重离子SEE加固保障测试方法优化

一般来说，在采用重离子开展单粒子效应加固保障测试过程中，在重离子单粒子锁定试验之前，通常最好是完成重离子单粒子翻转试验。这是由于单粒子锁定试验需要在加热条件下进行辐照，而单粒子翻转试验通常不需要加热。更简单的方法是首先在室温下完成辐照试验，然后再进行加热条件下的辐照试验，这是由于冷却器件至室温时一般需要一定的时间。另外，对测试器件来说，单粒子锁定试验可能具有潜在的破坏特性，为了能够在试验过程中最大限度地获得有效和准确的试验测试数据，在选择离子进行照射时，推荐从具有最大LET离子条件下开始进行重离子单粒子效应敏感型评估试验。

（一）测试准备

1.辐射源

重离子辐射源通常能够提供单能的某元素高能离子。对于一些输出重离子能量非常高的离子源，可以通过金属箔的阻挡作用对离子能量衰减后，实现利用单个高能粒子源来产生一定范围的LET离子。从第3章讨论可知，当离子能量足够高时，离子穿透半导体敏感区域时将有足够的能量沉积（LET）以产生诱发SEU或者SEL的机制发生，如果能量不够高，则可能会导致试验结果的不充分或错误的结论。试验中必须考虑器件芯片表面覆盖层对离子能量和LET值的影响。应当注意的是，假如不能观察到SEU或者SEL发生的机制，即使辐照到非常高的注量水平也不能确保器件在空间应用功能正常。对于一些高SEU阈值或SEL阈值的器件，高能离子（其LET值低于LET阈值）也可能会诱发核反应产生次级粒子引起SEU或者SEL，但是，低能离子本身的电离过程不会诱发SEU或者SEL。因此，对于给定LET值的离子，其最坏情形的能量就是最大能量。在加固保障测试中，所有的加速器重离子辐射源可为用户提供各种能量离子在材料中的射程分布范围，但在确定器件敏感区深度以及覆盖层厚度时，最简单的方法是联系生产厂家获取相关器件结构工艺数据，但是，由于厂家一般都不会提供关于器件结构工艺参数的任何具体信息，因此关于器件的敏感区深度和覆盖层厚度等参数的获取，常常都是对器件进行破坏性物理分析而得到，并且一般都需在选择重离子加速器试验设备前完成。这里应该注意的是，有些加速器设备（串列加速器）提供的离子能量范围不足以确保所有的单粒子效应能观察到，尤其是对具有较厚的氧化物覆盖层和包含有金属层的先进工艺制造的集成电路，这种现象将表现得更加明显。

这里应当指出的是，重离子源设备的合理利用会提高单粒子效应加固保障测试的有效性。有些重离子源设备（重离子加速器），改变离子种类与能量通常和改变器件一样能快速实现；我们知道，试验测试中反复变换试验样品会增大样品器件、试验固定装置和连接线缆损坏的风险，所以，对于这样的重离子源设备，最好的利用就是用来测量单个试验样品（或者在单个测试板上安装的系列样品器件）的SEU或者SEL截面与LET值的关系，而不是更换器件去测试样品之间的不同单粒子效应特性。但对于其他的一些重离子加速器设备，改变离子能量和种类不容易实现，最好的利用方法是在改变离子能量和种类之前实现对多个器件的试验测试表征。

2.辐射剂量测定

质子试验中关注的基本问题同样适用于重离子试验。对于SEU和SEL试验，必须测量剂量以确保离子注量的精确度在±10%以内，离子注量率必须选择在比较合适的数值范围内，使得在合理的时间周期内，可以实现试验所要求的总注量（107 ion/cm2）。对于一般器件的SEU和SEL加固保障测试试验，重离子注量率的典型范围是104～106 ion/（cm2·s）。

设备使用用户应该咨询设备操作者以确定如何明确器件钝化层的试验流程，以及确定器件敏感表面的离子LET的组合使用流程。我们知道，在照射离子能量一定的情况下，集成电路敏感层内重离子LET值主要取决于器件内部覆盖层的类型和厚度，以及敏感层在器件内的深度。离子穿过不同材料的LET值可以通过计算得到，而且大多数重离子SEE设备的操作者或试验终端平台都提供相关的计算结果。但是，如果器件覆盖层的成分和厚度不能准确知道，在进行重离子表征试验时，最好不要使离子入射进入一定厚度的覆盖层，如果不能精确地实现这一点，那么加固保障测试就不能只是简单地记录入射到器件表面的LET值，但在假设覆盖层材料类型及厚度的情况下，可以计算得出入射到器件表面的LET值，但实现起来比较困难。

3.器件准备

在全世界范围内，除了少数几个离子源（重离子加速器），大多数用于器件重离子表征的离子源都是相对低能的，离子射程在数十到数百微米范围内变化，这个射程不足以穿透商用器件的封装层，因此，所有器件在试验前都要进行去封装处理。对于有些类型的器件，需要去除封装材料而暴露出背面的衬底，由于衬底的厚度是数百微米，一般离子源提供的重粒子难以穿越器件内部的功能区域，必须对衬底进行减薄处理。如果减薄刻蚀的过程不能实现完全均匀，这个过程将会导致离子穿过器件背面衬底时引起能量和LET值的改变，在试验前，用户需要确定这种减薄背面衬底的方法和工艺实现过程，使得其对离子特性的影响降到最低。

4.试验电路板

重离子试验用的电路板同样必须有良好的设计和结构布局。质子试验中有关器件安装、对准、设备放置等的描述同样适用于重离子试验，图4-56给出了一个加固保障测试中采用的一般试验电路板示意。在试验电路板方面，性能良好的线缆非常重要，在进行远程操控前应该确认线缆的正确操作方式，除非有另外的特殊要求，否则所有器件的输入终端以及其他可能影响辐射响应的任何接口在辐照试验中都应该进行电性连接，比如不能处于悬浮状态。重离子束流的束斑直径随设备不同而不同，常常可由用户提出控制要求，其典型尺寸是束斑直径为2～5 cm。器件温度的控制同样可以用质子试验方法中提到的措施进行控制。

图4-56　重离子试验典型电路板

5.试验环境装置

对于低能重离子（＜10 MeV/nuc）试验设备，通常都要提供真空装置（如真空罐），且离子照射试验样品器件必须在真空环境装置中进行，以防止重离子在空气中产生额外的能损。对于高能重离子试验设备，可在空气中进行试验，这会大大简化试验装置和连接线缆。同质子试验一样，器件要在真空室里冷却。冷却装置必须合理设计以兼容重离子真空装置。

6.试验电路板对准

DUT必须在要求的角度上对准束流中心，除了同质子试验一样的对准要求外，如果重离子试验是在大气条件下进行，在计算器件表面的LET值时，必须将重离子在空气中传播的距离考虑在内。所有重离子设备都有调整入射角度的机构，在大角度入射时必须注意器件的封装或者连接插座不能阻挡束流，保证束流的X、Y、Z位置仍旧能够实现对准；由于大角度入射时会增加离子束流被遮挡的可能性，降低了有效LET值，加固保障测试中，推荐离子入射角最大限制在约45°，特别是对体硅工艺制造的器件和集成电路来说，更要提出如此要求。

7.单粒子翻转、单粒子锁定和总剂量表征

表征器件单粒子翻转和单粒子锁定敏感性的重离子加固保障试验流程通常与质子试验基本流程相似。对于单粒子翻转截面的表征测试，必须在多个试验条件下完成。理论上，单粒子锁定试验允许进行功能测试和电流监测。有些器件的单粒子翻转截面同样对总剂量敏感，除非已知其敏感性，否则应该假设器件的重离子SEU截面是对总剂量效应敏感的。重离子表征试验的典型最大离子注量范围为106～108 ion/cm2。

8.单粒子瞬态效应

和质子类似，重离子撞击敏感逻辑节点，也会产生瞬态信号。在数字电路中，单粒子瞬态信号会沿着开路传播，到达锁存器或者其他存储单元，如果瞬态信号的幅度和脉宽足够大，就能改变存储单元的状态。在模拟电路中，瞬态信号会直接影响电路的模拟输出，影响系统运行。关于数字电路和模拟电路的单粒子瞬态效应分析和试验指导可参考本章节中相关说明。但是，和质子试验一样，用户应该注意SET已成为新型工艺技术下CMOS数字电路逐步关心的热点问题，在模拟电路中也在持续关注。

（二）重离子诱发单粒子翻转测试流程

重离子单粒子翻转试验基本流程如图4-57所示。最初试验应该在没有经总剂量辐照的器件上进行（最初试验中常常会发生不可预期的问题，最初用无累积总剂量辐照的器件，可将总剂量辐照的器件数保持在最少）。试验设备与DUT以及与控制试验的系统用线缆连接，对器件施加偏置电压，用万用表或者伏特计确认DUT的偏置电压。用最小试验模式和偏置电压对器件进行试验前的测试，确保器件功能完全正常。DUT上被照射器件的芯片对准照射束流中心，束流对准DUT后，如果有需求时将其封闭安装在试验真空环境装置内。如需加热则对器件进行加热，并在温度达到要求后静置5～10 min待其稳定。以上这些都应该在关闭束流室之前完成。一旦确认DUT功能正常，温度设置正确，则可以进行束流照射试验。

图4-57　重离子单粒子翻转加固验证试验流程

调整试验设备，提出试验要求的离子种类和LET值，以及初步试验需要的离子通量；确认试验设备的束流通量等条件。初步试验应该选择LET值高于预期LET阈值（是在器件未经总剂量辐照下的LET阈值）的条件下进行。LET阈值的近似值可从相关技术文献或者试验经验中得到，对于大多数商用器件来说，LET值大于30 MeV·cm2/mg即可满足要求。

用最小偏置电压对器件施加电压，并用与总剂量辐照试验中采用的试验模式对器件进行编程写入，离子注量设定为系统运行要求的最大注量。

1.基本表征试验

在辐照器件过程中，在动态测试情况下，当获得的预期翻转数达到标准规定要求或者辐照注量达到最大时（无论哪个先满足）就停止试验。考虑到获取的试验数据的最大统计可信度，获得的翻转数应该尽可能多（＞100），但如果是SRAM或者类似的器件，其翻转数不应该超过总存储量的1%。对于静态测试，一旦注量达到试验要求，就读取器件并记录翻转数。如果翻转数比预期值大，则停止试验，相反则试验继续进行。试验需要的离子注量大小依据最初测量试验而定。如果是对SRAM或者类似器件进行试验，且翻转数占总存储量的比例明显（大于1%），则试验应该用较小注量水平开始。注意每次试验后，对DUT用试验过程中所用的数据模式进行重新编程写入，若没有测量到错误，则试验可按照要求继续进行；若重新编程写入后测量到错误，则移除偏置电源约0.5 s后再重新加电，再对器件进行重新编程写入。如果仍检测到错误，则器件可能出现功能异常，或者器件对微剂量效应或者单粒子诱发的粘位效应敏感，则样品用新器件替代后试验继续进行，但是如果这些失效在新器件上仍能观测到，则应该对微剂量效应或者粘位效应进行表征分析。如果器件在重新循环供电后功能正常，这有可能是辐照过程中出现了单粒子锁定现象，如器件确实发生了单粒子锁定，则记录的翻转数不准确或者是错误的，数据不能用于计算软错误率。对于有效的错误数，应该是DUT在试验过程中无单粒子锁定发生情况下测试获得的数据。如果单粒子锁定连续高频发生，则不能测量器件的单粒子翻转截面，器件是否可用将取决于系统应用以及发生SEL时的重离子LET值。注意，通常SEU试验最坏情形下对应的偏置电压是SEL试验的最不敏感偏置条件。(www.xing528.com)

2.确定总剂量敏感性

对比分析辐照累积总剂量达到系统最大总剂量80%的器件的单粒子翻转截面与无总剂量辐照器件的单粒子翻转截面。如果对SRAM或者类似器件进行测试，必须用最少数量的器件进行确定。如果确定单粒子翻转截面是对总剂量敏感的，那么后续所有的试验都必须用总剂量辐照了的器件进行。

3.确定最坏情形的偏置电压

下一步试验应该是确定器件的最坏情形的偏置电压。这个试验不仅仅是在标准体硅器件上进行，其他器件也是必需的，如SOI等其他类型的器件。用最大偏置电压对器件进行加电，并用最坏情形的数据（试验）模式对器件编程，设定注量至预期能获得翻转数的值，辐照器件，测量翻转数。对比分析最大偏置电压和最小偏置电压下的翻转截面，如果没有明显的差异，则最坏情形的偏置电压是器件最小偏置电压。

4.单粒子翻转截面与重离子LET值的关系

利用上述试验的结果，即可知道最坏情形的试验条件，下一步就是确定单粒子翻转截面与重离子LET值之间的关系，可用于确定空间环境下的软错误率。不改变入射离子的种类或者能量，增大入射角能增大离子有效LET值，典型入射角是0°、30°和45°。对于体硅器件，由于大角度会使得有效LET值变得不准确，且器件的封装或者引脚很有可能会影响束流，因此一般推荐入射角度不超过45°。试验中必须确保器件封装面不会阻挡束流。如果SEU截面会随着总剂量而变化，则需要安装一个被辐照了系统总剂量80%的器件进行测试。另外，也有近似有效LET值方法不能使用的情形，此时表征试验应该至少包括5个不同LET值的数据点。

如果SEU截面不随着总剂量而变化，则可以随意安装一个已经经过总剂量辐照的器件，也可安装一个没有辐照的器件。用最坏情形的供电电压偏置器件，用最坏情形的试验数据模式对器件进行编程。对于静态测试，设定粒子注量至预期要得到的翻转数对应的注量，然后辐照器件，在静态测试中，一旦离子注量达到要求则停止试验，记录翻转数，如果翻转数接近或者超过了预期值，则停止试验，相反地，则试验应该继续直至离子注量达到最大值。注意：随着离子LET值的增大，截面也会呈现增大趋势，因此，逐步增大的注量将会导致更多的翻转；反之，随着离子LET值的减小，截面呈现减小的趋势，要想得到预期的翻转数就必须要更高的离子注量。对于动态测试，翻转数应该在试验过程中确定，离子注量应设定为最大注量水平。当记录到预期的翻转数后停止试验。一旦完成此步骤，则改变不同离子，重复上述试验直至LET值足够减小到确定了LET阈值为止。建议确定不再发生单粒子翻转的LET阈值的最小注量是5×107 ion/s。类似地，增大LET值直到SEU截面饱和或者达到试验设备的最大LET值。由此就可得到SEU截面和LET值的对数曲线。如果SEU的LET阈值＜40 MeV·cm2/mg，且器件将会用在质子环境中，推荐再进行质子试验确定质子SEU敏感度。相反地，如果器件SEU的LET阈值＞40 MeV·cm2/mg，则没必要进行质子试验。因此，比较有效的方法是在进行质子试验前先进行重离子试验，可利用重离子的试验结果判定是否需要进行质子试验。

（三）重离子诱发单粒子锁定测试流程

重离子单粒子锁定加固验证试验基本流程如图4-58所示。

试验第一步是与设备操作员联系沟通调整束流的离子种类和能量至输出最大LET值，离子注量调节至初步试验需要的大概通量。通过咨询有经验者确定试验所需通量的设备条件。通常，要求离子通量尽可能大，除非单粒子锁定截面已经确定了。在试验中，一方面，离子注量要足够低以确保两次单粒子锁定之间的时间足够长，能有足够的时间移除电源消除单粒子锁定。例如，当检测到单粒子锁定而移除电源需要0.5 s，则离子通量应该设定足够小，以防止单粒子锁定发生的平均频次超过10 s一次。另一方面，离子通量也必须足够大以在合理的时间段内完成试验。注意：对于大多数试验设备，离子通量不能足够低到满足商用器件的试验要求，如果遇到这种情形，真正的SEL截面要比测量值大得多，则处理数据时必须将移除供电电源的死时间从辐照时间内减去，以确定辐照器件的有效通量（注量）。

图4-58　重离子单粒子锁定加固验证试验基本流程

重离子单粒子翻转试验的准备流程同样适用于重离子单粒子锁定试验。设定离子注量至最大注量（具体注量值依据系统而定，还要考虑系统中如果使用多个同类型器件时的累积总注量），设定单粒子锁定检测电流为超过静态偏置电流的10%。

如果系统对单粒子锁定不免疫，当记录到单粒子锁定时就停止辐照，器件没有通过测试；如果在最大注量下没有检测到单粒子锁定，则器件通过测试，无须再进行后续试验。

如果发生单粒子锁定的概率可以接受，则需要完整的SEL截面以评估系统所用器件的危害风险。如要确定SEL截面，则当记录SEL的次数超过100或者辐照注量达到最大值时（二者具备其一，无论哪个条件先达到）停止辐照。注意每次记录单粒子锁定后，偏置电压必须移除0.5 s的时间，然后再重新加电，器件必须重新编程（如果进行功能测试试验时）。如果单粒子锁定数超过了100，试验停止，如果进行的是功能测试，且在一些试验点功能不再正常，则单粒子锁定试验引起了器件永久性失效，则需要停止试验。如果没有检测到单粒子锁定，则应该重新测试其功能。如果不可能在设备上进行功能测试，则应该在试验后带回实验室进行功能测试。

改变离子种类前先改变离子入射角度，然后再衰减束流或者改变离子。重复试验直至在最大注量下没有检测到单粒子锁定。如果试验观测到的SEL的LET阈值＜40 MeV·cm2/mg，且器件会用在质子环境中，则必须进行质子试验以确定质子SEL敏感度。相反地，如果在LET值低于40 MeV·cm2/mg时没有观测到单粒子翻转，则不必进行质子试验。因此在质子试验前先进行重离子试验是更有效的试验流程，可以根据重离子的试验结果判定是否需要后续的质子试验。

（四）重离子诱发单粒子烧毁试验流程

重离子单粒子翻转试验流程中重离子束流和器件等的准备过程同样适用于重离子单粒子烧毁试验。对于单粒子烧毁试验，重要的是选择能量足够高能穿透器件顶部的离子，能在器件敏感层具有有效的LET值。对于功率MOSFET，敏感层非常深，不能认为LET值在敏感内保持常数不变，通常，给出的LET值是器件表面的LET值，其与穿透敏感层的LET值略有不同，因此有可能要计算有效LET值，即穿过敏感层的平均LET值。在任何情况下，试验设备不能提供能量不足以表征SEB特性的离子，对于功率MOSFET，经研究表明单粒子烧毁和单粒子栅击穿除了与离子LET值有关外，可能与离子种类有关。

重离子单粒子烧毁试验的偏置电压在标准MIL-STD-750 E的方法1080中给出。将DUT对准束流垂直入射的中心位置，并放置在距离出束口预期的位置。测试DUT的功能，测试其功能完全正常后开始试验。用最大漏极偏置电压对DUT加电，设定最大注量（这与系统有关，而且如果系统用了多个相同类型器件时还应该考虑累积离子注量），设定记录重离子SEB的电流阈值为器件静态漏极偏置电流的10%。如果是进行非破坏性SEB试验，要限定最大漏极电流，例如，通过在DUT漏极的测试电路上加入一个限流电阻。SEB的敏感性随着入射角度增加而减小（也就是说垂直入射时SEB敏感性最大），SEB的敏感性也会随着温度的升高而降低，因此，SEB试验的最坏情形条件是室温下的垂直入射，SEB的验证试验就应该在这样的条件下进行。在SEB试验中不允许通过改变离子入射角度的方式来改变有效LET值，如果系统应用对SEB事件不能容忍，辐照至最大注量水平，如记录到SEB即停止试验，器件没有通过测试。如果在最大注量水平下没有记录到SEB，对器件重新进行功能测试（例如分析电流-电压曲线），若器件功能仍然正常，则器件通过测试，无须进行后续试验。如果能接受SEB的危害或者当器件的电压降低时，建议得出了SEB截面和/或SEB电压阈值与离子LET值的相互关系。

假如要确定SEB截面，当SEB次数超过100或者辐照总注量超过最大注量时（二者具备其一，无论哪个先达到），停止辐照。注意每次记录SEB事件后，必须移除偏置电压约0.5 s，然后再重新加电。如果SEB事件数超过100，则停止试验。

通过改变离子种类或者它的能量来改变离子LET值，重复试验直至在最大注量水平下没有记录到SEB。如果观测到SEB的LET阈值低于40 MeV·cm2/mg，且器件会用在质子环境中，则必须进行质子试验以确定器件的质子SEB敏感性，相反地，如果在40 MeV·cm2/mg以下没有观测到单粒子翻转，则不必进行质子试验。

（五）重离子单粒子栅击穿试验流程

重离子单粒子栅击穿试验的基本流程与单粒子翻转和单粒子锁定的试验流程基本一致，其束流准备和器件准备的流程与要求和重离子翻转试验类似。

重离子栅击穿SEGR的偏置电压配置要求在标准MIL-STD-750 E的方法1080中给出，对于晶体管用最大栅极偏置电压对器件进行加电，对于非易失性存储器用最大偏置电压会使得写入电压最大，而对于其他类型的器件应该用最大功率的偏置电压对其进行加电。非易失性存储器应该在写操作下进行测试。设定注量至最大注量水平。对于晶体管，设定记录SEGR的栅极电流阈值至一个适当的值（要高于系统噪声，但是也要足够低，能检测到栅极电流明显增大即可，其值在1 nA～1 μA即可满足要求）。SEGR的发生概率与温度关系不明显，但随着入射角度的增加而减小。因此，SEGR的最坏情形试验条件是室温环境下的垂直入射。SEGR试验中不允许通过改变入射角度的方法改变有效LET值。对于晶体管或者分立器件，当电流显著增大时停止辐照。如有可能，可通过测量伏安特性来确认是否发生SEGR。如果确认是发生了SEGR，则在此LET值下器件没有通过测试。对于非易失性存储器或者其他IC，辐照至最大注量水平，测试IC的功能以及静态偏置漏电流的增加值。如果IC功能不再正常或者出现永久性的大电流，则器件在此LET值下没有通过测试。如果在最大注量水平下没有检测到SEGR，则器件通过测试，无须再进行后续试验。如果系统应用能接受一定程度的SEGR，则建议得到了SEGR截面和/或SEGR电压阈值与离子LET值之间的关系。对高压器件降额是功率MOSFET常用的处理方法，因为其能降低氧化物电场，降低SEGR的敏感性。

进一步试验是确定SEGR的LET阈值。通过改变离子种类或者改变离子LET值，重复进行试验直至在最大注量和预期电压下没有观测到SEGR。类似地，在给定LET值下，通过降低器件的栅极电压进行试验直至没有观测到SEGR，从而确定SEGR阈值电压。如果观测到SEGR的LET阈值低于40 MeV·cm2/mg，且器件在质子环境下应用，则还必须进行质子试验，相反地，如果在LET值低于40 MeV·cm2/mg时没有观测到单粒子翻转，则不必进行质子试验。

应该注意的是，上述描述的重离子SEGR试验并不能总是表明离子撞击破坏了氧化物的整体性，但可以在辐照后通过栅极压力试验（Post-irradiation Gate Stress Test，PGST）进行分析。对于PGST试验，是利用栅极电压的变化来测试氧化物的完整性，其具体方法在MIL-STD-750F（1080.1）中给出。PGST已经证明重离子辐照能导致栅极氧化物失效，因此，SEGR试验应该包括PGST测试。