CN108267679A - 基于重离子微束辐照的锗硅异质结晶体管单粒子效应测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于重离子微束辐照的锗硅异质结晶体管单粒子效应测试方法，主要解决现有技术无法直接表征损伤机制并精确定位敏感区域的问题。其实现方案是：选择锗硅异质结晶体管样品，测试其电学性能；制作并检验用于辐照的印刷电路PCB测试板，并对锗硅异质结晶体管器件进行试验前的去封装处理；装配辐照平台；设置重离子微束辐照试验的测试条件；进行重离子微束辐照装置的出束位置定位；设置入射重离子的种类与能量；开展重离子微束辐照试验；记录并处理全部的试验数据，获得单粒子效应敏感区域。本发明能精确定位锗硅异质结晶体管单粒子效应敏感区域，提高了实验精度，降低测试成本，可用于针对微电子器件进行宇航抗辐射能力的评估。

Description

基于重离子微束辐照的锗硅异质结晶体管单粒子效应测试 方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种锗硅异质结晶体管单粒子效应测试方法，可用于针对微电子器件进行宇航抗辐射能力的评估。

背景技术

随着航天技术的迅速发展，对太空探索、寻找地外能源、拓展生存空间的需求日益增强，深空探测、空间实验室、卫星导航等长期飞行任务已成为目前航天领域重点发展的技术核心。这对应用于长期飞行的电子系统中的微电子器件提出更高的要求。

工作于空间环境的电子系统，其工作状态、可靠性和寿命必将受到严重的高能粒子辐射和极端温度的影响，严重时可能导致系统失效。然而引人注目的是，锗硅异质结双极晶体管SiGe HBT中Ge引起的能带变化与温度密切相关，在-180℃～+200℃的极低温至高温范围内都可保持稳定的工作状态，成为太空极端环境领域有力的竞争者。相关研究表明，45％的航天器故障是由电子器件辐射效应所导致的，居各类故障事件之首，成为限制电子系统空间可靠应用的重要因素。SiGe HBT由于材料与结构的新特征，使其具有很好的抗位移损伤和总剂量效应的能力，但研究表明，SiGe HBT对空间单粒子效应异常敏感，较低能量的空间粒子入射即可在SiGe HBT内部诱发大量的电荷收集，从而造成其相关逻辑电路的状态翻转，引起电子系统故障。

单粒子效应是空间辐射环境中的高能粒子，如质子、中子、α粒子或重离子入射微电子器件和电路，与其中的敏感区域相互作用，电离产生大量电子空穴对，形成高密度等离子体径迹，引起器件内部平衡电势急剧变化，造成器件电学特性发生变化。这一过程中，当电路节点收集的总电荷大于正常态的漂移和扩散电荷时，会形成单粒子翻转或单粒子瞬变等软错误，以及单粒子闭锁或单粒子烧毁等硬错误。即使单粒子效应收集到的电荷小于临界电荷，形成微小的电流扰动，也可能经过放大后影响下一级电路的输出，造成瞬时大电压或电流的信号输出。通过对晶体管单粒子效应开展测试和机理研究，发现瞬态电流脉冲与电荷收集的变化规律，为抗辐射加固设计提供更可靠的依据，将产生的扰动影响在可能发生翻转前或放大前降至最低，从而控制单粒子效应的发生。

目前，针对单粒子效应的测试方法主要通过激光微束模拟单粒子效应实验系统以及重离子宽束辐照实验装置来实现。例如申请号为CN201310675790.9名称为“一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法”，利用脉冲激光技术开展芯片背面辐照实验，从而获得芯片单粒子效应的敏感节点；申请号为CN200810148139.5名为“现场可编程门阵列单粒子效应测试方法”基于重离子宽束辐照装置获得了集成电路在单粒子效应作用下的翻转截面与错误率。可以看出，目前采用实验手段开展的单粒子效应研究，主要以电路及系统为研究对象。然而，对于单立的晶体管器件，其器件整体尺寸在微米量级，重离子宽束辐照难以实现对其敏感区域的定位。另一方面，激光微束的辐照束斑虽然可以实现1-2μm的聚焦尺寸，但激光诱发单粒子效应的机理与重离子不同，测试结果不能精确表征单粒子效应的物理机制。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有测试技术的不足，提供一种基于重离子微束辐照的锗硅异质结晶体管单粒子效应测试方法，以精确定位其单粒子效应敏感区域，并准确分析其单粒子效应的损伤机制。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)对被测器件进行预处理：

1a)选取待接受辐照的锗硅异质结晶体管样品，对其电学特性进行全参数测试；

1b)对待接受辐照的锗硅异质结晶体管样品进行去封装处理，去除器件正面局部塑料封装以及表面的钝化层，保留电极的引出管脚；

1c)根据测试获得的器件参数，选取电容、电阻、电感元件，设计制作印刷电路PCB测试板；

1d)将去除封装的锗硅异质结晶体管样品焊接于PCB测试板上，检验锗硅异质结晶体管与测试板的功能是否正常；

2)对检验正常的PCB测试板进行重离子微束辐照，获得锗硅异质结晶体管单粒子效应的电压瞬变规律，定位单粒子效应敏感区域：

2a)将检验正常的PCB测试板置于重离子微束辐照平台的辐照靶室腔体内，连接电路板与靶室的接口；封闭靶室，通过泵体对靶室腔体进行抽真空至预定值；

2b)将PCB测试板的输入端与稳压电源相连，根据锗硅异质结晶体管集电极衬底结的反向偏置状态设置驱动电压；将PCB测试板的输出端与高性能数字示波器相连，设置示波器采集单粒子效应信号的触发电平与测试量程；

2c)开启光学系统，根据内置CCD相机图像，通过控制X-Y移动平台将待测样品调整至光学显微镜的视野中心；使用脉冲激光装置确定辐照初始位置，记录辐照初始位置坐标；移开脉冲激光装置，将重离子出束装置移至记录的辐照初始位置，准备进行辐照测试；

2d)选择入射离子的种类与能量，确定入射离子在锗硅异质结晶体管中的非线性能量传递值LET；调节束斑装置，获得聚焦的重离子微束流；选择10μm的X-Y平台移动步径，逐点进行重离子微束辐照；每个离子入射位置停留5～10秒，示波器设置为自动触发、自动保存状态；

2e)当某一位置在重离子辐照下不再发生单粒子效应时，缩小步径至5μm，反方向移动X-Y平台后再次进行辐照，如此反复，直至找到发生单粒子效应的边界坐标；

2f)重复步骤2e)，逐点扫描入射整个器件表面，定位出整个锗硅异质结晶体管的单粒子效应敏感区域，并记录所有发生单粒子效应的入射点处的电压瞬变数据；

3)对记录的所有单粒子效应电压瞬变数据进行处理分析：

处理数字示波器在每一个重离子微束入射点处捕获的单粒子效应电压瞬变数据；对每一个坐标处的多组数据求均值与方差，获得锗硅异质结晶体管单粒子效应的统计规律；获得锗硅异质结晶体管对单粒子效应电荷收集的敏感区域。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出的锗硅异质结晶体管单粒子效应测试方法是以单立器件作为研究对象、以重离子微束辐照作为实验手段，与目前常用的重离子宽束辐照相比，微束辐照是新型单立器件、小特征尺寸器件单粒子效应的有效评估方法，不仅能够表征晶体管的单粒子效应响应，还是唯一可以对器件敏感区域进行定位的实验方法。

2.本发明由于采用高性能数字示波器匹配测试电路的方法采集锗硅异质结晶体管的单粒子效应信号，可直接获得样品的电学变化响应。相比于目前常采用的离子束感生电荷测试方法，无需再增加电荷灵敏放大器采集信号，提高了实验精度，降低了测试成本。

3.本发明由于根据器件电学特性设计PCB测试板，一方面可以有效去除实验环境中的电磁噪声干扰，另一方面可以有效采集纳秒尺度的毫伏级电压脉冲，实现了锗硅异质结晶体管单粒子效应的有效测量，为后续其相关电路单粒子效应敏感性评估提供了准确的依据。

4.本发明由于采用扫描辐照、调整移动步径反复辐照的方法，可实现锗硅异质结晶体管单粒子效应敏感区域的精确定位，敏感区域边界的范围误差在±2μm内，为锗硅异质结晶体管的抗辐射加固提供了有利的数据支持。

5.本发明由于采用同一离子入射点采集大量样本数据，并取其均值与方差的数据处理方法，能够有效排除部分由入射重离子散射引起的非真实数据，数据结果符合正态分布规律，最终可获得具有统计规律的单粒子效应表征，准确反映锗硅异质结晶体管单粒子效应的损伤机制。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明单粒子效应试验中的印刷电路PCB测试板电路示意图；

图3是用本发明对锗硅异质结晶体管单粒子效应测试获得的集电极电流瞬变图；

图4是用本发明对锗硅异质结晶体管单粒子效应测试获得的集电极电荷收集图；

图5是用本发明对锗硅异质结晶体管单粒子效应测试获得的集电极电荷收集量与离子入射位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述：

参照图1，本发明针对锗硅异质结晶体管单粒子效应的重离子微束试验方法，其实现步骤包括以下：

步骤1，选择用于试验的锗硅异质结晶体管样品，开展器件电学性能测试。

根据选取的锗硅异质结晶体管的器件手册，选择晶体管的电流放大系数、开路反向电流、开路击穿电压、截止频率与等效电容作为测试参数，利用半导体参数测试仪对锗硅异质结晶体管进行测试；考虑到器件去封装过程具有一定的损坏率，选取同一生产批次的10只器件同时开展测试，从中筛选5只电学特性同一性较好的器件作为备选的辐照样品。

步骤2，对备选的锗硅异质结晶体管器件进行试验前的预处理。

对步骤1中筛选出的5只备选器件进行去封装处理，本实例针对的锗硅异质结为单立器件，其正面只有两层金属布线，而背面衬底较厚，考虑要使入射重离子的射程大于器件敏感体积的厚度，本实例采用的是去除器件正面封装的方式，并且去除器件晶片表面的钝化层，同时保留电极的引出管脚。

步骤3，印刷电路PCB测试板的制作与检验。

对于单立的锗硅异质结晶体管器件而言，其单粒子效应的电压信号在毫伏量级，较小的环境噪声就会对信号采集造成不利影响。然而，产生重离子束流的串列加速器运转需要大量大型设备的控制，重离子微束辐照终端实验室中也同时运行多台高压装置，造成环境本底噪声较大。考虑以上两个问题，本实例设计并制作印刷电路PCB测试板，以在试验中顺利捕获单粒子效应瞬态信号。

3a)根据步骤1中测试获得的器件参数，设计并制作如图2所示的印刷电路PCB测试板电路，印刷电路PCB测试板的尺寸应根据辐照装置中样品台的尺寸进行设计。

图2的示意电路图包括被测晶体管、两个电阻、两个电容、两个电感，其中，第一输入电阻R1连接在晶体管发射极驱动输入端与电源的接地端之间，第二输入电阻R2连接在晶体管基极驱动输入端与电源的接地端之间，用于防止漏电流击穿；第一输入电感L1连接在晶体管集电极输入端与电源的驱动电压端之间，第二输入电感L2连接在晶体管基极驱动输入端与电源的接地端之间，用于消除电源端引入的高频环境噪声；第一输出电容C1连接在晶体管集电极信号输出端与示波器之间，第二输出电容C2连接在晶体管基极信号输出端与示波器之间，用于采集脉宽在纳秒量级的单粒子瞬态信号。

3b)将步骤2中去除封装的锗硅异质结晶体管与图2所包含的元件焊接于PCB测试板上，测试锗硅异质结晶体管的输入与输出特性，确定其可以正常开启。再将焊接有锗硅异质结晶体管的PCB测试板通电后接入示波器，观测示波器的本底信号值，若本底电压小于15mV，则判定功能正常，否则为不正常。

步骤4，完成试验系统的连接装配。

将PCB测试板固定于重离子微束辐照平台靶室中央的样品台上；

将PCB测试板上的电源驱动输入端与信号输出端通过同轴电缆与钢制靶室外壁上的通用线路转接口相连，再将线路转接口与外部电源和示波器相连；

封闭辐照靶室，通过两个泵体对靶室腔体进行预抽真空，当真空条件达到预定值时，停止其中一个真空泵，只使用一只真空泵维持腔体内的真空状态，打开示波器观察此时的环境噪声，如本底电压噪声小于20mV，即可准备进行辐照试验。

步骤5，锗硅异质结晶体管重离子微束辐照试验的测试条件设置。

5a)设置辐照偏置条件：

大面积集电极-衬底结即CS结处于反向偏置会增强电子向n区、空穴向p区的输运，是锗硅异质结晶体管的最劣偏置，当集电极为n型、衬底为p型时，是将集电极的驱动电源接正向外加电压；当集电极为p型、衬底为n型时，是将衬底的驱动电源接正向外加电压。

据此本实例选用锗硅异质结晶体管的集电极为n型、衬底为p型，试验中锗硅异质结晶体管的集电极接正向电压，以形成CS结反向偏置，集电极外加电压大小设置为+5V，并在辐照中保持外加电压不变；

5b)设置数字示波器的测试条件：

集电极电流瞬变是锗硅异质结晶体管单粒子效应最显著的表征，本实例选用的是npn型晶体管，n型集电极收集电子，产生的是负向电流，据此本实例将示波器上连接集电极输出端口的通道作为触发通道，选择下降沿触发，触发电平设置在15mV～30mV之间，本实例设置但不限于26mV；

单粒子效应中，由于外加电场漂移作用引起的电流瞬变约为几十皮秒，随后在扩散作用下瞬变电流在10ns左右消失，据此将示波器的测试量程设置在20ns～100ns之间，本实例设置但不限于50ns，以显示适当的波形；

此外，为保证采集到的单粒子效应波形尽可能真实，数字示波器应满足带宽在2GHz以上，采样率在10Gs/s以上。

步骤6，进行重离子微束辐照装置的出束位置定位。

开启辐照靶室内的CCD相机，控制X-Y移动平台，使被测芯片移至光学显微镜的视野中心；

通过激光发生器产生脉冲激光，利用内置光路系统将脉冲激光入射至芯片边缘处，微调定位系统，以使定位中心与入射靶心重合，记录此时激光入射靶心的坐标，作为辐照原点；

移走显微镜与激光发生器，将重离子微束的出束装置移动至前述记录的靶心坐标位置，重离子微束即可在选定的坐标原点开始辐照。

步骤7，重离子种类与能量的设置。

选择能量在90MeV以上的离子用于开展重离子微束辐照试验；

利用SRIM模拟软件计算离子LET值：首先根据选取样品的结构信息构建材料层结构，其次根据中国原子能科学研究院HI-13串列加速器可提供的重离子种类与能量，设置入射离子信息，最后计算不同离子在锗硅异质结晶体管中的LET值分布，应满足非线性能量传递值LET在10MeV·cm²/mg以上；

据此本实例选取能量为110MeV的Cl离子进行辐照，其非线性能量传递值LET为16MeV·cm²/mg。

步骤8，开展重离子微束辐照试验。

8a)调节束斑装置，将重离子微束的束斑大小调节控制在5μm×5μm以下，获得聚焦的重离子微束流；

8b)打开束流快门，连续发射微束重离子，观察是否发生单粒子效应引起的电压瞬变现象，如果示波器未捕捉到正确的电压脉冲，则重新选定入射位置，直至观测到单粒子瞬态脉冲；

8c)示波器设置为自动触发、自动保存状态，从选择的入射原点开始，以10μm为扫描步长，对整个器件逐点进行重离子微束辐照，每个离子入射位置停留10秒，记录所有的瞬变电压脉冲数据；

8d)进行锗硅异质结晶体管单粒子效应敏感区域定位：

当瞬态脉冲不再出现时，逐步缩小步径进行辐照，以确定敏感区域边界，本实例以样品右边界的定位为例进行说明：当某一离子入射点不能捕获单粒子效应波形时，首先保持Y轴坐标不变，将X-Y平台的移动步长减小为5μm，向X轴负方向移动，再次进行重离子辐照，此时可能发生两种情况：第一种情况，重离子辐照诱发效应脉冲，使样品台变为向X轴正方向移动3μm，以此类推，反复开展辐照，确定出敏感区域边界；第二种情况，离子入射未引起单粒子效应，则调小步径至3μm再次向X轴负方向移动，开展辐照，以此类推，确定出敏感区域边界；

重复这一过程，定位出整个锗硅异质结晶体管的单粒子效应敏感区域。

步骤9，记录并处理试验采集的全部数据。

电流瞬变与电荷收集是锗硅异质结晶体管单粒子效应损伤机制的两种重要表征形式，以此开展的抗辐射加固的必要条件是明确器件敏感结构，因此，本实例的第一个目的是获得电流瞬变与电荷收集的变化规律，第二个目的是获得锗硅异质结晶体管单粒子效应的敏感区域，据此本实例按如下步骤处理试验数据：

9a)记录每一个重离子入射点坐标所对应的电压随时间变化的数据文件；

9b)计算电流瞬变与电荷收集值：

由于示波器设置为50Ω的阻抗匹配值，因此将记录的瞬变电压值除以电阻50Ω得到瞬变电流随时间的变化关系，集电极瞬变电流对时间进行积分运算获得集电极收集电荷量；

9c)获得统计规律数据：

每一个重离子入射点的辐照都持续10s，这10s内可能诱发多次单粒子效应，因此本实例对同一入射点的多组电流与电荷值求其均值与方差，获得锗硅异质结晶体管单粒子效应的统计规律，图3为用本发明对锗硅异质结晶体管单粒子效应测试获得的集电极电流瞬变图，图4为用本发明对锗硅异质结晶体管单粒子效应测试获得的集电极电荷收集图；

9d)定位锗硅异质结晶体管单粒子效应敏感区域：

将电荷收集量与离子入射点位置的变化关系逐点对应，当某一位置离子入射后的电荷收集量大于0.5pC时，认为该入射点位于敏感区域内；否则，该入射点位置不属于敏感区域。

图5为用本发明对锗硅异质结晶体管单粒子效应测试获得的集电极电荷收集量与离子入射位置关系图，得出锗硅异质结晶体管在CS结内及其附近的区域对单粒子效应较为敏感。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修改和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于重离子微束辐照的锗硅异质结晶体管单粒子效应测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对被测器件进行预处理：

1a)选取待接受辐照的锗硅异质结晶体管样品，对其电学特性进行全参数测试；

1b)对待接受辐照的锗硅异质结晶体管样品进行去封装处理，去除器件正面局部塑料封装以及表面的钝化层，保留电极的引出管脚；

1c)根据测试获得的器件参数，选取电容、电阻、电感元件，设计制作印刷电路PCB测试板；

1d)将去除封装的锗硅异质结晶体管样品焊接于PCB测试板上，检验锗硅异质结晶体管与测试板的功能是否正常；

2)对检验正常的PCB测试板进行重离子微束辐照，获得锗硅异质结晶体管单粒子效应的电压瞬变规律，定位单粒子效应敏感区域：

2a)将检验正常的PCB测试板置于重离子微束辐照平台的辐照靶室腔体内，连接电路板与靶室的接口；封闭靶室，通过泵体对靶室腔体进行抽真空至预定值；

2b)将PCB测试板的输入端与稳压电源相连，根据锗硅异质结晶体管集电极衬底结的反向偏置状态设置驱动电压；将PCB测试板的输出端与高性能数字示波器相连，设置示波器采集单粒子效应信号的触发电平与测试量程；

2c)开启光学系统，根据内置CCD相机图像，通过控制X-Y移动平台将待测样品调整至光学显微镜的视野中心；使用脉冲激光装置确定辐照初始位置，记录辐照初始位置坐标；移开脉冲激光装置，将重离子出束装置移至记录的辐照初始位置，准备进行辐照测试；

2d)选择入射离子的种类与能量，确定入射离子在锗硅异质结晶体管中的非线性能量传递值LET；调节束斑装置，获得聚焦的重离子微束流；选择10μm的X-Y平台移动步径，逐点进行重离子微束辐照；每个离子入射位置停留5～10秒，示波器设置为自动触发、自动保存状态；

2e)当某一位置在重离子辐照下不再发生单粒子效应时，缩小步径至5μm，反方向移动X-Y平台后再次进行辐照，如此反复，直至找到发生单粒子效应的边界坐标；

2f)重复步骤2e)，逐点扫描入射整个器件表面，定位出整个锗硅异质结晶体管的单粒子效应敏感区域，并记录所有发生单粒子效应的入射点处的电压瞬变数据；

3)对记录的所有单粒子效应电压瞬变数据进行处理分析：

处理数字示波器在每一个重离子微束入射点处捕获的单粒子效应电压瞬变数据；对每一个坐标处的多组数据求均值与方差，获得锗硅异质结晶体管单粒子效应的统计规律；获得锗硅异质结晶体管对单粒子效应电荷收集的敏感区域。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤1a)中的电学特性参数测试包括电流放大系数、开路反向电流、开路击穿电压、截止频率与等效电容。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤1c)中制作PCB测试板，是将电阻分别接于锗硅异质结晶体管的基极与发射极的驱动输入端，将电感应分别接锗硅异质结晶体管基极与集电极的驱动输入端，将电容分别接于锗硅异质结晶体管基极与集电极的信号输出端。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤1d)中检验锗硅异质结晶体管与测试板的功能是否正常，是将焊接有锗硅异质结晶体管的PCB测试板通电后接入示波器，观测示波器的本底信号值，若本底电压小于15mV，则判定功能正常，否则为不正常。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤2b)中根据锗硅异质结晶体管集电极衬底结的反向偏置状态设置驱动电压，是当集电极为n型、衬底为p型时，将集电极的驱动电源接正向外加电压；当集电极为p型、衬底为n型时，将衬底的驱动电源接正向外加电压。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤2b)中的高性能数字示波器，应满足带宽在2GHz以上，采样率在10Gs/s以上。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤2b)中设置示波器采集单粒子效应信号的触发电平与测试量程，是将触发电平设置在15mV～30mV之间，将测试量程设置在20ns～100ns之间。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于：

步骤2d)中选择入射离子的种类与能量，确定入射离子在锗硅异质结晶体管中的非线性能量传递值LET，应满足入射离子能量在90MeV以上，非线性能量传递值LET在10MeV·cm²/mg以上；

步骤2d)中调节束斑装置，是将重离子微束的束斑大小调节控制在5μm×5μm以下。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤3)中处理数字示波器在每一个重离子微束入射点处捕获的单粒子效应电压瞬变数据，是将瞬变电压值除以电路匹配电阻获得瞬变电流，将瞬变电流对时间进行积分运算获得电荷收集量。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于步骤3)中获得锗硅异质结晶体管对单粒子效应电荷收集的敏感区域，是将电荷收集量与离子入射点位置的变化关系逐点对应，当某一位置离子入射后的电荷收集量大于0.5pC时，认为该入射点位于敏感区域内；否则，该入射点位置不属于敏感区域。