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(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029）

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器已在空間大量應(yīng)用，在空間輻射環(huán)境中，靜態(tài)存儲(chǔ)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(chǔ)器的加固技術(shù)和抗輻射能力測(cè)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)激光在硅中的射程分別達(dá)1 000和700μm左右，對(duì)于現(xiàn)代電子器件已具足夠穿透深度。若采用一些波長(zhǎng)相對(duì)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(chǎng)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(duì)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(huì)出現(xiàn)厚約3μm的不平整殘留物。需對(duì)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(zhǎng)激光及本著對(duì)器件加固驗(yàn)證的目的，未對(duì)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(huì)沿著其路徑擴(kuò)散，到達(dá)敏感區(qū)域后束斑尺寸會(huì)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(dòng)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(duì)兩種器件的加固驗(yàn)證無需測(cè)量其絕對(duì)閾值和翻轉(zhuǎn)截面，只需測(cè)量二者產(chǎn)生SEE的有效激光能量的相對(duì)比率。故本實(shí)驗(yàn)采用圖1a的方法。若對(duì)單個(gè)晶體管的敏感性進(jìn)行診斷測(cè)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(huì)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(huì)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(cuò)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(duì)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?duì)樣品的加固措施進(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(zhǎng)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(chǔ)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(cè)器件性能正常。

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

測(cè)試系統(tǒng)主要分3個(gè)部分：上位計(jì)算機(jī)、測(cè)試板、輻照板。測(cè)試板和輻照板分別加電，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)器件的電流。測(cè)試板完成測(cè)試激勵(lì)的生成、響應(yīng)信號(hào)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(cè)試中的控制和測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)，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(duì)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(duì)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(chǔ)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(zhǎng)度；λ為激光波長(zhǎng)，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(jí)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(chǔ)陣列示意圖Fig.4 Memory cells covered by laser beam

激光測(cè)試和重離子測(cè)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(chǔ)單元時(shí)可能會(huì)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(duì)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(zhǎng)激光輻照結(jié)果

對(duì)IL－2測(cè)試中遇到的最敏感點(diǎn)分別用1 079nm和 1 064nm 波長(zhǎng)激光輻照，得到1 079nm和1 064nm波長(zhǎng)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(duì)兩種SRAM樣品的存儲(chǔ)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(duì)IL－2的脈沖激光能量輻照達(dá)260nJ，對(duì)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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