一种不依赖器件工艺参数的重离子单粒子翻转率分析方法与流程

[0001]
本发明涉及一种不依赖器件工艺参数的重离子单粒子翻转率分析方法，属于空间辐射技术领域。


背景技术：

[0002]
空间中的重离子是引发器件发生单粒子翻转的重要来源，针对器件在轨翻转率进行预测，是进行单粒子翻转防护设计的重要基础。
[0003]
针对重离子引发的单粒子进行预测，目前基本采用irpp方法，该方法中的器件模型由器件重离子试验数据和工艺参数两方面因素确定。该模型将器件的单粒子敏感区看做一个长方体，主要包含长方体上表面积、长方体厚度、临界电荷三个关键参数：(1)长方体上表面积参数等于器件重离子单粒子试验的饱和截面，该数据取自试验结果，是确定的数值；(2)长方体厚度参数主要取决于器件工艺参数，包括掺杂浓度、工作电压等；(3)临界电荷是器件发生单粒子翻转所需的最少电荷，该数据与器件工艺、工作状态等相关，一般可采用建模仿真方法、器件翻转let阈值与厚度参数相乘方法进行分析，但两种方法均涉及到器件工艺参数。
[0004]
器件具体工艺参数的所有权属于芯片厂商，一般不对外公布。导致厚度参数、临界电荷参数无法准确确定，只能采用近似值、估计值、经验值等。这使得器件在轨翻转率的计算结果与实际值存在差异；并且即使对于同一个器件，不同计算者的参数和结果也不相同，结果无法统一。


技术实现要素：

[0005]
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种不依赖器件工艺参数的重离子单粒子翻转率分析方法，不需要器件工艺参数、可仅依靠器件重离子单粒子试验数据进行建模和分析。
[0006]
本发明的技术解决方案是：一种不依赖器件工艺参数的重离子单粒子翻转率分析方法，包括如下步骤：
[0007]
获取待测器件重离子单粒子翻转截面试验数据及拟合结果；
[0008]
建立待测器件单粒子翻转率分析模型；
[0009]
计算待测器件所处轨道的重离子let谱；
[0010]
将所述重离子let谱中的粒子按let值从小到大依次入射到待测器件中，计算待测器件在轨单粒子翻转率，作为航天器单粒子翻转防护设计的数据参考。
[0011]
进一步地，所述建立待测器件单粒子翻转率分析模型包括：
[0012]
在器件重离子翻转截面试验数据的weibull拟合结果上选择n个点，以此构建n个子模型，所有子模型的上表面齐平，中心轴重合，每个子模型均为立方体结构，其中第一个子模型为完整立方体，第i个子模型需将第1～i-1个子模型对应的空间全部去掉，i>1，由此构建待测器件单粒子翻转率分析模型。
[0013]
进一步地，所述子模型的边长d
i
为其中，σ
i
为在拟合结果上取的第i个点的翻转截面数据；
[0014]
翻转截面数据σ
i
＝k
i
×
σ
sat
，n≥i≥1；其中，k
i
是weibull拟合结果第i个点的翻转截面数据σ
i
与饱和翻转截面σ
sat
的比例，k
i
最小值不大于0.001，k
i
最大值不小于0.999，σ
sat
为饱和翻转截面。
[0015]
进一步地，第i个子模型对能量的收集系数α
i
为其中，e
crit
为器件发生单粒子翻转所需临界电荷对应的临界能量，d
i
、d
j-1
、d
j
分别为第i个、第j-1个、第j个子模型的边长，let
i
、let
j
分别为weibull拟合结果第i个、第j个点的let值。
[0016]
进一步地，weibull拟合结果第i个点的let值为：其中σ
sat
、l
th
、w、s是威布尔函数的四个参数，分别为饱和翻转截面、let阈值、宽度参数、形状参数；k
i
是weibull拟合结果第i个点的翻转截面数据σ
i
与饱和翻转截面σ
sat
的比例，k
i
最小值不大于0.001，k
i
最大值应不小于0.999。
[0017]
进一步地，所述计算待测器件在轨单粒子翻转率包括如下步骤：
[0018]
计算不同let值的粒子在模型中的沉积能量e
dep
；
[0019]
计算不同let值的粒子的沉积能量e
dep
与临界能量e
crit
的比例r，从中选出使比例r最小的粒子，并将其let值作为待测器件发生单粒子翻转所需的let阈值；
[0020]
根据let阈值及其对应的粒子积分通量计算待测器件的在轨单粒子翻转率。
[0021]
进一步地，所述粒子在模型中的沉积能量e
dep
为：
[0022]
当粒子未穿过最外层子模型时：
[0023][0024]
当粒子穿过最外层子模型时：
[0025][0026]
其中α
i
为第i个子模型的收集效率，s
i
为粒子在第i个子模型中穿过的距离，n
min
和n
max
分别为粒子在模型中穿过的子模型的最小序号和最大序号。
[0027]
进一步地，所述沉积能量e
dep
与临界能量e
crit
的比例r为：
[0028]
当粒子未穿过最外层子模型时：
[0029][0030]
当粒子穿过最外层子模型时：
[0031][0032]
进一步地，所述待测器件发生单粒子翻转所需的let阈值为：
[0033]
当粒子未穿过最外层子模型时：
[0034][0035]
当粒子穿过最外层子模型时：
[0036][0037]
其中s、s
i
分别是粒子穿过器件整个模型、第i个子模型的距离。
[0038]
进一步地，所述待测器件在轨单粒子翻转率为其中s
max
为粒子在模型中穿过距离s的最大值，φ(let>let
min
)为所处轨道的重离子let谱中let值大于let
min
的部分，f
′
(s)为粒子在模型中穿过距离s的分布函数f(s)的导数。
[0039]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0040]
1、器件单粒子翻转率模型尺寸参数是确定性的
[0041]
常用的单粒子翻转率预示irpp模型中，敏感区厚度参数无法确定；厚度参数取值不同时，单粒子翻转率计算结果存在差异。本发明构建的单粒子模型，模型尺寸完全取决于的器件重离子单粒子试验数据，由于重离子试验数据是确定的，器件单粒子模型尺寸参数
是完全确定的，不会引入不确定因素。
[0042]
2、器件单粒子翻转率计算结果不受临界电荷取值的影响
[0043]
一般情况下，器件单粒子翻转率计算结果会依赖于临界电荷这一关键参数，该参数依赖于器件工艺参数。但本发明建立的特殊分析模型，单粒子翻转率计算结果不受临界电荷的影响。
附图说明
[0044]
图1是本发明建立的不依赖器件工艺参数的重离子单粒子翻转率分析方法流程图。
[0045]
图2是xilinx virtex ii fpga重离子翻转截面试验值与weibull拟合值。
[0046]
图3是器件单粒子翻转率分析模型。
具体实施方式
[0047]
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0048]
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种不依赖器件工艺参数的重离子单粒子翻转率分析方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：
[0049]
(1)获取器件重离子单粒子翻转截面试验数据及拟合结果
[0050]
采用地面加速器重离子，获取器件在重离子辐照下单粒子翻转截面与重离子let值的试验数据，并依据weibull函数对试验数据进行拟合，获得威布尔函数的4个参数。
[0051]
威布尔函数形式为其中σ为器件翻转截面，单位为cm
2
/bit；l为重离子let值，单位为mev
·
cm
2
/mg；σ
sat
、l
th
、w、s为威布尔函数的4个参数，其中σ
sat
为饱和翻转截面，单位为cm
2
/bit，l
th
为let阈值，单位为mev
·
cm
2
/mg，w为宽度参数，单位为mev
·
cm
2
/mg，s为形状参数，无量纲。
[0052]
以xilinx virtex ii xc2v1000 fpga为例，图2给出了该器件重离子翻转截面的试验值和拟合曲线，其拟合参数分别为σ
sat
＝4.37
×
10-8
cm
2
/bit，l
th
＝1.0mev
·
cm
2
/mg，w＝33mev
·
cm
2
/mg，s＝0.8。
[0053]
(2)建立器件单粒子翻转率分析模型
[0054]
根据重离子数据建立器件单粒子翻转率模型，模型建立方法见图3。整体模型是由n个子模型构成，所有子模型的上表面齐平、中心轴重合，每个子模型均为立方体结构，其中第1个子模型为完整立方体，第i(i>1)个子模型需将第1～i-1个子模型对应的空间全部去掉。
[0055]
粒子入射到模型、并穿过模型的过程中会损失能量，损失能量大小取决于粒子let和穿过子模型的路径长度。损失的能量分别由各子模型收集，不同子模型对能量的收集效率不同。最终将所有子模型收集的能量相加，得到粒子在整个模型中的沉积能量，当该沉积能量大于模型翻转所需的临界能量时，模型会发生单粒子翻转。
[0056]
本发明特殊设计了各子模型的形状、尺寸、收集效率，这些参数仅与器件在重离子辐照下的翻转截面数据有关，与器件工艺参数无关。在本发明的设计条件下，粒子入射到器件中是否发生翻转，也呈现出与器件临界能量无关的特性。因此，模型参数、以及模型是否发生翻转，最终不依赖于器件工艺参数。
[0057]
下面详细描述器件单粒子翻转率分析模型的构建方法。
[0058]
在器件重离子翻转截面试验数据的weibull拟合结果上选择n个点，以此构建n个子模型，weibull拟合结果上所选的点与子模型存在一一对应关系。
[0059]
weibull拟合结果每个点包含翻转截面σ
i
和相应的let值let
i
两个参数，计算公式如下：
[0060]
σ
i
＝k
i
×
σ
sat
(n≥i≥1)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0061][0062]
其中σ
sat
、l
th
、w、s是威布尔函数的4个参数，分别为饱和翻转截面、let阈值、宽度参数、形状参数。k
i
是weibull拟合结果第i个点的翻转截面数据σ
i
与饱和翻转截面σ
sat
的比例，k
i
最小值不大于0.001，k
i
最大值不小于0.999。
[0063]
每个子模型包含边长d
i
、能量收集系数α
i
两个参数。根据公式(1)得到的weibull拟合结果第i个点的翻转截面数据σ
i
，构建第i个子模型的边长d
i
，采用下面的公式计算：
[0064][0065]
从该公式可以看到，模型的尺寸参数仅与重离子试验数据有关，与器件工艺参数无关。
[0066]
根据公式(2)得到的weibull拟合结果第i个点的let值let
i
，以及公式(3)得到的第i个子模型的边长d
i
，构建第i子模型的能量收集系数α
i
，采用下面的公式计算：
[0067][0068]
其中e
crit
为器件发生单粒子翻转所需临界电荷对应的临界能量。从该公式可以看到，收集系数与d
i
、let
i
、e
crit
有关，其中前两个参数仅与重离子试验数据有关；e
crit
与器件工艺有关，但根据本发明第(4)步所述，器件发生单粒子翻转的let阈值与临界能量e
crit
无关，因此临界能量e
crit
可取任意数值。
[0069]
按照上述方法，根据xilinx virtex ii xc2v1000 fpga的威布尔函数拟合结果，选取e
crit
＝0.0225mev，选择n＝65构建模型，模型参数见表1。
[0070]
表1 xilinx virtex ii xc2v1000 fpga单粒子翻转模型参数
[0071]
[0072]
[0073][0074]
(3)计算器件所处轨道的重离子let谱
[0075]
根据空间中太阳宇宙射线、银河宇宙射线等环境，分析器件所处环境的let谱φ(let)，let谱应给出粒子不同let值对应的粒子通量。
[0076]
首先计算得到空间不同原子序数z、不同能量e的重离子通量谱φ(z,e)，根据重离子的原子序数z和能量e，计算粒子的线性能量传输系数，即let值，计算公式如下：
[0077][0078]
其中：
[0079]
let：重离子的，单位为mev
·
cm
2
/mg；
[0080]
e：入射重离子能量，单位为mev；
[0081]
z：入射重离子原子序数；
[0082]
i：硅的平均电离和激发电位，i＝173ev；
[0083]
n：硅材料单位体积中的原子数，n＝5.0
×
10
22
cm-3
；
[0084]
z：硅材料的原子序数，z＝14。
[0085]
针对不同let的重离子通量谱φ(z,e)进行积分，就可以得到总的let谱，计算公式如下：
[0086]
φ(let)＝∫∫φ(z,e)let(z,e)dzde
ꢀꢀꢀ
(6)
[0087]
以geo轨道为例，采用公式(5)和公式(6)，可以得到相应的let谱，结果见表2。
[0088]
表2 geo轨道let谱
[0089]
let值(mev
·
cm
2
/mg)粒子积分通量(cm-2
·
s-1
)2.04e-023.97e-013.02e-022.45e-014.07e-021.66e-015.01e-021.30e-016.03e-021.08e-01
7.08e-028.35e-028.13e-027.22e-029.12e-026.29e-021.00e-015.57e-022.00e-012.22e-023.02e-011.34e-024.07e-018.72e-035.01e-016.63e-036.03e-015.24e-037.08e-014.34e-037.24e-014.28e-038.13e-013.79e-039.12e-013.32e-031.00e+003.05e-032.00e+005.53e-043.02e+002.12e-044.07e+001.07e-045.01e+006.34e-056.03e+004.17e-057.08e+002.76e-058.13e+002.00e-059.12e+001.51e-051.00e+011.16e-052.00e+011.45e-063.02e+019.20e-094.07e+013.66e-105.01e+011.65e-106.03e+016.86e-117.08e+013.04e-118.13e+011.22e-119.12e+012.14e-121.02e+027.53e-14
[0090]
(4)将所述重离子let谱中的粒子按let值从小到大依次入射到待测器件中，计算待测器件在轨单粒子翻转率，作为航天器单粒子翻转防护设计的数据参考。
[0091]
具有一定let值的粒子各向同性入射到器件中，不同入射方向和入射位置会在器件中经历不同的距离s，形成s的分布函数f(s)。粒子在模型中经历距离s时，会在不同的子模型中沉积能量、并依据子模型的能量收集系数进行收集，将所有子模型的收集能量相加，得到粒子在整个模型中的总沉积能量，当总沉积能量超过临界能量e
crit
时，器件会发生单粒子翻转，因此，只有一定let值、以一定角度入射、并且入射到合适位置的粒子才会
引发单粒子翻转。
[0092]
粒子在模型中的沉积能量e
dep
为：
[0093]
当粒子未穿过最外层子模型时：
[0094][0095]
当粒子穿过最外层子模型时：
[0096][0097]
其中α
i
为第i个子模型的收集效率，s
i
为粒子在第i个子模型中穿过的距离，n
min
和n
max
分别为粒子在模型中穿过的子模型的最小序号和最大序号。。
[0098]
当沉积能量e
dep
与临界能量e
crit
的比例r≥1时，器件发生单粒子翻转，比例计算公式为：
[0099]
当粒子未穿过最外层子模型时：
[0100][0101]
当粒子穿过最外层子模型时：
[0102][0103]
根据公式(9)和公式(10)，可以得到粒子以一定角度入射、并且在模型中穿过的距离为s时，器件发生单粒子翻转所需的let阈值为：
[0104]
当粒子未穿过最外层子模型时：
[0105][0106]
当粒子穿过最外层子模型时：
[0107][0108]
其中s、s
i
分别是粒子穿过器件整个模型、第i个子模型的距离。
[0109]
通过上面两个公式可以进一步看到，器件发生单粒子翻转的let阈值与临界能量e
crit
无关。
[0110]
由此可以得到器件中引发单粒子翻转的事件率为：
[0111][0112]
其中，s
max
为粒子在模型中穿过距离s的最大值，φ(let>let
min
)为公式(6)计算得到的所处轨道的重离子let谱中let值大于let
min
的部分，f
′
(s)为粒子在模型中穿过距离s的分布函数f(s)的导数。
[0113]
以xilinx virtex ii xc2v1000 fpga为例，采用表1中的数据，在国际权威的粒子输运开源分析软件geant4中构建模型，并分析各向同性粒子在模型中穿过的距离s、并统计距离s的分布函数f(s)，再依据公式(7)和公式(8)计算不同let值的粒子在模型中的沉积能量，再依据公式(9)、(10)、(11)、(12)计算引发单粒子翻转的let阈值，结合表2给出的geo轨道的let谱φ(let)，得到xilinx virtex ii xc2v1000 fpga在轨翻转率，见表3。
[0114]
从表中可以看到，本发明中给出的方法，与一般方法采用2μm敏感区厚度得到的结果基本一致。
[0115]
表3在轨翻转率计算结果
[0116][0117]
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
[0118]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。