脈沖激光背照射單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

王德坤，曹 洲，劉海南，楊 獻(xiàn)

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空低溫技術(shù)與物理國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029）

靜態(tài)隨機(jī)存儲器已在空間大量應(yīng)用，在空間輻射環(huán)境中，靜態(tài)存儲器易受高能粒子的影響而發(fā)生單粒子事件。近年來，靜態(tài)存儲器的加固技術(shù)和抗輻射能力測試技術(shù)快速發(fā)展。大量研究證明，脈沖激光是模擬單粒子效應(yīng)（SEE）的有效工具。隨著IC器件集成度的提高，器件正面的金屬層數(shù)越來越多。脈沖激光從正面輻照穿透更多的金屬層到達(dá)器件敏感結(jié)更困難，故有必要開展激光背照射單粒子效應(yīng)的研究。本文通過兩種SRAM樣品的單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對背照射單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的可行性及樣品加固措施的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 背照射實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問題

1.1 激光波長的選擇

背面照射實(shí)驗(yàn)要求脈沖激光能在穿透襯底到達(dá)敏感區(qū)域后還有足夠能量產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)所采用的1 079和1 064nm波長激光在硅中的射程分別達(dá)1 000和700μm左右，對于現(xiàn)代電子器件已具足夠穿透深度。若采用一些波長相對較小的激光，在進(jìn)行背照射實(shí)驗(yàn)時(shí)需通過一些特殊方法來減薄襯底。

1.2 襯底減薄技術(shù)

高強(qiáng)度激光能產(chǎn)生足夠大的電場來電離半導(dǎo)體表面的原子。在熱量進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部前產(chǎn)生燒蝕，由此可減薄襯底。應(yīng)用一定功率密度的飛秒脈沖激光系統(tǒng)可對襯底進(jìn)行燒蝕處理［1］。這種技術(shù)便于使用且能開啟微電子工業(yè)領(lǐng)域中所有的封裝形式，存在的問題是燒蝕過后硅表面會出現(xiàn)厚約3μm的不平整殘留物。需對其進(jìn)行機(jī)械拋光處理以使表面達(dá)到好的光學(xué)效果。

由于本實(shí)驗(yàn)所用的是深穿透波長激光及本著對器件加固驗(yàn)證的目的，未對襯底進(jìn)行燒蝕和拋光處理。但一般器件的襯底表面均是不平滑的，襯底的薄厚不均可能導(dǎo)致不同位置的閾值能量略有差異；表面的粗糙可能導(dǎo)致部分激光不能垂直入射，進(jìn)而導(dǎo)致落在敏感區(qū)的激光在能量上并非嚴(yán)格的高斯分布。

1.3 激光在襯底中的傳播

1.3.1 聚焦定位 激光束在襯底中傳播會沿著其路徑擴(kuò)散，到達(dá)敏感區(qū)域后束斑尺寸會覆蓋多個(gè)敏感結(jié)，導(dǎo)致多位翻轉(zhuǎn)以至過高地估計(jì)翻轉(zhuǎn)截面，低估閾值能量。但激光在硅中的發(fā)散較在空氣中的小。由激光束傳播的收斂理論可推斷，沿著z軸移動器件可使背面入射的激光傳播到正面敏感區(qū)域時(shí)束斑最小化［2］，如圖1所示。z0為最小束斑聚焦到背面表面時(shí)背面的垂直坐標(biāo)，z1為最小束斑聚焦到敏感區(qū)域時(shí)背面的垂直坐標(biāo)，有：

其中：d為芯片厚度；n為半導(dǎo)體材料折射率。

圖1 背面入射激光的傳播Fig.1 Spread of laser irradiation from backside

對兩種器件的加固驗(yàn)證無需測量其絕對閾值和翻轉(zhuǎn)截面，只需測量二者產(chǎn)生SEE的有效激光能量的相對比率。故本實(shí)驗(yàn)采用圖1a的方法。若對單個(gè)晶體管的敏感性進(jìn)行診斷測試，建議采用圖1b的方法。

1.3.2 激光能量校正 考慮到樣品開蓋后裸露在空氣中，經(jīng)一段時(shí)間后會形成1層3～5nm厚的二氧化硅。假設(shè)襯底表面具有良好的光滑度，并考慮氧化層的二次反射，可得到透射率Г是氧化層厚度d的周期函數(shù)［3］。入射激光經(jīng)二氧化硅透射后進(jìn)入襯底能量遵循Beer定律指數(shù)衰減。待激光傳播到正面表面時(shí)會反射回一部分能量，這部分能量也產(chǎn)生SEE。未考慮二氧化硅層的二次反射，是因金屬層均是網(wǎng)狀的，與二氧化硅是交錯層疊的，激光很難形成有效的二次反射，如圖2所示。

由于激光束覆蓋多個(gè)敏感區(qū)（圖1a），產(chǎn)生單個(gè)位翻轉(zhuǎn)的敏感區(qū)只是1個(gè)激光束斑所覆蓋的面積的一部分。設(shè)比例系數(shù)γ表示激光束中心位置覆蓋1個(gè)敏感區(qū)域面積的能量占整個(gè)脈沖能量的比率，假設(shè)硅吸收的激光能量產(chǎn)生的載流子均能被有效收集，則對于入射到背面表面的激光能量E0，產(chǎn)生SEE的有效激光能量Eeff校正為：

圖2 產(chǎn)生SEE的有效激光能量Fig.2 Efficient laser energy

其中：α為吸收系數(shù)；z為穿透深度；Г為背面氧化層的透射率；R為正面鈍化層的反射率。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍悠返募庸檀胧┻M(jìn)行驗(yàn)證，無需精確計(jì)算Eeff，而需得到器件2（SRAM 1020－2）和器件1（SRAM IL－2）產(chǎn)生SEE的有效激光能量閾值Eeff2th與Eeff1th的比例系數(shù)C：

其中：Г、R、z均決定于集成電路的制造工藝；γ決定于激光束的能量分布。C越大，越能說明器件2較器件1具有更好的抗SEE能力。若兩種器件的制造工藝相同，又采用同一波長高斯激光束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，γ1＝γ2，Г1＝Г2，R1＝R2，z1＝z2，α1＝α2，則：

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)樣品采用非加固SRAM IL－2和加固SRAM 1020－2。1K 容量，CMOS工藝。兩種器件除存儲單元內(nèi)部設(shè)計(jì)不同外，在制造工藝上完全相同。加固器件增大了晶體管尺寸和節(jié)點(diǎn)電容以提高臨界電荷量。實(shí)驗(yàn)前將器件背面開蓋，開蓋后電測器件性能正常。

實(shí)驗(yàn)用激光波長為1 079nm（脈寬9～12ns）和1 064nm（脈寬20～30ps）。

測試系統(tǒng)主要分3個(gè)部分：上位計(jì)算機(jī)、測試板、輻照板。測試板和輻照板分別加電，實(shí)時(shí)監(jiān)測被測器件的電流。測試板完成測試激勵的生成、響應(yīng)信號比較、故障統(tǒng)計(jì)和部分控制功能，上位計(jì)算機(jī)完成測試中的控制和測試結(jié)果存儲，需要時(shí)完成數(shù)據(jù)的適時(shí)處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 單個(gè)位翻轉(zhuǎn)

實(shí)驗(yàn)中觀察到了單個(gè)位翻轉(zhuǎn)，其激光閾值能量如圖3所示。

圖3 兩種樣品的激光閾值能量比較Fig.3 Comparison of energy threshold of both devices

這說明1020－2器件具有比IL－2器件更好的抗SEU能力，對1020－2器件的加固措施效果是明顯的。

同一器件不同位的閾值能量出現(xiàn)差異可能是由以下原因造成的：1）器件不同敏感點(diǎn)所對應(yīng)背面表面的平滑度不同，導(dǎo)致光學(xué)效果不同，進(jìn)而使得到的閾值有差異；2）襯底薄厚不均導(dǎo)致激光在傳播路徑上的衰減稍有差異；3）實(shí)驗(yàn)誤差。

3.2 單粒子多位翻轉(zhuǎn)

入射到背面表面的激光束斑尺寸約3μm，經(jīng)295μm的襯底傳播后，激光束斑發(fā)生了擴(kuò)散。束斑尺寸可由下式計(jì)算［5］：

盡管兩種樣品的不同位的SEU閾值能量略有差異。但由圖3可看到，IL－2的閾值變化范圍 （18.5nJ）和 1020－2 的 閾 值 變 化 范 圍（50.5nJ）還是遠(yuǎn)小于兩種器件閾值均值之間的差異 （183.2nJ）。由于兩種器件制造工藝相同，同一器件的各存儲單元設(shè)計(jì)也相同，所以，兩種器件閾值均值之間的差異主要取決于器件電路設(shè)計(jì)上的差異，而同一器件各個(gè)位之間的閾值差異主要取決于實(shí)驗(yàn)條件的差異。

由式（4）可得：

其中：ω（z）為在襯底中傳播后的束斑半徑；ω0為入射激光束斑半徑，1.5μm；z為傳播距離，295μm；n為Si的折射率，約為3.51；z0為共焦長度；λ為激光波長，1.079μm。

經(jīng)計(jì)算知，激光束斑在Si中傳播295μm后，束斑直徑約為38.6μm，束斑面積可覆蓋橫向數(shù)個(gè)地址線，縱向數(shù)個(gè)位線。當(dāng)能量足夠大時(shí)，即可誘發(fā)單粒子多位翻轉(zhuǎn)。這由實(shí)驗(yàn)中的單粒子多位翻轉(zhuǎn)最多縱跨4個(gè)字線（4×3.6μm＝14.4μm），橫跨3個(gè)位線（3×5μm＝15μm）可驗(yàn)證（圖4）。圖4中，黑色實(shí)心點(diǎn)為發(fā)生翻轉(zhuǎn)的位，激光束斑由深到淺表示理想束斑能量的高斯分布。但實(shí)際上硅片表面是粗糙的，亞微米級的不平滑度導(dǎo)致激光束中的部分激光不能垂直入射，而是與硅片表面成一定角度，這樣透過硅片表面的激光以及到達(dá)敏感區(qū)域的激光也不是標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布。這也是圖4中發(fā)生翻轉(zhuǎn)的位置并不處在束斑中心的原因。

圖4 激光束斑覆蓋存儲陣列示意圖Fig.4 Memory cells covered by laser beam

激光測試和重離子測試存在的差異之一是激光的電荷徑跡比重離子的電荷徑跡大。激光束斑覆蓋多于1個(gè)存儲單元時(shí)可能會導(dǎo)致多位翻轉(zhuǎn)。因此，注意在計(jì)算翻轉(zhuǎn)截面時(shí)要對此進(jìn)行校正，以免過高估計(jì)翻轉(zhuǎn)截面［4］。

3.3 同一位置兩種波長激光輻照結(jié)果

對IL－2測試中遇到的最敏感點(diǎn)分別用1 079nm和 1 064nm 波長激光輻照，得到1 079nm和1 064nm波長激光產(chǎn)生SEU的能量閾值分別為52.6nJ和42.6nJ。這是因?yàn)? 079nm激光器的脈寬約為10ns，1 064nm激光器的脈寬約為30ps，前者脈寬較大，能量密度略低，產(chǎn)生的載流子密度也略低，在有效的電荷收集時(shí)間里載流子的收集效率稍低，因而，同樣產(chǎn)生SEU所需的能量較后者略大。

4 結(jié)論

對兩種SRAM樣品的存儲陣列進(jìn)行了脈沖激光背面照射單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，得到加固SRAM 1020－2產(chǎn)生SEU的有效激光閾值能量是非加固SRAM IL－2產(chǎn)生SEU的有效激光閾值能量的3.96倍，說明增大管子尺寸和增大節(jié)點(diǎn)電容的加固措施是有效的。對IL－2的脈沖激光能量輻照達(dá)260nJ，對1020－2的脈沖激光能量輻照達(dá)500nJ，仍未發(fā)現(xiàn)鎖定現(xiàn)象，說明兩種器件有較好的抗單粒子鎖定能力。

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