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(cè)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(shí)高Z（原子序數(shù)）重金屬在半導(dǎo)體布線層中對(duì)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(gè)高能粒子的入射就會(huì)導(dǎo)致探測(cè)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(píng)價(jià)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(duì)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(jì)算和試驗(yàn)兩種方法得到，盡管在試驗(yàn)數(shù)據(jù)上積累了許多，然而受到地面條件的限制及試驗(yàn)手段的不足，進(jìn)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(jì)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(jí)重離子，計(jì)算它們?cè)诓牧现幸欢ǔ叽珈`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(duì)SV中能量沉積的貢獻(xiàn)，更真實(shí)地反映空間中發(fā)生的實(shí)際情況。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(jì)算，如Neill與David計(jì)算了不同單能質(zhì)子與器件硅層相互作用產(chǎn)生次級(jí)粒子種類和LET 分布規(guī)律；Gellere G 等分析計(jì)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(jí)粒子種類和LET分布規(guī)律；西安交通大學(xué)的賀朝會(huì)博士仿真計(jì)算了不同能量的質(zhì)子與硅層作用后次級(jí)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(jì)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(jī)理研究[1-7]。綜合看來，目前相關(guān)的仿真計(jì)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(jí)重離子的LET分布規(guī)律。

本文針對(duì)典型CMOS 工藝器件模擬計(jì)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(duì)次級(jí)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(jī)制及模型設(shè)計(jì)

1.1 物理機(jī)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(gè)過程（如圖2所示）：①核內(nèi)的微觀反應(yīng)過程，包括直接、級(jí)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(gè)高能粒子在半導(dǎo)體材料中的宏觀輸運(yùn)過程[8]。

利用歐洲核子研究委員會(huì)（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(jí)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(jì)算每個(gè)反沖重核在器件靈敏區(qū)內(nèi)生成的LET值，對(duì)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(yùn)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(jī)時(shí)與統(tǒng)計(jì)性的因素，計(jì)算使用4.9.6Geant4 版本模擬粒子原初粒子數(shù)為1×107個(gè)。

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(jì)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(jī)數(shù)選取及次級(jí)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(jí)粒子數(shù)據(jù)誤差范圍在50%以上，而其它次級(jí)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?yàn)槠骷^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(jí)聯(lián)反應(yīng)的次數(shù)更多。在統(tǒng)計(jì)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(jí)聯(lián)反應(yīng)，同時(shí)非彈性碰撞未達(dá)到熱平衡時(shí)會(huì)有碎裂和拾取。計(jì)算分析了頂層金屬布線存在對(duì)器件體硅中產(chǎn)生次級(jí)粒子種類和平均能量的影響，為了獲取對(duì)單粒子效應(yīng)而言的關(guān)鍵參數(shù)LET與次級(jí)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(duì)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(jí)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(jí)重離子的LET值大于17 MeV·cm2/mg的次級(jí)粒子的產(chǎn)額下降趨勢(shì)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(jí)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(jí)重離子LET值要大，其器件內(nèi)產(chǎn)生的次級(jí)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(jí)粒子產(chǎn)額下降趨勢(shì)減弱。導(dǎo)致高LET值次級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)高能粒子在不同布線層結(jié)構(gòu)器件的相互作用進(jìn)行了Monto Carlo計(jì)算，模擬計(jì)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(jí)重離子的種類多，產(chǎn)生的高Z 次級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)重離子產(chǎn)額下降趨勢(shì)減弱，同時(shí)低LET值的次級(jí)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(jí)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(jí)重離子產(chǎn)額下降趨勢(shì)減弱，同時(shí)低LET值的次級(jí)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(jí)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(xiǎn)分析提供重要依據(jù)，為器件的合理設(shè)計(jì)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(gè)鐵皮盒子里，李嶠汝以前瞅過幾封，帶著母親那個(gè)時(shí)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。