半侵入式激光探針裝備故障注入技術研究及應用

張西山，馬英起，閆鵬程，連光耀，李會杰

(1.中國人民解放軍32181部隊, 西安 710032；2.中國科學院 國家空間科學中心, 北京 100190；3.中國科學院大學天文與空間科學學院，北京 101407)

0 引言

大規(guī)模集成電路故障注入主要采用兩種方式：1)通過修改固件程序，改變輸出信號來模擬故障；2)通過應力疲勞試驗來造成器件失效，進而產生故障[1-2]。通過模擬僅能對已知狀態(tài)下的故障進行模擬，故障模擬的主觀性強，難以代表新研系統(tǒng)的客觀情況；疲勞試驗則更加接近實際，能夠模擬出新研系統(tǒng)未來使用過程中可能出現的真實故障狀態(tài)。但是，疲勞試驗不僅所需時間長，而且對元器件造成的損傷是不可逆的，也造成了試驗成本的提升。基于單粒子效應的非接觸式故障注入技術，利用單個脈沖激光的光致電離機制，通過控制脈沖激光的能量尺寸和照射區(qū)域，使集成電路芯片的敏感PN結發(fā)生單粒子現象，實現特定功能區(qū)域的故障注入，由于能量、區(qū)域和時間均精準可控，且對器件的損傷較小，故障注入結束后器件功能恢復正常，可實現多次故障注入、精確定位裝備集成電路薄弱部位[3-5]。因此，該技術所具有的試驗時間短、成本低、可多次復現等優(yōu)勢，是疲勞試驗方法所無法實現的，故障真實的優(yōu)勢是軟件模擬方法所無法達到的。

1 裝備傳統(tǒng)物理故障注入技術研究

物理故障注入是指按照選定的故障模型，人為的模擬故障并加載到特定的裝備系統(tǒng)中加速系統(tǒng)的失效，同時，對注入故障后的系統(tǒng)進行觀測和檢查分析。電子裝備故障注入需覆蓋電氣、物理、協議3個層次，傳統(tǒng)的物理故障注入方法包括外部總線故障注入、基于探針的故障注入、基于轉接板的故障注入和拔插式故障注入等，利用不同方法的獨立或組合使用，覆蓋受試產品的全部故障模式。物理故障注入的原理如圖1所示。一個系統(tǒng)由n個被測單元組成，在進行故障注入時，根據確定的故障樣本，利用故障注入系統(tǒng)模擬故障將故障注入到系統(tǒng)相應部分，以造成系統(tǒng)的故障，進而來驗證系統(tǒng)的自動測試設備(ATE)/機內測試設備(BITE)的各項測試性指標。

圖1 物理故障注入原理圖

傳統(tǒng)物理故障技術能夠實現電子系統(tǒng)絕大部分故障模式的復現，但對于集成化較高的FPGA等大規(guī)模集成電路故障模式復現的效果不佳，主要原因是FPGA集成度高，內部節(jié)點直接訪問受限，物理信號難以有效加載。

2 半侵入式激光探針裝備故障注入技術

2.1 半侵入式脈沖激光瞬態(tài)故障注入方式的可行性

半侵入式脈沖激光瞬態(tài)故障注入方式通過激光模擬單粒子效應來實現。單粒子效應是由高能粒子與半導體材料中的靶原子發(fā)生碰撞電離形成電荷密度極高的電離徑跡(大量電子—空穴對)，被器件敏感PN結收集，導致器件工作狀態(tài)、邏輯狀態(tài)、輸出電平、功能受阻等發(fā)生變化或損傷的現象。其中，產生單粒子效應的關鍵誘因是高能粒子在器件內部引入了額外的電子—空穴對。傳統(tǒng)的單粒子效應模擬源為粒子加速器提供的重離子、質子、中子源等。但這些模擬方法還存在著實驗測試資源相對較少、時間花費大、操作繁瑣、具有輻射等問題。相比較而言，激光模擬和重離子模擬在半導體器件輸出端能夠產生相近的單粒子效應電學特征，且具有諸多重離子實驗無可比擬的優(yōu)勢。

重離子單粒子效應和脈沖激光單粒子效應的微觀實質都可分為兩個過程：電荷產生和電荷收集，兩者的物理過程是相同的。脈沖激光能夠模擬空間高能粒子在器件中產生單粒子效應，是由于聚焦后的單個激光脈沖能夠通過光致電離的作用機制，在器件內部產生高電荷密度的電離徑跡(大量額外的電子—空穴對)，被器件敏感PN結收集后可產生同高能粒子作用結果相同的單粒子現象[6-7]。脈沖激光模擬單粒子效應的發(fā)生和采用的脈沖激光的波長有關，必須要滿足一定的條件：1)光子能量必須要大于被照射材料的禁帶寬度，發(fā)生光致電離作用；2)激光必須能穿透被照射材料到達敏感區(qū)域，從而誘導單粒子效應的發(fā)生。因此，可通過脈沖激光模擬單粒子效應使集成電路芯片發(fā)生故障，實現故障模式的生成；同時，可避免傳統(tǒng)物理故障注入對器件造成的物理損傷。

2.2 半侵入式脈沖激光瞬態(tài)故障注入的能量傳輸模型

對于工藝尺寸大、集成度較低的器件，可采取脈沖激光正面照射的方法產生單粒子效應。但考慮到脈沖激光很難穿透大多數器件金屬布線層的特性，試驗中均采用從器件硅襯底背部進行輻照，激光耦合傳輸過程如圖2所示，脈沖激光從故障注入裝置發(fā)出，光束經過光學系統(tǒng)和器件介質層的兩次耦合，聚焦在敏感區(qū)位置，通過對故障注入器進行調焦操作，可改變焦面光斑大小和能量分布。主要作用過程是將單個脈寬為皮秒量級、束斑為微米量級的激光脈沖，等效為單個高能重離子，通過光致電離作用在半導體材料中產生電子-空穴對，實現脈沖激光模擬重離子誘發(fā)單粒子效應[8-9]。

圖2 脈沖激光從器件背部輻照示意圖

依據Beer定律，脈沖激光在硅材料中的傳輸衰減特性，滿足能量隨入射深度的變化符合指數衰減規(guī)律。因此，為模擬重離子的單粒子效應，波長的選擇應該使得激光脈沖在半導體材料中有足夠的穿透深度，才能保證有足夠的激光能量可達到器件的敏感區(qū)附近觸發(fā)單粒子效應。

2.3 基于線性傳輸和體積傳輸的脈沖激光能量計算

LET(linear energy transfer，線性能量傳輸)值是重離子產生單粒子效應的定量描述，對于激光脈沖，ELET(equivalent linear energy transfer，等效線性能量傳輸)為脈沖激光單粒子效應的定量描述，是指脈沖激光故障注入試驗中，在試驗對象內部靈敏區(qū)域內產生的電荷數量能夠達到與高能粒子相同的作用結果[7,10]。

當半導體器件摻雜程度和激光強度都不太高時，半導體器件對光子的吸收與激光強度呈線性關系。線性吸收機制條件下，激光脈沖的ELET值可表述為：

(1)

其中：λ為激光波長，h為Planck常數，c為光速,α為硅材料吸收系數，E為激光的脈沖能量。E0為入射激光脈沖的能量，Eion/(hc/λ)項為重離子與脈沖激光產生一個電子—空穴對所需能量的比值。

當脈沖激光光斑尺寸與試驗對象敏區(qū)域尺寸相近甚至超過覆蓋的情況下，再用ELET來評價脈沖激光模擬單粒子效應試驗測試過程就存在誤差。為此，借鑒線性能量傳輸計算等效LET的方法，將脈沖激光傳輸路徑中照向試驗對象靈敏區(qū)域中單位體積內的能量為等效體積能量傳輸，定義為：

(2)

其中：Ssv為脈沖激光傳輸路徑中照向試驗對象靈敏區(qū)域的徑向體面積，Mgd為脈沖激光徑向高斯分布的調制因子。在實際計算過程中，當試驗對象靈敏區(qū)的面積遠遠小于脈沖激光徑向尺寸時，可直接通過計算試驗對象靈敏區(qū)的面積來獲得Ssv值。

3 半侵入式激光探針的典型芯片故障注入試驗

3.1 故障注入試驗原理

非侵入式激光故障注入試驗原理如圖3所示，主要包括脈沖激光掃描及測繪控制單元、脈沖激光有效能量計算控制單元、檢測系統(tǒng)接口及激光外觸發(fā)控制單元和試驗監(jiān)控單元等。脈沖激光由激光外觸發(fā)模塊發(fā)出，經過變焦光學系統(tǒng)聚焦成微米量級光斑照射到待測試器件(DUT)內部的有源區(qū)，通過脈沖激光注入量及掃描方式控制模塊實現對DUT單粒子靈敏單元的高精度掃描。脈沖激光能量由能量調節(jié)控制模塊進行調節(jié)，并通過試驗監(jiān)控單元進行監(jiān)測；光斑位置和測試芯片圖像通過高精度成像定位模塊成像于電腦上。系統(tǒng)集成控制軟件完成其它各子系統(tǒng)的實時自動化軟件控制，能高效、可靠地完成器件單粒子效應故障注入試驗。

圖3 半侵入式激光探針故障注入系統(tǒng)原理框圖

3.2 典型芯片故障注入試驗

1)掃描方法。首先將試驗電路板固定于激光脈沖故障注入試驗平臺上，通常將試驗電路板的長a對應CCD成像的Y軸，寬b對應CCD成像的X軸，試驗電路板CCD成像的左下角作為坐標軸原點，即掃描起點。進行激光脈沖故障注入試驗時，為使激光覆蓋掃描試驗電路板，需將使激光脈沖故障注入試驗平臺按下述步驟進行周期性的移動，共移動b/10個周期。

(1)沿-Y軸移動距離(a+50)μm；(2)沿-X軸移動5 μm(X軸步長)；(3)沿+Y軸移動距離(a+50)μm；(4)沿-X軸移動5 μm。激光相對三維移動臺作反方向運動，相對掃描方式如圖4所示。

圖4 激光相對掃描方式示意圖

2)激光注量。激光注量定為4×106cm-2，即單個激光的X軸和Y軸步長都為5 μm，其中X軸步長為直接設定。三維移動臺沿Y軸是勻速移動，Y軸步長由激光頻率和三維移動臺移動速度決定，設定激光頻率為1 000 Hz，三維移動臺移動速度為5 000 μm·s-1，則Y軸步長滿足5 μm要求。激光注量相關參數如表1所示。

表1 激光注量相關參數表

3)激光能量。試驗采用背面輻照方式。輻照時，根據激光能量與重離子LET值對應關系計算得到掃描初始激光能量設定為230 pJ(對應LET值為(10±2.5)MeV·cm2·mg-1)，激光照射試驗對象的能量取值為120～1 500 pJ(LET值為(5±1.25)至(60±15.5)MeV·cm2·mg-1)。

4)單粒子效應判定及處理方法。當試驗樣品工作時波形出現異常，可以判定單粒子效應出現。發(fā)生單粒子效應時，等待芯片掃描結束，試驗人員手動給測試電路斷電，同時關閉激光快門，停止三維移動臺的掃描程序。

5) 單粒子效應試驗步驟：

(1)打開脈沖激光器，設定激光脈沖頻率為1 000 Hz，激光器穩(wěn)定運行；

(2)將激光聚焦到器件正面，測得器件長a寬b，通過移動三維移動臺使激光光斑定位于試驗器件顯微成像的右下角，并作為掃描原點；

(3)試驗器件加電，記錄工作電壓；

(4)設定初始激光能量為120 pJ(對應LET值為(5±1.25)MeV·cm2·mg-1)，設定三維移動臺按照(1)中所述周期移動，使激光以4×106cm-2注量覆蓋掃描試驗器件；

(5)采用最低激光能量最低為120 pJ(對應LET值為(5±1.25)MeV·cm2·mg-1)時芯片發(fā)生單粒子鎖定；

(6)拆除電路板，更換測試芯片，重復(2)～(5)試驗過程；

(7)關閉激光器，試驗結束。

3.3 試驗結果

對計算機主板電路典型部組件進行了典型故障模式分析，分析元器件失效對典型部組件的影響，本次試驗共分析典型故障模式3個，具體見表2。

表2 典型部組件故障模式分析

利用脈沖激光單粒子效應試驗裝置進行故障注入，采用激光背面輻照試驗方法，在230 pJ(對應LET值為(10±2.5)MeV·cm2·mg-1)能量以上，成功實現了典型故障模式單位翻轉、多位翻轉及功能失效等多種故障模式的準確復現，分析了由芯片自身缺陷引起的特定工作狀態(tài)下的典型故障模式。利用脈沖激光成像定位的優(yōu)勢，對其進行不同模塊的故障觸發(fā)，并分別探測各模塊的故障敏感性規(guī)律。

4 結束語

針對集成電路故障注入實際需求，本文研究了基于單粒子效應的非接觸式故障注入技術，并進行了試驗驗證分析，充分說明了該方法的可行性。該技術所具有的試驗時間短、成本低、可多次復現等優(yōu)勢，是疲勞試驗方法所無法實現的，故障真實的復現優(yōu)勢是軟件模擬方法所無法達到的。半侵入式激光探針裝備故障注入技術可精確定位裝備內部薄弱部位并指導其優(yōu)化設計。