電子材料超低本底α粒子測試技術(shù)及試驗(yàn)研究★

羅俊洋，張戰(zhàn)剛， 雷志鋒， 陳資文， 彭超， 岳少忠， 張鴻，鐘向麗，孫常皓，黃奕銘，何玉娟，黃云

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511370；3.湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

電子材料中含有天然的鈾（U）、釷（Th）等放射性元素，其衰變放出的α粒子具有非常強(qiáng)的電離能力，α粒子在穿過半導(dǎo)體器件內(nèi)部時電離產(chǎn)生大量的電子-空穴對，這些電子-空穴被半導(dǎo)體器件收集后會導(dǎo)致軟錯誤的發(fā)生[1]。軟錯誤雖然不會對電子器件造成毀滅性的破壞，但半導(dǎo)體器件若在執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)時出現(xiàn)軟錯誤，且無法快速地得到糾正，就會帶來非常嚴(yán)重的后果。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，集成電路（IC）追求高速、高頻和低功耗的趨勢更加明顯，其先進(jìn)制造工藝帶來的集成度增大、工作電壓降低和節(jié)點(diǎn)電容減小等因素，使得α粒子等電離粒子在先進(jìn)工藝器件中引起的軟錯誤對電子產(chǎn)品的可靠性造成了極大的威脅，而對于存儲器產(chǎn)業(yè)界，電子產(chǎn)品可靠性直接影響到產(chǎn)品的核心競爭力[2-3]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的相關(guān)研究工作。Gordon等[4-5]發(fā)現(xiàn)樣品中α粒子的發(fā)射起源位置會影響樣品表面的α粒子發(fā)射能譜，進(jìn)而影響單粒子翻轉(zhuǎn)速率，此外還研究了樣品幾何形狀對表面α粒子發(fā)射率的影響；Martinie等[6]研究了晶圓級仿真模型的α粒子發(fā)射特性。國內(nèi)，賀朝會等[7]使用α源輻照SRAM器件，以此來模擬封裝材料α粒子發(fā)射導(dǎo)致的單粒子翻轉(zhuǎn)；王娜等[8]進(jìn)一步給出了合理的加速軟失效測試的時間推薦值；艾延寶等[9]探究了α粒子引起軟錯誤的兩種模式，并提出了減少α粒子產(chǎn)生的軟錯誤的4種措施。國內(nèi)外雖早已開展了α粒子導(dǎo)致軟錯誤的相關(guān)研究[10]，但對電子材料中放射性元素衰變機(jī)制和α粒子發(fā)射率及能譜研究不足。此外，由于封裝材料技術(shù)的發(fā)展使得其中的放射性雜質(zhì)更加微量導(dǎo)致檢測難度加大。因此，開展超低本底α粒子測試技術(shù)的相關(guān)研究，為半導(dǎo)體器件封裝選材、降低電子系統(tǒng)中的軟錯誤提供參考尤為必要。

本文介紹了超低本底α粒子測試技術(shù)，包括α粒子來源甄別技術(shù)、宇宙射線信號識別技術(shù)和氡氣本底判別技術(shù)。以這些技術(shù)為基礎(chǔ)，選擇錫鉛合金焊料、錫銀銅合金焊料和提純處理后的錫銀銅合金焊料3種樣品，開展了α粒子測量試驗(yàn)研究，對α粒子來源進(jìn)行了識別。研究結(jié)果對高可靠、大規(guī)模電子系統(tǒng)α粒子軟錯誤測試和評價，以及提升產(chǎn)品的可靠性具有重要的意義。

1 超低本底α粒子測量技術(shù)

1.1 α粒子來源甄別技術(shù)

α粒子來源甄別技術(shù)主要用于精準(zhǔn)地識別計(jì)數(shù)器內(nèi)α粒子的發(fā)射位置，為具有超低本底α粒子發(fā)射率的電子材料測量和分析提供技術(shù)手段。

計(jì)數(shù)器中不同位置發(fā)射的α粒子產(chǎn)生的脈沖信號波形如圖1所示，可以通過脈沖信號波形特征，識別其起源，達(dá)到超低本底測量的目的。圖1中α1和α4來源于樣品發(fā)射，α2表示計(jì)數(shù)器頂板發(fā)射，α3表示側(cè)壁發(fā)射。以α1和α4為例，樣品在接地的樣品盤上發(fā)射α粒子至計(jì)數(shù)器腔體內(nèi)，穿過腔體內(nèi)的惰性氣體，通過電離氣體失去能量，產(chǎn)生充滿離子-電子對的軌跡，且氣體中產(chǎn)生的離子-電子對的范圍和數(shù)目隨著α粒子的能量而增加。這些離子和電子在外加電場中漂移，電子向正電極漂移，離子向托盤漂移，而電子的遷移率是離子的數(shù)千倍，因此電子比離子漂移到托盤的速度更快。隨著電子向電極漂移，它將在正電極上產(chǎn)生感應(yīng)電流（即Shockley-Ramo定理），觀察到的總電流是各個感應(yīng)電流的總和。一旦電子到達(dá)電極，感應(yīng)電流就會變?yōu)榱恪８鶕?jù)該原理，不同位置發(fā)射的α粒子在正電極上產(chǎn)生不同特征的感應(yīng)信號。

圖1 計(jì)數(shù)器中不同位置發(fā)射的α粒子產(chǎn)生的脈沖信號波形

1.2 宇宙射線信號識別技術(shù)

減低或消除宇宙射線本底是達(dá)到超低本底α粒子測量的必要手段。宇宙射線導(dǎo)致的脈沖信號波形如圖2所示。這種脈沖信號，與樣品發(fā)射的α粒子產(chǎn)生的脈沖信號有較大的差異。宇宙射線引起的脈沖信號存在一個非?！皥A”的峰且電離軌跡較長，這需要沉積相當(dāng)于1~5 MeVα粒子的能量，以及相當(dāng)高的dE/dx。樣品發(fā)射的α粒子產(chǎn)生的軌跡較短，而β射線和γ射線的dE/dx較小。因此可以明確地將宇宙射線和其他輻射粒子區(qū)分開來。此外，海拔高度、建筑材料屏蔽等因素對宇宙射線通量具有明顯的影響，可以通過改變測量位置來達(dá)到表征宇宙射線影響的目的。

圖2 宇宙射線產(chǎn)生的脈沖信號波形

1.3 氡氣本底來源判別技術(shù)

達(dá)到超低本底α粒子測量的另一個重要干擾因素是環(huán)境氡氣（Rn）污染。Rn能夠在材料（特別是塑料）中擴(kuò)散一段距離，還具有放射性。Rn的兩種同位素220Rn和222Rn處于不同的衰變鏈，并會產(chǎn)生非常特殊的信號?？梢酝ㄟ^兩種方式來區(qū)分和消除Rn對測試的干擾：1）存在于電離室惰性氣體中的Rn，可以通過來源甄別技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的識別；2）樣品的空氣暴露可能導(dǎo)致Rn擴(kuò)散進(jìn)入樣品表面，但是此類污染產(chǎn)生的α粒子衰變的半衰期較短，可以通過測試時間的調(diào)整來達(dá)到區(qū)分的目的。

2 測量試驗(yàn)

2.1 被測樣品

被測樣品的參數(shù)如表1所示，選用半導(dǎo)體封裝制造中具有代表性的錫鉛合金焊料和錫銀銅（SAC）合金焊料進(jìn)行試驗(yàn)。錫鉛合金焊料和SAC合金焊料電鍍在圓柱形金屬基底表面，厚度為微米級。提純處理后的SAC合金焊料為粉末狀，試驗(yàn)前將其均勻地平鋪在圓形托盤上。

表1 被測樣品的參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

錫鉛合金和SAC305合金的α粒子發(fā)射能譜圖如圖3-4所示。錫鉛合金的表面α粒子發(fā)射率為（7.8±0.3）α/（cm2·hr），SAC305合金的表面α粒子發(fā)射率為（0.8±0.01）α/（cm2·hr），比錫鉛合金低約一個數(shù)量級。由圖3-4可見，兩種合金的粒子能譜表現(xiàn)出相同的特征：1）譜形峰值處的能量均為5.3 MeV，說明其放射性可能來源于同樣的內(nèi)部放射性核素，具體分析如下所述；2）在能量小于5.3 MeV一側(cè)，譜形存在向低能區(qū)延伸的“尾巴”，如上一節(jié)所述，錫鉛合金和SAC305合金為一層微米級的電鍍薄膜，其產(chǎn)生的表面α粒子發(fā)射能譜與薄膜特性相符合，即能譜呈現(xiàn)“尖峰”分布特性。向低能區(qū)延伸的“尾巴”的產(chǎn)生原因?yàn)楸∧?nèi)部部分衰變產(chǎn)生的α粒子在達(dá)到薄膜表面時，由于出射角度較大，穿過了一定厚度的薄膜材料，導(dǎo)致能量低于初始出射能量（5.3 MeV）。

基于圖4-5的α粒子能譜圖對錫鉛合金和SAC305合金內(nèi)部的放射性來源進(jìn)行分析。首先，對電子材料中可能存在的放射性核素的衰變α粒子能量進(jìn)行查詢，發(fā)現(xiàn)210Po衰變產(chǎn)生的α粒子的能量（5.304 MeV）與試驗(yàn)結(jié)果最吻合。238U的衰變序列鏈如圖5所示，從圖5中看出，210Po是210Pb衰變后的子體且處于238U衰變鏈的末端。210Pb核素通過β衰變?yōu)?10Bi核素，后者再經(jīng)β衰變?yōu)?10Po核素，210Po核素經(jīng)α衰變發(fā)射出能量為5.304 MeV的α粒子。由于210Po核素的半衰期約為138天，因此不能長期穩(wěn)定地存在于樣品合金中；而衰變鏈中210Pb核素的半衰期約為22.2年，其衰變產(chǎn)物210Bi核素的半衰期約為5天，因此210Pb核素可以作為產(chǎn)生210Po核素的α源，而少量的210Pb核素作為238U的中間衰變子體，常來自于現(xiàn)代火山噴發(fā)物及大氣沉降物中并保留在礦物質(zhì)原材料中[11]，在電子材料制造過程中進(jìn)入焊料內(nèi)部。

圖4 SAC305合金的α粒子能譜圖

圖5 238U衰變序列圖[12]

低αSAC305合金的α粒子能譜圖如圖6所示，該樣品經(jīng)特殊工藝純化處理，測得發(fā)射率為0.002α/（cm2·hr）。相比于普通SAC305合金，低α SAC305合金的表面α粒子發(fā)射率下降了400倍。由于發(fā)射率較低，低αSAC305合金的α粒子能譜圖離散性較大，源于測量到的總α粒子數(shù)量較少。不過，從能譜圖中仍然可以看出：1）能譜范圍較大，最大能量高于普通SAC305合金，可見其放射性來源與圖3-4不同；2）不同于錫鉛合金和普通SAC305合金，能譜未表現(xiàn)出“尖峰”分布特征，原因?yàn)榈挺罶AC305合金粉末厚度為2 mm，遠(yuǎn)大于錫鉛合金和SAC305合金鍍膜。大多數(shù)合金內(nèi)部發(fā)射的α粒子需穿過一定厚度的合金材料才能達(dá)到表面，具體的厚度值取決于發(fā)射位置和角度，導(dǎo)致表面出射的α粒子能譜為“分布式”能譜。

圖3 錫鉛合金的α粒子能譜圖

圖6 低αSAC305合金的α粒子能譜圖

3 結(jié)束語

本文基于超低本底α粒子測試技術(shù)，包括α粒子來源甄別技術(shù)、宇宙射線信號識別技術(shù)和氡氣本底判別技術(shù)，研究了錫鉛合金焊料及錫銀銅（SAC）合金焊料的α粒子發(fā)射率及發(fā)射能譜，并參考238U的衰變序列鏈、子體衰變機(jī)制及放射性核素來源，結(jié)合能譜結(jié)果得出兩種合金焊料中的α粒子發(fā)射源為210Po核素；此外，研究結(jié)果還表明鉛基的錫鉛合金焊料的α粒子發(fā)射率高于錫基的SAC合金焊料。對純化處理后的SAC合金焊料的α粒子發(fā)射進(jìn)行了研究，其能譜結(jié)果表明α粒子發(fā)射數(shù)量極低，發(fā)射率達(dá)到了超低發(fā)射等級水平，因此,使用純化處理后的合金焊料可以有效地降低IC軟錯誤率，提高電子產(chǎn)品可靠性。