空間高能粒子與器件布線層核反應(yīng)后次級粒子LET分布研究

楊 濤，邵志杰，蔡明輝,3，賈鑫禹,4，韓建偉,3

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022）

引 言

隨著半導(dǎo)體集成電路制造工藝水平的飛速發(fā)展，應(yīng)用于空間探測任務(wù)上的電子學(xué)器件集成度逐漸提高，器件工藝尺寸在不斷縮小，空間高能粒子誘發(fā)單粒子效應(yīng)的閾值電荷量變小，同時高Z（原子序數(shù)）重金屬在半導(dǎo)體布線層中對半導(dǎo)體器件的單粒子效應(yīng)影響也越來越突出，往往單個高能粒子的入射就會導(dǎo)致探測任務(wù)中飛行器內(nèi)集成電子器件的狀態(tài)位翻轉(zhuǎn)或者燒毀，并可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果[1-7]。因此，完整評價器件的單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE）敏感度需要分別研究高能質(zhì)子和重離子的影響，特別是2種粒子在半導(dǎo)體金屬布線層中相互作用過程的研究至關(guān)重要。

對空間輻射粒子與器件布線層相互作用的研究可以通過蒙特卡羅計算和試驗兩種方法得到，盡管在試驗數(shù)據(jù)上積累了許多，然而受到地面條件的限制及試驗手段的不足，進展緩慢且不全面。由于太空中高能質(zhì)子和重離子能量分布范圍廣，典型輻射帶質(zhì)子能譜能量分布為0.1～400 MeV，如圖1（a）所示，典型重離子能譜能量分為0～40 GeV如圖1（b）所示，但地面模擬條件難以準(zhǔn)確模擬。為此利用既經(jīng)濟又有效的蒙特卡羅方法來研究高能粒子與半導(dǎo)體器件金屬布線層的相互作用，跟蹤反應(yīng)后的次級重離子，計算它們在材料中一定尺寸靈敏體積（Smart Volume，SV）中沉積的能量。這種做法不僅能體現(xiàn)不同方向的高能帶電粒子與任意尺寸SV的作用，還完善了發(fā)生于SV之外的核反應(yīng)對SV中能量沉積的貢獻，更真實地反映空間中發(fā)生的實際情況。

國內(nèi)外學(xué)者針對空間高能粒子在器件布線層核反應(yīng)過程開展大量的仿真計算，如Neill與David計算了不同單能質(zhì)子與器件硅層相互作用產(chǎn)生次級粒子種類和LET 分布規(guī)律；Gellere G 等分析計算了不同單能質(zhì)子或重離子與布線層重金屬作用后次級粒子種類和LET分布規(guī)律；西安交通大學(xué)的賀朝會博士仿真計算了不同能量的質(zhì)子與硅層作用后次級粒子角分布及反沖核的截面與質(zhì)子能量關(guān)系；國防科技大學(xué)的王同權(quán)博士計算分析了單能質(zhì)子與器件硅層反應(yīng)的能量關(guān)系；西北核技術(shù)研究所的趙雯博士利用Geant4 分析單能質(zhì)子在SRAM 器件布線層作用導(dǎo)致單粒子效應(yīng)的機理研究[1-7]。綜合看來，目前相關(guān)的仿真計算都沒有分析空間輻射粒子與器件硅層及金屬布線層相互協(xié)同作用后次級重離子的LET分布規(guī)律。

本文針對典型CMOS 工藝器件模擬計算了不同能量質(zhì)子和氦核粒子在器件靈敏單元內(nèi)產(chǎn)生的反沖核、平均能量及LET 值，并分析了半導(dǎo)體器件金屬布線層中重金屬對次級重離子LET 分布的影響規(guī)律。

圖1 空間輻射帶能譜Fig.1 The space radiation belt energy spectrum

1 物理機制及模型設(shè)計

1.1 物理機制

高能粒子與半導(dǎo)體布線層和靈敏體積區(qū)半導(dǎo)內(nèi)體硅材料相互作用，其物理過程可以分為2個過程（如圖2所示）：①核內(nèi)的微觀反應(yīng)過程，包括直接、級聯(lián)和蒸發(fā)等過程，發(fā)射出中子、質(zhì)子、介子等粒子，具有較高的激發(fā)能余核通過發(fā)射γ射線裂變的方式退激；②具有較高能量的出射粒子又和半導(dǎo)體材料中其它核發(fā)生反應(yīng)，直至出射粒子逃逸出半導(dǎo)體材料或者能量低于發(fā)生反應(yīng)的閾能而停留在半導(dǎo)體材料內(nèi)，這是一個高能粒子在半導(dǎo)體材料中的宏觀輸運過程[8]。

利用歐洲核子研究委員會（European Organiza‐tion for Nuclear Research，CERN）開發(fā)的Geant4[9]模擬高能粒子與器件布線層發(fā)生核反應(yīng)生成的次級產(chǎn)物，該產(chǎn)物沉積在敏感區(qū)域的能量沉積及徑跡長度來確定于SEE有關(guān)的物理量LET，該物理量LET值如下式表述：LET=dE/ρ·dl，dE是在靈敏區(qū)沉積的能量，dl是粒子在靈敏區(qū)的徑跡，ρ是靈敏區(qū)的材料密度[10]。計算每個反沖重核在器件靈敏區(qū)內(nèi)生成的LET值，對器件LET的SEE的翻轉(zhuǎn)閾值來判斷翻轉(zhuǎn)次數(shù)。

圖2 高能粒子在半導(dǎo)體硅材料的核內(nèi)與核外輸運過程Fig.2 High energy particles transport in and out of the core of semiconductor silicon

1.2 幾何模型

選取典型CMOS工藝器件建立幾何模型[11]如圖3所示。其典型CMOS工藝器件Si（硅）層的厚度均為4 mm；三層TiN（氮化鈦）及Ti（鈦）層厚度均為0.1 um；三層SiO2（二氧化硅）層厚度分別為1.0、0.6、0.6 um；三層Al（鋁）層厚度分別為0.45、0.45、0.84 um 及一層Si3N4（四氮化三硅）層厚度為0.4 um。圖3中（a）與（b）之間的模型區(qū)別在布線層厚度為0.6 um的鎢（W）層或者SiO2層。據(jù)如圖1所示的空間輻射質(zhì)子和氦離子能譜分布，為了滿足其全能譜能量分布范圍，選取了3組典型質(zhì)子能量分別為70、170、410 MeV 及3 組典型氦核粒子能量分別為500 MeV、8.0 GeV、18 GeV 作為原初粒子。由于機時與統(tǒng)計性的因素，計算使用4.9.6Geant4 版本模擬粒子原初粒子數(shù)為1×107個。

圖3 CMOS工藝單元幾何模型Fig.3 Geant4 geometry model of the candidate CMOS cell

2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述方法，建立起典型的CMOS 工藝器件結(jié)構(gòu)單元模型利用GEANT4 程序計算高能粒子在半導(dǎo)體器件內(nèi)相互作用的物理參數(shù)。由于篇幅的限制，選取了質(zhì)子、氦核的能量由低能到高能遞增的方式來分析其影響規(guī)律。另外，由于輸入能譜的置信度、蒙特卡洛仿真的隨機數(shù)選取及次級粒子核反應(yīng)的截面數(shù)據(jù)等因素是導(dǎo)致表1～2結(jié)果存在系統(tǒng)誤差。因此表1～2的結(jié)果中原子序數(shù)Z為3～9的次級粒子數(shù)據(jù)誤差范圍在50%以上，而其它次級粒子的數(shù)據(jù)誤差范圍在10%以內(nèi)。

從表1～2 可知，空間高能粒子與器件布線層相互作用后，產(chǎn)生了大量反沖核，且高Z 反沖核如Si、Al、Mg、Na 和Ne 等占核反應(yīng)產(chǎn)物的絕大部分，是因為器件絕大部分材料是硅，高能粒子與硅作用幾率更高，導(dǎo)致與硅發(fā)生級聯(lián)反應(yīng)的次數(shù)更多。在統(tǒng)計范圍誤差內(nèi)，空間高能質(zhì)子或氦離子與CMOS 工藝器件相互作用后產(chǎn)生的反沖核的平均能量（單位為MeV）隨入射粒子的能量增加而增加，且反沖核的產(chǎn)額隨入射粒子能量增加而趨于增多。比較兩種粒子在含鎢布線層器件與無鎢布線層器件的反應(yīng)結(jié)果可知，相同能量的氦離子或者質(zhì)子，含鎢布線層器件內(nèi)產(chǎn)生的反沖核比無鎢布線層器件內(nèi)產(chǎn)生的反沖核的平均能量要高，且反沖核的產(chǎn)額也在增加。主要原因是空間高能粒子穿過布線層鎢，使重金屬鎢核多次分裂發(fā)生級聯(lián)反應(yīng)，同時非彈性碰撞未達到熱平衡時會有碎裂和拾取。計算分析了頂層金屬布線存在對器件體硅中產(chǎn)生次級粒子種類和平均能量的影響，為了獲取對單粒子效應(yīng)而言的關(guān)鍵參數(shù)LET與次級重核和布線層結(jié)構(gòu)之間關(guān)系。分析不同能量的質(zhì)子和氦核與兩種不同結(jié)構(gòu)體元之間相互作用的LET值分布如圖4所示。

從圖4（a）中可知：入射質(zhì)子能量越高，LET值獲得的幾率越大，質(zhì)子對器件產(chǎn)生的SEE概率越大。半導(dǎo)體器件覆蓋鎢層后，導(dǎo)致器件產(chǎn)生SEE的概率變大得更明顯，而半導(dǎo)體器件內(nèi)產(chǎn)生的次級粒子的LET值主要分布為0～25 MeV·cm2/mg，且布線層含鎢結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生次級重離子的LET值大于17 MeV·cm2/mg的次級粒子的產(chǎn)額下降趨勢減弱；由圖4（b）可知：高能氦核與布線層含鎢的半導(dǎo)體器件相互作用產(chǎn)生次級重離子LET值比布線層不含鎢的半導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生的次級重離子LET值要大，其器件內(nèi)產(chǎn)生的次級粒子的LET值主要分布為0～35 MeV·cm2/mg，且LET值大于20 MeV·cm2/mg的次級粒子產(chǎn)額下降趨勢減弱。導(dǎo)致高LET值次級粒子產(chǎn)生的主要原因是隨著入射粒子能量增加導(dǎo)致高Z次級粒子的產(chǎn)額及能量都在增加，沉積在器件靈敏區(qū)內(nèi)的沉積能量也增加，而覆蓋W 層后又加大了高Z 粒子的產(chǎn)額，更導(dǎo)致器件靈敏區(qū)內(nèi)沉積能量增加明顯。說明半導(dǎo)體器件中覆蓋高Z重金屬材料能誘導(dǎo)高能粒子產(chǎn)生高LET值的次級重離子，導(dǎo)致器件發(fā)生SEE的概率增大。該模擬結(jié)果與國外Michael[12-15]的結(jié)論符合的很好。

表1 質(zhì)子與器件布線層作用后產(chǎn)生的粒子種類及平均能量Table 1 The particle type and average energy generated by proton and metals interconnect overlayers

表2 氦核與器件布線層作用后產(chǎn)生的粒子種類及平均能量Table 2 The particle type and average energy generated by alpha and metals interconnect overlayers

圖4 高能粒子與器件模型產(chǎn)生裂變重離子LET分布Fig.4 High energy particle and device model generate fission heavy ion LET distribution

3 結(jié) 論

本文對高能粒子在不同布線層結(jié)構(gòu)器件的相互作用進行了Monto Carlo計算，模擬計算結(jié)果表明：

1）高能粒子與半導(dǎo)體器件相互作用后產(chǎn)生的次級重離子的種類多，產(chǎn)生的高Z 次級重離子如Si、Al、Mg、Na 和Ne 等占核反應(yīng)產(chǎn)物的絕大部分，次級重離子的平均能量隨入射粒子的能量增加而增加，且反沖核的產(chǎn)額隨入射粒子能量增加而趨于增多。

2）相同能量的氦離子或者質(zhì)子與含鎢布線層半導(dǎo)體器件相互作用后產(chǎn)生的反沖核比與無鎢布線層半導(dǎo)體器件相互作用后產(chǎn)生的反沖核的平均能量要高，且產(chǎn)額也增加得更明顯。

3）質(zhì)子入射到含鎢布線層半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生的次級重離子LET值主要分布為0～25 MeV·cm2/mg，且LET值大于17 MeV·cm2/mg的次級重離子產(chǎn)額下降趨勢減弱，同時低LET值的次級重離子占產(chǎn)額的絕大多數(shù)。氦核入射到含鎢布線層半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生的次級粒子的LET值主要分布為0～35 MeV·cm2/mg，LET值大于20 MeV·cm2/mg的次級重離子產(chǎn)額下降趨勢減弱，同時低LET值的次級粒子占產(chǎn)額絕大多數(shù)。

4）半導(dǎo)體器件中布線層增加了高Z 次級粒子的產(chǎn)額，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件發(fā)生SEE的概率增加，因此基于高能粒子與半導(dǎo)體材料相互作用的研究結(jié)果可為元器件單粒子效應(yīng)風(fēng)險分析提供重要依據(jù)，為器件的合理設(shè)計提供參數(shù)。

李嶠汝精神亢奮，睡不著，她踩著椅子，把柜子頂上的母親的舊信取下來。信裝在一個鐵皮盒子里，李嶠汝以前瞅過幾封，帶著母親那個時代的烙印，什么友誼啊青春啊，矯情得很。反正也沒事可做，李嶠汝耐著性子把它們讀完了。