脈沖激光背照射單粒子效應實驗研究

王德坤，曹 洲，劉海南，楊 獻

（1.蘭州空間技術物理研究所 真空低溫技術與物理國家級重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院 微電子研究所，北京 100029）

靜態隨機存儲器已在空間大量應用，在空間輻射環境中，靜態存儲器易受高能粒子的影響而發生單粒子事件。近年來，靜態存儲器的加固技術和抗輻射能力測試技術快速發展。大量研究證明，脈沖激光是模擬單粒子效應（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越來越多。脈沖激光從正面輻照穿透更多的金屬層到達器件敏感結更困難，故有必要開展激光背照射單粒子效應的研究。本文通過兩種SRAM樣品的單粒子效應實驗，對背照射單粒子效應實驗的可行性及樣品加固措施的有效性進行驗證。

1 背照射實驗的相關問題

1.1 激光波長的選擇

背面照射實驗要求脈沖激光能在穿透襯底到達敏感區域后還有足夠能量產生單粒子效應。本實驗所采用的1 079和1 064nm波長激光在硅中的射程分別達1 000和700μm左右，對于現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，在進行背照射實驗時需通過一些特殊方法來減薄襯底。

1.2 襯底減薄技術

高強度激光能產生足夠大的電場來電離半導體表面的原子。在熱量進入半導體內部前產生燒蝕，由此可減薄襯底。應用一定功率密度的飛秒脈沖激光系統可對襯底進行燒蝕處理［1］。這種技術便于使用且能開啟微電子工業領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厚約3μm的不平整殘留物。需對其進行機械拋光處理以使表面達到好的光學效果。

由于本實驗所用的是深穿透波長激光及本著對器件加固驗證的目的，未對襯底進行燒蝕和拋光處理。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致不同位置的閾值能量略有差異；表面的粗糙可能導致部分激光不能垂直入射，進而導致落在敏感區的激光在能量上并非嚴格的高斯分布。

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散，到達敏感區域后束斑尺寸會覆蓋多個敏感結，導致多位翻轉以至過高地估計翻轉截面，低估閾值能量。但激光在硅中的發散較在空氣中的小。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域時束斑最小化［2］，如圖1所示。z0為最小束斑聚焦到背面表面時背面的垂直坐標，z1為最小束斑聚焦到敏感區域時背面的垂直坐標，有：

其中：d為芯片厚度；n為半導體材料折射率。

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證無需測量其絕對閾值和翻轉截面，只需測量二者產生SEE的有效激光能量的相對比率。故本實驗采用圖1a的方法。若對單個晶體管的敏感性進行診斷測試，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，經一段時間后會形成1層3～5nm厚的二氧化硅。假設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［3］。入射激光經二氧化硅透射后進入襯底能量遵循Beer定律指數衰減。待激光傳播到正面表面時會反射回一部分能量，這部分能量也產生SEE。未考慮二氧化硅層的二次反射，是因金屬層均是網狀的，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敏感區（圖1a），產生單個位翻轉的敏感區只是1個激光束斑所覆蓋的面積的一部分。設比例系數γ表示激光束中心位置覆蓋1個敏感區域面積的能量占整個脈沖能量的比率，假設硅吸收的激光能量產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，產生SEE的有效激光能量Eeff校正為：

圖2 產生SEE的有效激光能量Fig.2 Efficient laser energy

其中：α為吸收系數；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。

本實驗目的是對樣品的加固措施進行驗證，無需精確計算Eeff，而需得到器件2（SRAM 1020－2）和器件1（SRAM IL－2）產生SEE的有效激光能量閾值Eeff2th與Eeff1th的比例系數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行實驗，γ1＝γ2，Г1＝Г2，R1＝R2，z1＝z2，α1＝α2，則：

2 實驗方法

實驗樣品采用非加固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部設計不同外，在制造工藝上完全相同。加固器件增大了晶體管尺寸和節點電容以提高臨界電荷量。實驗前將器件背面開蓋，開蓋后電測器件性能正常。

實驗用激光波長為1 079nm（脈寬9～12ns）和1 064nm（脈寬20～30ps）。

測試系統主要分3個部分：上位計算機、測試板、輻照板。測試板和輻照板分別加電，實時監測被測器件的電流。測試板完成測試激勵的生成、響應信號比較、故障統計和部分控制功能，上位計算機完成測試中的控制和測試結果存儲，需要時完成數據的適時處理。

3 結果與討論

3.1 單個位翻轉

實驗中觀察到了單個位翻轉，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差異可能是由以下原因造成的：1）器件不同敏感點所對應背面表面的平滑度不同，導致光學效果不同，進而使得到的閾值有差異；2）襯底薄厚不均導致激光在傳播路徑上的衰減稍有差異；3）實驗誤差。

3.2 單粒子多位翻轉

入射到背面表面的激光束斑尺寸約3μm，經295μm的襯底傳播后，激光束斑發生了擴散。束斑尺寸可由下式計算［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計也相同，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計上的差異，而同一器件各個位之間的閾值差異主要取決于實驗條件的差異。

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。

經計算知，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個地址線，縱向數個位線。當能量足夠大時，即可誘發單粒子多位翻轉。這由實驗中的單粒子多位翻轉最多縱跨4個字線（4×3.6μm＝14.4μm），橫跨3個位線（3×5μm＝15μm）可驗證（圖4）。圖4中，黑色實心點為發生翻轉的位，激光束斑由深到淺表示理想束斑能量的高斯分布。但實際上硅片表面是粗糙的，亞微米級的不平滑度導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敏感區域的激光也不是標準的高斯分布。這也是圖4中發生翻轉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個存儲單元時可能會導致多位翻轉。因此，注意在計算翻轉截面時要對此進行校正，以免過高估計翻轉截面［4］。

3.3 同一位置兩種波長激光輻照結果

對IL－2測試中遇到的最敏感點分別用1 079nm和 1 064nm 波長激光輻照，得到1 079nm和1 064nm波長激光產生SEU的能量閾值分別為52.6nJ和42.6nJ。這是因為1 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，產生的載流子密度也略低，在有效的電荷收集時間里載流子的收集效率稍低，因而，同樣產生SEU所需的能量較后者略大。

4 結論

對兩種SRAM樣品的存儲陣列進行了脈沖激光背面照射單粒子效應實驗，得到加固SRAM 1020－2產生SEU的有效激光閾值能量是非加固SRAM IL－2產生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點電容的加固措施是有效的。對IL－2的脈沖激光能量輻照達260nJ，對1020－2的脈沖激光能量輻照達500nJ，仍未發現鎖定現象，說明兩種器件有較好的抗單粒子鎖定能力。

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