一种器件的重离子单粒子多位翻转效应的定量分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种一种器件的重离子单粒子多位翻转效应的定量分析方法，属于 空间单粒子效应地面模拟试验技术及加固技术研究领域。
【背景技术】
[0002] 随着卫星电子系统对大规模集成电路性能要求的不断提高，采用超深亚微米、纳 米级集成电路已成为不可避免的发展趋势。器件特征工艺尺寸的减小带来的首要问题是临 界电荷的降低，临界电荷是器件发生单粒子翻转所需的最小电荷量，随工艺尺寸约成平方 反比关系，如90nm工艺器件，在最坏情况下器件的临界电荷已经小于2fC。这意味着高能粒 子进入器件后，触发器件状态翻转需要的电离能量沉积减小了，即单粒子翻转的敏感性增 加。此外，特征尺寸的减小对电荷的收集过程也产生了深远影响，单个重离子入射引起的多 个单粒子翻转敏感结点之间的电荷共享以及阱电势的崩塌引起相邻存储单元寄生双级晶 体管导通而产生的双级放大效应使单粒子多位翻转问题变得日益严重。ITRS国际半导体技 术发展蓝图预测至2016年，25nm工艺下集成电路的单粒子软错误率将全部来自于多位翻 转。物理上相邻存储单元翻转所引起的多位翻转，由于引起器件单粒子软错误的急剧增加， 会导致一些经典的版图加固方法如DICE双互锁存储单元在多结点电荷收集机制面前失去 应有的加固效果，并使得传统的单粒子效应模拟试验方法、理论模型在纳米工艺下受到挑 战。
[0003] 单粒子多位翻转（MCU)是指单个粒子入射引起物理上多个相邻存储单元发生单 粒子翻转的一种拓扑错误。深入研究器件单粒子多位翻转，需要准确获取器件单粒子多位 翻转的多样性和拓扑图形，统计不同尺寸单粒子多位翻转的事件数并进行定量表征，这对 于衡量器件单粒子多位翻转敏感性，指导器件抗单粒子加固设计，验证加固设计的有效性 具有十分重要的意义。目前单粒子多位翻转研究普遍存在多位翻转难以判别统计、拓扑图 形难以获取、影响程度难以定量的问题。国内开展器件单粒子多位翻转研究还处于起步阶 段，未深入开展单粒子多位翻转试验方法的研究工作，申请号201010624396. 9名称为一种 脉冲激光单粒子翻转截面的实验方法的专利，给出了一种利用脉冲激光获取单粒子翻转截 面的方法，申请号200710177960. 5名称为获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关 系的方法的专利，给出了一种获取单粒子翻转截面、闭锁截面、栅穿截面和烧毁截面与重离 子LET值关系的方法，两个专利中均未涉及单粒子多位翻转试验数据获取和处理方法的描 述。国际上报道的单粒子多位翻转研究工作多集中在对试验结果的分析和讨论，很少涉及 单粒子多位翻转试验方法的描述。通常开展器件单粒子效应试验时，测试系统测量获取的 是基于逻辑地址的单粒子翻转试验数据，因此不能客观反映发生单粒子翻转的存储单元是 否在物理上真实相邻，是否可以判定为真正的单粒子多位翻转。另一方面即使获取了器件 的物理位图，建立了单粒子翻转逻辑地址到物理地址的映射，但效应试验中却不控制离子 注量率的选择，选择常规的单粒子效应试验方法中规定的注量率范围l〇2-l〇5/cm2.s之间的 任一注量率，容易引入由不同粒子入射在相邻物理位置造成的"伪"多位翻转，造成单粒子 多位翻转统计误差过大。同时对单粒子多位翻转的表征缺乏清晰的认识，导致多位翻转的 定义和计算不能准确有效地反映器件对单粒子多位翻转的敏感性。因此建立一种完整的单 粒子多位翻转试验数据获取和处理方法成为开展器件单粒子翻转模拟试验技术研究、评 价器件抗单粒子翻转能力、提高器件抗单粒子翻转加固性能急需解决的关键问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种在地面实验室条件下对被测器件进行单粒子多位翻转 试效应的定量分析方法，使今后地面单粒子效应多位翻转的研究工作更加方便、实用。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0006] -种器件的重离子单粒子多位翻转效应的定量分析方法，其特殊之处在于，包括 以下步骤：
[0007] 1】数据获取
[0008] 1.1】束流参数设定
[0009] 选择重离子种类，根据重离子LET值选择合适的注量率进行辐照；
[0010] 1.2】测试
[0011] 记录器件发生单粒子翻转的存储单元逻辑地址及数据，达到预计的单粒子翻转数 或最大离子注量时停止辐照；
[0012] 2】数据处理
[0013] 2. 1】建立器件逻辑地址到物理地址的映射关系，形成物理位图；
[0014]2. 2】依据物理位图，统计每个回读周期以及全部回读周期的单粒子翻转数和单粒 子事件数，单粒子事件数包括单位翻转事件数和多位翻转事件数，并记录每种多位翻转事 件所对应的多位翻转拓扑图形；
[0015]2. 3】基于步骤2. 2】的数据统计信息，结合重离子注量，对单粒子多位翻转进行表 征，实现对器件单粒子多位翻转效应的定量分析。
[0016] 如需要，在步骤1.2】与步骤2.1】之间还包括：
[0017]1. 3】调整重离子入射角度、器件填充图形或工作电压后再进行1. 2】测试
[0018] 的步骤。
[0019] 如需要，在步骤1. 3】与步骤2. 1】之间还包括：
[0020] 1. 4】选择新的重离子种类，改变重离子LET值，根据重离子LET值选择合适的注量 率进行辐照后再进行1. 2】测试的步骤。
[0021] 如需要，在步骤1. 4】与步骤2. 1】之间还包括：
[0022] 1. 5】调整重离子入射角度、器件填充图形或工作电压后再进行1. 2】测试的步骤。
[0023] 在步骤1. 1】束流参数设定时，对单粒子效应敏感的器件，辐照时离子注量率应尽 量低，从而将"伪"MCU(两个或多个离子入射在相邻位置引起的MCU)的发生概率控制到很 低。但过低注量率将导致单粒子翻转数累积过慢、辐照时间过长、加速器束流不稳定、注量 统计误差增大等问题，因此实际效应试验中离子注量率选定原则是保证一个回读周期内发 生单粒子翻转的数目相比于器件存储容量尽量少，具体为：
[0024] 对于集成度小于1Mbit的存储器件，保证辐照中每个回读周期测试的翻转数小于 芯片总容量的〇.01%;对于集成度大于1Mbit的存储器件，保证辐照中每个回读周期测试 的翻转数不大于100个，这样发生一次"伪"多位翻转的最劣概率小于1X10 3。
[0025] -个回读周期内累计Esa个翻转时发生一次"伪"多位翻转的概率A可表示为：
[0026]
[0027] 其中，Esa是辐照过程中一个回读周期记录的单粒子翻转数，N表示存储器件集成 度即存储容量，AdjCell表示在1个存储单元翻转周围可能被记作MCU的存储单元数目，通 常物理上完全相邻的存储单元发生翻转才被记做多位翻转，因此计算时AdjCell取8。
[0028] 从数据统计置信度考虑，步骤1. 2】中所述的预计的单粒子翻转数应累积到超过 100个但翻转数目不应超过器件存储容量的1 %，最大离子注量不超过lE7cm2。
[0029] 上述步骤2. 1】器件逻辑地址到物理地址的映射关系的建立基于设计厂商提供的 器件信息或采取反向设计的方法或采用重离子微束、激光微束定位识别的方法。
[0030] 上述步骤2. 2】中单粒子事件数的统计方法为"一个离子引起的所有单粒子翻转都 看作一个事件，无论是单位翻转还是多位翻转，事件仅记作一次"。
[0031] 上述步骤2. 3】中对单粒子多位翻转进行表征并定量，表征参数包括U型即单粒子 翻转截面、E型即单粒子事件截面、单粒子多位翻转事件截面、单粒子单位翻转事件截面、多 位翻转均值Mean、多位翻转概率、具有i位翻转的单粒子事件的概率，具体表征方法如下：
[0032] U型即单粒子翻转截面〇。SEU，表示成：
[0036] 其中Eventi-bit是具有i位翻转的单粒子事件数，①是入射离子的总注量；
[0037] 单粒子多位翻转事件截面〇 _，表示为：
[0043] 多位翻转概率，表示为：
[0044]
(1-7)
[0045] 式中分母为所有单粒子事件的总和，分子为具有2位翻转以及更多位翻转的多位 翻转事件的总和；
[0046] 具有i位翻转的单粒子事件Event; !^的概率则表示为
[0047] (1-8) 〇
[0048] 步骤2. 3】之后，还包括绘制单粒子表征参数中的一种或多种与重离子LET值、离 子入射角度、填充图形、工作电压中的一种或几种之间的关系曲线。
[0049] 本发明与现有技术相比，优点是：
[0050] 1、本发明的重离子单粒子多位翻转效应的定量分析方法通过对注量率的控制来 降低""伪"多为翻转的发生几率，通过建立器件逻辑地址到物理地址的映射关系以能客观 反映发生单粒子翻转的存储单元是否在物理上真实相邻，从而可以判定是否为真正的单粒 子多位翻转来消除"伪"多位翻转，实现对被测器件抗单粒子翻转能力的评价检测。
[0051] 2、本发明能够为建立科学合理的小尺寸器件重离子单粒子效应模拟试验方法提 供依据。
[0052]3、本发明能够为器件抗单粒子翻转加固设计提供技术手段和信息，并验证评价加 固技术的有效性。
[0053] 4、本发明同样适用于质子和中子单粒子多位翻转的试验数据获取和处理。
【附图说明】
[0054] 图1是本发明器件的重离子单粒子多位翻转效应的定量分析方法；
[0055] 图2是本发明实施例中器件的译码图；
[0056] 图3是C1离子辐照时某一回读周期单粒子翻转数据物理位图显示；
[0057] 图4是C1离子全部回读周期单粒子翻转数据物理位图显示；
[0058] 图5是单粒子单位翻转和多位翻转事件概率、多位翻转均值与LET值的关系曲线。 图6表示了C1离子辐照时全部回读周期内具有不同拓扑图形的单粒子多位翻转的事 件