一种用X射线进行单粒子软错误的试验方法与流程

本发明属于空间辐射效应及加固
技术领域：
。更具体地说，本发明涉及一种用x射线进行单粒子软错误的试验方法。
背景技术：
：静态随机存储器(sram)由于其读写速度快、功耗低、高集成度等优点而被广泛使用。作为飞船、卫星中必不可少的存储器之一，在数据存储方面发挥着巨大的作用。对于需要执行航天任务的卫星而言，在外层空间环境中，存在着大量的银河宇宙射线、太阳耀斑以及地磁俘获带的粒子，会对卫星上电子设备的可靠性产生不可忽视的影响，严重影响卫星的使用寿命。在众多辐射效应中，单粒子翻转效应作为主要的辐射效应而备受关注。单粒子翻转(singleeventupset)是指粒子穿过芯片时，沿其路径会损失能量，产生大量的空穴电子对，这些电荷通过漂移和扩散被收集，产生瞬态脉冲，使器件的逻辑状态发生翻转。随着集成电路向高集成度、低特征尺寸不断发展，器件的栅长、节点深度、氧化层厚度都相应的减小。图1所示为不同特征尺寸下器件发生翻转所需要的临界电荷。判断器件是否发生单粒子翻转，取决于临界电荷(qcrit)的大小。临界电荷的定义为，灵敏电极收集到的，可以导致器件逻辑状态翻转的最小电荷。可以看出，器件特征尺寸越小，临界电荷的数值也就越小，发生单粒子翻转也就越容易。通常用于模拟单粒子效应试验的模拟源一般为重离子加速器、脉冲激光、超铀核素(252cf)等。通过上述的模拟源，国内外对于sram器件开展了大量的单粒子效应研究。x射线作为辐照源的一种，由于其本身的特殊性，多用于对sram器件开展总剂量效应的研究，对于单粒子效应的研究鲜有报道。x射线与物质的相互作用可以有多种方式，在低能时，光子主要与核外电子发生反应，反应类型包括光电效应、康普顿散射、电子对效应等。在进行单粒子效应的研究中，主要考虑的是能量在30kev-100kev下发生的光电效应对器件造成的电离损伤。器件中存在的多层金属布线层，特别金属布线层中含有的高原子序数材料(如w)与器件的敏感区(主要成分为sio2)构成了原子序数差异很大的界面，出现剂量增强效应，产生大量的次级电子，这些次级电子会在器件内部造成额外的能量沉积，这些次级电子能量沉积比光电子本身造成的能量沉积要大的多，额外的能量沉积在器件敏感区域中，会极大的增加器件发生单粒子翻转的概率。对于纳米级器件，特别是当sram器件的特征尺寸达到40nm、28nm以后，器件的单粒子敏感度增加，光电效应产生的次级电子所引起的单粒子翻转将会越来越显著。通过试验获得x射线的单粒子翻转截面为器件耐单粒子翻转能力的评估提供重要的技术。技术实现要素：本发明的一个目的是解决上述至少一个问题或缺陷，并提供后面将说明的至少一个优点。本发明还有一个目的是提供一种用x射线进行单粒子软错误的试验方法，其能够在不同偏置电压条件下，获得对应的单粒子翻转截面，证实了纳米级器件在x射线辐照过程中，产生的次级电子，可以导致器件发生翻转。相比于以前的研究，对纳米级器件的单粒子效应的研究，增加了一种地面模拟源。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用x射线进行单粒子软错误的试验方法，包括如下步骤：对sram试验器件加载低于正常电压的偏置电压；对sram试验器件进行x射线辐射，记录试验数据；以及根据试验数据计算偏置电压下对应的单粒子翻转截面。优选的是，其中，包括如下步骤：步骤一、对sram试验器件进行试验前处理；步骤二、布置x射线光机；步骤三、对sram试验器件加载不同的低于正常电压的偏置电压；步骤四、对sram试验器件进行x射线辐射，记录试验数据，并根据试验数据计算不同偏置电压下对应的单粒子翻转截面。优选的是，其中，所述步骤一中，具体包括：对sram试验器件进行开盖处理，使芯片裸露，开盖完成后，对芯片进行加电测试，确保芯片进行正常的数据读写，并对测试合格的sram试验器件进行分组编号。优选的是，其中，所述步骤二中，具体包括：通过夹具，将辐照板固定在xyz精密移动平台上，使用激光准直器保证x射线光机的靶室中心和sram试验器件的裸露部分在同一水平线上。优选的是，其中，所述步骤四中，具体包括：在开始x射线辐射前，写入初始数据55h，然后调节电压至所述步骤三中不同的偏置电压，对sram试验器件进行x射线辐射，x射线辐射结束后，回读数据，记录发生单粒子翻转的个数n、通量φ，可以计算出在不同的偏置电压下的x射线辐照sram试验器件的单粒子翻转截面σ，计算公式如下：其中，式中m为sram试验器件的总位数，acell为sram试验器件的芯片面积，单位为cm2。优选的是，其中，所述步骤三中，具体包括：对sram试验器件分别加载0.5v，0.7v，0.9v，或1.1v不同的低于正常电压1.5v的偏置电压，并加载50kv的管电压和30ma的管电流。优选的是，其中，还包括步骤：在sram试验器件前放置1mm厚的al板滤光片，目的是为了滤掉x射线中的低能部分，防止总剂量效应对试验结果产生影响。优选的是，其中，x射线辐射结束后，回读数据具体包括：x射线辐射结束后，将偏置电压调节至正常的电压状态，并对数据进行全部回读，与初始填入的数据进行对比，如若发生错误，记录错误的数据和出错的地址；然后再次填充数据，并对数据进行回读，确保在回读过程中，没有任何错误发生，sram试验器件可进行正常的数据读写，其目的是为了保证器件在辐照发生的翻转错误是由高能电子所造成的单粒子软错误，而非累计的总剂量效应造成的错误。本发明至少包括以下有益效果：1、本发明中提出了在不同偏置电压条件下，可以获得对应的单粒子翻转截面，证实了纳米级器件在x射线辐照过程中，产生的次级电子，可以导致器件发生翻转。相比于以前的研究，对纳米级器件的单粒子效应的研究，增加了一种地面模拟源；2、本发明中所使用的测试方法和其他辐射源进行单粒子试验采取的方法有所不同，通过这种方法可以在辐照试验中加载的更低的偏置电压，可以得到更小的临界电荷值，更容易使器件发生单粒子翻转，随着技术的发展，器件出于功耗的考虑，也会逐渐降低器件的工作电压。通过这种方法可以提前开展器件在更低电压下的辐照研究；3、本发明中所使用的x射线相比于其它辐射源，重离子加速器机时宝贵，质子加速器辐照后有残留，脉冲激光在不透明介质内的穿透深度尚不及普通光，x射线具有剂量率控制准确、辐照易于屏蔽、无辐射残留，机时容易获得等优点。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为不同特征尺寸下的临界电荷的示意图；图2为标准6管存储单元的原理图；图3为本发明的一个实施例中辐射试验中加载偏置电压的示意图；图4为本发明的一个实施例中操作流程示意图；图5为本发明的一个实施例中对sram器件进行试验后单粒子翻转的结果示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。本发明的技术原理：x射线在对器件进行辐照中，沿其路径会损失能量，产生大量的空穴电子对，这些电荷通过漂移、扩散被收集，产生瞬态脉冲，使器件内存储的数据发生变化。sram器件是由静态挥发性存储单元拼接成的阵列与其外围电路构成。它的地址译码位于sram内部，所以能够对任意一个存储单元进行读写操作。如图2所示，为一个标准的6管存储单元，由4个nmos管和2个pmos管构成。n1、n2、p1、p2四个晶体管首尾相连构成两个反相器，形成了一个闭合的反馈回路，构成双稳态结构，可以存储一位数据“1”或者“0”。n3、n4两个晶体管用来控制是否读取或者写入数据。当粒子入射晶体管内部时，特别是n1、p2管漏区反偏pn结的空间电荷区为器件单粒子翻转的敏感区域。假如粒子入射到n1管的漏极，认为此时存储数据为“1”，会引起器件内部产生瞬态电流，mos管漏区电压下降，由高电平降低到低电平，而p1管继续导通，会导致存储单元中的数据出现波动，无法维持正常状态。这时q点电压下降，影响n2、p2的栅极，n2管截止，p2管导通,节点q_电压上升，同时n1管导通，p1管截止，通过一系列的反馈，使存储单元中的“1”变成“0”。器件发生翻转的条件就是收集到电荷的总量q>qcrit，反之，则不会发生翻转。通过图2可知，器件的特征尺寸越小，qcrit的值越小，发生翻转越容易。对于一个器件而言，临界电荷的数值受到多个参数的影响，公式(1)中，sio2介电常数(εsio2)、空气介电常数(ε0)属于定值，单元面积(acell)和氧化层厚度(tox)由器件本身决定，唯一可以变化的就是电压(vdd)，在不同的电压下，临界电荷的数值会有所不同。通过验证，器件加载的电压在低于正常电压时，仍可以保证器件可以正常工作。所以，在进行x射线的辐照试验时，采用图3中的所示方法，通过多次实验，可以获得器件的在辐照过程中的最低偏置电压，在这种偏置电压的状态下，器件的临界电荷值将达到最低值，翻转的可能性大大增加。图4示出了本发明的一个实施例中操作流程示意图，具体包括如下步骤：步骤一、对sram试验器件进行开盖处理，使芯片裸露，开盖完成后，对芯片进行加电测试，确保芯片进行正常的数据读写，并对测试合格的sram试验器件进行分组编号；步骤二、通过夹具，将辐照板固定在xyz精密移动平台上，使用激光准直器保证x射线光机的靶室中心和sram试验器件的裸露部分在同一水平线上；步骤三、对sram试验器件分别加载0.5v，0.7v，0.9v，或1.1v不同的低于正常电压1.5v的偏置电压，并加载50kv的管电压和30ma的管电流；步骤四、在开始x射线辐射前，写入初始数据55h，然后调节电压至所述步骤三中不同的偏置电压，对sram试验器件进行x射线辐射，x射线辐射结束后，将偏置电压调节至正常的电压状态，并对数据进行全部回读，与初始填入的数据进行对比，如若发生错误，记录错误的数据和出错的地址；然后再次填充数据，并对数据进行回读，确保在回读过程中，没有任何错误发生，sram试验器件可进行正常的数据读写，其目的是为了保证器件在辐照发生的翻转错误是由高能电子所造成的单粒子软错误，而非累计的总剂量效应造成的错误，记录发生单粒子翻转的个数n、通量φ，可以计算出在不同的偏置电压下的x射线辐照sram试验器件的单粒子翻转截面σ，计算公式如下：其中，式中m为sram试验器件的总位数，acell为sram试验器件的芯片面积，单位为cm2。在另一种实施例中，本发明用x射线进行单粒子软错误的试验方法具体包括如下步骤：辐照试验前需要对sram试验器件进行开盖处理，使芯片裸露。开盖完成后，需要对开盖sram试验器件进行加电测试，保证sram试验器件可进行数据的存储，同时去除不合格的器件，并对测试合格的sram试验器件进行分组编号。通过夹具，将辐照板固定在xyz精密移动平台上。使用激光准直器进行准直校准，保证靶室中心和器件的裸露部分在同一水平线上；在辐照试验开始前，在正常电压下，先将初始数据55h，写入到sram试验器件中，并对数据进行回读，确定sram试验器件在回读过程中，无任何错误产生，随后停止数据回读，并保持填充的数据不再变化，并调节电压，使调节的偏置电压低于sram试验器件正常的电源电压，然后启动直流x射线光机，选择50kv的管电压和30ma的管电流进行辐照，在sram试验器件前放置1mm厚的al板，目的是为了滤掉x射线中的低能部分，防止总剂量效应对试验结果产生影响；辐照结束后，将偏置电压调节至正常的电压状态，并对数据进行全部回读，与初始填入的数据进行对比，如若发生错误，记录错误的数据和出错的地址。然后再次填充数据，并对数据进行回读，确保在回读过程中，同样没有任何错误发生，器件可以进行正常的数据读写。其目的是为了保证器件在辐照发生的翻转错误是由高能电子所造成的单粒子软错误，而非累计的总剂量效应造成的错误；通过重复上述试验步骤，调节不同的偏置电压，可以得到在不同电压下对应的单粒子翻转截面。按照上述方法，获得issi61wv器件在x射线下单粒子翻转截面结果见表1，翻转截面和偏置电压曲线如图5所示。可以看出，当加载的偏置电压高于1.0v并未发生翻转现象，只有当加载的偏置低于1.0v时，器件才发生了翻转。在x射线能量固定的情况下，由公式(1)可知，加载的偏置电压越低，临界电荷的值越小，越容易发生单粒子翻转，在偏置电压高于1.0v时，次级电子沉积的能量不足以造成器件发生翻转，表明x射线在发生单粒子翻转时，对于偏置电压有较强的依赖关系。表1issi61wv器件x射线单粒子翻转截面实验结果偏置电压(v)翻转截面(cm2)1.2未出现翻转1.1未出现翻转1.03.79×10-140.94.74×10-13本发明解决的技术问题是：在不改变器件版图，不改变生产工艺步骤的前提下，提出了一种使用x射线进行器件单粒子软错误的试验方法。这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的用x射线进行单粒子软错误的试验方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。如上所述，根据本发明，在不同偏置电压条件下，可以获得对应的单粒子翻转截面，证实了纳米级器件在x射线辐照过程中，产生的次级电子，可以导致器件发生翻转。相比于以前的研究，对纳米级器件的单粒子效应的研究，增加了一种地面模拟源。本发明中所使用的测试方法和其他辐射源进行单粒子试验采取的方法有所不同，通过这种方法可以在辐照试验中加载的更低的偏置电压，可以得到更小的临界电荷值，更容易使器件发生单粒子翻转。随着技术的发展，器件出于功耗的考虑，也会逐渐降低器件的工作电压。通过这种方法可以提前开展器件在更低电压下的辐照研究。本发明中所使用的x射线相比于其它辐射源，重离子加速器机时宝贵，质子加速器辐照后有残留，脉冲激光在不透明介质内的穿透深度尚不及普通光，x射线具有剂量率控制准确、辐照易于屏蔽、无辐射残留，机时容易获得等优点。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12