脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)研究

張晨光 安恒 王鷁 李存惠 曹洲 文軒 薛玉雄

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室

空間環(huán)境材料行為及評價技術(shù)國防科技重點實驗室 蘭州 730000）

當(dāng)空間粒子穿過PN結(jié)或附近區(qū)域時，會形成由電子和空穴組成的電荷徑跡。如果電荷密度足夠大，徑跡上的電荷會在耗盡層電場的作用下被PN結(jié)收集，當(dāng)收集的電荷超過臨界值，集成電路會發(fā)生暫時或永久的功能中斷。

1965 年，Habing［1］發(fā)現(xiàn)光子和重離子都是通過從組成原子中釋放電子來使物質(zhì)電離，提出脈沖激光可以用來模擬電子和γ射線的劑量率效應(yīng)。1987年，首次利用脈沖激光進行脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)研究［2］。光子和重離子在物質(zhì)中產(chǎn)生電子——空穴（e-h）對的機制和產(chǎn)生的電荷軌跡分布不同。這種差異是由于粒子在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電荷取決于粒子的能量和原子序數(shù)，而激光產(chǎn)生的電荷取決于波長、光學(xué)聚焦器件和激光強度，這導(dǎo)致他們產(chǎn)生的電荷軌跡有所不同。然而這些差異并沒有限制脈沖激光模擬技術(shù)用于研究單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE）的應(yīng)用，國內(nèi)外通過脈沖激光模擬技術(shù)已經(jīng)對各種器件進行了研究，包括雙極器件、互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）器件、存儲器、數(shù)字邏輯器件和線性器件以及功率器件［3］。

1 脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)試驗設(shè)備簡介

脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)試驗設(shè)備特別需要機械穩(wěn)定性，因為振動不僅會影響測試，還會影響激光器內(nèi)部光學(xué)組件使光束參數(shù)發(fā)生變化，對激光輸出能量和聚焦光斑產(chǎn)生影響，當(dāng)脈沖激光束在進入聚焦透鏡時，其束斑直徑小于透鏡孔徑，聚焦光束的束斑強度分布一般為高斯形態(tài)，器件表面光斑直徑為1～2 μm。所有的光學(xué)元件應(yīng)該是剛性的，并且牢固地固定在光學(xué)平臺上。圖1為SEE測試設(shè)備示意圖，主要包括光學(xué)平臺、激光器、衰減器、能量計、電荷藕合器件（Charge Coupled Device，CCD）攝像機、照明燈、顯微鏡物鏡、移動平臺等［4］。

圖1 SEE測試設(shè)備的示意圖Fig.1 SEE test equipment diagram

脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)主要由遠程數(shù)據(jù)管理單元、檢測單元及試驗設(shè)計（Design Under Test，DUT）單元等主要部分組成，圖2為單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)組成示意圖。檢測單元部分主要由電壓調(diào)節(jié)、供電控制、電流采集及前端處理等模塊構(gòu)成。

2 輻照參數(shù)選擇

2.1 輻照方式

圖2 SEE模擬試驗系統(tǒng)組成Fig.2 SEE composition diagram of simulation test system

SEE激光試驗可以分為單光子吸收（Singlephoton Absorption，SPA）試驗或雙光子吸收（Twophoton Absorption，TPA）試驗，它們在電荷生成過程和所用激光器和光學(xué)器件類型上有所不同。當(dāng)測試器件的金屬布線或封裝不會阻礙脈沖激光輻照器件敏感區(qū)域時，使用可見光或近紅外激光從器件正面輻照，進行SPA試驗。SPA是進行定量測量、與離子數(shù)據(jù)對比的首選方法，因為在沒有金屬布線干擾的情況下，通常可以通過入射激光的能量直接確定在硅中沉積的電荷量。當(dāng)金屬布線影響脈沖激光對器件敏感區(qū)域的輻照時，可以選擇通過SPA或TPA技術(shù)從器件背面輻照。當(dāng)光子能量小于帶隙且大于二分之一帶隙，兩個光子作用下使硅電離產(chǎn)生電子-空穴對，即發(fā)生TPA。當(dāng)光子能量大于帶隙適用于SAP、光子能量小于帶隙且大于二分之一帶隙適用于TPA，選取對于硅器件模擬試驗適合的波長范圍，如圖3所示，SPA可選取1 064 nm的波長，對于硅器件，吸收系數(shù)為14 cm-1時，入射深度為676 μm，TPA可選取1 250 nm的波長，光子能量低于硅帶隙，通過硅基底時激光不會衰減，但經(jīng)過物鏡使激光聚焦，通過減小激光光束直徑，增大激光光束的光強后，硅襯底在兩個光子的作用下產(chǎn)生電離。當(dāng)從背面進行激光SEE測試時，通常需要特殊處理來移除封裝的背面并對襯底薄化和拋光。須在襯底的背面上產(chǎn)生類似光潔度的鏡子，否則光束均勻性可能會降低。

圖3 光子能量隨波長的變化和硅帶隙能量Fig.3 Variation of photon energy with wavelength and silicon band gap energy

正面輻照時，當(dāng)金屬層的平面尺寸大于聚焦光斑平面尺寸時，脈沖激光無法到達器件敏感區(qū)域，當(dāng)金屬連線或點的平面尺寸小于聚焦光斑時，一部分激光將繞過金屬并能夠產(chǎn)生SEE，很難準(zhǔn)確測量到達敏感區(qū)域的入射光的比例。從背面輻照時，頂部的金屬層會將一部分入射光反射回硅中，從而降低測得的SEE閾值。如果想要準(zhǔn)確地測量反射光的比例，需要知道金屬層的尺寸以及光束的輪廓分布，這兩者都很難確定。所以對于定量測試，因選擇不存在金屬層的敏感區(qū)域，避免正面輻照時由金屬引起的脈沖激光能量衰減和背面輻照反射引起的脈沖激光能量增強的影響。

背面試驗時，斑點首先聚焦在器件表面，通過將物鏡向下移動一段距離ΔZ，如圖4所示，使光斑透過厚度d的襯底，從而到達敏感體積上，ΔZ的值可由硅的折射率ηSi（1 064 nm）=3.5和襯底厚度d給出：

圖4 背面激光照射Fig.4 Back laser irradiation

由于器件頂部表面有金屬覆蓋，所以完整敏感區(qū)域定位只能通過背面入射的激光輻照試驗獲得［5］。圖 5［6］顯示了四路差分比較器（LM139）正面輻照和背面輻照的結(jié)果。在圖3中可以看出，激光的正面輻照定位了一些敏感區(qū)域，但是和背面輻照的結(jié)果對比可以看出，約一半的敏感區(qū)域被金屬覆蓋。正面或背面輻照選擇取決于每個試驗器件的具體情況。

圖5 LM139在1 064 nm處的正面（a）和背面（b）激光測試的比較Fig.5 Comparison of front(a)and back(b)laser testing of LM139 at 1 064 nm

2.2 光斑尺寸

如圖6所示，0.35 μm靜態(tài)隨機存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）器件通過激光模擬試驗得到的單粒子翻轉(zhuǎn)（Single particle Upset，SEU）閾值與激光脈寬的關(guān)系［7］。圖6表明只要激光脈寬小于80 ps，SEU閾值大小就與脈寬無關(guān)，對于脈寬大于80 ps的脈沖激光，誘發(fā)SEU所需的激光脈沖能量將線性增加。電荷與敏感節(jié)點相互作用的時間小于1 ps［8］，但電荷收集和電路響應(yīng)卻需要更長時間，因此只要脈寬小于電路響應(yīng)時間，就不影響試驗結(jié)果。對于TPA試驗，需要更小的脈寬來確保發(fā)生雙光子吸收所需的脈沖輻照度，通常為100～200 fs。脈沖激光光斑選取盡可能小的尺寸，因為隨著光斑尺寸的增加，越來越多的光子能量被吸收到敏感體外，從而導(dǎo)致脈沖激光SEE能量閾值增加。脈沖激光光斑尺寸有式（2）得到：

式中：λ是光的波長；?是透鏡的焦距；d是透鏡的直徑；NA是透鏡的數(shù)值孔徑（NA=d/2?）。

圖6 0.35 μm SRAM器件SEU閾值和脈沖功率與脈沖寬度的關(guān)系Fig.6 Relationship of 0.35 μm SRAM device SEU threshold vs.pulse power and pulse width

2.3 掃描頻率

激光器的脈沖頻率可以從單脈沖到兆赫范圍，試驗所需脈沖頻率由測試設(shè)備的響應(yīng)時間、掃描所需精度及掃描時間確定。如果設(shè)備的SEE響應(yīng)在下一個激光脈沖到達之前沒有完全達到平衡狀態(tài)，則無法保證測量的有效性。在所需的時間內(nèi)完成大面積器件高分辨率掃描，需要平臺從一個位置快速移動到另一個位置，這需要載物平臺移動頻率和脈沖激光頻率一致。

掃描時間如式（3）所示，其中n和m分別是X和Y方向上的掃描點數(shù)，f是脈沖激光掃描頻率（與載物平臺移動頻率一致）。例如，要以1 μm的分辨率掃描100 μm×100 μm的區(qū)域，需要10 000步，即最少10 000個激光脈沖。但是，在估計掃描區(qū)域所需的總時間時，還必須考慮平臺移動所需的時間以及相機拍攝數(shù)據(jù)的時間。

3 脈沖激光等效重離子LET值

LET值是對重離子使材料電離產(chǎn)生自由載流子能力的描述，脈沖激光模擬試驗作為一種模擬手段，有必要確定不同脈沖激光能量和重離子LET值之間的關(guān)系。自由載流子吸收一般只產(chǎn)生自由電子的加熱效果，而不產(chǎn)生新的電離，可以忽略［9］。帶寬收縮效應(yīng)因各類器件摻雜濃度的分布情況復(fù)雜，暫不考慮。我們從脈沖激光能量損失的角度，計算脈沖激光等效重離子LET值。

脈沖激光的吸收過程在電荷軌跡的分布中起著重要作用，在描述物質(zhì)中脈沖激光的傳播時，必須包含光的吸收過程。光的吸收過程由式（4）決定：

式中：I（z）是光強；r和z分別是徑向和縱向位置；σ是自由載流子吸收橫截面；N是自由載流子密度；αλ和βλ分別是SPA和TPA波長相關(guān)的吸收系數(shù)［10-11］。

在不考慮自由載流子吸收及帶寬收縮效應(yīng)的影響的情況下，激光能量在硅中單位長度上產(chǎn)生的電荷數(shù)為：

由線性能量傳輸?shù)亩x得：

則，重離子在硅中單位長度上產(chǎn)生的電荷數(shù)為：

根據(jù)Nphoton=Nion，由式（5）和（7）可得到激光等效重離子LET值：

式中：ΔE為敏感體積吸收脈沖激光能量，J。由1 MeV=1.6×10-13J，可得器件表面LET為：

其中：A=1.6×10-13，由于器件擴散工藝原因而導(dǎo)致的保護層不均勻性的影響，考慮表面反射率的影響［12-13］，因此脈沖激光輻照在硅器件芯片的有效LET值為：

式中：ΔE為敏感體積中吸收的激光能量；Eion為重離子使材料電離的能量；ρ為材料密度；Ep為脈沖激光使材料電離的能量，A=1.6×10-13；h為敏感體積厚度；R為反射率。

單光子吸收與雙光子吸收的不同在于ΔE和Ep不同，單光子吸收中Ep=Ephoton，雙光子吸收中Ep=2Ephoton。

3.1 單光子吸收

在單光子吸收中，式（4）右側(cè)的第一項占主導(dǎo)地位，第二項不參與SEE過程［14-15］，可以得到比爾定律的眾所周知的表達：

式中：I是材料表面的脈沖激光光強；x是器件表面到敏感體積的深度。由式（11）得：

式中：E為入射到器件表面能量；E0為入射到敏感體積表面能量，由式（12）得到，ΔE=E0(1-exp(-αh))，則單光子吸收等效LET值為：

3.2 雙光子吸收

在雙光子吸收中，對于小于硅的帶隙的光子能量，式（4）中的第一項可忽略不計。如果忽略自由載流子吸收，則可以求解式（4）：

4 脈沖激光模擬試驗驗證

試驗選取BC108雙極結(jié)型晶體管，如圖7所示，是一種通用的低功率硅NPN雙極結(jié)型晶體管。圖8為BC108雙極結(jié)型晶體管測試板和測試系統(tǒng)。

圖8 BC108雙極結(jié)型晶體管測試板和測試系統(tǒng)Fig.8 BC108 bipolar junction transistor test board and test system

選擇正面輻照方式，20倍物鏡，單光子吸收試驗，選取1 064 nm波長，1.6 μm光斑，雙光子吸收試驗，選取1 200 nm波長，1.9 μm光斑，掃描方式相同，通過大步長（8 μm）粗掃確定器件的敏感區(qū)域，在敏感區(qū)域內(nèi)通過小步長（2 μm）掃描確定敏感點位置，再逐步改變脈沖激光能量，能量從1 nJ開始增大或減小，獲得能量閾值。測試期間，使用0.7 V輸入電壓，并且使用示波器監(jiān)測出現(xiàn)單粒子瞬態(tài)脈沖時輸出信號的改變。圖9為1 064 nm脈沖激光入射能量與運算放大器輸出電壓響應(yīng)的關(guān)系，圖10為1 200 nm脈沖激光入射能量與運算放大器輸出電壓響應(yīng)的關(guān)系，顯示了增加脈沖能量對雙極結(jié)型晶體管輸出電壓的影響。

圖9 1 064 nm脈沖激光能量變化對BC108雙極結(jié)型晶體管響應(yīng)電壓的影響Fig.9 Effect of 1 064 nm pulsed laser energy variation on response voltage of BC108 bipolar junction transistor

圖10 1 200 nm脈沖激光能量變化對BC108雙極結(jié)型晶體管響應(yīng)電壓的影響Fig.10 Effect of 1 200 nm pulsed laser energy variation on response voltage of BC108 bipolar junction transistor

根據(jù)圖9、10可以看出，SPA和TPA試驗中相同的輸出電壓處均能找到對應(yīng)的單光子和雙光子能量值，即SPA和TPA試驗中能量間存在著定量關(guān)系。

根據(jù)試驗結(jié)果得到，BC108雙極結(jié)型晶體管SPA（1 064 nm）脈沖激光能量閾值為0.37 nJ，帶入式（13）中可得，LET1064nm（0.37 nJ）=25.46 MeV·cm-2·mg-1；BC108雙極結(jié)型晶體管TAP（1 200 nm）脈沖激光能量閾值為 0.99 nJ，帶入式（15）中可得，LET1200nm（0.99 nJ）=1.43 MeV·cm-2·mg-1。

兩者LET值之間有很大的差異，其原因在于SPA在脈沖激光入射過程中，有部分損耗在硅襯底中，相對于TPA而言，SPA到達敏感體積表面能量減小，增大了能量閾值從而增大了SPA的LET值，而具有雙光子特性的TPA，在脈沖激光未聚焦前，可以幾乎無損地穿過硅襯底，TPA到達敏感體積表面能量不變。同時，SPA和TPA試驗時，激光光斑尺寸大于晶體管的敏感體積，當(dāng)TPA光斑尺寸大于SPA光斑尺寸時，更容易在敏感體積上沉積電荷，從而降低了TPA的LET值。

根據(jù)式（13）和（15）可以看出，SPA中載流子的產(chǎn)生效率跟脈沖激光能量成線性關(guān)系，當(dāng)光斑尺寸、脈寬一定時，TPA中載流子的產(chǎn)生效率跟激光能量的平方成線性關(guān)系（式（15）分母中ωσ項為10-20量級，βλhE0項為10-4量級，又因為兩項在分母中，所以βλhE0對線性關(guān)系的影響可以忽略），圖11為SPA和TPA試驗時能量（能量平方）改變對響應(yīng)電壓的影響擬合圖，單光子擬合線性系數(shù)為0.96，雙光子擬合線性系數(shù)為0.99，可以看到具有良好的線性關(guān)系。又因為在同一個敏感點，響應(yīng)電壓的變化反映了敏感點電荷收集效率的變化，所以式（13）和（15）中的線性關(guān)系也證明了試驗現(xiàn)象的可靠性。

5 結(jié)語

圖11 單光子（雙光子）電壓響應(yīng)與能量（能量平方）線性關(guān)系擬合圖Fig.11 Fitting diagram of linear relationship between voltage response of single-photon(two-photon)and energy(square of energy)

通過分析和試驗，驗證了SPA和TPA誘發(fā)單粒子效應(yīng)的不同過程，分析計算了其對應(yīng)的等效LET值。但是，SPA和TPA之間的定量比較，取決于眾多測試參數(shù)。例如，SPA試驗中，激光波長和光斑大小，可能會影響LET值與能量的相關(guān)性，TPA試驗中，激光波長、光斑大小、脈沖寬度以及脈沖相位特性，可能會影響LET值與能量平方的相關(guān)性，考慮到這些差異，SPA和TPA在單粒子效應(yīng)中所需不同的LET值是合理的，且SPA和TPA都能定量表征單粒子效應(yīng)。