CN113030688B - 半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置及评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置及评估系统，包括：激光产生和控制模块、光路模块、检测模块、载物模块和上位机；激光产生和控制模块，用于产生脉冲激光，并对脉冲激光往光学模块传播进行控制；光路模块，用于调制激光产生和控制模块输入的脉冲激光，对激光光斑进行调节控制和测量，对激光能量进行调节控制和测量，将调制后的脉冲激光辐照到半导体器件上；检测模块，用于对半导体器件进行供电和功能测试以及辐照后的电学参数测量。采用本发明技术方案，可以提高激光模拟的准确性，同时可以对激光模拟瞬态剂量率效应进行定量评估。

Description

半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置及评估系统

技术领域

本发明属于半导体器件辐射效应技术领域，尤其涉及一种半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置及评估系统。

背景技术

目前国内抗辐射器件加固研制过程基本上是“设计-仿真-模拟实验-优化设计”的反复过程多次迭代，其中器件瞬态剂量率效应加固研制主要依靠闪光加速器试验来完成测试，缺乏一种在器件研制过程中进行快速定量评估的方法。由于闪光加速器试验测试开放时间相对较短、测试环境干扰因素相对多及总剂量累积效应相对严重等因素，将影响集成电路瞬态剂量率效应试验评估及效应机理研究进程，拖长研制周期，增大研制成本，导致器件及装备研发成本高、不可控因素多、设计质量难以保证。同时，系统中的关键器件加固防护验证试验由于试验条件等的限制，导致抗核辐射设计无法有效考核，使设计者被迫采用过度加固方案，影响芯片本身的性能。在电子系统或器件的抗核辐射加固防护过程中，需针对系统内的关键器件的剂量率响应、失效阈值及抗辐射水平进行快速测试与摸底评估。

脉冲激光是一种便捷、通用的试验模拟手段，测试辐射效应调节方便，调节精度高，测试范围广。技术上主要有以下显著优势：

1、光束方便可调，更能精准的测试得到器件发生位翻转、逻辑错误、闩锁、瞬态电压电流脉冲等器件试验响应特征，且具备很好的敏感区域定位优势，既可以定位具体灵敏单元，又可以进行全芯片覆盖的系统研究；

2、试验测试环境系统噪声少，污染少，避免了大量的寄生电磁闪烁现象，使得在线测试获取剂量率效应特征更加方便可行，激光试验几乎无干扰，非常适用于精确的集成电路剂量率效应机理研究；无总剂量的累积效应影响，便于提取瞬态剂量率单一效应的电学试验特征信息，更利于研究瞬态剂量率效应在集成电路中的产生机理；

3、激光脉冲重复频率方便可调，使设计者在设计过程各个阶段都能进行核环境的抗辐照能力评估，可极大加快抗核加固集成电路研制过程，降低了设计风险；试验设计成本低，试验时间短、效率高，可大量减少器件核辐射效应试验对加速器试验机时的占用。

目前存在未采用激光光斑匀化处理会严重影响激光模拟的准确性以及半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟缺少定量评估方法问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置及评估系统，提高激光模拟的准确性，同时可以对激光模拟定量进行定量评估。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置，包括：激光产生和控制模块、光路模块、检测模块、载物模块和上位机；其中，

激光产生和控制模块，用于产生脉冲激光，并对脉冲激光往光学模块传播进行控制调节；

光路模块，用于调制激光产生和控制模块输入的脉冲激光，对激光光斑的尺寸和能量分布进行调节控制和测量，对激光能量进行调节控制和测量，将调制后的脉冲激光辐照到半导体器件上；

检测模块，用于对半导体器件进行供电和功能测试以及辐照后的电学参数测量，同时检测辐照产生的瞬态光电流；

载物模块，用于固定半导体器件，并配合光路模块进行辐照位置调节；

上位机，用于综合调节上述各模块中，协助各模块完成各自功能。

作为优选，所述激光产生和控制模块包括脉冲激光器和快门；脉冲激光器产生所需脉宽和波长的脉冲激光，经过快门后进入光路模块，快门作为开关控制脉冲激光在后续光路的传播与否。

作为优选，所述光路模块包括：光斑形状调节部件、可变衰减镜片组、两块非偏振分光棱镜、光束品质分析仪，激光能量计；光斑形状调节部件包含光斑匀化镜和光斑扩缩镜，光斑匀化镜接受到经过快门进入光学模块的脉冲激光，通过光学的折射和衍射对脉冲激光光斑的能量分布进行匀化处理，使其由初始的高斯分布变为处理后的平顶分布，即光斑能量匀化水平大于80％，根据试验对象所需的辐照区域面积大小，再经过光斑扩缩镜对匀化后的激光光斑进行尺寸调节，使其能满足于对试验对象辐照区域的全覆盖，最后经过可变衰减镜片组进行激光能量调节，依据试验所需的激光能量点，进行能量调控从而完成激光模拟试验，最后经过分光棱镜Ⅰ形成两束光斑尺寸相同、能量相同的激光Ⅰ和激光Ⅱ，所述激光Ⅰ进入光束品质分析仪，得到并记录光斑尺寸和能量分布信息，所述激光Ⅱ经过分光分光棱镜Ⅰ形成两束光斑尺寸相同、能量相同的激光Ⅲ和激光Ⅳ，激光Ⅲ进入激光能量计，测得并记录每次试验的激光能量大小，激光Ⅳ进入载物模块，对固定在载物模块上的半导体器件进行辐照。

作为优选，所述载物模块包括三维移动平台和样品固定部件，被测器件通过样品固定部件固定在三维移动平台上，通过调节三维移动平台使被测器件暴露于进入载物模块的激光Ⅳ下进行辐照试验。

作为优选，所述检测模块包括程控电源和示波器以及被测器件的测试电路，通过程控电源对被测器件进行正常供电，通过示波器和被测器件的测试电路结合的方式完成被测器件的试验方案，同时通过瞬态光电流测量模块对每次试验的瞬态光电流情况进行测量和记录，主要通过电阻法和电流探头法对瞬态光电流进行测量，电阻法即选择合适阻值的电阻串联入测试电路，通过示波器读出电阻两端的电压变化情况，获取瞬态光电流；电流探头法即使用带有霍尔效应传感器的电流探头直接测出瞬态光电流，霍尔效应传感器是一种根据磁场变化输出电压的换能器，利用补偿原理实现瞬态光电流的测量，测量范围可借助于补偿放大器,通过改变转移阻抗加以改变。

作为优选，所述可变衰减镜片组由多个衰减镜片和偏振片组成。

作为优选，所述脉冲激光器的脉冲宽度的时间尺度为1-900ns，产生的激光波长为532-1310nm。

作为优选，所述非偏振分光棱镜的分光比为1:1。

一种用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，包括：半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置、测试电路、激光能量传输的有效能量模型、瞬态剂量率效应激光等效模型；其中，

所述半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置，用于提供激光辐照源，对测试电路进行激光模拟试验，获取试验条件等参数数据；

所述测试电路，用于获取被测器件自身参数信息和激光辐照下发生瞬态剂量率效应的测试数据包括测试电路的电学响应参数和瞬态光电流参数；

所述基于激光能量传输的有效能量模型，针对测试电路的自身参数和试验条件等参数，通过有效能量模型计算出该测试电路在试验过程的有效激光能量；

所述瞬态剂量率效应激光等效模型，基于计算出的有效激光能量结合激光等效模型，得到该测试电路在试验过程中所对应的伽马等效剂量率大小，依据等效剂量率和测试电路的电学响应参数和瞬态光电流参数，定量评估该测试电路瞬态剂量率效应。

本发明的半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置及其评估系统，通过对高斯分布的脉冲激光光斑进行匀化处理使其变成平顶分布的脉冲激光光斑，让用以辐照器件的激光光斑能量更均匀，进而使激光模拟在器件中产生的电子空穴对分布情况更接近伽马射线与半导体材料相互作用后产生的电子空穴对均匀分布状态，从而进一步提高激光模拟的准确性，基于此结合瞬态剂量率效应激光等效模型实现激光模拟试验定量评估半导体器件瞬态剂量率效应，能有效缩短抗辐射加固研制时间，为研究半导体器件瞬态剂量率效应，进行抗辐射加固提供有效支撑。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附

图中：

图1为半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的示意图；

图2为器件背部的激光能量传输过程示意图；

图3为硅衬底反射率测量方法示意图；

图4为硅材料掺杂浓度与吸收系数关系曲线示意图；

图5为金属布线层反射率测量方法示意图；

图6为二氟化氙去除器件硅衬底示意图；

图7为二氟化氙去除器件硅衬底样品图；

图8为硅衬底测量示意图；

图9为器件有源区示意图；

图10为激光等效剂量率理论模型示意图；

图11为激光等效剂量率理论模型和试验验证对比的示意图。

其中，1-激光产生和控制模块，2-光路模块，3-载物模块，4-检测模块，5-上位机，6-脉冲激光器，7-快门，8-可调节衰减片组，9-匀化镜和扩束镜，10-非偏振分光棱镜，11-光束品质分析仪，12-非偏振分光棱镜，13-激光能量计，14-被测器件。

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，以下结合附图对本发明进行具体阐述。

如图1所示，本发明提供一种半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置，包括：激光产生和控制模块、光路模块、检测模块、载物模块和上位机；其中，

激光产生和控制模块，用于产生脉冲激光，并对脉冲激光往光学模块传播进行控制；

光路模块，用于调制激光产生和控制模块输入的脉冲激光，对激光光斑进行调节控制和测量，对激光能量进行调节控制和测量，将调制后的脉冲激光辐照到半导体器件上；

检测模块，用于对半导体器件进行供电和功能测试以及辐照后的电学参数测量；

载物模块，用于固定半导体器件，并配合光路模块进行辐照位置调节；

上位机，用于综合调节上述各模块中，协助各模块完成各自功能。

进一步，所述的激光产生和控制模块包括脉冲激光器和快门；脉冲激光器产生脉冲激光，经过快门后进入光路模块，快门作为开关控制脉冲激光在后续光路的传播与否。

进一步，所述光路模块包括：光斑形状调节部件、可变衰减镜片组、两块非偏振分光棱镜、光束品质分析仪，激光能量计；光斑形状调节部件包含光斑匀化镜和光斑扩缩镜，光斑匀化镜接受到经过快门进入光学模块的脉冲激光，通过光学的折射和衍射对脉冲激光光斑的能量分布进行匀化处理，使其由初始的高斯分布变为处理后的平顶分布，即光斑能量匀化水平大于80％，根据试验对象所需的辐照区域面积大小，再经过光斑扩缩镜对匀化后的激光光斑进行尺寸调节，使其能满足于对试验对象辐照区域的全覆盖，最后经过可变衰减镜片组进行激光能量调节，依据试验所需的激光能量点，进行能量调控从而完成激光模拟试验，最后经过分光棱镜Ⅰ形成两束光斑尺寸相同、能量相同的激光Ⅰ和激光Ⅱ，所述激光Ⅰ进入光束品质分析仪，得到并记录光斑尺寸和能量分布信息，所述激光Ⅱ经过分光分光棱镜Ⅰ形成两束光斑尺寸相同、能量相同的激光Ⅲ和激光Ⅳ，激光Ⅲ进入激光能量计，测得并记录每次试验的激光能量大小，激光Ⅳ进入载物模块，对固定在载物模块上的半导体器件进行辐照。

进一步，所述载物模块包括三维移动平台和样品固定部件，被测器件通过样品固定部件固定在三维移动平台上，通过调节三维移动平台使被测器件暴露于进入载物模块的激光Ⅳ下进行辐照试验。

进一步，所述检测模块包括程控电源和示波器以及被测器件的测试电路，通过程控电源对被测器件进行正常供电，通过示波器和被测器件的测试电路结合的方式完成被测器件的试验方案，同时通过瞬态光电流测量模块对每次试验的瞬态光电流情况进行测量和记录，主要通过电阻法和电流探头法对瞬态光电流进行测量，电阻法即选择合适阻值的电阻串联入测试电路，通过示波器读出电阻两端的电压变化情况，获取瞬态光电流；电流探头法即使用带有霍尔效应传感器的电流探头直接测出瞬态光电流，霍尔效应传感器是一种根据磁场变化输出电压的换能器，利用补偿原理实现瞬态光电流的测量，测量范围可借助于补偿放大器,通过改变转移阻抗加以改变。

进一步，所述上位机模块包括上位机和各类硬件所配套使用的软件，如激光器的触发设置软件，快门的控制软件，光束品质分析仪软件，激光能量计软件，三维移动平台软件，示波器以及被测器件的测试电路所配套的软件。上位机通过对各类软件的协调使用，方面试验过程中的各项调节和试验数据的记录。

进一步，所述可变衰减镜片组，由多个衰减镜片组成，能实现能量调节10％的增加或减少。

作为优选，所述的脉冲激光器的脉冲宽度的时间尺度为1-900ns，产生的激光波长为532-1310nm。

优选的，所述的非偏振分光棱镜的分光比为1:1，同时不改变光斑其他参数。

本发明半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置，通过光斑匀化镜和扩束镜，有效的对光斑能量进行匀化和光斑尺寸宽范围调节，提高激光模拟的准确性。

本发明还提供一种用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，包括：半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置、测试电路、激光能量传输的有效能量模型、瞬态剂量率效应激光等效模型；其中，

所述半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置，用于提供激光辐照源，对测试电路进行激光模拟试验，获取试验条件等参数数据；

所述测试电路，用于获取被测器件自身参数信息和激光辐照下发生瞬态剂量率效应的测试数据包括测试电路的电学响应参数和瞬态光电流参数；

所述基于激光能量传输的有效能量模型，针对测试电路的自身参数和试验条件等参数，通过有效能量模型计算出该测试电路在试验过程的有效激光能量；

所述瞬态剂量率效应激光等效模型，基于计算出的有效激光能量结合激光等效模型，得到该测试电路在试验过程中所对应的伽马等效剂量率大小，依据等效剂量率和测试电路的电学响应参数和瞬态光电流参数，定量评估该测试电路瞬态剂量率效应。

本发明的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，可在宽的能量范围内进行半导体器件瞬态剂量率效应定量评估，可作为闪光加速器和其他激光模拟装置的有效补充，降低了试验成品，提高了试验效率和试验准确性，缩短了加固设计周期。

进一步，所述激光能量传输的有效能量模型如下：

对脉冲激光模拟试验而言，脉冲激光在半导体材料中的能量传输过程呈指数衰减，由于其无法穿透器件金属布线层的特性，为保证两种机制下辐照全芯片区域的一致性，脉冲激光模拟瞬态剂量率效应定量试验均需采用从器件硅衬底背部进行辐照的方式，器件背部辐照试验中激光能量的传输过程如图2所示。

激光能量的传输过程：脉冲激光从器件背部入射，初始的激光能量为E0，首先在衬底表面发生反射和透射，透射的激光能量进入衬底后经过衬底的吸收后达到器件有源区，此时激光能量为E1，激光继续向下传播经过器件有源区的吸收后到达金属层，在金属表面发生反射和透射，其中反射的激光能量为E2，这部分能量再次经过有源区。

为了实现定量评估，需要获得最终达到有源区激光能量，基于上述传输过程，最终达到有源区的激光能量E_eff为E1与E2之和，称为有效激光能量。诱发器件发生瞬态剂量率效应的有效激光能量模型的参数应包括如下：

E0：入射到器件衬底表面的激光脉冲能量；

E1：直接进入器件有源区附近的激光能量；

E2：经过金属布线反射后进入有源区附近的激光能量。

R：器件衬底表面对激光的反射率；

R’：金属布线层对激光的反射率；

α：器件衬底对激光的吸收系数；

α’：器件有源区附近敏感部位对激光的吸收系数；

h：器件衬底表面到金属层表面的距离；

d：器件有源区厚度；

依据几何光学的传播特性与Beer定律，建立脉冲激光能量传输衰减的计算模型。

E1＝(1-R)×e^-α(h-d)×E0

E2＝E1×e^-α’d×R’

E_eff＝E1+E2＝(1-R)×e^-α(h-d)×(1+e^-α’d×R’)×E0

同时需要建立上述参数的测量及选取方法，待测器件关键参数测量及选取方法如下：

a)衬底表面对激光反射率R

激光从空气垂直入射到Si衬底，在两种介质界面的反射率计算公式为：

其中，n1和n2分别为激光在介质材料1和介质材料2中的折射系数，根据半导体材料的光学参数特征，激光在空气中的折射系数为1，在晶体Si中的折射系数为3.56，则理论上抛光硅材料表面的反射率约为32％。对于实际器件的硅衬底其表面并非理想的抛光面，必须进行器件硅衬底表面反射率测量，才能较为准确确定参数R。综上分析，试验前将脉冲激光微束辐照于器件衬底表面，采用器件硅衬底表面反射率直接测量的方式来确定参数R。

直接测反射率的光学测试系统，如图3所示，包括：测试样品及标准全反射样品(全反射镜)，用于测量入射和反射激光能量的能量计，用于汇聚反射激光的透镜，用于导入入射激光的半透半反透镜。其中实线表示入射激光，虚线表示经测试样品表面反射后的激光。设入射到测试样品表面的激光能量为E0，表面的反射率为R，经衬底表面反射的激光能量为R×E0，反射激光经过一系列透镜后到达上方的能量计，此时的能量为E1，设定光学测量系统对反射激光的衰减系数为k，则样品反射率R为R＝E1/(E0×k)。

其中，衰减系数的测量方法如下：

将激光导入到光学测量系统中；使用激光能量计在显微物镜下方测量入射激光能量数值E2；放入全反射镜(反射率R1＝1)到图6中的测试样品处；能量计测量反射的激光能量数值E3；将测量得到的数值代入衰减系数计算公式k＝E3/(E2×R1)中，即可得到光学测量系统的衰减系数k＝E3/E2。

将测量得到的k数值代入反射率测量公式R＝E1/(E0×k)中，即可得到测量样品的实际反射率：R＝(E1×E2)/(E0×E3)

b)硅衬底吸收系数α

硅衬底材料对光的吸收系数与其掺杂浓度直接相关，图4为两者之间的关系曲线，可作为确定吸收系数的依据。通过测试得到的衬底掺杂浓度，结合图7掺杂浓度与吸收系数的对应关系曲线确定衬底吸收系数α的取值。

获取器件的衬底掺杂浓度利用二次离子质谱仪进行精确测量。二次离子质谱主要原理是用聚焦的初级粒子束轰击样品，从样品表面激发溅射出原子或分子，收集其中的二次离子送入质谱仪进行加速分离，并依时间记录它们的数量，并对经过标准样品校准处理过的数据进行积分计算剂量，最终得到所测元素离子的掺杂浓度。二次离子质谱仪理论上不能对二次离子数与浓度的关系进行计算，定量分析是通过对标准样品的测量来进行的。在浓度低于1％的情况下，离子的产额与浓度呈线性关系。通过标准样品可以计算出所分析元素相对于材料的元素离子产额的相对系数。利用这一系数便可将分析样品的二次离子数转换成元素的浓度。

c)金属布线层的反射系数R'

器件金属布线层反射率的测量方法及用到的主要设备与硅衬底反射率测量相同，所不同的是待测样品为去除硅衬底将金属布线层暴露于外的芯片样品，如图5所示建立用于金属布线层反射率的光学系统。利用等离子体刻蚀设备(二氟化氙)将器件硅衬底材料去除如图6所示。经过二氟化氙处理的器件样品，可以完整保留器件正面金属布线层的结构，即Si衬底与金属布线层的界面，如图7所示。采用与硅衬底反射率测量相同的方法与步骤，测得金属布线层相对于空气的反射率R布线层-空气。

上述试验测试得到的仅是金属布线层在空气中的反射率，实际瞬态剂量率效应试验中脉冲激光是在金属布线层与硅材料交界面处发生的反射，需要对上述测量数值进行换算，得出脉冲激光在金属布线层与器件硅材料交界面的反射率R’。

其中，n_空气＝1，为1064nm的激光在空气中的折射率，n_硅＝3.56，为1064nm的激光在器件硅中的折射率。

d)硅衬底厚度h(二次光斑法)

利用间接测量的方式获得器件硅衬底厚度。如图8所示，利用聚焦激光分别在硅衬底表面进行聚焦，通过红外CCD对聚焦后的激光光斑进行第一次成像，缓慢调节三维移动台使得激光聚焦在金属表面，此时红外CCD会在衬底表面第二次对激光光斑进行成像，记录三维移动台的调节距离，即为硅衬底厚度。

进一步，所述瞬态剂量率效应激光等效模型如下：

脉冲激光模拟瞬态剂量率效应试验方法是依据器件发生瞬态剂量率效应的物理过程和结果，结合脉冲激光与半导体材料相互作用能够产生类似的物理结果，从而实现等效模拟。器件瞬态剂量率效应物理过程和结果，即瞬间高剂量率的伽马射线与半导体材料相互作用通过康普顿效应产生电子空穴对，被器件有源区收集进而形成瞬态光电流。脉冲激光模拟瞬态剂量率效应的结果，即脉冲激光与半导体材料相互作用通过光电效应产生电子空穴对，被器件有源区收集形成瞬态光电流。

考虑到半导体器件衬底厚度以及能与半导体材料相互作用发生光电效应的要求，选择穿透深度大且光子能量大于硅禁带宽度1.12eV的1064nm红外波段激光作为试验的激光源。同时针对伽马射线电离材料的均匀性以及结合器件尺寸，需要对脉冲激光进行光斑匀化和尺寸调节处理，将其高斯分布变为平顶分布，同时保证激光光斑能完全覆盖整个器件。

对于1064nm激光与硅半导体材料的作用过程，依据其入射激光强度的情况会出现单光子吸收(SPA)、自由载流子吸收和双光子吸收(TPA)三种机制。

单光子吸收：在通常情况下，脉冲激光与硅半导体材料作用以单光子吸收为主，即价带电子吸收单个入射光子能量后迁跃到导带成为自由电子的过程。由于单光子吸收导致的激光光强随其在材料中入射深度的变化如下所示：

I＝I₀e^-αx

其中，I₀为初始入射激光强度，I为激光穿过厚度为x的材料后的强度，α为材料单光子吸收系数。

当半导体掺杂浓度很高或激光强度较大时，会出现自由载流子吸收和双光子吸收两种光致电离机制。(自由载流子吸收：当半导体中等离子体震荡频率与激光频率接近时，将出现共振吸收，光子能量被等离子体的自由电子吸收后使其能量增加，因此这种吸收机制只产生自由电子的加热效果，而不产生新的电离。计算表明，对于1064nm的激光，要产生共振吸收所需要的掺杂浓度分别为1.1×10²⁰/cm3，通常微电子器件中部分高掺杂区域的杂质浓度可达到10¹⁸-10¹⁹/cm3，因此，在脉冲激光测试器件瞬态剂量率效应时自由载流子吸收机制的影响不必考虑。双光子吸收：当激光的能量密度很高时(1GW/cm²量级)，会出现两个光子同时被吸收的现象，导致激光光致电离电荷量减少。利用波长为1064nm的纳秒脉冲激光进行瞬态剂量率效应实验时，双光子吸收作用较弱，通常忽略不计。)

设定器件有源区为立方体如图9所示，其体积为V，横向面积为S，纵向深度为d。通过分别计算脉冲激光和伽马射线在器件有源区内的生成的载流子数量。

脉冲激光在器件有源区诱发生成载流子数量如下：

依据单光子吸收机制，激光能量E随着入射深度x呈指数衰减,满足Beer定律：

即

E(x)＝E_eff·e^-αx

其中，E_eff为激光到达有源区表面的能量(J)，α为总吸收系数，由半导体材料本征吸收，半导体禁带窄化效应引起的吸收，激光辐射与电子和空穴交互作用时发生的吸收组成，x为入射深度，

α＝α_ib+σ_fN_d+σ_nn+σ_pp

其中，α_ib为半导体带间吸收系数；σ_f为禁带宽度窄化效应系数；N_d为掺杂浓度；σ_n和σ_p分别为激光束与电子或空穴作用时发生吸收的系数；n和p分别为自由载流子的浓度。

在器件有源区的沉积能量为

ΔE＝E_eff·(1-e^-αx)

激光在有源区生成的载流子数量如下：

其中，E_L为激光在硅材料中以光电效应产生电子-空穴对需要的能量，即1.17(eV)。

考虑到激光光斑需要完全辐照器件有源区，光斑面积S_L大于有源区面积S，即

伽玛射线在器件有源区诱发生成载流子数量如下：伽马射线在材料中产生的能量损失分布近似是均匀的,电离辐射在材料中沉积能量，其载流子产生率如下：

g₀＝6.24×10¹³ρ_m/E_eh

其中，ρ_m为硅材料密度，其为2.328(g/cm3)，E_eh为伽玛射线在硅材料中电离产生一个电子空穴对所需要的能量，即3.6(eV)。

伽玛射线在有源区生成的载流子数量如下：

G_γ＝g₀×D×t×V

其中，D为伽玛辐射剂量率(rad(Si)/s)，t为脉宽。

将器件有源区产生相同数量的载流子作为等效判据，即G_γ＝G_L。依据该等效判据建立器件剂量率效应激光模拟模型如下：

结合激光背部辐照的能量传输过程所得出的有效能量换算公式得到：

根据瞬态剂量率效应激光模拟模型结合测量参数获得激光光功率密度与等效剂量率的关系曲线如图10所示，Y＝kX+b。

选取典型的器件如二极管、解串器、SRAM器件开展对比试验进行验证，验证结果如图11所示。试验结果表明，典型验证试验结果与理论模型的吻合度很高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。应注意到的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的调制和优化，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，包括：半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置、测试电路、激光能量传输的有效能量模型、瞬态剂量率效应激光等效模型；其中，

所述半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置，用于提供激光辐照源，对测试电路进行激光模拟试验，获取试验条件的参数数据；所述半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置包含：激光产生和控制模块、光路模块、检测模块、载物模块和上位机；激光产生和控制模块，用于产生脉冲激光，并对脉冲激光往光学模块传播进行控制；光路模块，用于调制激光产生和控制模块输入的脉冲激光，对激光光斑进行调节控制和测量，对激光能量进行调节控制和测量，将调制后的脉冲激光辐照到半导体器件上；检测模块，用于对半导体器件进行供电和功能测试以及辐照后的电学参数测量，以及对辐照产生的瞬态光电流进行监测；载物模块，用于固定半导体器件，并配合光路模块进行辐照位置调节；上位机，用于综合调节上述各模块中，协助各模块完成各自功能；

所述测试电路，用于获取被测器件自身参数信息和激光辐照下发生瞬态剂量率效应的测试数据包括测试电路的电学响应参数和瞬态光电流参数；

基于激光能量传输的有效能量模型，针对测试电路的自身参数和试验条件参数，通过有效能量模型计算出该测试电路在试验过程的有效激光能量；

所述瞬态剂量率效应激光等效模型，基于计算出的有效激光能量结合激光等效模型，得到该测试电路在试验过程中所对应的伽马等效剂量率大小，依据等效剂量率和测试电路的电学响应参数和瞬态光电流参数，定量评估该测试电路瞬态剂量率效应；

基于激光能量传输的有效能量模型中的激光能量传输过程为：脉冲激光从半导体器件背部入射，初始的激光能量为E0，首先在衬底表面发生反射和透射，透射的激光能量进入衬底后经过衬底的吸收后达到半导体器件有源区，此时激光能量为E1，激光继续向下传播经过半导体器件有源区的吸收后到达金属层，在金属表面发生反射和透射，反射的激光能量为E2，所述反射激光能量再次经过有源区，最终达到有源区的激光能量E_eff为E1与E2之和，称为有效激光能量；

基于激光能量传输的有效能量模型为：

E1＝(1-R)×e^-α(h-d)×E0，

E2＝E1×e^-α’d×R’，

E_eff＝E1+E2＝(1-R)×e^-α(h-d)×(1+e^-α’d×R’)×E0，

其中，E0为入射到半导体器件衬底表面的激光脉冲能量，E1为直接进入半导体器件有源区附近的激光能量，E2为经过金属布线反射后进入有源区附近的激光能量，R为半导体器件衬底表面对激光的反射率；R’为金属布线层对激光的反射率，α为半导体器件衬底对激光的吸收系数，α’为半导体器件有源区附近敏感部位对激光的吸收系数，h为半导体器件衬底表面到金属层表面的距离，d为半导体器件有源区厚度；

所述瞬态剂量率效应激光等效模型通过半导体器件瞬态剂量率效应的物理结果结合脉冲激光模拟瞬态剂量率效应的结果，实现等效模拟；所述半导体器件瞬态剂量率效应的物理结果为：瞬间高剂量率的伽马射线与半导体材料相互作用通过康普顿效应产生电子空穴对，对被半导体器件有源区收集进而形成瞬态光电流；脉冲激光模拟瞬态剂量率效应的结果为：脉冲激光与半导体材料相互作用通过光电效应产生电子空穴对，被半导体器件有源区收集形成瞬态光电流；

所述瞬态剂量率效应激光等效模型为：

其中，S_L为光斑面积，D为伽玛辐射剂量率，E_L为激光在硅材料中以光电效应产生电子-空穴对需要的能量，g₀为载流子产生率，t为脉宽。

2.如权利要求1所述的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，所述激光产生和控制模块包括脉冲激光器和快门；脉冲激光器产生脉冲激光，经过快门后进入光路模块，快门作为开关控制脉冲激光在后续光路的传播与否。

3.如权利要求2所述的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，所述光路模块包括：光斑形状调节部件、可变衰减镜片组、两块非偏振分光棱镜、光束品质分析仪，激光能量计；光斑形状调节部件包含光斑匀化镜和光斑扩缩镜，光斑匀化镜接受到经过快门进入光学模块的脉冲激光，通过光学的折射和衍射对脉冲激光光斑的能量分布进行匀化处理，使其由初始的高斯分布变为处理后的平顶分布，即光斑能量匀化水平大于80％，根据试验对象所需的辐照区域面积大小，再经过光斑扩缩镜对匀化后的激光光斑进行尺寸调节，使其能满足于对试验对象辐照区域的全覆盖，最后经过可变衰减镜片组进行激光能量调节，依据试验所需的激光能量点，进行能量调控从而完成激光模拟试验，最后经过分光棱镜Ⅰ形成两束光斑尺寸相同、能量相同的激光Ⅰ和激光Ⅱ，所述激光Ⅰ进入光束品质分析仪，得到并记录光斑尺寸和能量分布信息，所述激光Ⅱ经过分光棱镜Ⅰ形成两束光斑尺寸相同、能量相同的激光Ⅲ和激光Ⅳ，激光Ⅲ进入激光能量计，测得并记录每次试验的激光能量大小，激光Ⅳ进入载物模块，对固定在载物模块上的半导体器件进行辐照。

4.如权利要求1或3所述的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，所述载物模块包括三维移动平台和样品固定部件，被测器件通过样品固定部件固定在三维移动平台上，通过调节三维移动平台使被测器件暴露于进入载物模块的激光Ⅳ下进行辐照试验。

5.如权利要求1或3所述的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，所述检测模块包括程控电源和示波器以及被测器件的测试电路，通过程控电源对被测器件进行正常供电，通过示波器和被测器件的测试电路结合的方式完成被测器件的试验方案，同时通过瞬态光电流测量模块对每次试验的瞬态光电流情况进行测量和记录，通过电阻法和电流探头法对瞬态光电流进行测量，电阻法即选择合适阻值的电阻串联入测试电路，通过示波器读出电阻两端的电压变化情况，获取瞬态光电流；电流探头法即使用带有霍尔效应传感器的电流探头直接测出瞬态光电流，所述霍尔效应传感器根据磁场变化输出电压的换能器，利用补偿原理实现瞬态光电流的测量，测量范围可借助于补偿放大器,通过改变转移阻抗加以改变。

6.如权利要求3所述的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，所述可变衰减镜片组由多个衰减镜片组成。

7.如权利要求2所述的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，所述脉冲激光器的脉冲宽度的时间尺度为1-900ns，产生的激光波长为532-1310nm。

8.如权利要求3所述的用于半导体器件瞬态剂量率效应激光模拟装置的评估系统，其特征在于，所述非偏振分光棱镜的分光比为1:1，同时不改变光斑其他参数。

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