基于10 keV X射線的總劑量效應(yīng)實驗技術(shù)實現(xiàn)與應(yīng)用

馬武英，張鵬飛，陳 偉，姚志斌，叢培天，何寶平，董觀濤

(強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實驗室；西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

隨著核技術(shù)和航天事業(yè)的發(fā)展, 對電子系統(tǒng)在輻射環(huán)境下可靠性和壽命的要求越來越高。為滿足輻射環(huán)境應(yīng)用需求，新一代航天器等先進(jìn)裝備采用納米器件已成為必然。因此，需針對納米器件開展空間輻射效應(yīng)研究，為其在輻射環(huán)境中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。然而，在進(jìn)行納米MOSFET器件總劑量效應(yīng)實驗研究中不可避免地要解決輻照過程中加偏置和準(zhǔn)確測量輻射響應(yīng)規(guī)律等工程技術(shù)問題。如40 nm MOSFET的柵氧層厚度小于3 nm，靜電擊穿對器件影響極為嚴(yán)重。對輻射效應(yīng)研究而言，“防靜電電路”是把“雙刃劍”，對MOSFET晶體管加防靜電電路能有效提高器件的抗靜電擊穿能力，有利于提高器件劃片、鍵合和封裝過程的產(chǎn)品良率，便于輻照實驗及測試工作的開展。同時，由于防靜電電路在輻照中的退化及本身特性，增加防靜電電路會對輻射效應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生超預(yù)期的影響。此外，工業(yè)界統(tǒng)計表明先進(jìn)電子器件封裝成本約占35%，且封裝所需的時間周期較長。因此，綜合考慮以上因素，晶圓級總劑量效應(yīng)實驗平臺對解決納米器件總劑量效應(yīng)研究過程中遇到的問題具有重要意義[1-3]。

10 keV X射線源具有屏蔽簡單及劑量率控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是目前國外普遍采用的總劑量效應(yīng)模擬實驗源之一[4-5]。美國圣地亞國家實驗室、海軍實驗室、陸軍實驗室、歐洲核子中心和意大利帕多瓦大學(xué)等機(jī)構(gòu)均配備有X射線源輻照平臺，并開展了大量的總劑量效應(yīng)研究工作, 制定了相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM F1467-99[6-8]。國內(nèi)X射線總劑量效應(yīng)實驗平臺建設(shè)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)較少，X射線輻照效應(yīng)研究起步也相對較晚，工業(yè)和信息化部電子第五研究所曾購置ARACOR 的 Model4100 X 射線產(chǎn)生裝置，開展了相關(guān)效應(yīng)研究，但由于缺乏維護(hù)，該設(shè)備現(xiàn)已不能正常運(yùn)行。中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所組建了一臺X射線源總劑量效應(yīng)實驗平臺[9-12]。為解決國產(chǎn)電子元器件總劑量效應(yīng)實驗過程面臨的問題，本項目組在多年X射線裝置建設(shè)經(jīng)驗和總劑量效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上搭建了10 keV X射線晶圓級總劑量效應(yīng)平臺。本文將介紹該10 keV X射線總劑量效應(yīng)實驗平臺的基本組成，給出相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的測量結(jié)果，并基于此平臺開展了40 nm MOSFET器件的總劑量效應(yīng)實驗研究。

1 晶圓級總劑量實驗平臺的基本組成

晶圓級總劑量實驗平臺如圖1所示。由圖1(a)可見，晶圓級總劑量實驗平臺可分為5個部分：(1)X 射線產(chǎn)生系統(tǒng)，由高壓電源和X射線管組成，并配備自主開發(fā)的控制軟件，可實現(xiàn)長線遠(yuǎn)程控制X射線開關(guān)、設(shè)置電源和調(diào)節(jié)劑量率大小，并實時監(jiān)測電源工作狀態(tài)；(2)探針臺系統(tǒng)，采用氣浮隔震設(shè)計，最大程度地降低抖動對測試的影響，同時配備了手動8 inch(1 inch=2.54 cm)載物臺，可兼容探卡和探針測量，為操作方便，射線管和顯微鏡通過精密電機(jī)驅(qū)動方式移動，移動精度小于10 μm，且滿足移動過程產(chǎn)生的抖動不影響扎針；(3)輻射防護(hù)部分，綜合考慮輻射防護(hù)和設(shè)計加工，采用1 mm厚鋼+1 mm厚鉛+2 mm厚鋼的夾層結(jié)構(gòu)作為屏蔽外殼，在線纜引出部分采用U型槽設(shè)計，對屏蔽體內(nèi)部暴露在輻射環(huán)境中的電子系統(tǒng)采用鉛遮擋的輻射屏蔽方式；(4)溫度控制部分，主要由水冷循環(huán)降溫系統(tǒng)和加溫輻照系統(tǒng)組成，其中，水冷循環(huán)降溫系統(tǒng)主要用于降低工作中射線管的溫度和用于高溫實驗過程中加熱卡盤及探針的隔熱，加溫輻照系統(tǒng)主要用于開展高溫輻照實驗、高溫退火實驗和負(fù)偏壓不穩(wěn)定性(negative bias temperature instability，NBTI)的可靠性實驗中樣品的加溫；(5)晶圓級測試部分，針對晶圓級測試提供了2種測量解決方案：一是利用探針直接進(jìn)行輻照中加偏置和參數(shù)測量；二是采用探卡、轉(zhuǎn)接線纜和矩陣開關(guān)連接模式，實現(xiàn)輻照中加偏置和參數(shù)測量。

2 晶圓級總劑量實驗平臺的主要指標(biāo)

2.1 輻射場指標(biāo)

圖2為電壓V不同時，X射線輻射能譜。兼顧轉(zhuǎn)換效率和耐用性，當(dāng)前轉(zhuǎn)換靶采用鎢靶，在鎢材料軔致輻射特征峰(8.5，9.8，11.4 keV)附近輻射光子份額顯著增強(qiáng)。能譜滿足美國材料與實驗協(xié)會的半導(dǎo)體裝置及集成電路電離輻射效應(yīng)X射線測試儀的標(biāo)準(zhǔn)使用指南 ASTM F1467-2011相關(guān)要求。

圖4為d=4 cm時，探針臺載物平臺上光斑積分圖像。由圖4可見，在不同的電壓電流條件下，輻照區(qū)域直徑均能達(dá)到10 cm，且在該面積范圍內(nèi)光斑均勻性良好，輻射區(qū)域可滿足大尺寸電路板或多芯片同時實驗的需求。

2.2 晶圓級測量指標(biāo)

在總劑量實驗過程中常需對實驗樣品施加偏置條件，同時在輻照結(jié)束后能實現(xiàn)實驗樣品電參數(shù)測量。晶圓級總劑量測試平臺如圖5所示。

現(xiàn)有總劑量效應(yīng)實驗平臺對晶圓級樣品測試提供2種解決方案：(1)基于探針座的直接施加偏置和測量方式，支持8路探針同時扎針，電流測量精度在100 fA量級，如圖5(a)所示；(2)利用探卡進(jìn)行輻照偏置施加與測量的方式，采用3層屏蔽及高介電常數(shù)PCB等技術(shù)方案，并結(jié)合矩陣開關(guān)最大可支持48 pin探卡信號的引出和測量，電流測量精度在10 pA量級，如圖5(b)所示。

3 基于10 keV X射線源的總劑量效應(yīng)實驗

利用晶圓級總劑量效應(yīng)實驗平臺對40 nm MOSFET工藝器件開展了總劑量效應(yīng)實驗，樣品是在40 nm CMOS工藝線上流片的NMOSFET和PMOSFET，寬長比W/L=25，樣品不封裝，采用探針扎針方式對實驗樣品進(jìn)行輻照加偏和測量。實驗樣品的Pad扎針在龍門架移動、開關(guān)門及水冷循環(huán)系統(tǒng)開關(guān)等過程中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗證了平臺具有較好的防震能力。輻照過程中，NMOSFET器件開態(tài)偏置電壓為VG_N=1.0 V，PMOSFET器件開態(tài)偏置電壓為VG_P=-1.0 V，Vs=Vd=Vsub=0。圖6為累積總劑量D不同時，40 nm NMOSFET和PMOSFET的轉(zhuǎn)移特性ID-VG曲線。由圖6可見，平臺具有較好的電流測量能力，能準(zhǔn)確測得關(guān)態(tài)漏電流從fA量級到nA量級的變化。

由圖6(a)可見，VG_N=-0.1 V時，輻照前后，NMOSFET關(guān)態(tài)漏電流從1×10-13A增加到2×10-11A，閾值電壓略向負(fù)漂移。隔離氧化層STI是導(dǎo)致關(guān)態(tài)漏電流增加的主要因素，因此，對于40 nm NMOSFET， 隔離氧化層是輻射敏感位置。由圖6(b)可見，與NMOSFET相比，PMOSFET受總劑量的影響較小，關(guān)態(tài)漏電流未表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象，但飽和漏電流降低和閾值電壓略負(fù)向漂移。輻射在輕摻雜區(qū)(lightly doped drain，LDD)上方氧化層產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷是造成閾值電壓正向漂移的主要因素，而輻射在界面處形成的缺陷造成遷移率的降低應(yīng)是飽和漏電流降低的主要因素[13]。

4 小結(jié)

本文給出了10 keV X射線總劑量效應(yīng)實驗平臺的基本組成和主要技術(shù)指標(biāo)，由劑量率、能譜和光斑面積的標(biāo)定結(jié)果可知：平臺的劑量率最高可達(dá)2 700 rad(Si)·s-1，劑量率滿足ASTM F1467-2011標(biāo)準(zhǔn)要求，在高總劑量效應(yīng)實驗時具有獨(dú)特優(yōu)勢，解決了鈷源開展晶圓級總劑量實驗時劑量率不高等問題；同時，利用平臺對40 nm MOSFET開展了總劑量效應(yīng)實驗，由實驗流程和結(jié)果可見，平臺在實驗過程中具有較好的穩(wěn)定性，在晶圓級總劑量實驗和輻射效應(yīng)機(jī)制研究方面具有較好的應(yīng)用前景。