CN102565545A

CN102565545A - 单粒子瞬态电流脉冲检测系统

Info

Publication number: CN102565545A
Application number: CN2011104577122A
Authority: CN
Inventors: 梅博; 毕津顺; 韩郑生; 罗家俊
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提供一种测量单粒子瞬态电流脉冲的系统，包括辐照装置，用于对器件的待测区域进行辐照；示波器，用于捕获单粒子脉冲电流信号。通过本发明的方法和设备，可以捕获初始单粒子瞬态电流脉冲波形，直观地测量单粒子电流脉冲的上升时间、脉冲宽度、脉冲幅度等参数。而且可以进一步通过单粒子瞬态电流脉冲的波形分析表征电路的节点状态，获取单粒子电流脉冲在具体电路中的宽度分布，得到电路抗单粒子辐射的加固依据。

Description

单粒子瞬态电流脉冲检测系统

技术领域

本发明涉及脉冲收集及检测，尤其涉及一种检测单粒子瞬态脉冲电流波形的系统。

背景技术

具有一定能量的单个重离子或质子射入半导体器件或集成电路，致使半导体器件或集成电路性能退化或功能失效的现象统称为单粒子效应(singleevent effect，SEE)。SEE又可以细分为单粒子瞬变(single event transient，SET)效应、单粒子翻转(single event upset，SEU)效应、单粒子闩锁(single eventlatch-up，SEL)效应、单粒子扰动(single event disturb，SED)效应、单粒子功能中断(single event functional interrupt，SEFI)效应、单粒子栅穿(single eventgate rupture，SEGR)效应和单粒子烧毁(single event burnout，SEB)效应等。

其中，单粒子瞬变(SET)效应是指由于单粒子辐射引起电路的信号发生瞬间的变化。它对星载计算机的核心部件——静态随机存储器(SRAM)等多种微电子器件构成了较大的影响和危害，而且在超深亚微米工艺下，集成电路的SET效应成为加固的薄弱环节。粒子入射产生的SET电流脉冲由设计、工艺、以及入射粒子能量分布决定和影响。它具有上升时间快，上升频率高达GHz量级，幅度在mA量级等特点。为适应微电子工业的发展方向和满足航天应用器件抗辐射加固技术的需要，开展SET机理研究具有重要的应用价值，而SET测试技术是开展SET实验研究的前提和方法，通过实验手段获取SET测试数据对整个SET测试技术具有重大意义。

国内外对此方面进行了很多研究，提出了一些SET脉冲模型，但是这些模型大多还有与工艺相关的量或参数，需要工艺相关确切参数数据。这些参数数据很难从工艺厂商获取，所以通过模型准确反映工艺的SET脉冲特性目前困难较大。而且，模型得到是一个确定的值，但在实际试验中，对于大小一致的电路，在任意给定的线性能量传输(Linear Energy Transfer，LET)值，SET脉冲的持续时间分布很广，从几百ps到几ns。所以不能仅仅基于模型的模拟，需要设计特定的测试系统以便通过实验获得工艺的实际的SET瞬态特性。

传统的SET电流脉冲的测试方法是利用逻辑电路来捕捉脉冲的宽度和幅度。这种方法是利用逻辑电路对SET电流脉冲的放大作用，逐级向下传递，当SET电流脉冲的幅度超过了电路的噪声容限，达到下级电路的翻转阈值，并且脉冲跨度足够宽，触发正常逻辑电路发生不正常翻转的时候，SET电流脉冲就被检测电路所捕获。但是这种方法有着很大的局限性，它不能真正意义上的捕获SET电流脉冲的原始形态，只能在一个范围内检测SET电流脉冲的宽度和幅度，而且它强烈依赖于逻辑电路的可靠性，不同的逻辑电路或者同一逻辑电路的不同单元都会有不同的驱动能力，这对SET瞬态电流脉冲的捕获是很不利的。

发明内容

针对之前电路不能捕获最原始的SET电流脉冲信号，难以精确获取SET电流脉冲信号的特点，本发明提供一种测量单粒子瞬态电流脉冲的系统，包括：

辐照装置，用于对器件的待测区域进行辐照；

示波器，用于捕获单粒子脉冲电流信号。

通过以上的系统，可以捕获初始单粒子瞬态电流脉冲波形，直观地测量单粒子电流脉冲的上升时间、脉冲宽度、脉冲幅度等参数。而且可以进一步通过单粒子瞬态电流脉冲的波形分析表征电路的节点状态，获取单粒子电流脉冲在具体电路中的宽度分布，得到电路抗单粒子辐射的加固依据。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的一种收集和测量单粒子瞬态电流脉冲的方法流程图；

图2是根据本发明的辐照过程详细流程图；

图3是根据本发明的一个实施例的系统的硬件电路框图；

图4是根据本发明的一个实施例的辐照电路示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的信号传输电路示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的微机控制系统与其他电路关系的示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的软件辐照控制模块示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的软件平台移动控制模块示意图；

图9是根据本发明的一个实施例的数据获取模块示意图；

图10是根据本发明的一个实施例使用本发明的方法测得SET电流脉冲波形图；

图11是根据本发明的一个实施例的SET初始化面板示意图；

图12根据本发明的一个实施例的SET测试面板示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

图1是根据本发明的一种收集和测量单粒子瞬态电流脉冲的方法流程图。其中所示的方法通过根据本发明的实施例的测量单粒子瞬态电流脉冲的系统来实施。

图3是根据本发明的一个实施例的测量单粒子瞬态电流脉冲的系统的硬件电路框图。该系统主要包括辐照电路301、器件放置平台302、信号传输电路303、微机控制系统304、和高频示波器305。

在设计电路时，首先需要考虑如何产生单粒子瞬态电流脉冲，所以在电路中有产生单粒子束流的辐照电路301，有供放置器件的器件放置平台302。由于需要对器件的不同位置进行测试，所以在电路中加入了微机控制系统304，以控制器件的位置，使得辐照电路可以对器件的不同区域进行辐照。

在收集和测量所述单粒子瞬态电流脉冲信号前，需要对所述信号进行信号反射抑制、弱电流放大等处理，所以在电路中加入了信号传输电路303，在传输信号的过程进行所述处理。信号传输电路303分别将待检测信号和放大得到的触发信号输入高频示波器，由高频示波器305来完成捕获所述单粒子瞬态电流脉冲的功能。

图4是根据本发明的一个实施例的辐照电路示意图；包括辐射源401，预准直孔402，长工作距离显微镜403，针孔404，束流开关405和金靶406。辐射源401可以是产生重离子微束的加速器，也可以是天然放射性源，还可以是激光脉冲。辐射源入射到半导体材料中都会引起单粒子效应，诱发单粒子电流脉冲。当束流经过预准直孔402，由束流开关405打开束流快门，束流经过金靶406和针孔404，辐射到芯片平台的芯片上，将可能会产生SET；另外束流开关405受微机控制系统304控制，可以自动打开或关闭束流。

图5是根据本发明的一个实施例的信号传输电路示意图。该电路主要针对SET电流脉冲信号频率高，幅度小的特点，抑制高频信号传输过程中的反射现象，提高SET电流脉冲信号信噪比。利用阻抗匹配技术，采取统一的阻抗来抑制高频信号的反射，采用弱电流放大技术来提高信噪比。如图所示，芯片产生的SET电流脉冲信号分为两路。上面一路是待测信号501，考虑到传输线电容电阻等阻抗的匹配，使用偏置器和延迟线来传输。下面一路是触发信号502，通过使用偏置器和放大器将芯片产生的SET电流脉冲信号进行放大，给高频示波器捕获SET电流脉冲提供触发脉冲。

图6是根据本发明的一个实施例的微机控制系统与其他电路关系的示意图。PC终端601控制整个SET电流脉冲收集和测试系统的自动化运行。利用labview等软件平台，将硬件系统和软件系统集成在一起。如图所示，PC终端601产生DO控制信号，控制束流开关。随着束流开关的开关状态变化产生信号给单粒子辐射装置，使其开始或者停止辐射芯片。同时产生信号给高频示波器，控制其是否停止对SET信号采样。另一方面，PC终端601通过AO产生控制信号，控制XY平台的移动。

考虑带宽和采样率，高频示波器305对性能要求很高，它是通过数据采集，A/D转换，软件编程等一系列技术制造出来的高性能示波器，一般支持多级菜单，能给用户提供多种选择，多种分析功能，常被用于瞬态特性的测量。因此，数字示波器适合SET电流脉冲的测量。例如，本发明中使用泰克公司(Tektronix Inc)的TDS7254B型号的示波器。

搭建好平台后，通过如下步骤进行检测。

步骤S101中，对器件的待测区域进行辐照，产生单粒子脉冲信号。

按照设计方案建立好所述实体设备后，将器件置于所述收集测试设备中，对所述器件的待测区域进行辐照，产生单粒子脉冲电流信号；其中辐照的过程需要进行控制。

不同的注入剂量对SET测试结果的影响很大，因为离子束经过针孔后会产生散射，如果辐照时间过长或者剂量过大将增加散射离子引发的SET，这样收集到的脉冲可能不是待测区域经辐照后产生的SET脉冲，而且辐照剂量过大也会增加辐射损伤的几率。因此束流注量控制模块要实现如下功能：当进行某一个待测区域的辐照时，粒子束流快门持续处于打开状态。直到获取到SET信号或者辐照剂量到达一定限值的时候，关闭粒子束流快门，完成辐照。其具体控制过程如图2所示。

图2是根据本发明的辐照过程流程图。

在步骤S201中，打开辐照电路的快门，使得辐照电路产生的粒子束流可以照射到器件的待测区域。

在步骤S202中，判断辐照的过程中是否触发了高频示波器，如果是，则转入步骤S204进行处理；如果没有，则转入步骤S203中进行处理。

在步骤S203中，判断辐照剂量是否超过限定值，如果超过，则转入步骤S204中进行处理；如果仍未超过限定值，则继续辐照，并转入步骤S202。

在步骤S204中，关闭快门，结束对器件的待测区域的辐照。此时，有两种可能，一种是待测区域在辐照下产生了单粒子脉冲电流信号并被示波器捕获；另一种是待测区域在不超过限制剂量的辐照下没有产生单粒子脉冲电流信号。

为了实现上述步骤，编写相应的软件来控制实体设备的运行过程，所述软件中包括能够实现辐照控制功能的模块，根据本发明的一个实施例，使用LabVIEW进行系统集成的软件编写。LabVIEW软件平台将复杂的语言编程简化为可视化数据流编程，以图标表示功能模块，以图标间的连线表示数值传输。其中软件的辐照控制模块实现如图7所示。

图7是根据本发明的一个实施例的软件辐照控制模块示意图；当进行某一个区域辐照时，测试系统发出“打开”的命令，辐照束流快门持续打开状态。测试过程中若已经获取到SET或者辐照束流在该区域的辐照注量已经达到上限值，则输出“真”值，并对束流快门发出“关闭”命令，束流快门关闭。

同时，为了能够精确的控制器件的位置，从而对不同待测区域(量级精确到μm级)进行测试，需要使用软件来控制器件的移动过程。根据本发明的一个实施例，使用LabVIEW进行系统集成的软件编写。软件的平台控制模块如图8所示。

图8是根据本发明的一个实施例的软件平台移动控制模块示意图；该模块通过ESP300平台控制器实现平台的二维控制：初始化，XY平台以程序发送的扫描点阵的某个目标点的位置作为移动目标，采用目标方式进行X方向移动(PA.vi)。通过实时读出位置值(TP.vi)与目标值的比较，判断平台是否移动到目标位置。XY平台X方向运动停止并判断为“真”时，进行下一个轴(Y轴)的移动。在移动过程中，如果出现报错或者需要停止平台的运动，点击清错按钮或者平台停止按钮，系统从平台移动中跳出，执行清除错误(CLEAR.vi)或者平台停止(ST.vi)命令。

经过上述移动器件和控制辐照的操作，就可以在待测区域产生单粒子脉冲信号，然后转入步骤S102中。

步骤S102中，用示波器捕获所述单粒子脉冲电流信号。

本步骤中，产生的单粒子脉冲电流信号经过信号传输电路303进行处理，生成示波器触发信号以及经过延迟的待测信号。之后，示波器触发信号触发示波器对经过延迟的待测信号进行测量和存储。相应的，使用LabVIEW为示波器编写软件来实现对所述信号的收集，如图9所示。

图9是根据本发明的一个实施例的数据获取模块示意图；通过NI-VISA协议对示波器的控制部分进行了编写，增加了获取数据的长度(Reco Leng.vi)、问询(Acq on.vi)、扫描触发形式(SL.vi)和触发状态判断(TIR.vi)等子VI。每次收集时，计算机与示波器通讯，进行包括获取数据长度等在内的初始化设置，随后开始进行单次触发模式的数据采集。由于单次触发能够保存触发发生时的数据，但是新的数据不能被存储。因此在每次存储命令结束后，通过SL.vi模块进行扫描功能设定并释放示波器内存中的数据。采集过程中，通过TIR.vi模块判断示波器的状态，若示波器已经触发，则该模块输出“真”值，程序执行条件结构“真”——计算机存储示波器采集到的数据。若输出为“假”，则示波器继续进行触发状态判断。

控制设备将示波器采集到的数据存储以后，可以在计算机上显示出来，并有用户来查看单粒子瞬态电流脉冲的各项数据。

图10是根据本发明的一个实施例使用本发明的方法测得SET电流脉冲波形图。图中所示是将PN结加5V反向偏压，使用48MeV的32S离子辐照p+n结的某一位置(大约为敏感区域中心位置)得到的SET波形图，此处收集的总电荷为542.4fC、峰高为0.67mA，上升时间为254ps。

通过上述步骤就可以完成对某个待测区域的检测过程。

为了能够对器件的所有待测区域进行遍历检测，在步骤S102之后，如果器件的所有待测区域没有检测完毕，则移动器件，再重复步骤S101～S102，即可以完成对另一待测区域的检测。否则器件所有待测区域检测完毕，中止器件检测过程。该步骤未在附图中示出。

根据本发明的一个实施例，使用LabVIEW对SET电流脉冲测试系统的软件进行版面设计，来控制整个器件检测过程，所述版面包括初始化版面和SET测试分析版面，分别如图11和图12所示。

图11是根据本发明的一个实施例的SET初始化面板示意图；测试开始前，首先在SET初始化面板对XY平移台、示波器及束流注量控制系统定义初始值，如图中所示，设定X轴和Y轴的平移速度均为0.4mm/s，X轴和Y轴的平移步长均为1μm，X轴和Y轴的移动范围均为10μm。其余参数，包括示波器选用，X轴和Y轴平均点数，触发电压，针孔快门大小等也可以在面板上设置。另外XY平台需要配置RS232串口、速度、扫描面积、运动步长、扫描结束返回位置等；辐照控制需要配置辐照束流快门RS232串口、注量计数上限等；示波器需要配置GPIB接口、通道选取、触发电平等。同时，需要配置好SET测试数据的文件的保存路径。初始化配置完毕，即可开始进行SET测试。

图12根据本发明的一个实施例的SET测试面板示意图；SET测试分析面板由测试控制面板1201和数据分析面板1202两个主体部分构成，左侧的测试控制面板1201内包含了测试功能的图形、控制键等，从上至下分别为SET波形图的实时显示、注量显示、平台当前位置坐标显示、测试控制按钮等。右侧的数据分析面板1202内，下面的总电荷二维图用于显示器件表面的二维扫描状况(可以选择总电荷统计和峰高统计两种方式)，图中的十字游标状态选择自动时，该游标位置即为平台在当前扫描范围的空间位置。当游标控件改为手动时，拖动光标于二维图形的某一点，即调出该位置获取的SET数据，并在SET分析的波形图中显示该SET波形。同时，在其右侧列出其相应的波形参数。

通过图11进行初始化设定后，重复执行上述步骤S101～S102，对器件的所有待测区域进行单粒子瞬态脉冲电流进行检测。在检测过程中，可以使用图12中的面板来测量单粒子瞬态脉冲电流的波形和参数。以保证器件的抗单粒子辐射性能。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，处理步骤的次序可以变化。

Claims

1.一种测量单粒子瞬态电流脉冲的系统，包括：

辐照装置，用于对器件的待测区域进行辐照；

示波器，用于捕获单粒子脉冲电流信号。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

信号传输电路，由单粒子脉冲信号生成示波器触发信号和延迟的待测信号，

其中当示波器检测到示波器触发信号时，对延迟的待测信号进行测量和存储。

3.根据权利要求2所述的系统，其中当示波器检测到示波器触发信号时停止辐照。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括用于放置器件的可移动的器件放置平台。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐照装置当达到一定的辐照剂量时停止辐照。

6.根据权利要求2所述的系统，其中所述信号传输电路对所述单粒子脉冲电流信号进行放大和防反射处理。

7.根据权利要求1所述的系统，其中使用GPIB通用总线接口连接示波器和计算机，由计算机读取示波器内存后测量所述单粒子脉冲电流信号的数据。

8.根据权利要求1中所述的系统，其中测量得到的单粒子脉冲信号特征数值包括总电荷、峰高以及上升时间中的一种或者它们的组合。