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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)器件影響極為嚴(yán)重。對(duì)輻射效應(yīng)研究而言，“防靜電電路”是把“雙刃劍”，對(duì)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(shí)驗(yàn)及測試工作的開展。同時(shí)，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(huì)對(duì)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(jì)表明先進(jìn)電子器件封裝成本約占35%，且封裝所需的時(shí)間周期較長。因此，綜合考慮以上因素，晶圓級(jí)總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)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(shí)驗(yàn)源之一[4-5]。美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室、海軍實(shí)驗(yàn)室、陸軍實(shí)驗(yàn)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(tái)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(duì)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(tái)X射線源總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[9-12]。為解決國產(chǎn)電子元器件總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程面臨的問題，本項(xiàng)目組在多年X射線裝置建設(shè)經(jīng)驗(yàn)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(jí)總劑量效應(yīng)平臺(tái)。本文將介紹該10 keV X射線總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(tái)開展了40 nm MOSFET器件的總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

1 晶圓級(jí)總劑量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本組成

晶圓級(jí)總劑量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。由圖1(a)可見，晶圓級(jí)總劑量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可分為5個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測電源工作狀態(tài)；(2)探針臺(tái)系統(tǒng)，采用氣浮隔震設(shè)計(jì)，最大程度地降低抖動(dòng)對(duì)測試的影響，同時(shí)配備了手動(dòng)8 inch(1 inch=2.54 cm)載物臺(tái)，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(dòng)方式移動(dòng)，移動(dòng)精度小于10 μm，且滿足移動(dòng)過程產(chǎn)生的抖動(dòng)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(jì)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(jì)，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)、高溫退火實(shí)驗(yàn)和負(fù)偏壓不穩(wěn)定性(negative bias temperature instability，NBTI)的可靠性實(shí)驗(yàn)中樣品的加溫；(5)晶圓級(jí)測試部分，針對(duì)晶圓級(jí)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(shí)現(xiàn)輻照中加偏置和參數(shù)測量。

2 晶圓級(jí)總劑量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要指標(biāo)

2.1 輻射場指標(biāo)

圖2為電壓V不同時(shí)，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(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)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(shí)，探針臺(tái)載物平臺(tái)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(shí)實(shí)驗(yàn)的需求。

2.2 晶圓級(jí)測量指標(biāo)

在總劑量實(shí)驗(yàn)過程中常需對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品施加偏置條件，同時(shí)在輻照結(jié)束后能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品電參數(shù)測量。晶圓級(jí)總劑量測試平臺(tái)如圖5所示。

現(xiàn)有總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)晶圓級(jí)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(shí)扎針，電流測量精度在100 fA量級(jí)，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(hào)的引出和測量，電流測量精度在10 pA量級(jí)，如圖5(b)所示。

3 基于10 keV X射線源的總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

利用晶圓級(jí)總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)40 nm MOSFET工藝器件開展了總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，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(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行輻照加偏和測量。實(shí)驗(yàn)樣品的Pad扎針在龍門架移動(dòng)、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(yàn)證了平臺(tái)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(shí)，40 nm NMOSFET和PMOSFET的轉(zhuǎn)移特性ID-VG曲線。由圖6可見，平臺(tái)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(jí)到nA量級(jí)的變化。

由圖6(a)可見，VG_N=-0.1 V時(shí)，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(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(tái)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(shí)驗(yàn)時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢，解決了鈷源開展晶圓級(jí)總劑量實(shí)驗(yàn)時(shí)劑量率不高等問題；同時(shí)，利用平臺(tái)對(duì)40 nm MOSFET開展了總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)流程和結(jié)果可見，平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)過程中具有較好的穩(wěn)定性，在晶圓級(jí)總劑量實(shí)驗(yàn)和輻射效應(yīng)機(jī)制研究方面具有較好的應(yīng)用前景。