获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关系的方法

专利名称：获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关系的方法
技术领域：
本发明涉及核物理领域，关于单粒子现象(Single Event Phenomena, SEP),特别是涉及一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法。
背景技术：
随着航天事业的快速发展，应用于航天器上的集成电路越来越多，而且集成电路的功能也越来越多，体积越来越小，集成程度不断提高，使航天器对空间环境效应的影响变得更加敏感，特别是随着集成电路线宽的减少，集成度增大，单位点位/逻辑状态的改变需要的电荷越来越小，而航天器运行的宇宙空间，存在大量的高能粒子，所 以器件对单粒子现象越来越敏感。所谓单粒子现象，是指宇宙空间单个高能带电粒子入射到航天器 微电子器件敏感区，引起微电子器件逻辑错误或功能异常的现象称为 单粒子现象，包括单粒子翻转(SingleEventUpset， SEU)、单粒子烧 毁(Single Event Burn-out, SEB )、单粒子闩锁(Single Event Latch-up, SEL)、单粒子栅极击穿(Single Event Gate Rupture, SEGR)及单粒 子功能终止(Single Event Functionality Interrupt ， SEFI )。单粒子翻转 SEU是指单粒子撞击集成电路，造成锁定的逻辑状态发生从1到0 或从0到1的改变，包括软翻转和硬错误(Single Event Hard Erro， SEHE),单粒子翻转不是破坏性的，多数情况为软翻转，其逻辑单元 能被复写或重置。单粒子硬错误是指由单粒子撞击引起的半导体器件 介质永久性的破坏，是一种不可逆的状态。单粒子烧毁是指由单粒子 撞击引起的功率晶体管漏-源极大电流的现象，导致灾难性的器件失 效，特征表现为漏极电流增加超过了出厂时设定的漏极额定漏电流。
单粒子闩锁是由单粒子撞击引起集成电路产生潜在的或永久的破坏 性状态，会引发一个相当于硅控整流器的寄生晶闸管结构(PNPN结 构)，产生一个低阻抗高电流的通道。单粒子栅极击穿是指单粒子撞 击引起的局部破坏性栅极击穿，导致灾难性的器件失效，特征表现为 栅极电流增加超过了出厂时设定的额定栅漏电流。航天器成本昂贵，所以航天器上的集成电路都需要很高的可靠 性，只有在宇宙空间内可以抗单粒子现象的器件才能用在航天器上， 因此，在地面上模拟宇宙空间环境，来检测器件的抗单粒子现象的能 力成为必要手段。发明内容本发明的目的是提供一种在地面模拟宇宙环境对被测器件进行 辐射试验的方法，特别是提供一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法。为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关系的方法，包括以下步骤(l)将被测器 件放置在试验位置，并与测试设备连接好，启动所述被测器件工作， 验证所述被测器件工作正常；(2)选择离子种类，并测量所述离子束 的线性能量转移LET值，调节离子束截面，使所述离子束截面大小 为所述被测器件的面积大小，并测量所述整个离子東截面的均匀性以 及离子束注量率；(3)开启离子東流的挡板，对所述被测器件进行重 离子辐射，统计发生的单粒子现象直到最大的预定注量或达到预计的 单离子现象数；(4)关闭离子束，获取发生单粒子现象截面；(5)重 新选择新的离子种类或改变所述离子的能量、入射角度以得到新的 LET值，重复步骤(2)到(4); ( 6 )至少选择5种以上LET值进行 试验，以所述发生单粒子现象截面为纵坐标，以LET值为横坐标， 得到发生单粒子现象截面与LET的关系。其中，在步骤(1)将所述被测器件与测试设备连接好之后还包
括对所述测试设备、连接电缆及信号线进行检测，确认设备及连接 正确。其中，在对所述测试设备、连接电缆及信号线检测之后还包括 对所述测试设备进行绝缘、电磁屏蔽和接地操作，并对所述测试设备 中的真空箱进行遮光处理。其中，在将所述被测器件放置在试验位置之前，还包括将所述 被测器件开盖，并清除所述被测器件的芯片表面的覆盖层，并对开盖 后的所述被测器件进行功能测试。其中，在将所述被测器件开盖之前还包括根据所述被测器件历 史数据、锎源摸底试验或激光摸底试验预估LET阈值，并根据所述 LET阈值，在步骤(2)中选择LET值大于所述LET阈值的离子进 行试验。其中，所述预估LET阈值具体包括(l)有a粒子源试验数据， 只有单粒子翻转出现，则LET阈值小于lMeV/(mg/cm"; ( 2 )有质 子试验数据只有单粒子翻转出现，则LET阈值小于6MeV/( mg/cm2); (3)有重离子试验数据，则LET阈值为重离子试验数据中的LET 值；(4)所述被测器件包含有双极性随机存取存储器、低功率逻辑电 路、低功率肖特基逻辑电路、处理器、N沟道金属氧化物半导体场效 应管、P沟道金属氧化物半导体场效应管、动态随机存储器器件的LET 阈值小于15;所述被测器件包含有大型互补型金属氧化物半导体器 件、标准功率逻辑器件、低速器件、线宽大于等于10jum器件、可 编程只读存储器器件的LET闽值大于15; (5)用锎源对所述器件进 行辐射，如果发生单粒子现象，则LET阈值小于43,否则，LET阈 值大于43。其中，测量所述离子束的线性能量转移LET的能量具体包括 在表面势垒探测器的局部表面上放置已知厚度和密度的金属薄片，用 所述离子束辐射金属薄片，得到两个能量峰值，根据所述两个能量峰
值计算出离子東穿透所述金属薄片的能量损失，得到所述离子東的LET值。其中，所述表面势垒探测器使用前进行校准。其中，测量所述离子東注量率具体包括利用闪烁探测器对所述离子每撞击一次闪烁探测器产生一个计数信号来进行测量。其中，根据不同离子注量率选择所述闪烁探测器不同的孔径。 其中，设置所述闪烁探测器光电管偏离所述离子束中轴线卯。。 其中，所述测量所述整个离子束截面的均勻性具体如下釆用多个所述闪烁探测器对所述离子束的整体剖面进行釆集。其中，所述釆用多个所述闪烁探测器对所述离子東的整体剖面进行釆集具体为在所述离子束外区域设置四个边界闪烁探测器进行釆集。其中，所述注量率为102~105ions/ ( cm2 s其中，所述注量累积到10、ons/cn^或发生单粒子现象次数累积 到100次。其中，所述离子束的射程穿透所述被测器件的敏感区。 其中，所述离子東的射程大于30nm。其中，重新选择离子种类具体包括选用离子进行辐射应该根据 所述LET值由大到小的顺序进行选择。其中，所述发生单粒子现象为单粒子翻转，在发生单粒子翻转之 后，还包括以下步骤中的一步或多步(1)改变注量率，在测试仪器 或计量表不过载的情况下，得到所述被测器件的发生单粒子翻转的数 据；(2)，重新进行辐射试验2到3次，用于验证离子東的稳定性；(3)改变离子束角度，增加描点或者选取不同的离子种类、能量、 角度，但具有相同的所述LET值的情况下，重新进行辐射，验证测 试值是否一致；(4)改变所述被测器件的运行参数后，重新进行辐射；(5)改变试验环境温度，重新进行辐射；(6)选取同一批次产品的
另一个被测器件，重新进行辐射，用于确认样品间的差异性；(7)改变所述离子束能量以获取一个新的LET值，重新进行辐射；(8)改 变离子种类，以获取一个新的LET值，重新进行辐射。其中，没有发生所述单粒子翻转的单粒子现象之后，还包括以下 步骤中的一步或多步(l)增加所述离子束注量；(2)增大所述离子 束角度，重新进行辐射；(3)改变所述被测器件的运行参数，重新进 行辐射；(4)改变所述被测器件的偏置，重新进行辐射；(5)选取同 一批次产品的另一个被测器件，重新进行辐射；(6)改变所述离子束 能量以获取一个新的LET值，重新进行辐射；(7)改变离子种类， 以获取一个新的LET值,重新进行辐射。其中，在至少选择5种以上LET值进行试验之后，还包括对试 验数据进行记录，记录的试验数据具体包括所述离子的种类和能量， 被测器件的类型、型号、工艺及生产批次，被测器件的测试参数、所 述离子東入射角度、所述离子束所用的加速器类型，发生单粒子现象 的次数、位置、LET值，发生单粒子闩锁、单粒子烧毁、单粒子栅穿 时的位置及LET值。其中，如果所述单粒子现象SEP为单粒子烧毁SEB或单粒子栅 极击穿SEGR，则在对所述被测器件进行重离子辐射之后还包括(1) 如果进行SEB特性试验，记录每次辐射的电流脉冲次数；如果进行 SEGR特性试验，在探测到在所述被测器件栅极电流变化超过规定的 栅极电流范围时，停止离子束辐射；(2)进行SEB或SEGR验证试 验，监测所述被测器件栅极与漏极电流，如果观察到电流变化，记录 观察到的条件；(3)关掉离子束，在所述被测器件施加额定栅极电压， 监测栅极电流，如果观察到电流变化，记录观察到的条件；(4)记录 试验数据，具体包括记录离子种类、离子能量、射程、LET值平均 注量率、注量和试验条件。其中，所述SEB特性试验具体包括对所述被测器件施压规定
的栅-源电压、漏-源电压偏置条件，辐射规定的注量，如果SEB发生，则计数器增加计数来进行记录，调节注量率，使每秒发生SEB数不 超过100个，当设定的注量达到时，关闭离子東挡板，记录SEB总 数，选择不同的离子，获得新的LET值，重复以上所述步骤。其中，所述SEB特性试验之后还进行SEB验证试验，具体包括 以下步骤在所述被测器件的漏极放置电容，施压规定的栅-源电压、 漏-源电压偏置条件，辐射规定的注量，如果所述被测器件失效，则 停止辐射。其中，所述SEGR特性试验具体包括对所述被测器件施压规定 的栅-源电压、漏-源电压偏置条件，辐射规定的注量，如果SEGR发 生，则停止辐射，记录累计注量。其中，所述SEGR特性试验之后还进行SEGR验证试验，具体包 括以下步骤对所述被测器件施压规定的栅-源电压、漏-源电压偏置 条件，辐射规定的注量，如果所述被测器件失效，则停止辐射。上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点 通过以上技术方案，可以有效的对航天用的器件抗单粒子现象的能力 进行检验，从而指导研制单位提高器件的抗辐射能力，有效提高器件 的抗辐射手段，从而提高器件乃至集成电路的可靠性，最终提高航天 器的可靠性。而且还可以提高我国单粒子试验水平。


图l是本发明实施例的一种获取单粒子现象截面与重离子线性能 量转移关系的方法的流程图；图2是本发明实施例的一种获取单粒子现象截面与重离子线性能 量转移关系的示意图。图3是本发明实施例的一种测试装置连接示意图； 图4是本发明实施例的一种调节重离子束的装置连接示意图； 图5是本发明实施例的 一种单粒子闩锁监测及保护电路原理图。
其中1:电荷剥离箔；2:表面势垒探测器；3:闪烁探测器；4: 真空靶室；5:单粒子效应测试系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。首先对本发明实施例中用到的术语进行解释，注量率是指单位时 间内垂直离子東单位面积上通过的离子数，单位是ions/ (cm2 s)。 注量是指注量率对本轮试验时间的积分，单位是ions/cm2。射程是指 已知电荷状态与能量的特定离子在无散射情况下，在目标材料中入射 的距离。能量是指加速器给与离子的能量，单位是总能量MeV或每原 子质量单位(MeV/AMU)的能量。LET ( The Linear Energy Transfer) 值是指现行能量转移，即沿离子入射轨迹在介质材料中单位长度上沉 积的能量，单位是MeV cm2 /mg。 LET阈值是指对于一个给定的器 件，单粒子在垂直照射时能够引发一个单粒子翻转SEU的最小LET 值。单粒子现象SEP截面是指单位离子注量引发的单粒子现象的数 量，是描述单粒子现象发生概率的物理量，单位是cm"device或cm2 /bit，用cr表示SEP截面，a:SEP数量/ (离子注量xcos6 )， e为离 子束入射方向与被测器件的法线夹角，即离子東的入射角度。饱和截 面又称极限或渐进截面，在饱和截面里，LET值的增加不会导致单粒 子现象截面的增加。本实施例中所提到的重离子是指电荷Z大于等于2 的重离子。图l是本发明实施例的一种获取单粒子现象截面与重离子线性能 量转移关系的方法的流程图。结合图l，对本方法进行详细描述。步骤IOI，首先根据要进行单粒子现象试验的被测器件，查找具 有类似功能、工艺或类似特征尺寸(晶体管密度)的器件的国内外单 粒子现象试验的历史数据，如果有，可以根据该历史数据设置该被测 器件发生单粒子现象的LET阈值判断是否有a粒子源试验数据，有粒子源试验数据，有单粒子翻转出现，则LET阈值小于lMeV/ (mg/cm2);判断是否有质子试验数据，有质子试验数据，有单粒子 翻转出现，贝忆ET阈值小于6MeV/ (mg/cm2);如果有重离子试验数 据，则LET阈值在重离子试验数据中的LET值附近；另外，如果被测 器件是高风险器件，如双极性随机存取存储器、低功率逻辑电路、低 功率肖特基逻辑电路、处理器、N沟道金属氧化物半导体场效应管、 P沟道金属氧化物半导体场效应管、动态随机存储器，则LET阈值一 般应小于15;如果被测器件包含有低风险器件，如大型互补型金属氧 化物半导体器件、标准功率逻辑器件、低速器件、线宽大于等于IO jum器件、可编程只读存储器，则LET阈值一般大于15;另外，还可 以用锎源对所述器件进行辐射，来估计LET阈值，锎源(^Cf)是一 种可裂变物质，放射出a粒子，衰变成超铀放射性核，衰变半周期为 2.27年，锎源(^Cf)还可以自动裂变，半衰期为85年，该源放射a 粒子、裂变碎片和快中子。裂变碎片可用来开展单粒子现象试验，95% 裂变碎片的平均LET值在41和45 MeV/ ( mg/cm2) ( si)之间，平均LET 值为43MeV/ (mg/cm2) (si),在硅中的平均射程为14.2 jum。用锎源 (252Cf)辐射被测器件，假设锎源裂变的碎片到达被测器件过程中没 有能量损失，如果发生单粒子现象，则LET阈值小于43，否则，LET 阈值大于43。另外还可以釆用激光摸底试验来确定大致的初始LET阈 值范围。步骤102，需要对被测器件进行开盖处理，将被测器件外面的封 装打开，来保证重离子束进入芯片，如果芯片表面有特殊覆盖层(如 聚酰亚安)，最好去掉覆盖层，依据厂家建议的开盖去膜程序操作， 开盖的过程可能会损伤器件，因此，开盖后必须进行功能测试，来保 证开盖后的器件完好。步骤103，将被测器件放置在试验位置上，并与测试设备连接好， 因为加速器周围存在大量的电噪声，为了避免噪声影响，电缆长度应
尽量短。对测试设备、连接电缆及信号线进行检测，确认设备及连接 正确。对测试设备进行绝缘、电磁屏蔽和接地操作，并对测试设备中 的真空箱进行遮光处理。启动所述被测器件工作，验证所述被测器件 工作正常。因为单粒子闩锁会导致某些器件灾难性的时效，因此，可 以釆用电源限流或电源线性电阻来防止器件时效，但必须注意，限流 措施不可以阻止或影响了应当出现的单粒子闩锁现象的发生。步骤104，根据被测器件的LET阈值，选择离子种类，应该选用 LET值大于LET阈值附近的离子， 一般来说，越重的离子产生的LET 值越大，试验时应首先使用较重的离子，在用较重的离子确定了 LET 值的饱和截面后，再选择较低的LET值离子来确定曲线的拐点形状 和曲线的阈值起点。应该注意的是，所选离子東的入射深度要大于被 测器件的电荷区深度，以确保离子東在穿越晶体管电荷区时LET趋 近于恒定值， 一般离子東的射程大于30iam。另外，还需要测量离子 束的能量，以及注量、注量率和均匀性。离子束能量波动在正负10% 范围内都是符合要求的，表面势垒探测器可以用来测量离子束的能 量。表面势垒探测器简单的说是一个具有大型耗散区的二极管，可以 收集硅材料中由离子東撞击而产生的电子-空穴对。在硅中产生的电 子-空穴对数量是撞击表面势垒探测器的离子初始能量这一唯一变量 的函数。几乎离子的所有能量都以这种方式耗散，仅乘的能量会导致 晶格损坏，但是仅乘的能量占总能量的比例非常小。这些电子-空穴 对的空间分布是离子种类的函数，基于以上原因，因此，表面势垒探 测器的耗散区应当比所关注的离子/能量大范围大。离子注量率应足 够低以避免离子堆积。离子東散射度和能量峰值可以显示要求的离子 是否调出。在表面势垒探测器的使用寿命周期中，晶格损坏将逐渐累 积形成，这将导致电荷收集率退化，另外，还必须对死层或入穿窗中 沉积的电荷釆取措施。因此，表面势垒探测器在使用前必须校准，以 提高电荷收集的效率。在表面势垒探测器的局部表面上放置已知厚度
和密度的金属薄片，用所述离子東辐射金属薄片，离子束一部分辐射 到金属薄片上， 一部分直接辐射到表面势垒探测器，这样就得到两个 能量峰值，根据两个能量峰值以及离子束穿透金属薄片的能量损失得到离子東的LET值，即能量差除以金属薄片的厚度就是离子東的LET值。利用闪烁探测器测量离子束的注量率和注量，闪烁探测器包括两 部分，第一部分是一种特殊材料，被高能离子撞击时会产生光子，第 二部分是光电倍增管，是光子技术，离子每撞击一次探测器，光电倍 增管将产生一个计数信号。闪烁探测器在两次离子撞击之间需要足够 的时间(通常被称为死时间)以让光电倍增管恢复。如果离子在这段 时间内撞击闪烁探测器，将不会被正确统计，这种称为"离子東堆积"， 为了确保这种情况不发生，可以针对不同的离子注量率选择适当的孔径尺寸，例如，对于103~106ions/ (cm2 s)的注量率， 一般孔径尺 寸选择0.1cm2。另外还可以使闪烁探测器不达到饱和状态，使光电倍 增管离离子東中轴线卯度，该方法可以限制撞击光电倍增管的光子 数量，使闪烁材料暴露在离子束下的面积增大很多，甚至达到整个离 子束，由于光电倍增管不是在离子束的射线方向上，所以在试验期间 内闪烁探测器可以放在原位而不必移开。对于釆用釆光孔的闪烁探测 器来说，闪烁探测器仅仅测量了孔径内的注量率，由于必须测量整个 离子東的注量率，因此需要釆用多个闪烁探测器来釆集粒子東的整体 剖面，通常情况下，距离子中轴线2cm处设置4个闪烁探测器，这 些探测器位于有效的离子東之外，因此，可以作为最坏情况下离子東 的均匀性，试验釆用的离子束直径通常为l~2cm。由于这4个闪烁探 测器位于离子束外区域，因此可以在试验中连续监控离子東。 一般情 况，注量率为102~105ions/(cm2 .s)。注量累积到1()7ions/cm2或发生 单粒子现象次数累积到100次。另外，还需要对离子束的均勻性进行 检测，检测方法有，如果在加速器在高注量率工作时，可以通过适当 调整加速器，在离子東传输管内石英显示板上看见均勻的离子束。在
强度减弱后，可以用以下办法来检测离子東的均匀性，(l)通过比较 两个不同的同心圆上的离子束数量来测量环状均匀性。(2)通过垂直 移动一个装有水平位置敏感探测器的被测器件板支架来测量离子束 的均匀性。(3)在离子束圆周外围选定点，进行比较，来测量离子束 的均匀性。
一般来说，变化幅度在10%以内时可以接受的。步骤105，启动设备运行条件，运行被测器件，依次检测被测器件的电性能，核实运行正常。开启离子東挡板，对被测器件进行重离子辐射，并记录时间，检测离子束的注量率，开始最好为104ions/ (cm21),确保出现单粒子现象的频率不太高也不太低，升高或降 低注量率，使每秒产生的单粒子现象按试验要求出现。步骤106,辐射被测器件，统计发生的单粒子现象直到达到最大 的预定注量或达到预计的单离子现象数，关闭挡板，记录时间。发生 单粒子现象为单粒子翻转， 一般确定发生单粒子翻转之后，还包括以 下步骤中的一步或多步(1)改变注量率，在测试仪器或计量表不过 载的情况下，得到具有统计意义的被测器件的发生单粒子翻转的数 据；(2),重新进行辐射试验2到3次，用于验证离子東的稳定性； (3)改变离子東角度增加描点，或者选取不同的离子种类、能量、 角度，但具有相同的所述LET值的情况下，重新进行辐射，验证测 试值是否一致；U)改变所述被测器件的运行参数后，重新进行辐射； (5)如果需要，改变试验环境温度，重新进行辐射，用于确认测试 值是否一致；(6)选取同一批次产品的另一个被测器件，重新进行辐 射，用于确认样品间的差异性；(7)改变所述离子束能量以获取一个 新的LET值，重新进行辐射；(8)改变离子种类，以获取一个新的 LET值，重新进行辐射。如果没有发生单粒子翻转的单粒子现象，则 应进行以下步骤中的一步或多步(l)增加所述离子東注量；(2)增 大所述离子束角度，重新进行辐射；(3)改变所述被测器件的运行参 数，重新进行辐射；(4)改变所述被测器件的偏置，重新进行辐射；
(5)选取同一批次产品的另一个被测器件，重新进行辐射；(6)改 变所述离子束能量以获取一个新的LET值，重新进行辐射；(7)改 变离子种类，以获取一个新的LET值，重新进行辐射。试验夹具设计时应充分考虑闩锁保护措施，当出现大电流时应有 限流措施，确保不出现持久大电流。而且具备重启功能。步骤107， 重新选择新的LET值，重复步骤104、 105和106，直到至少选择5中以 上LET值，LET值范围应覆盖从阈值至饱和截面，满足试验目的，则 转步骤108。步骤108，根据试验记录的数据，以发生单粒子现象截面(T为纵 坐标，以LET值为横坐标，得到发生单粒子现象截面a与离子LET值 的描点图，如图2所示，由图上可以得出，被测器件的LET阈值和饱 和截面值，即图2中与纵坐标截面a平行的虛线所对应的LET值就是 被测器件的LET阈值，而与横坐标LET值平行的虛线所对应的截面cj 值就是被测器件的饱和界面值。根据试验确定的各点，描出描述发生 单粒子现象截面与LET的关系曲线。根据该曲线，则可以指导与被测 器件具有类是功能、工艺或类似特征尺寸(晶体管密度)的器件的抗 单粒子现象的能力。如果高能离子设备可以提供每原子质量单位高达几GeV的能量， 比其他的离子源更接近宇宙射线的特征，以上试验步骤可以简化，不 需要给被测器件开盖步骤，因为粒子束的能量足够穿透整个器件结 构。另外，也可以不预测被测器件的LET阈值，但是那样的话需要有 足够的时间和资金，因为对离子束的调测需要大量的时间，而且，目 前，进行单粒子试验的费用也非常昂贵，因此，为了节约试验时间和 试验经费，预测被测器件的LET阈值非常必要，可以更快更准确的完 成试验。如果单粒子现象SEP是单粒子烧毁SEB或单粒子栅极击穿
SEGR,其中，如果所述单粒子现象SEP为单粒子烧毁SEB或单粒子 栅极击穿SEGR,则在对被测器件进行重离子辐射之后还包括(1) 如果进行SEB特性试验，记录每次辐射的电流脉冲次数；如果进行 SEGR特性试验，在探测到在所述被测器件栅极电流变化超过规定的 栅极电流范围时，停止离子東辐射；(2)进行SEB或SEGR验证试验，监测所述被测器件栅极电流I(JS与漏极电流lDS,如果观察到电流变化， 一般情况，Ics〉 10—7安培，记录观察到的条件；(3)关掉离子 東，在所述被测器件施加额定栅极电压，监测栅极电流，如果观察到 电流变化， 一般情况，IGS〉 10々安培，记录观察到的条件；(4)记录 试验数据，具体包括记录离子种类、离子能量、射程、LET值平均 注量率、注量和试验条件。SEB特性试验具体包括对被测器件施压 规定的栅-源电压、漏-源电压偏置条件，辐射规定的注量，如果SEB 发生，则计数器增加计数来进行记录，调节注量率，使每秒发生SEB 数不超过100个，当设定的注量达到时，关闭离子束挡板，记录SEB 总数，选择不同的离子，获得新的LET值，重复以上所述步骤。SEB特性试验之后还进行SEB验证试验，具体包括以下步骤 在被测器件的漏极放置电容，施压规定的栅-源电压、漏-源电压偏置 条件，辐射规定的注量，如果被测器件失效，则停止辐射。SEGR特性试验具体包括对被测器件施压规定的栅-源电压、漏 -源电压偏置条件，辐射规定的注量，如果SEGR发生，则停止辐射， 记录累计注量。SEGR特性试验之后还进行SEGR验证试验，具体包 括以下步骤对被测器件施压规定的栅-源电压、漏-源电压偏置条件， 辐射规定的注量，如果被测器件失效，则停止辐射。同时指出，本实施例中所提到的各种装置，在提交试验申请得到 批准后，均可以在我国核物理实验室得到使用，因此，关于实现本发 明实施例方案中的装置的具体结构、使用方法等技术内容不再详细描 述。 图3是本发明实施例的一种测试装置连接示意图。真空罐内有测 试板和放置在测试板上的被测器件，将被测器件的工作夹具安装在支 架上，确保连接被测器件夹具的电缆不会影响支架及被测器件的旋 转，以及不会阻挡离子束到达被测器件。安装完毕后应该检测被测器 件插座的每一个引脚是否正常，安装设备是否连接正确。并且应该利用内置的He-Ne激光器检査工作夹具上每一个插座的对准情况和位 置。电源为真空罐内的用电器件进行供电。数据釆集设备与测试板连 接，用于釆集信号。上位PC (电子计算机)机与数据釆集设备和真 空罐内的测试板连接，用于检测和存储测试信号。图4是本发明实施例的一种调节重离子東的装置连接示意图。离 子源发射的重离子经电荷剥离箔l进入到加速器，经加速器加速后重 离子经分析磁铁筛选及净化离子東，通过表面势垒探测器2来测量离 子東的能量及其LET值，反馈测量值给加速器操作者以调节使离子束 达到要求值，然后利用闪烁探测器3来测量离子束的注量、注量率以 及均勻性， 一般可利用散射及聚焦的方法调节离子束的注量率及均匀 性。调节好的离子東射入到真空靶室4的单粒子效应测试系统5上，进 行单粒子试验。图5是本发明实施例的一种单粒子闩锁监测及保护电路原理图。 其中判断是否小于规定值是指判断限流器上的电流是否小于被测器 件闩锁电流，如果是，则与被测器件连通；如果不是，则限流器将该 信号发送到处理器上，处理器根据该信号控制继电器断开，从而对被 测器件进行保护，同时记为一次单粒子闩锁事件，然后重新启动。闩 锁期间必须记录时间，目的是计算有效注量。由以上实施例可以看出，本发明实施例通过釆用对航天器上的集 成电路器件进行单粒子现象试验，从而得到被测器件发生单粒子现象 截面与LET值之间的关系，进而可以得到被测器件抗单粒子现象的能 力大小，研究人员可以根据被测器件发生单粒子现象截面与LET值之
间的关系，发现器件的设计缺陷和设计优点，提高辐射保护措施，提 高集成电路的可靠性，最终可以提高航天器的可靠性。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关系的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将被测器件放置在试验位置，并与测试设备连接好，启动所述被测器件工作，验证所述被测器件工作正常；(2)选择离子种类，并测量所述离子束的线性能量转移LET值，调节离子束截面，使所述离子束截面大小为所述被测器件的面积大小，并测量所述整个离子束截面的均匀性以及离子束注量率；(3)开启离子束的挡板，对所述被测器件进行重离子辐射，统计发生的单粒子现象直到达到最大的预定注量或达到预计的单离子现象数；(4)关闭离子束，获取发生单粒子现象截面；(5)重新选择新的离子种类或改变所述离子的能量、入射角度以得到新的LET值，重复步骤(2)到(4)；(6)至少选择5种以上LET值进行试验，以所述发生单粒子现象截面为纵坐标，以LET值为横坐标，得到发生单粒子现象截面与LET的关系。
2、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，在步骤(1)将所述被测器件与 测试设备连接好之后还包括对所述测试设备、连接电缆及信号线进行检测，确认设备及连接 正确。
3、 如权利要求2所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，在对所述测试设备、连接电缆及 信号线检测之后还包括对所述测试设备进行绝缘、电磁屏蔽和接地操作，并对所述测试 设备中的真空箱进行遮光处理。
4、 如权利要求3所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，在将所述被测器件放置在试验位置之前，还包括将所述被测器件开盖，并清除所述被测器件的芯片表面的覆盖 层，并对开盖后的所述被测器件进行功能测试。
5、 如权利要求4所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，在将所述被测器件开盖之前还包 括根据所述被测器件历史数据、锎源摸底试验或激光摸底试验预估 LET阈值，并根据所述LET阈值，在步骤(2)中选择LET值大于 所述LET阈值的离子进行试验。
6、 如权利要求5所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述预估LET阈值具体包括有a粒子源试验数据，只有单粒子翻转出现，则LET阈值小于 1MeV/ ( mg/cm2 )。
7、 如权利要求5所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述预估LET阈值具体包括有质子试验数据，只有单粒子翻转出现，则LET阈值小于6MeV/ (mg/cm2 )。
8、 如权利要求5所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述预估LET阈值具体包括有重离子试验数据，则LET阈值为重离子试验数据中的LET值。
9、 如权利要求5所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述预估LET阈值具体包括所述被测器件包含有双极性随机存取存储器、低功率逻辑电路、 低功率肖特基逻辑电路、处理器、N沟道金属氧化物半导体场效应管、 P沟道金属氧化物半导体场效应管、动态随机存储器的器件LET闽值 小于15;所述被测器件包含有大型互补型金属氧化物半导体器件、标准功率逻辑器件、低速器件、线宽大于等于10jam器件、可编程 只读存储器器件的LET阈值大于15。
10、 如权利要求5所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述预估LET阈值具体包括用锎源对所述器件进行辐射，如果发生单粒子现象，则LET阈 值小于43，否则，LET阈值大于43。
11、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，测量所述离子束的线性能量转移 LET的能量具体包括在表面势垒探测器的局部表面上放置已知厚度和密度的金属薄 片，用所述离子束辐射金属薄片，得到两个能量峰值，根据所述两个 能量峰值计算出离子束穿透所述金属薄片的能量损失，得到所述离子 束的LET值。
12、 如权利要求11所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述表面势垒探测器使用前进 行校准。
13、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，测量所述离子束注量率具体包括:利用闪烁探测器对所述离子每撞击一次闪烁探测器产生一个计 数信号来进行测量。
14、 如权利要求13所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关系的方法，其特征在于，根据不同离子注量率选择所述 闪烁探测器不同的孔径。
15、 如权利要求13所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，设置所述闪烁探测器的光电管 偏离所述离子束中轴线90。。
16、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述测量所述整个离子束截面的均勻性具体如下采用多个所述闪烁探测器对所述离子東的整体剖面进行釆集。
17、 如权利要求16所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述釆用多个所述闪烁探测器 对所述离子束的整体剖面进行釆集具体为在所述离子東外区域设置四个边界闪烁探测器进行釆集。
18、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述注量率为102~105ionS/(cm2 s )。
19、 如权利要求18所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述注量累积到107ions/cm2 或发生单粒子现象次数累积到100次。
20、 如权利要求19所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述离子東的射程穿透所述被 测器件的敏感区。
21、 如权利要求20所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述离子東的射程大于30iam。
22、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，重新选择离子种类具体包括选用离子进行辐射应该根据所述LET值由大到小的顺序进行选择。
23、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，所述发生单粒子现象为单粒子翻 转，在发生单粒子翻转之后，还包括以下步骤中的一步或多步(1)改变注量率，在测试仪器或计量表不过载的情况下，得到 所述被测器件的发生单粒子翻转的数据；(2) 重新进行辐射试验2到3次，用于验证离子束的稳定性；(3) 改变离子東角度，增加描点或者选取不同的离子种类、能 量、角度，但具有相同的所述LET值的情况下，重新进行辐射，验 证测试值是否一致；(4) 改变所述被测器件的运行参数后，重新进行辐射；(5) 改变试验环境温度，重新进行辐射；(6) 选取同一批次产品的另一个被测器件，重新进行辐射，用 于确认样品间的差异性；(7) 改变所述离子東能量以获取一个新的LET值，重新进行辐射；(8) 改变离子种类，以获取一个新的LET值，重新进行辐射。
24、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，对所述被测器件进行重离子辐射 之后，没有发生所述单粒子翻转的单粒子现象，还包括以下步骤中的 一步或多步(1 )增加所述离子東注量；(2) 增大所述离子束角度，重新进行辐射；(3) 改变所述被测器件的运行参数，重新进行辐射；(4) 改变所述被测器件的偏置，重新进行辐射；(5) 选取同一批次产品的另一个被测器件，重新进行辐射；(6) 改变所述离子東能量以获取一个新的LET值，重新进行辐射；(7) 改变离子种类，以获取一个新的LET值，重新进行辐射。
25、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，在至少选择5种以上LET值进 行试验之后，还包括对试验数据进行记录，记录的试验数据具体包括 所述离子的种类和能量，被测器件的类型、型号、工艺及生产批 次，被测器件的测试参数、所述离子束入射角度、所述离子東所用的 加速器类型，发生单粒子现象的次数、位置、LET值，发生单粒子闩锁、单粒子烧毁、单粒子栅穿时的位置及LET值。
26、 如权利要求1所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线性 能量转移关系的方法，其特征在于，如果所述单粒子现象SEP为单 粒子烧毁SEB或单粒子栅极击穿SEGR，则在对所述被测器件进行重 离子辐射之后还包括(1)如果进行SEB特性试验，记录每次辐射的电流脉冲次数； 如果进行SEGR特性试验，在探测到在所述被测器件栅极电流变化超 过规定的栅极电流范围时，停止离子束辐射；(2 )进行SEB或SEGR验证试验，监测所述被测器件栅极与漏 极电流，如果观察到电流变化，记录观察到的条件；(3) 关掉离子束，在所述被测器件施加额定栅极电压，监测栅 极电流，如果观察到电流变化，记录观察到的条件；(4) 记录试验数据，具体包括记录离子种类、离子能量、离 子束入射角度、射程、LET值平均注量率、注量和试验条件。
27、 如权利要求26所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述SEB特性试验具体包括对所述被测器件施压规定的栅-源电压、漏-源电压偏置条件，辐 射规定的注量，如果SEB发生，则计数器增加计数来进行记录，调 节注量率，使每秒发生SEB数不超过100个，当设定的注量达到时， 关闭离子束挡板，记录SEB总数，选择不同的离子，获得新的LET 值，重复以上所述步骤。
28、 如权利要求27所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述SEB特性试验之后还进 行SEB验证试验，具体包括以下步骤在所述被测器件的漏极放置电容，施压规定的栅-源电压、漏-源 电压偏置条件，辐射规定的注量，如果所述被测器件失效，则停止辐 射。
29、 如权利要求26所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述SEGR特性试验具体包括:对所述被测器件施压规定的栅-源电压、漏-源电压偏置条件，辐 射规定的注量，如果SEGR发生，则停止辐射，记录累计注量。
30、 如权利要求29所述的一种获取单粒子现象截面与重离子线 性能量转移关系的方法，其特征在于，所述SEGR特性试验之后还进 行SEGR验证试验，具体包括以下步骤对所述被测器件施压规定的栅-源电压、漏-源电压偏置条件，辐 射规定的注量，如果所述被测器件失效，则停止辐射。
全文摘要
本发明公开了一种获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关系的方法，包括将被测器件放置在试验位置，选择能量、注量率、注量、均匀性合适的离子，开启离子束的挡板，对所述被测器件进行重离子辐射，直到预期的单粒子现象发生或达到最大的预定注量；记录所述被测器件发生单粒子现象SEP的次数，并记录所述离子的注量以及发生单粒子现象截面，关闭离子束；重新选择离子种类，重复上述步骤；至少选择5种以上LET值进行试验，以所述发生单粒子现象截面为纵坐标，以LET值为横坐标，得到发生单粒子现象截面与LET的关系。本发明能够有效的对航天用的器件抗单粒子现象的能力进行检验，从而指导研制单位提高器件的抗辐射能力，提高器件的可靠性。
文档编号G01R31/00GK101158705SQ200710177960
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月22日 优先权日2007年11月22日
发明者姜大勇, 王群勇, 郝有香, 宇 陈, 陈冬梅 申请人:北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司