
(3)统计单粒子翻转数与入射离子总注量，获取单粒子翻转截面与入射离子let的数据。数据统计表见表2。
[0063]
表2单粒子翻转数据统计表
[0064][0065]
其中，单粒子翻转截面的计算公式为
[0066]
σ(i)＝n(i)/φ(i)
[0067]
其中，φ(i)为垂直入射到器件表面第i种离子的总注量，
[0068]
n(i)为第i中离子入射情况下的单粒子翻转数，
[0069]
σ(i)为第i种离子入射情况下的单粒子翻转截面。
[0070]
2、对单粒子翻转饱和截面(σ
sat
)、单粒子翻转let阈值(let
th
)、器件敏感区深度(d)、器件器件漏斗长度(f)等参数的区间范围进行预估；
[0071]
单粒子翻转饱和截面、单粒子翻转let阈值是进行威布尔拟合的关键参数，需要通过试验获取,但是由于单粒子辐照试验结果本身存在误差性，而且由于机时的限制，辐照试验所获的数据点有限，不能够获取精确的单粒子翻转饱和截面与单粒子翻转let阈值。因而我们通过预估参数变化范围的方式，将可变参数在可能的范围内按不同的等级进行区间划分。
[0072]
单粒子翻转let阈值一般是大于0的值，通过合理设置最小的let值(b离子)，可以提升预估精度，例如针对28nm存储器我们阈值的预估范围为0到1mev
·
cm2/mg，预估精度已经很高；
[0073]
空间离子最大let为120mev
·
cm2/mg，因而我们选择的最大let值的离子通常为国
内加速器所能提供的最大let值的离子，例如ta离子，或者通过改变入射角度来提高let值。例如针对28nm存储器，结合试验曲线的整体趋势发现在ta离子的入射下单粒子翻转截面已经趋向于饱和，因而我们对单粒子翻转饱和截面的预估分别为0.3倍、0.5倍、1倍、1.5倍、2倍、5倍的ta离子的单粒子翻转截面。
[0074]
器件敏感区深度和器件器件漏斗长度是进行基于irpp的蒙卡仿真的关键参数。这两个参数的确定存在以下几方面的问题
[0075]
(1)通常我们对器件内部的参数了解的很少，尤其是商用器件；需要对器件进行解剖，获取器件剖面图，然后结合工艺反向建模校准的方法获取；
[0076]
(2)有的文献指出漏斗效应能够加速电荷收集增加单粒子翻转概率，但是有的学者研究在预估时并不将漏斗效应考虑在内。也就是说即使获取了精确的参数，翻转率预估也不一定准确。
[0077]
(3)通常我们把耗尽区当成敏感区，space radiation软件建议将灵敏区厚度设置为1μm，并通过检查不同的灵敏区厚度带来的差异。
[0078]
结合以上结论以及相关资料，我们预估的器件敏感区深度为0.1μm到2μm之间。器件漏斗长度设置为0.01μm到1μm变化。
[0079]
预估的参数范围如表3所示，对可变参数划分为6个等级，覆盖各个可能存在的范围，
[0080]
表3预估的参数范围
[0081]
仿真预估参数参数等级1等级2等级3等级4等级5等级6器件敏感区深度(μm)0.10.20.50.812器件漏斗长度(μm)00.10.20.50.81单粒子翻转饱和截面(cm2)0.3x0.5x1x1.5x2x5x单粒子翻转let阈值(mev.cm2/mg)0.010.050.10.20.51
[0082]
其中x代表着为ta离子入射截面的倍数，0.3x代表0.3倍的ta离子入射截面
[0083]
3、在预估范围内对每一个参数进行调节，利用威布尔曲线进行拟合，最终采用蒙卡仿真工具开展仿真。
[0084]
(1)首先对单粒子翻转饱和截面、单粒子翻转let阈值在预估范围内进行调节，利用最小二乘法开展威布尔拟合获取单粒子威布尔曲线参数。
[0085]
单粒子威布尔曲线具体形式为：
[0086]
σ(let)＝σ
sat
(1－exp{－[(let－let
th
)/w]s})
[0087]
对式两边取2次自然对数处理后得到，
[0088]
ln(let－let
th
)＝(1/s)
×
ln{ln[σ
sat
/(σ
sat
－σ(let))]} ln(w)
[0089]
于是变成了线性方程y＝mx b,其中
[0090]
y＝ln(let－let
th
)
[0091]
m＝1/s
[0092]
x＝ln{ln[σ
sat
/(σ
sat
－σ(let))]}
[0093]
b＝ln(w)
[0094]
可根据最小二乘法进行线性回归分析，求出线性方程中的斜率m值和截距b值，那么便求出了威布尔曲线的宽度参数w以及形状参数s。同时计算出描述线性拟合优劣情况的
线性相关系数r值，r越接近于1表明曲线的拟合度越好，一般认为大于0.8时就认为曲线强相关。我们选取的单粒子翻转阈值为0.1mev.cm2/mg，单粒子翻转饱和截面为1x，即1.43e-03cm2/器件，计算求得的s为1.687，w为24.783mev.cm2/mg。拟合参数r为0.9357，表示曲线拟合很好。拟合的曲如图2所示。
[0095]
(2)对敏感区和器件漏斗长度在预估范围内进行调节，例如我们设置敏感区为0.2μm，器件漏斗长度为0.5μm,结合上一步获取的单粒子威布尔曲线的参数，就得到了蒙卡仿真所需全部参数，如表3所示。
[0096]
表2蒙卡仿真所需全部参数
[0097][0098]
(3)在蒙卡仿真工具中进行仿真，获取特定空间条件下的单粒子在轨翻转率。
[0099]
例如采用space radiation软件，该软件是一个计算航天器、航空器的空间、大气辐射环境以及辐射效应的综合软件工具，目前美国多数航天公司使用该软件进行辐射环境和效应分析。空间条件选用geo轨道，90％worst，等效3mm铝屏蔽，在weibull模式下代入分别如表2所示的参数值，进行计算求得单粒子翻转率为5.15e-3次/器件
·
天。
[0100]
4、获取每一个参数变化与在轨翻转率平均优值的关系，从而确定器件在轨单粒子翻转率参考区间
[0101]
(1)将每一个参数的变化与翻转率平均优值绘制成折线图，根据我们对参数的分类，其中，根据等级划分可变参数的可能组合为1296种，那么折线图中每一个点均由216次单粒子翻转截面计算求得错误率，翻转率平均优值的计算方法为n为获得的单粒子在轨翻转率的总个数，raten为第n个单粒子在轨翻转率。
[0102]
可变参数随在轨翻转率平均优值的变化如图3所示。
[0103]
(2)对折线图数据进行分析，即可获取在轨单粒子翻转率的参考区间。
[0104]
例如，随着单粒子翻转饱和截面增大，在轨单粒子翻转率变多；因而根据不同参数的变化对在轨单粒子翻转率敏感性的影响，可以获取单粒子翻转率参考区间，也可根据参数的变化获取对单粒子翻转率最敏感的参数，后续对该参数进行更详细的分析，获取更准确的结论。
[0105]
图1是本发明流程示意图。
[0106]
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。