CN113985240A - 用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法、系统及装置 - Google Patents
用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法、系统及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法、系统及装置，方法包括将半导体测试器件固定在测试区域并通过直流电压源为半导体测试器件进行供电，通过辐照源诱发半导体测试器件产生感生信号；通过移动半导体测试器件，获取半导体测试器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置，固定辐照源的入射位置，改变辐照源的入射能量，采集不同能量下的第一辐射感生信号；固定入射位置和入射能量，通过改变直流电压源的电压，采集不同电压下器件的第二辐射感生信号；根据第一辐射感生信号和第二辐射感生信号，获取半导体测试器件的瞬态辐射感生电荷，本发明根据上述方法对应设计了实现系统和装置，从而为半导体器件的抗辐射加固设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及辐射感生电荷收集及测量，尤其涉及半导体器件在辐射环境和应力相关可靠性因素作用下的检测方法、系统及装置。
背景技术
半导体材料的特殊电特性可用来制造特定功能的电子器件，可用于产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。半导体基本电路单元可通过设计制造出集成电路，其无处不在，是计算机、探测器、手机等电子设备的核心，现代计算、空间探测、互联网等均依赖于集成电路的存在。随着空间技术和微电子器件功能的不断的发展，越来越多的先进半导体器件和集成电路运用到空间环境或其他恶劣的辐射环境中。
空间高能粒子或质子入射半导体器件或集成电路会造成其功能出现故障发生单粒子效应，进而危害航天器的正常运行。同样，瞬态剂量率效应也会对半导体器件产生作用使其功能异常，对设备的可靠性造成威胁。此外，某些极端条件也会对半导体器件的功能产生影响，例如长期处于高温或低温、长时间工作的电压应力等均可能造成器件的可靠性和寿命降低。
因此，半导体器件在不同条件下的感生电荷测量技术对于器件的可靠性研究具有重要意义，满足了器件的加固设计技术需求。
国内外对单粒子效应和瞬态剂量率效应进行了很多研究，常采用地面模拟试验和计算机仿真方法研究，其中地面模拟试验往往只关注半导体器件在该辐射效应下产生的宏观结果，计算机建立的模型的准确性与工艺参数等直接相关，然而工艺参数很难从工艺厂商手中获取，从而很难从真正意义上获得辐射感生的脉冲和收集电荷量，因此辐射效应作用下半导体器件真实产生的感生瞬态脉冲和电荷收集具有重要的意义，尤其针对晶圆级半导体器件在辐射环境和应力相关可靠性因素作用下的测试技术亟待解决。
高能粒子加速器和放射源是地面进行半导体器件辐射效应研究的首选方式，随着脉冲激光模拟手段的逐渐发展，其在单粒子效应试验测试和机理研究方面得到了广泛的应用，并且也逐渐应用于瞬态剂量率效应的研究中。脉冲激光安全、方便，更能适应快速、低成本的测试需求，本发明提出一种晶圆级半导体器件在辐射环境下感生瞬态脉冲和电荷检测系统，并开发了不同应力下半导体器件产生的感生脉冲和电荷测试条件，为半导体器件的抗辐射加固设计提供了技术支持。
发明内容
针对之前很难从真正意义上获取辐射效应感生的脉冲和电荷量的难题，尤其是晶圆级半导体器件在辐射效应下和不同应力条件下的感生电荷难以检测的问题，本申请提供了用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法，包括以下步骤：
S1.将半导体测试器件固定在测试区域并通过直流电压源为半导体测试器件进行供电，通过辐照源诱发半导体测试器件产生感生信号；
S2.通过移动半导体测试器件，获取半导体测试器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置；
S3.基于敏感位置，固定辐照源的入射位置，改变辐照源的入射能量，采集不同能量下的第一辐射感生信号；
S4.固定入射位置和入射能量，通过改变直流电压源的电压，采集不同电压下器件的第二辐射感生信号；
S5.根据第一辐射感生信号和第二辐射感生信号，获取半导体测试器件的瞬态辐射感生电荷。
优选地，在步骤S1中，辐照源为脉冲激光器；
在通过辐照源诱发半导体测试器件产生感生信号的过程前，打开脉冲激光器，预热15分钟。
优选地，在步骤S1中，半导体测试器件为晶圆级半导体器件，其中，晶圆级半导体器件至少包括裸片NMOS单管。
优选地，在步骤S2中，移动半导体测试器件的移动间距为0.5μm。
优选地，在步骤S1中，感生信号为SET脉宽在百ps量级的微弱单粒子瞬态脉冲信号。
用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量装置，
脉冲激光器，用于作为单粒子效应和瞬态剂量率效应的辐照源，诱发半导体测试器件产生感生信号；
探针测试平台，用于放置半导体测试器件，并与脉冲激光器配合，诱发半导体测试器件产生感生信号；
供电系统，用于为测量装置供电；
控制系统，用于通过控制探针测试平台、脉冲激光器、供电系统，实现诱发半导体测试器件产生感生信号并进行信号采集；
高频示波器，用于采集感生信号。
优选地，探针测试平台由物镜、CCD相机、三维移动台、探针台、真空泵、T型偏置器组成；
探针台设置在三维移动台上端，用于固定半导体测试器件；
三维移动台用于移动半导体测试器件；
T型偏置器设置在探针台的一端，用于实现对半导体测试器件加电，以及隔离直流信号和采集高频信号；
真空泵与探针台连接，用于真空吸附半导体测试器件；
物镜设置在探针台的上方，用于将脉冲激光器的激光聚焦到半导体测试器件的表面，其中，物镜为50倍物镜；
CCD相机设置在物镜的正上方，用于采集聚焦效果，并根据聚焦效果，通过调整物镜，将激光聚焦到半导体测试器件的表面。
优选地，探针台包括探针、探针合架、载物台；
探针设置在载物台上，用于为半导体测试器件提供偏置信号以及采集半导体测试器的高频交流信号；
探针合架设置在三维移动台的上表面，用于放置探针夹具；
载物台设置在探针台架的中间位置，与真空泵连接，用于固定半导体测试器件。
优选地，探针包括射频探针和直流探针；
直流探针用于施加偏置信号；
射频探针用于采集高频交流信号。
用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量系统，其特征在于：测量系统用于实现测量方法，包括，
信号发生模块，用于将半导体测试器件固定在测试区域并通过直流电压源为半导体测试器件进行供电，通过辐照源诱发半导体测试器件产生感生信号；
定位模块，用于通过移动半导体测试器件，获取半导体测试器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置；
第一信号采集模块，用于基于敏感位置，固定辐照源的入射位置，改变辐照源的入射能量，采集不同能量下的第一辐射感生信号；
第二信号采集模块，用于固定入射位置和入射能量，通过改变直流电压源的电压，采集不同电压下器件的第二辐射感生信号；
数据获取模块，用于根据第一辐射感生信号和第二辐射感生信号，获取半导体测试器件的瞬态辐射感生电荷；
存储模块，用于存储第一辐射感生信号、第二辐射感生信号、瞬态辐射感生电荷以及测量系统产生的其他系统数据。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
1.本发明可用于晶圆级半导体器件的辐射效应测试和应力可靠性测试，优化了芯片封装后才能进行辐照测试的传统测试方法。
2.本发明综合了半导体器件的单粒子辐射效应、瞬态剂量率辐射效应及电压/温度等应力条件下的可靠性测试等内容，测试内容更加广泛，可满足多种测试需求。
3.本发明可采集的辐射感生信号的脉冲宽度最小可达几十ps，提高了小尺寸半导体器件的辐射信号的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的系统构成图；
图2是本发明的技术原理图；
图3是本发明的一个实施例的测试结果图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供了本申请提供了用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法，包括以下步骤：
S1.将半导体测试器件固定在测试区域并通过直流电压源为半导体测试器件进行供电，通过辐照源诱发半导体测试器件产生感生信号；
S2.通过移动半导体测试器件，获取半导体测试器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置；
S3.基于敏感位置，固定辐照源的入射位置，改变辐照源的入射能量，采集不同能量下的第一辐射感生信号；
S4.固定入射位置和入射能量，通过改变直流电压源的电压，采集不同电压下器件的第二辐射感生信号；
S5.根据第一辐射感生信号和第二辐射感生信号，获取半导体测试器件的瞬态辐射感生电荷。
进一步地，在步骤S1中，辐照源为脉冲激光器；
在通过辐照源诱发半导体测试器件产生感生信号的过程前，打开脉冲激光器，预热15分钟。
进一步地，在步骤S1中，半导体测试器件为晶圆级半导体器件，其中，晶圆级半导体器件至少包括裸片NMOS单管。
进一步地，在步骤S2中，移动半导体测试器件的移动间距为0.5μm。
进一步地，在步骤S1中，感生信号为SET脉宽在百ps量级的微弱单粒子瞬态脉冲信号。
用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量装置，
脉冲激光器，用于作为单粒子效应和瞬态剂量率效应的辐照源，诱发半导体测试器件产生感生信号；
探针测试平台，用于放置半导体测试器件，并与脉冲激光器配合，诱发半导体测试器件产生感生信号；
供电系统，用于为测量装置供电；
控制系统，用于通过控制探针测试平台、脉冲激光器、供电系统，实现诱发半导体测试器件产生感生信号并进行信号采集；
高频示波器，用于采集感生信号。
进一步地，探针测试平台由物镜、CCD相机、三维移动台、探针台、真空泵、T型偏置器组成；
探针台设置在三维移动台上端，用于固定半导体测试器件；
三维移动台用于移动半导体测试器件；
T型偏置器设置在探针台的一端，用于实现对半导体测试器件加电，以及隔离直流信号和采集高频信号；
真空泵与探针台连接，用于真空吸附半导体测试器件；
物镜设置在探针台的上方，用于将脉冲激光器的激光聚焦到半导体测试器件的表面，其中，物镜为50倍物镜；
CCD相机设置在物镜的正上方，用于采集聚焦效果，并根据聚焦效果，通过调整物镜，将激光聚焦到半导体测试器件的表面。
进一步地，探针台包括探针、探针合架、载物台；
探针设置在载物台上，用于为半导体测试器件提供偏置信号以及采集半导体测试器的高频交流信号；
探针合架设置在三维移动台的上表面，用于放置探针夹具；
载物台设置在探针台架的中间位置，与真空泵连接，用于固定半导体测试器件。
进一步地，探针包括射频探针和直流探针；
直流探针用于施加偏置信号；
射频探针用于采集高频交流信号。
用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量系统，其特征在于：测量系统用于实现测量方法，包括，
信号发生模块，用于将半导体测试器件固定在测试区域并通过直流电压源为半导体测试器件进行供电，通过辐照源诱发半导体测试器件产生感生信号；
定位模块，用于通过移动半导体测试器件，获取半导体测试器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置；
第一信号采集模块，用于基于敏感位置，固定辐照源的入射位置，改变辐照源的入射能量，采集不同能量下的第一辐射感生信号；
第二信号采集模块，用于固定入射位置和入射能量，通过改变直流电压源的电压，采集不同电压下器件的第二辐射感生信号；
数据获取模块，用于根据第一辐射感生信号和第二辐射感生信号，获取半导体测试器件的瞬态辐射感生电荷；
存储模块，用于存储第一辐射感生信号、第二辐射感生信号、瞬态辐射感生电荷以及测量系统产生的其他系统数据。
本发明的技术方案为：
(1)以脉冲激光作为辐射效应的辐射源，对待测晶圆级半导体器件进行照射，诱发辐射感生信号；
(2)定制半导体探针测试台，将待测晶圆级半导体器件固定在探针台上，并连接好供电电路，等待脉冲激光的辐照；
(3)通过光路调节系统，实现不同辐照效应的测试，主要方式为变更光路调节系统中的聚焦物镜，若进行单粒子辐照效应测试，聚焦物镜可选为50倍或100倍物镜，若进行瞬态剂量率辐照效应测试，则不采用聚焦物镜激光进行聚焦；
(4)通过计算机控制系统设定好脉冲激光器辐照试验参数，并控制探针台三轴的移动最终找到辐照半导体器件的目标区域；
(5)通过供电系统，实现半导体器件的供电，供电正常后可对器件辐照脉冲激光；
(6)通过高频示波器，实现辐照感生信号的采集，并通过计算得到半导体器件辐照效应的感生电荷；
(7)若对半导体器件进行应力可靠性测试，可通过供电系统对器件施加电压应力，通过探针台的加热操作对器件施加温度应力，然后再辐照脉冲激光进行辐射效应感生信号测试即可。
通过以上系统，可以捕获晶圆级半导体器件产生单粒子效应和瞬态剂量率效应的初始脉冲信号和感生电荷，以及获得不同应力，如电压、温度等条件下的感生脉冲信号的电荷。该系统为裸片半导体器件的辐射效应测试提供了技术支持，系统获取的辐射感生信号的电荷收集规律可以为半导体器件的抗辐射加固设计提供依据。
图1是本发明的系统构成图，该系统主要包括脉冲激光器、探针测试平台、供电系统、计算机控制系统及高频示波器。该系统可用于裸片级芯片的单粒子瞬态脉冲效应、瞬态剂量率效应及不同应力条件下器件的可靠性研究，该技术利用脉冲激光试验技术，可精准触发器件内部关键节点发生辐射效应，感生信号通过高频滤波电路最终被高带宽示波器采集和存储。该探针平台可采集到瞬态脉宽在百ps量级的辐射感生信号。
图2是本发明的技术原理图，主要由皮秒激光器、CCD相机、三维移动台、探针台、真空泵、直流电源、T型偏置器、示波器以及控制计算机组成。脉冲激光器用于单粒子效应和瞬态剂量率效应的辐照源，诱发电子器件产生感生信号。真空泵和探针台上的载物台同时使用实现被测芯片通过真空吸附的方式固定在载物台上。探针台架主要用于放置探针夹具，探针通过夹具固定并接触在晶圆级半导体芯片管脚上。该台架固定三维移动台上，实现激光辐照位置沿x、y、z三个方向的移动。试验时采用的探针分为直流探针和射频探针，直流探针用来施加偏置信号，射频探针主要用来采集高频交流信号。T型偏置器实现对待测器件加电的目的，同时也可实现隔离直流信号采集交流信号的功能。高带宽示波器实现辐照诱发的高频单粒子瞬态脉冲信号的采集，该测试系统可采集SET脉宽在百ps量级的微弱单粒子效应脉冲信号。
具体测试步骤如下：
(1)打开脉冲激光器，预热15分钟，使激光器稳定工作；
(2)打开试验系统的成像界面，将半导体测试器件放在探针载物台中合适位置，并打开载物台上的真空泵，将样片吸附固定在载物台上；
(3)结合成像界面视图和探针底座的移动按钮，分别将射频探针和直流探针放到半导体器件的pad上方(此时暂不使探针接触到样片pad)；
(4)通过射频传输线将射频探针与T型偏置器相连，并将T型偏置器的输出信号接入高频示波器，并将示波器设置为信号采集模式；
(5)将探针向下移动，使其与芯片pad良好接触，随后通过直流电压源为被测样品进行供电；
(6)光路调节系统中的聚焦物镜采用50倍物镜，并将激光聚焦到芯片表面，载物台移动间距设为0.5μm，手动移动载物台，找到脉冲激光诱发器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置；
(7)固定激光入射位置，改变激光能量，测得不同激光能量下该器件的辐射感生信号并保存数据；
(8)固定激光入射位置和入射激光能量，改变器件供电电压，测得不同电压下器件的辐射感生信号并保存数据；
(9)若需对被测器件进行瞬态剂量率辐射试验，将物镜物镜更换为无即可；若需对被测器件进行温度应力测试，通过探针台加热系统使其加热到一定温度后再辐照脉冲激光即可。
(10)完成测试内容后，断电、上移探针，整理试验台，并处理试验数据。
本实施例中，对裸片NMOS单管进行了单粒子效应的感生信号测试试验，并通过计算得到了单粒子效应感生电荷，图3为高频示波器测得的辐射感生信号和收集电荷量。
本发明解决了晶圆级半导体器件的辐射效应测试问题，同时开发了多种测试条件，并且实现了辐射感生信号的测量精度，为小尺寸晶圆级半导体器件的辐射效应研究提供了技术支持。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将半导体测试器件固定在测试区域并通过直流电压源为所述半导体测试器件进行供电，通过辐照源诱发所述半导体测试器件产生感生信号；
S2.通过移动所述半导体测试器件，获取所述半导体测试器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置；
S3.基于所述敏感位置，固定所述辐照源的入射位置，改变所述辐照源的入射能量，采集不同能量下的第一辐射感生信号；
S4.固定所述入射位置和所述入射能量，通过改变所述直流电压源的电压，采集不同电压下器件的第二辐射感生信号；
S5.根据所述第一辐射感生信号和所述第二辐射感生信号，获取所述半导体测试器件的瞬态辐射感生电荷。
2.根据权利要求1所述用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法，其特征在于：
在步骤S1中，所述辐照源为脉冲激光器；
在通过辐照源诱发所述半导体测试器件产生感生信号的过程前，打开所述脉冲激光器，预热15分钟。
3.根据权利要求2所述用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，所述半导体测试器件为晶圆级半导体器件，其中，所述晶圆级半导体器件至少包括裸片NMOS单管。
4.根据权利要求3所述用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量方法，其特征在于：
在步骤S2中，移动所述半导体测试器件的移动间距为0.5μm。
5.根据权利要求4所述用于半导体瞬态辐射感生电荷的测量方法，其特征在于：
在步骤S1中，所述感生信号为SET脉宽在百ps量级的微弱单粒子瞬态脉冲信号。
6.用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量装置，其特征在于，包括，
脉冲激光器，用于作为单粒子效应和瞬态剂量率效应的辐照源，诱发半导体测试器件产生感生信号；
探针测试平台，用于放置所述半导体测试器件，并与所述脉冲激光器配合，诱发所述半导体测试器件产生所述感生信号；
供电系统，用于为所述测量装置供电；
控制系统，用于通过控制所述探针测试平台、所述脉冲激光器、所述供电系统，实现诱发所述半导体测试器件产生所述感生信号并进行信号采集；
高频示波器，用于采集所述感生信号。
7.根据权利要求6所述用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量装置，其特征在于：
所述探针测试平台由物镜、CCD相机、三维移动台、探针台、真空泵、T型偏置器组成；
所述探针台设置在所述三维移动台上端，用于固定所述半导体测试器件；
所述三维移动台用于移动所述半导体测试器件；
所述T型偏置器设置在所述探针台的一端，用于实现对所述半导体测试器件加电，以及隔离直流信号和采集高频信号；
所述真空泵与所述探针台连接，用于真空吸附所述半导体测试器件；
所述物镜设置在所述探针台的上方，用于将所述脉冲激光器的激光聚焦到所述半导体测试器件的表面，其中，所述物镜为50倍物镜；
所述CCD相机设置在所述物镜的正上方，用于采集聚焦效果，并根据所述聚焦效果，通过调整所述物镜，将所述激光聚焦到所述半导体测试器件的所述表面。
8.根据权利要求7所述用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量装置，其特征在于：
所述探针台包括探针、探针合架、载物台；
所述探针设置在所述载物台上，用于为所述半导体测试器件提供偏置信号以及采集所述半导体测试器的高频交流信号；
所述探针合架设置在所述三维移动台的上表面，用于放置探针夹具；
所述载物台设置在所述探针台架的中间位置，与所述真空泵连接，用于固定所述半导体测试器件。
9.根据权利要求8所述的用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量装置，其特征在于：
所述探针包括射频探针和直流探针；
所述直流探针用于施加所述偏置信号；
所述射频探针用于采集所述高频交流信号。
10.用于半导体器件瞬态辐射感生电荷的测量系统，其特征在于：所述测量系统用于实现所述测量方法，包括，
信号发生模块，用于将半导体测试器件固定在测试区域并通过直流电压源为所述半导体测试器件进行供电，通过辐照源诱发所述半导体测试器件产生感生信号；
定位模块，用于通过移动所述半导体测试器件，获取所述半导体测试器件发生单粒子瞬态脉冲信号的敏感位置；
第一信号采集模块，用于基于所述敏感位置，固定所述辐照源的入射位置，改变所述辐照源的入射能量，采集不同能量下的第一辐射感生信号；
第二信号采集模块，用于固定所述入射位置和所述入射能量，通过改变所述直流电压源的电压，采集不同电压下器件的第二辐射感生信号；
数据获取模块，用于根据所述第一辐射感生信号和所述第二辐射感生信号，获取所述半导体测试器件的瞬态辐射感生电荷；
存储模块，用于存储所述第一辐射感生信号、所述第二辐射感生信号、所述瞬态辐射感生电荷以及所述测量系统产生的其他系统数据。
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| CN114626205A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-06-14 | 西北核技术研究所 | 面阵光电图像传感器辐射瞬态响应的模拟方法及模拟装置 |
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2021
- 2021-10-28 CN CN202111264358.1A patent/CN113985240A/zh active Pending
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