基于重離子微束的單離子輻照系統(tǒng)研究

孫浩瀚,郭 剛,劉建成,張 崢,張付強(qiáng),趙勇樂,楊 智

(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

空間環(huán)境中的高能帶電粒子會導(dǎo)致衛(wèi)星和航天器中的微電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng)(SEE),導(dǎo)致器件的邏輯狀態(tài)發(fā)生改變,器件功能異常甚至損毀[1]。隨著現(xiàn)代集成電路工藝的高速發(fā)展,微電子器件的特征尺寸不斷減小,工作頻率不斷升高,SEE發(fā)生的概率也在不斷增大[2-3]。重離子微束作為研究器件SEE物理機(jī)制和明確器件薄弱環(huán)節(jié)的重要手段,越來越得到研究重視。國內(nèi)外相繼建立了一系列微束實驗裝置,主要包括美國IBM實驗室針孔型微束裝置[4]、德國GSI聚焦型微束裝置[5]、日本JAEA聚焦型微束裝置[6]、中國原子能科學(xué)研究院針孔型重離子微束裝置[7]以及中國科學(xué)院近代物理研究所聚焦型重離子微束裝置LIHIM[8-9]等?；谥仉x子微束裝置,研究人員在單粒子效應(yīng)的電荷收集[10]、多單元翻轉(zhuǎn)(MCU)[11]、瞬態(tài)脈沖(SET)[12]、敏感區(qū)定位[13-14]等方面取得了多項研究成果。

單離子輻照(SIH)技術(shù)是重離子微束中的關(guān)鍵技術(shù)之一,通過一系列監(jiān)督控制方法將每次入射到器件上的離子數(shù)降低至1個。再結(jié)合微束μm量級的束斑尺寸,單離子輻照可高精度地在指定位置上輻照指定離子數(shù),既可用來研究單個離子對器件的微觀影響,也可排除多個離子同時入射給MCUs統(tǒng)計帶來的干擾,提高實驗的準(zhǔn)確性[15-16]。具有代表性的例子是GSI在原有微束裝置基礎(chǔ)上建立的單離子輻照系統(tǒng)[5],該系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性,對FPGA器件進(jìn)行單離子輻照后,研究人員獲得了器件的單粒子效應(yīng)敏感區(qū)以及MCU和SET的分布特征[15]。除器件輻射效應(yīng)外,單離子輻照也可應(yīng)用于生物細(xì)胞輻照中,如JAEA采用CaF2(Eu)閃爍體和CCD建立了可實時觀測的細(xì)胞單離子輻照系統(tǒng),空間分辨率達(dá)6.5～6.9 μm[16],可對數(shù)十μm的細(xì)胞進(jìn)行針對性輻照。

基于北京HI-13串列加速器針孔型重離子微束裝置建立單離子輻照系統(tǒng),本文首先對系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,從理論上分析各因素對單離子輻照性能的影響;通過實時束流監(jiān)測和束流開關(guān)快速控制,實現(xiàn)單個離子輻照;最后利用該系統(tǒng)針對28 nm SRAM器件開展單離子輻照研究,以獲得單個離子誘發(fā)MCU的圖形及概率分布,來驗證系統(tǒng)在納米器件輻射效應(yīng)機(jī)理研究方面的可用性。

1 系統(tǒng)組成

1.1 基本結(jié)構(gòu)

單離子輻照系統(tǒng)安裝在HI-13串列加速器L30終端的輻照靶室中,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由微束產(chǎn)生裝置、微束定位裝置、束流監(jiān)督裝置、單粒子效應(yīng)測試裝置以及支撐各裝置的位移平臺組成。加速器引出的重離子束流依次通過mm級預(yù)準(zhǔn)直孔和μm級針孔后,形成了μm級的重離子微束;微束定位裝置使用長工作距離顯微鏡和高靈敏度CCD對針孔和樣品進(jìn)行準(zhǔn)直和定位;束流監(jiān)督裝置通過間接測量方法對離子注量率進(jìn)行實時監(jiān)測;單粒子效應(yīng)測試裝置主要是對離子輻照待測器件(DUT)后產(chǎn)生的效應(yīng)信號進(jìn)行測試和記錄。除微電子器件外,樣品位移平臺還為其他樣品如核孔膜等預(yù)留了安裝位置,可適應(yīng)不同的實驗需求。

圖1 單離子輻照系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of single ion hit system

針孔是微束產(chǎn)生裝置的核心,也是單離子輻照系統(tǒng)的重要組成部分。商用激光針孔在較大尺寸(10 μm以上)時質(zhì)量良好,但達(dá)μm量級時,其激光工藝的錐形孔特征使離子散射嚴(yán)重,導(dǎo)致微束束斑偏大,且能譜中的低能雜散成分過多。單離子輻照系統(tǒng)中使用的針孔均為課題組自主研制的矩形針孔。針孔由兩組互相垂直的狹縫拼接而成,每組狹縫又由兩個刀片組成,詳細(xì)信息見文獻(xiàn)[17]。經(jīng)測試,自研的針孔尺寸優(yōu)于商用針孔,且能譜中穿過針孔后束流的低能雜散成分僅占約10%[17]。為滿足不同需求,系統(tǒng)提供了一系列不同尺寸的針孔,包括2.3 μm ×3.5 μm的矩形自制針孔(圖2)以及直徑10、20、100 μm的商用圓形針孔。

PET膜經(jīng)48 MeV S離子輻照,在37 ℃、4 mol/L的NaOH溶液中蝕刻40 min[17]圖2 2.3 μm×3.5 μm針孔的束點分布Fig.2 Beam point distribution of 2.3 μm×3.5 μm pinhole

1.2 束流監(jiān)督裝置

實現(xiàn)單離子輻照的基本原理是通過對束流進(jìn)行實時監(jiān)督獲取入射到樣品表面的離子數(shù),監(jiān)測到單個離子入射后迅速切斷束流,避免下一個離子通過束流開關(guān)。因此,束流監(jiān)督裝置是單離子輻照系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

束流監(jiān)督裝置由C膜、二次電子探測器和束流監(jiān)督計算機(jī)組成,如圖1所示。選用厚度7 nm的C膜,直接放置于束流線上,由于厚度很小,重離子穿過時幾乎不會被散射或損失能量,只與C膜發(fā)生相互作用發(fā)射出大量二次電子;二次電子探測器選用通道型電子倍增管(CEM),與C膜呈45°放置,對C膜發(fā)射的二次電子進(jìn)行實時高效收集。入射的離子數(shù)越多,C膜發(fā)射的二次電子數(shù)越多。由于電子倍增管相對束流的角度固定,根據(jù)電子逸出規(guī)律,電子倍增管收集的二次電子數(shù)與穿過C膜的入射離子數(shù)呈比例,同時穿過C膜的離子中存在固定比例的一部分離子穿過μm級針孔并入射到樣品。因此,最終入射到樣品的離子數(shù)與收集的二次電子數(shù)之間也存在固定的比例系數(shù)K,實驗時根據(jù)K即可通過控制二次電子數(shù)來控制入射離子數(shù)。若束流強(qiáng)度發(fā)生變化,離子數(shù)和二次電子數(shù)將同比例變化,K保持恒定;但由于二次電子數(shù)僅收集了部分立體角內(nèi)的二次電子,因此,若束流在不同部位的均勻性發(fā)生變化,K有可能發(fā)生波動。

在輻照離子數(shù)達(dá)到實驗前設(shè)定的值后,計算機(jī)向高速快門發(fā)送1個信號迅速切斷束流。該過程中單離子輻照系統(tǒng)外部和內(nèi)部的多個因素均可能對單離子控制能力造成影響。首先是束流強(qiáng)度不能太大;其次是束流切斷的速度必須快,即束流快門的開關(guān)時間必須短;另外,K、樣品輻照時間、控制程序的響應(yīng)時間等因素也會影響單離子控制性能。

2 影響因素理論分析

考慮到實際情況,加速器供束時一般僅提供靶室前端束流診斷系統(tǒng)中法拉第筒測量的束流強(qiáng)度I(A),流強(qiáng)I與注量率F(cm-2·s-1)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

(1)

式中:Nion為穿過針孔入射到樣品上的離子數(shù);Sp為針孔面積;t為輻照樣品時間;SFC為法拉第筒的開口面積;Q為入射離子所帶電荷量,為離子電荷數(shù)乘1.6×10-19C。

根據(jù)1.2節(jié),單離子輻照樣品前需先確定比例系數(shù)K。樣品平臺上安裝有金硅面壘探測器,在輻照樣品前先移入金硅面壘探測器,測量穿過針孔后的入射離子數(shù),為便于與輻照樣品時的計數(shù)對比,測量K時的離子數(shù)記N′ion,收集的二次電子數(shù)記N′electron,二者的比值即為K,如式(2)所示;輻照樣品時,移開金硅面壘探測器,移入待測器件,實驗前設(shè)定的輻照離子數(shù)用Ns_ion表示(特別地,當(dāng)Ns_ion=1時為單離子輻照情形),則借助于已測得的K可設(shè)定相應(yīng)的二次電子數(shù)Ns_electron,如式(3)所示。當(dāng)電子倍增管監(jiān)測到二次電子數(shù)達(dá)到目標(biāo)Ns_electron時,由自動控制程序控制快門關(guān)閉,同時停止二次電子計數(shù)和輻照計時。

(2)

(3)

這種間接測量方法默認(rèn)K在輻照樣品前后的一段時間內(nèi)保持恒定。實驗時由于束流的均勻性變化以及離子數(shù)和二次電子數(shù)的測量誤差等,K存在一定的波動范圍。

由于入射離子服從泊松分布,則實際入射離子數(shù)Nion的數(shù)學(xué)期望E(Nion)可表示為:

E(Nion)=Ns_ion(1+P)=

(4)

式中:P為多離子輻照概率,定義為快門關(guān)閉前多入射到樣品表面的離子數(shù)與Ns_ion的比值;tsw和tR分別為快門的開關(guān)時間和控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間。本次實驗選用的高速快門開關(guān)時間為ms量級,而信號在控制系統(tǒng)中的傳播很快,因此tR與tsw相比可忽略不計。

整合式(1)、(3)、(4),得到:

(5)

(6)

式中:C=Sp/QSFCNs_ion,考慮到單次實驗時Q、SFC、Sp、Ns_ion一般不會變動,因此C為常數(shù);D=KNs_electron/Ns_ion,若K保持恒定,D=1。

根據(jù)式(5),影響單離子輻照的因素主要為束流強(qiáng)度I和快門開關(guān)時間tsw;或根據(jù)式(6),影響因素為輻照樣品前測量得到的K、快門開關(guān)時間tsw和樣品輻照時間t。式(5)和(6)可相互推導(dǎo),實際是等價的。

法拉第筒測量束流強(qiáng)度I時需阻斷束流,不是實時測量,因此當(dāng)短時間內(nèi)的束流強(qiáng)度有一定波動時,式(6)中的實時測量更有意義;當(dāng)束流較為穩(wěn)定時,此時流強(qiáng)I近似為常數(shù),因此式(5)更簡單直觀。式(5)、(6)可為選定實驗參數(shù)提供指導(dǎo)和參考,即實現(xiàn)單離子輻照時需確保各參數(shù)滿足P≈0,E(Nion)≈Ns_ion。

3 實驗分析

對單離子輻照系統(tǒng)的性能進(jìn)行實驗分析,入射離子為140 MeV的S13+,平臺位于HI-13串列加速器的L30終端輻照靶室。

3.1 比例系數(shù)K

首先需對K進(jìn)行測量,觀察K的穩(wěn)定性。為驗證束流強(qiáng)度的影響,選取了流強(qiáng)有一定波動的6個30 s時間段分別對K進(jìn)行測量,結(jié)果列于表1。K的平均值為1.22×10-4,標(biāo)準(zhǔn)差為2.79×10-6,相對標(biāo)準(zhǔn)差為2.3%,表明K基本不受流強(qiáng)影響,較為穩(wěn)定。

表1 K波動情況Table 1 Fluctuation of K value

3.2 單離子控制能力

測量K后,對單離子輻照系統(tǒng)的控制能力進(jìn)行測試。使用金硅面壘探測器記錄實際入射的離子數(shù)Nion,重復(fù)若干次后,觀察Nion的統(tǒng)計情況。

Ns_ion=10和Ns_ion=1時,各自給出了其中的5組數(shù)據(jù),列于表2和表3。K由表1平均值給出;Nelectron、輻照時間t、Nion為實驗測量得到;tsw為實驗前對快門的測試結(jié)果,約為60 ms;代入上述參數(shù)后,根據(jù)式(6),計算得到P和E(Nion)。

表2 Ns_ion=10時的實際入射離子數(shù)分布Table 2 Distribution of actual incident ion number at Ns_ion=10

表3 Ns_ion=1時的實際入射離子數(shù)分布Table 3 Distribution of actual incident ion number at Ns_ion=1

根據(jù)表2、3,Ns_ion=10和1時均出現(xiàn)了1次多離子輻照,實驗過程中束流強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,由于P為多入射進(jìn)來的離子數(shù)與Ns_ion的相對值,因此在流強(qiáng)穩(wěn)定的情況下,Ns_ion=1的P約為Ns_ion=10的P的10倍。圖3給出了Ns_ion=1時,不同束流強(qiáng)度下更多Nion數(shù)據(jù)的分布。共測試高流強(qiáng)、低流強(qiáng)和過低流強(qiáng)3種情形,每種情況重復(fù)測試20次。將Nion等于Ns_ion的次數(shù)占總輻照次數(shù)的比例定義為單離子輻照準(zhǔn)確率。高流強(qiáng)時,每秒輻照樣品的離子數(shù)約5個,低流強(qiáng)時約2個,過低流強(qiáng)時約為0.4個。根據(jù)式(6),3種情形下的理論估計E(Nion)分別為1.3、1.12、1.024。

圖3 不同流強(qiáng)時Nion的分布情況Fig.3 Distribution of Nion with different current intensities

對圖3中各組實驗數(shù)據(jù)求平均值可得,在高流強(qiáng)和低流強(qiáng)下,Nion平均值分別為1.35和1.1,與理論估計值E(Nion)接近。與高流強(qiáng)相比,當(dāng)流強(qiáng)較低時,由于每次輻照的時間更長,快門開關(guān)時間的影響相對減小。根據(jù)式(5)、(6),多離子輻照概率P較低,因此單離子性能更好。低流強(qiáng)時僅2組數(shù)據(jù)出現(xiàn)多打現(xiàn)象,單離子輻照的準(zhǔn)確率為90%;高流強(qiáng)時有6組數(shù)據(jù)出現(xiàn)多打現(xiàn)象,準(zhǔn)確率為70%。而當(dāng)流強(qiáng)降至更低,即每秒中穿過針孔的離子約0.4個時,理論上多離子輻照概率很低,P=2.4%,E(Nion)=1.024。但根據(jù)圖3可知,此時的Nion分布不再以單個離子為主,單離子輻照準(zhǔn)確率僅35%。這是由于此時流強(qiáng)過低,束流均勻性無法得到保證,K波動增大,二次電子數(shù)和入射離子數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系變差,此時根據(jù)二次電子數(shù)已無法控制入射離子數(shù),因此Nion與E(Nion)也失去了關(guān)聯(lián)性。

上述分析表明,在快門時間60 ms、束流強(qiáng)度較低的情況下,該系統(tǒng)能以90%的準(zhǔn)確率實現(xiàn)單離子輻照。同時,更低的束流強(qiáng)度和更短的快門開關(guān)時間有利于繼續(xù)提升系統(tǒng)的單離子控制性能。但受加速器限制,束流的強(qiáng)度和均勻性不可兼得,流強(qiáng)過低使得均勻性變差,因此實驗需在束流較為均勻、K值保持穩(wěn)定時進(jìn)行。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在單粒子效應(yīng)研究中,單個離子誘發(fā)多個單元同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象為MCU,同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)的單元個數(shù)稱作MCU的多重性M(例如三單元翻轉(zhuǎn)的M=3)。選取了28 nm體硅工藝8T SRAM芯片作為待測器件,基于建立的單離子輻照系統(tǒng)開展了MCU研究。芯片存儲區(qū)域為1 024×16 bit,周圍是譯碼電路和時序電路,具體布局如圖4所示。每個bit的分布區(qū)域均由16×64個存儲單元組成,單元尺寸為2.17 μm×0.52 μm。分布區(qū)域均為正方形,寬度為39.0 μm。

圖4 SRAM芯片布局示意圖Fig.4 Schematic of SRAM layout

對bit1的中間區(qū)域進(jìn)行輻照,輻照的離子總數(shù)為200,每個離子的入射均按單離子輻照進(jìn)行。首先調(diào)節(jié)束流強(qiáng)度至1 s的入射離子數(shù)1～2個,此時測得K=1.25×10-4,相對標(biāo)準(zhǔn)差為2.6%,基本保持穩(wěn)定。輻照SRAM芯片后,給出了MCU的翻轉(zhuǎn)圖案和多重性M的頻率分布,如圖5所示。

圖5 單離子誘發(fā)的不同MCU圖案(a)和多重性M頻率分布(b)Fig.5 Different MCU patterns induced by single ion (a) and frequency distribution of M (b)

使用常規(guī)方法開展實驗時,系統(tǒng)檢測到多個單元同時翻轉(zhuǎn)后,無法直接判斷該次翻轉(zhuǎn)是由單個離子導(dǎo)致的真實MCU還是多個離子同時入射導(dǎo)致的偽MCU。若芯片的版圖已知,可通過發(fā)生翻轉(zhuǎn)的單元是否在物理地址上相鄰來估算偽MCU概率[18];若物理版圖未知,一般只能通過算法或其他手段后期處理數(shù)據(jù)得到[19]。使用單離子輻照系統(tǒng)后,無需獲得芯片版圖信息或后期處理,實驗時就可確定發(fā)生的多單元翻轉(zhuǎn)為真實MCU,提高數(shù)據(jù)分析效率,為實驗人員提供更多實時信息。

5 小結(jié)

本文在針孔型重離子微束裝置的基礎(chǔ)上建立了單離子輻照系統(tǒng)。對影響系統(tǒng)單離子控制能力的各因素進(jìn)行了理論分析,表明K、束流強(qiáng)度和快門時間占主要地位;對各因素的影響進(jìn)行實驗驗證,表明束流強(qiáng)度過低無法實現(xiàn)單離子輻照,實驗前需保持束流均勻性良好;在現(xiàn)有的實驗條件下實現(xiàn)了90%的單離子輻照準(zhǔn)確率,并將系統(tǒng)應(yīng)用在28 nm SRAM芯片中,獲得了MCUs的分布情況。該系統(tǒng)在未來可通過提高快門速度進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率,為單粒子效應(yīng)研究提供有效技術(shù)支撐。