一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法及装置

摘要

本发明公开了一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法及装置，该方法包括：S1、针对不同能量的电离辐射粒子，计算其在电子器件中作用的平均自由程；S2、根据辐射防护的等级要求，以及电离辐射粒子的平均自由程，针对电子器件的技术节点尺寸，确定电子器件辐射防护所需的气体装置尺寸、气压值；S3、将电子器件置于气体装置中，并充入预设压力的中性气体；S4、利用入射粒子与气体装置中中性气体的碰撞，降低入射粒子的能流密度，保护电子器件免受由于粒子轰击导致的损伤。本发明考虑到损伤电子器件的主要外部因素是离子能量流的强弱，通过气体装置的设置，降低入射粒子的能流密度，与可靠性电路设计结合,从而保护电子器件免受由于粒子轰击导致的损伤，提高其可靠性。

权利要求

1.一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，包括：

S1、针对不同能量的电离辐射粒子，分别计算其在电子器件中作用的平均自由程；

S2、根据辐射防护的等级要求，以及计算得到的电离辐射粒子的平均自由程，针对电子器件的技术节点尺寸，确定电子器件辐射防护所需的气体装置尺寸、充入气体的预设气压值；

S3、将电子器件置于所述气体装置中并实现与外部的电连接，向气体装置中充入预设压力的中性气体，封闭气体装置；

S4、利用入射粒子与气体装置中中性气体的碰撞，降低入射粒子的能流密度，保护电子器件免受由于粒子轰击导致的损伤。

2.如权利要求1所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，其特征在于：步骤S1中所述电离辐射粒子包括原初带电粒子质子、α-粒子和电子，以及中性粒子中子。

3.如权利要求2所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，其特征在于：步骤S1中中性粒子中子的平均自由程λ由下式计算：λ＝1/∑(σi·Ni)，Ni＝ρNani/M

其中，∑为化合物的作用巨截面，σi为单一元素情况下的作用微截面，ρ为目标物质的密度，Na为阿伏伽德罗常数，ni为化合物分子中各元素量，M为化合物分子量；

σ(E)＝2π[R+λr(E)]2(1-αcosβ)

上式中σ包括散射截面和吸收截面，R为作用原子的有效半径，λr为简约波长，α值由是否有吸收决定，β为作用相位的改变值。

4.如权利要求1所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，其特征在于：步骤S2中所述的电子器件的技术节点尺寸的范围包括10μm-3nm。

5.如权利要求1所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，其特征在于：步骤S3中所述中性气体为惰性气体中的任意一种或多种的组合。

6.一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其特征在于：包括一个用于容纳电子器件的可密闭的壳体，所述壳体内充入预设气压值的中性气体，所述壳体采用不影响电磁波穿透和传播的高强度绝缘材料制作而成，壳体上设有通气孔，并设置有延伸至壳体外部的导线，所述导线与置于所述壳体内的电子器件连接，所述壳体的几何尺寸根据电子器件的尺寸以及辐射防护的等级要求确定，比电子器件大几毫米或几厘米的量级。

7.如权利要求6所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其特征在于：所述电子器件通过支撑结构设置在所述壳体的中心位置。

8.如权利要求6所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其特征在于：所述壳体内充入的中性气体压力大于1个大气压。

9.如权利要求6所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其特征在于：所述的导线设置在壳体底部，导线的一端与置于所述壳体内的电子器件连接，导线的另一端与位于所述壳体外的外部装置连接。

说明书

一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子集成电路领域，尤其是在高强度粒子流环境中工作的集成电路芯片，具体涉及一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法及装置。

背景技术

[0002] 在集成电路和芯片制造领域，有些芯片需要在有大量粒子辐照的环境中工作，例如医疗电子、汽车电子和航空宇航电子。在这些外部辐照的环境中，芯片就会呈现过早疲劳和损伤的问题，导致芯片损坏和失效。当代高性能片上系统集成电路(SoC)以及高带宽存储器(HBM)芯片等对各种电离辐射粒子尤其敏感，国际半导体与集成电路公司(如微芯片Microchip/Microsemi、Cypress、Xlinx等)从设计方法、抗辐照防护(RadHard)到芯片制造与封装测试，进行了几十年的研究开发，形成了一整套的标准(JEDEC标准、美军标等)。这些标准对带电粒子(例如质子)与中性粒子(例如中子)不仅制定了抗辐射总剂量(TID)的要求解决过早疲劳的问题，同时制定了单粒子事件率或单粒子损伤(SER或SEU)的要求。然而，这些产品的单个芯片SoC或FPGA芯片不仅单价达到数千美元，而且还被列为敏感出售货物。

[0003] 传统的芯片的可靠性主要依靠设计的途径来减少失效性。例如，设计中尽量减少接触点的数量和芯片面积，减少电路和功耗及p-n结温，提高电路的冗余度，减少每级的增益，在逻辑电路中留出足够的噪声容限和扇出数余量，同时采用一定的输入保护措施。设计时要充分考虑热电子效应，发热元件要远离那些热敏感器件。但是，在有强粒子流辐射的环境中，上述传统的方法不足以应对粒子辐射带来的损伤。辐射粒子对栅极氧化膜晶格的损伤会导致缺陷使得电极间短路。通常的粒子辐射由质子、α-粒子和电子等引起。质子、α-粒子和电子主要来源于外部高能粒子进入系统导致的电离等其他一系列反应(包括二次电离)。现有技术中集成电路芯片的损伤防护主要依靠特殊的布线方法设计和器件结构的调整来实现，这在集成电路的设计和生产上都需要付出较大的成本，而且防护效果也不够理想。目前还没有根据分子动力学的原理，通过降低入射粒子能流密度与可靠性设计结合的方法来保护电子器件免受粒子轰击导致损伤的技术思路。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法及装置，通过该方法及装置能够增加入射粒子与中性气体的碰撞频率，降低入射粒子的能流密度，从而保护电子器件免受由于粒子轰击导致的损伤，提高电子器件的可靠性。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，包括：

[0007] S1、针对不同能量的电离辐射粒子，分别计算其在电子器件中作用的平均自由程；

[0008] S2、根据辐射防护的等级要求，以及计算得到的电离辐射粒子的平均自由程，针对电子器件的技术节点尺寸，确定电子器件辐射防护所需的气体装置尺寸、充入气体的预设气压值；

[0009] S3、将电子器件置于所述气体装置中并实现与外部的电连接，向气体装置中充入预设压力的中性气体，封闭气体装置；

[0010] S4、利用入射粒子与气体装置中中性气体的碰撞，降低入射粒子的能流密度，保护电子器件免受由于粒子轰击导致的损伤。

[0011] 进一步，如上所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，其中，步骤S1中所述电离辐射粒子包括原初带电粒子质子、α-粒子和电子，以及中性粒子中子。所述中子与目标物质相互作用所产生的次级带电粒子包括质子、α-粒子和电子等。

[0012] 进一步，如上所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，其中，步骤S2中所述的电子器件的技术节点尺寸的范围包括10μm-3nm。

[0013] 进一步，如上所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，其中，步骤S3中所述中性气体为惰性气体中的任意一种或多种的组合。

[0014] 本发明还提供了一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，包括一个用于容纳电子器件的可密闭的壳体，所述壳体内充入预设气压值的中性气体，所述壳体采用不影响电磁波穿透和传播的高强度绝缘材料制作而成，壳体上设有通气孔，并设置有延伸至壳体外部的导线，所述导线与置于所述壳体内的电子器件连接。

[0015] 进一步，如上所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其中，所述电子器件通过支撑结构设置在所述壳体的中心位置。

[0016] 进一步，如上所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其中，所述壳体内充入的中性气体压力大于1个大气压。

[0017] 进一步，如上所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其中，所述的导线设置在壳体底部，导线的一端与置于所述壳体内的电子器件连接，导线的另一端与位于所述壳体外的外部装置连接。

[0018] 进一步，如上所述的电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，其中，所述壳体的几何尺寸根据电子器件的尺寸以及辐射防护的等级要求确定。

[0019] 本发明的有益效果在于：本发明所提供的方法及装置，考虑到损伤电子器件的主要外部因素是离子能量流的强弱，将电子器件置于一个充满中性气体的壳体内，该壳体既不影响电磁波穿透又可以有效降低外部粒子能流密度，从而最大限度保护电子器件的正常工作环境。本发明改变了目前依靠特殊的布线设计和器件结构调整来进行辐射损伤防护的技术思路，根据分子动力学原理，通过增加入射粒子与壳体内中性气体的碰撞频率，降低入射粒子的能流密度，从而保护电子器件免受由于粒子轰击导致的损伤，提高电子器件的可靠性。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例中提供的一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法的流程图；

[0021] 图2为本发明实施例中提供的一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置结构示意图；

[0022] 图3为本发明实施例中带电粒子通过栅极SiO2材料的示意图；

[0023] 图4为本发明实施例中带电粒子相互作用的电离事件过程示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0025] 在当今的电子器件应用环境中，从超级计算机、数据中心高密度存贮、无人驾驶汽车、民航电子到航空航天电子等，必然受到各种外部粒子的轰击，例如电子、离子、中子和γ-光子等。其中，宇宙空间范艾伦辐射带中的带电粒子是电子、离子和质子的主要来源；还包括外空间穿越到达地表、高空或雷电中瞬态中子产生的次级带电粒子(例如质子、α-粒子、电子、氘)等。目前的损伤防护主要依靠电路可靠性设计时的特殊布线方法和器件结构的调整。但是在有强粒子流辐射的环境中，上述传统的方法不足以应对粒子辐射带来的损伤，如图3所示，辐射粒子对栅极氧化膜晶格的损伤会导致缺陷使得电极间短路。如图4所示，带电粒子相互作用的电离事件，从而产生粒子辐射，通常的粒子辐射由质子、α-粒子和电子等引起。本发明考虑到损伤器件的主要外部因素是离子能量流G的强弱，即G＝E*F,粒子能量E和离子流密度F的乘积。因此，本发明在半导体器件外部制备并设置一个既不影响电磁波穿透又可以有效降低外部粒子能流密度的装置，即壳体，从而达到最大限度保护器件和电子系统正常工作的环境。

[0026] 本发明是针对半导体或集成电路等电子器件在强粒子流辐射环境中各种电离辐射粒子轰击下,产生的可靠性损伤，而提出的一种保护电子器件可靠性的方法及装置，通过该方法及装置，能够避免或降低器件可靠性损伤。

[0027] 如图1所示，一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的方法，该方法包括：

[0028] S1、针对不同能量的电离辐射粒子，分别计算其在电子器件中作用的平均自由程。

[0029] 根据分子动力学原理得知，粒子在气体中的飞行平均自由程λ＝1/n*σ,其中，λ，n和σ分别表示粒子的平均自由程，粒子所处空间的气体密度和碰撞截面。平均自由程反比于碰撞频率和气体密度的乘积，气体密度又正比于压力，可以得知碰撞频率f＝v*n*σ，碰撞频率f正比于粒子速度v,气体密度n和碰撞截面σ。在室温惰性气体中，主要的正电粒子与中性气体的碰撞为电荷交换。通过这种电荷交换，能量损耗E＝2(m1m2)/(m1+m2)2σm/σtotal，其中，m1，m2,σm和σtotal分别表示粒子1的质量，粒子2的质量，动量转移碰撞截面和总碰撞截面。当粒子与相同质量的中性气体碰撞时，能量转换率ε(ε＝100％*(E0-E)/E0)可以达50％，即每一次碰撞可以消耗大量能量并将其转换为热能。

[0030] 本发明针对不同能量的电离辐射粒子分别计算建立其电离辐射相互作用的平均自由程λ，即对原初带电粒子质子、α-粒子和电子，以及中性粒子中子进行计算。具体地，原初带电粒子质子、α-粒子和电子的平均自由程λ由下式计算：

[0031]

[0032] 其中，σ为作用截面，η为单位体积中目标物质相互作用数目， 和 分别为作用前后质子、α-粒子和电子的通量,Δx(＝x-x0)为路径长度；能量为E(keV)的带电粒子能量吸收即阻止本领S(MeV·cm2/g)和作用距离δx的计算如下:

[0033]

[0034]

[0035] 其中，k1为常数，Z为目标物质的原子数，z为入射粒子电荷数，Ma为摩尔质量常数，β(＝v/C)为相对论速度，μ(＝mC2)为常数，C为光速,I为原子的平均激发电势(eV)，Δ与δ为校正常数；其中对于电子阻止本领S的计算则作相应调整，阻止本领包括碰撞阻止本领Se和核阻止本领Sn，也用Stot为表示，若以ρ表示目标物质的密度，对不同作用物质作归一化处理，则有线性能量转移LET或L(keV/μm)

[0036] L＝Stot·ρ。

[0037] 中性粒子中子的平均自由程λ由下式计算：

[0038] λ＝I/∑(σi·Ni),Ni＝ρNani/M

[0039] 其中，∑为化合物的作用巨截面，σi为单一元素情况下的作用微截面，ρ为目标物质的密度，Na为阿伏伽德罗常数，ni为化合物分子中各元素量，M为化合物分子量；

[0040] σ(E)＝2π[R+λr(E)]2(l-αcosβ)

[0041] 上式中σ包括散射截面和吸收截面，R为作用原子的有效半径，λr为简约波长，α值由是否有吸收决定，β为作用相位的改变值。

[0042] 所述中子与目标物质相互作用所产生的次级带电粒子再一次包括了质子、α-粒子和电子，它们的特征平均自由程λ再次由下式计算：

[0043]

[0044] 其中，σ为作用截面，η为单位体积中目标物质相互作用数目， 和 分别为作用前后质子、α-粒子和电子的通量，Δx(＝x-x0)为路径长度；这些由中子产生的能量为E的次级带电粒子能量吸收即阻止本领S和作用距离δx的计算如下：

[0045]

[0046]

[0047] 其中，k1为常数，Z为目标物质的原子数，z为入射粒子电荷数，Ma为摩尔质量常数，β(＝v/C)为相对论速度，μ(＝mC2)为常数，C为光速,I为原子的平均激发电势(eV)，Δ与δ为校正常数；其中对于电子阻止本领S的计算则作相应调整，阻止本领包括碰撞阻止本领Se和核阻止本领Sn，也用Stot为表示，若以ρ表示目标物质的密度，对不同作用物质作归一化处理，则有线性能量转移LET或L(keV/μm)

[0048] L＝Stoi·ρ。

[0049] S2、根据辐射防护的等级要求，以及计算得到的电离辐射粒子的平均自由程，针对电子器件的技术节点尺寸，确定电子器件辐射防护所需的气体装置尺寸、充入气体的预设气压值。

[0050] 本实施例中，考虑到损伤器件的主要外部因素是离子能量流G的强弱，即G＝E*F,粒子能量E和离子流密度F的乘积。再者，当粒子与相同质量的中性气体碰撞时，能量转换率可以达到50％，即每一次碰撞可以消耗大量能量并将其转换为热能。本发明提出制备一个高压气体装置，将电子器件或系统置于气体装置内。气体装置的外壳中充满中性气体。

[0051] 根据现有数据，在一个大气压的氩气中，粒子的平均自由程大约是90微米。这就意味着高压气体装置(壳体)尺寸如果做成厘米量级，在一个大气压下，离子就有111次碰撞机会。如果气压为10个大气压，那碰撞的平均自由程为9微米，碰撞机会有1110次。可以看出，气压越大则外部粒子的气体平均自由程越小，平均自由程越小则碰撞次数越多，碰撞次数越多则消耗的粒子能量越大。根据强粒子流辐射环境中的辐射粒子的辐射能量和质量，可以选定最优的中性气体和预设气压值。半导体工艺技术节点尺寸范围为10μm-3nm，目前常用的普通工艺为0.18um等，先进工艺为28nm、16nm等，未来10nm、3nm等将更多地用于各种高端场景。随着技术节点的缩小,外来粒子对器件的损伤将更敏感、更严重。优选地，根据电离辐射粒子的平均自由程的大小，可以确定受包括的相应的半导体器件工艺尺寸。

[0052] S3、将电子器件置于所述气体装置中并实现与外部的电连接，向气体装置中充入预设压力的中性气体，封闭气体装置。

[0053] 本实施例中，充入壳体内的中性气体可以是惰性气体中任意一种或多种的组合。在壳体上开设有通气孔，可以是两个或多个，用于从壳体外部将中性气体充入壳体内，使壳体内的电子器件处于中性气体的环境中，持续充入直至壳体内的气压达到计算所确定的预设气压值后，停止充气并封闭通气孔，使壳体成为一个密闭空间。电子器件可以通过支撑结构设置在壳体的中心位置，并通过导线与外部实现电连接，导线能够将电子器件的信号传递给外部装置。当壳体外的强粒子流辐射环境中的各种电离辐射粒子射入壳体内时，会与壳体内的惰性中性气体发生碰撞，将部分能量传递给处于室温的中性气体。

[0054] 本发明通常可以将壳体内的气压设定在1至10个大气压的范围内，根据使用级别，亦可扩展至10个大气压以上，因此，壳体的材料通常应能承受1至10个大气压，甚至于10个大气压以上的内部压力。壳体的形状可以是圆柱形，长方体形，正方体形或其他任意形状，也可以是不规则形状，壳体的几何尺寸可以根据需要，一般根据器件的尺寸来决定，比器件大几毫米或几厘米的量级，取决于需要防护的等级。壳体的材料可选用高强度的绝缘体，如高分子材料，不影响电磁波的穿透和传播。

[0055] S4、利用入射粒子与气体装置中中性气体的碰撞，降低入射粒子的能流密度，保护电子器件免受由于粒子轰击导致的损伤。

[0056] 根据上述的理论分析，外部进入的粒子与装置中的中性气体发生碰撞，将部分能量转递给处于室温的中性气体。由于采用中性的惰性气体主要是电离过程，没有其他化学过程，因此能量的转移主要在二次发射的粒子中。由此类推，二次发射的粒子通过电荷交换将能量转移到三次发射的粒子，每次的碰撞都需要消耗一定的能量消耗通过大量的碰撞后，直至所剩能量低于电离能(Ar氩电离能为15.76eV)才停止这种电荷交换。本发明利用充有高压中性气体的气体装置降低入射离子的能量流，从而实现了保护集成电路器件和电子系统的目的。

[0057] 本发明实施例中还提供了一种电离粒子轰击时保护电子器件可靠性的装置，如图2所示，该保护装置包括：电子器件或系统1，以及用于容纳电子器件或系统1的可密闭的壳体2，壳体内充有预设气压值的中性气体，其中，壳体采用高强度的绝缘材料制作而成，壳体上设置有通气孔3，壳体底部设置有延伸至壳体外部的导线，电子器件或系统1与导线位于壳体内的一端连接，导线位于壳体外的一端用于连接外部装置。

[0058] 充入壳体内的中性气体可以为惰性气体中的任意一种或多种的组合。壳体内的气压通常可以预设在1至10个大气压的范围内，根据使用级别，亦可扩展至10个大气压以上，并根据具体的工艺和辐射防护要求进行选定。气体的压力越大则辐射粒子的平均自由程会越小，但对壳体的承压要求也就越高。

[0059] 根据气体压力的选定范围，壳体所采用的高强度的绝缘材料应为抗压能力1至10个大气压或10个大气压以上的绝缘材料，可选用高强度的高分子材料，并采用高力学强度的优化设计架构。将电子器件或系统1置在壳体2的中央，可在壳体中设计支撑结构对电子器件或系统进行支撑固定。壳体的底部有金属连线将电子器件的信号传递出来。在将惰性气体充入壳体至一定的压力后，要封闭通气孔，并保证密封性能。壳体的几何尺寸可以根据需要，一般根据芯片的尺寸，比芯片或系统大几毫米或厘米的量级(取决于需要防护的等级)。

[0060] 集成电路制造工艺范围从10μm开始，常见的普通工艺为0.18um，当代先进工艺为28nm或16nm，未来主流工艺将为10nm并进入3nm。优选地，本发明电子器件或系统1的半导体工艺技术节点的特征尺寸的范围包括10μm-3nm。随着技术节点的缩小,外来粒子对器件的损伤将更敏感、更严重。

[0061] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。