基于核反应法的单粒子翻转理论模拟研究

Critical charge and sensitive volume of micro-nano electronic devices are the key parameters to predict single event upset(SEU) rate which based on the RPP(Rectangular Parallelepiped) model.According to the current theoretical research,energy deposition calculation is not accurate at micro-nano scale,the methord to estimate critical charge is not convenient and fuzzy definition of sensitive volume,which are seriously affecting the accuracy of SEU.Therefor,we will develop a particle radiation transport code at that scale to improve the caculation of energy deposition using the monte carlo method and the forced collision method according to the theory of spallation reaction and nuclear reaction,then,to increase the SEU estimated accuracy,new methods will be employed in obtaining the critical charge and sensitive volume in rectangular model,with these efforts,the reliability and life of micro-nano devices in complex radiation environments will be enriched.

临界电荷、灵敏体积是基于长方体模型预估单粒子翻转率的关键参数，当前单粒子翻转理论研究中，微纳尺度下能量沉积计算不精确、临界电荷估算不便捷、灵敏体积界定模糊等严重影响着单粒子翻转预估精度。为此，本项目以散裂反应、核反应为基础，采用蒙特卡洛方法和强迫碰撞法发展微纳尺度下的辐射输运程序，提高能量沉积计算精度；探索简捷估算临界电荷、有效界定灵敏体积的新方法，为有效提高复杂辐射环境下微纳器件的可靠性和寿命提供技术积累。

随着科技的迅猛发展，半导体集成电路以功能强、体积小、功耗低等优点广泛应用于各个领域，尤其是航空航天和军事应用中。空间环境中的带电粒子，尤其是质子和大气中子，可使电子系统、集成电路及元器件产生辐射损伤，进而导致设备发送数据错误、参数退化甚至灾难性失效，基于此开展微纳尺度下单粒子翻转模拟预估和地面试验，对提升器件抗单粒子效应能力至关重要。.单粒子翻转理论模拟精度取决于临界电荷和灵敏区域，核心为微纳尺度下的粒子辐射输运及其能量沉积。为提高单粒子翻转预估精度，项目基于蒙特卡洛法和强迫碰撞法研发了宽能区多粒子辐射输运程序, 探索了微纳电子器件临界电荷、灵敏体积新的测算方法，开展了基于白光中子的单粒子翻转实验评估工作。.成果及关键数据如下：.（1）研发了一款宽能区多粒子辐射输运程序：可输运meV~3.5GeV中子,45MeV~3.5GeV质子和45MeV~2.5GeVπ介子。其中中子能量低于45MeV时，可模拟中子在10B，Si两种材料输运。.（2）整理了近20年先进工艺器件的质子/重离子/中子单粒子翻转实验数据，分析、拟合发现临界电荷与工艺参数在取对数后近似满足线性关系；灵敏体积，其面积按饱和截面平方根取，厚度通过实验数据提取或取1um，理论计算结果与实验基本一致。.（3）开展了白光中子单粒子效应实验，实验发现：①1E7n/cm2.s条件下，单粒子翻转截面基本与中子注量率无关；②对于纳米级工艺器件，MeV中子可诱发单粒子效应；③先进器件的生产/封装中残余的10B是热中子诱发单粒子效应的主要原因。. 项目研发的宽能区多粒子输运程序，即可作为事件发生器与其他粒子输运软件耦合，继而打造自主化的粒子输运软件，又可作为独立软件，开展散裂反应相关模拟研究；分析揭示的先进器件临界电荷与工艺尺寸之间的关系，可为单粒子效应模拟研究提供基础参数；白光中子单粒子效应实验为地面装置“加速”模拟提供了数据支持、同时对于微纳器件需考虑MeV中子和热中子的影响。