不同能量重离子引起先进微电子器件单粒子效应的等效机理研究

With the advancement of microelectronics technology, more and more heavy ion Single Event Effect (SEE)experimental results can not be explained by the classical LET concept based model, and these are also large difference between the predicted error rate and orbit measurements. One of major differences is low enegy heavy ions are used on ground to simulate single event effect induced by high energy ions in orbits. So, It’s necessary to study the basic machnisms associated with energy, which play important role in inducing single event effect in modern microelectronics..In this proposal,mainstream microelectronis(SRAM FPGA) are irradiated by ions with same LET and different energy,high fluence low LET ions, high energy ions from large angle along difference axis. SEU（include multi-bit upset, MBU）data are acquired and analysed. The physical model including metal interconnects are established and nuclear physics model and circuit simulation model will be used to study the SEU machnisms in Sub- threshold region from nuclear elastic and inelasitx reaction, the role of heavy metal element, the effect of charge track and incidence angle. These will be contribute to the theoy foundation which can used heavy ions single event upset ground experiment and orbit prediction.

单粒子效应是制约先进微电子器件空间应用的主要因素，广泛应用基于LET的等效的试验方法不能完全解释地面结果，在轨翻转率预示也与实际存在较大差距。而能量不同是地面模拟试验和空间环境最大的差别之一，因此有必要研究能量对新一代微电子器件单粒子翻转特性的影响机理，建立单粒子效应模拟试验和在轨预示方法的理论基础。本项目针对主流工艺微电子器件（SRAM型FPGA，有加固指标的SRAM），采用相同LET值\不同能量重离子辐照、低LET值重离子的高注量辐照、高能重离子沿不同轴大倾角入射，获得器件单粒子翻转（包括多位翻转）数据，建立包含金属布线的封装结构的器件模型，采用粒子输运仿真和电路仿真软件，重点研究亚阈值区域重离子通过核反应引起单粒子效应的机制，金属层对单粒子翻转率的贡献，电荷径迹对多位翻转的影响和单粒子翻转的角度效应，为新一代宇航器件单粒子效应敏感度的评价的翻转率在轨预示奠定理论基础。

本项目深入研究了以商用主流器件和国产SOI工艺器件为代表的加固器件单粒子效应的机理，在国内首次采用兰州重离子加速器4.06GeV58Ni、国内首次加速的100MeV中能质子、甘肃武威重离子治癌装置4.8GeV的高能12C离子开展了单粒子效应试验研究，并且量化分析了在高能重离子试验中通过降能片方式改变LET值存在的误差进行了分析，通过与国外PSI试验数据，对100MeV质子回旋加速器注量测量误差进行了分析，针对甘肃武威重离子治癌装置的脉冲束特征，对其束流均匀度进行了测试，建立了获取有效注量的计算方法，这些技术研究工作促进我国单粒子效应试验技术的进步，已经广泛应用于宇航器件单粒子效应敏感度的评估和探测器的标定工作。.本项目提出的三段论精细化试验技术、两步法防护效果验证技术和基于试验数据的器件嵌套敏感区参数和屏蔽参数提取等方法，完整涵盖了从器件敏感度表征和系统防护效果验证整个链条，突破了单粒子效应试验仅仅获得简单器件截面和翻转阈值的局限性，为国内宇航用器件的使用中单粒子效应风险的评估和控制提供了完整的解决方案。.本项目研究了亚阈值区域高能、低LET重离子核反应机制引起的单粒子效应及其对在轨事件率的贡献。对于0.13μm SOI 4M bit SRAM，80MeV12C离子截面比90MeV质子高一个数量级，而4.8GeV的高能12C离子截面显著高于80MeV12C（几倍），充分表明在亚阈值区域核反应是产生单粒子效应的主要机制，核反应截面以及次级产物的种类和能量是造成以上结果的原因。结合在轨空间粒子能谱分析，阐明了对于LET值在10 MeV•cm2/mg的加固器件，高能高能、低LET重离子将是在轨产生单粒子事件的主要来源。.结合未来木星探测任务和商业航天器的迫切需求，本项目在先进器件单粒子效应敏感度评估技术的基础上，提出了基于器件翻转率（失效率）和概率空间环境模型的系统可靠性评估方法，具有重要的科学意义和工程应用价值。.本项目成果已经应用于我国北斗导航、嫦娥工程等重大科技工程中。在未来我国木星系任务探测及商业级微纳卫星研制中具有重要的价值。