基于重离子微束的单离子辐照系统研究

孙浩瀚,郭 刚,刘建成,张 峥,张付强,赵勇乐,杨 智

(中国原子能科学研究院,北京 102413)

空间环境中的高能带电粒子会导致卫星和航天器中的微电子器件发生单粒子效应(SEE),导致器件的逻辑状态发生改变,器件功能异常甚至损毁[1]。随着现代集成电路工艺的高速发展,微电子器件的特征尺寸不断减小,工作频率不断升高,SEE发生的概率也在不断增大[2-3]。重离子微束作为研究器件SEE物理机制和明确器件薄弱环节的重要手段,越来越得到研究重视。国内外相继建立了一系列微束实验装置,主要包括美国IBM实验室针孔型微束装置[4]、德国GSI聚焦型微束装置[5]、日本JAEA聚焦型微束装置[6]、中国原子能科学研究院针孔型重离子微束装置[7]以及中国科学院近代物理研究所聚焦型重离子微束装置LIHIM[8-9]等。基于重离子微束装置,研究人员在单粒子效应的电荷收集[10]、多单元翻转(MCU)[11]、瞬态脉冲(SET)[12]、敏感区定位[13-14]等方面取得了多项研究成果。

单离子辐照(SIH)技术是重离子微束中的关键技术之一,通过一系列监督控制方法将每次入射到器件上的离子数降低至1个。再结合微束μm量级的束斑尺寸,单离子辐照可高精度地在指定位置上辐照指定离子数,既可用来研究单个离子对器件的微观影响,也可排除多个离子同时入射给MCUs统计带来的干扰,提高实验的准确性[15-16]。具有代表性的例子是GSI在原有微束装置基础上建立的单离子辐照系统[5],该系统具备较高的稳定性,对FPGA器件进行单离子辐照后,研究人员获得了器件的单粒子效应敏感区以及MCU和SET的分布特征[15]。除器件辐射效应外,单离子辐照也可应用于生物细胞辐照中,如JAEA采用CaF2(Eu)闪烁体和CCD建立了可实时观测的细胞单离子辐照系统,空间分辨率达6.5～6.9 μm[16],可对数十μm的细胞进行针对性辐照。

基于北京HI-13串列加速器针孔型重离子微束装置建立单离子辐照系统,本文首先对系统的基本组成结构进行介绍,从理论上分析各因素对单离子辐照性能的影响;通过实时束流监测和束流开关快速控制,实现单个离子辐照;最后利用该系统针对28 nm SRAM器件开展单离子辐照研究,以获得单个离子诱发MCU的图形及概率分布,来验证系统在纳米器件辐射效应机理研究方面的可用性。

1 系统组成

1.1 基本结构

单离子辐照系统安装在HI-13串列加速器L30终端的辐照靶室中,总体结构如图1所示。系统主要由微束产生装置、微束定位装置、束流监督装置、单粒子效应测试装置以及支撑各装置的位移平台组成。加速器引出的重离子束流依次通过mm级预准直孔和μm级针孔后,形成了μm级的重离子微束;微束定位装置使用长工作距离显微镜和高灵敏度CCD对针孔和样品进行准直和定位;束流监督装置通过间接测量方法对离子注量率进行实时监测;单粒子效应测试装置主要是对离子辐照待测器件(DUT)后产生的效应信号进行测试和记录。除微电子器件外,样品位移平台还为其他样品如核孔膜等预留了安装位置,可适应不同的实验需求。

图1 单离子辐照系统示意图Fig.1 Schematic of single ion hit system

针孔是微束产生装置的核心,也是单离子辐照系统的重要组成部分。商用激光针孔在较大尺寸(10 μm以上)时质量良好,但达μm量级时,其激光工艺的锥形孔特征使离子散射严重,导致微束束斑偏大,且能谱中的低能杂散成分过多。单离子辐照系统中使用的针孔均为课题组自主研制的矩形针孔。针孔由两组互相垂直的狭缝拼接而成,每组狭缝又由两个刀片组成,详细信息见文献[17]。经测试,自研的针孔尺寸优于商用针孔,且能谱中穿过针孔后束流的低能杂散成分仅占约10%[17]。为满足不同需求,系统提供了一系列不同尺寸的针孔,包括2.3 μm ×3.5 μm的矩形自制针孔(图2)以及直径10、20、100 μm的商用圆形针孔。

PET膜经48 MeV S离子辐照,在37 ℃、4 mol/L的NaOH溶液中蚀刻40 min[17]图2 2.3 μm×3.5 μm针孔的束点分布Fig.2 Beam point distribution of 2.3 μm×3.5 μm pinhole

1.2 束流监督装置

实现单离子辐照的基本原理是通过对束流进行实时监督获取入射到样品表面的离子数,监测到单个离子入射后迅速切断束流,避免下一个离子通过束流开关。因此,束流监督装置是单离子辐照系统的关键组成部分。

束流监督装置由C膜、二次电子探测器和束流监督计算机组成,如图1所示。选用厚度7 nm的C膜,直接放置于束流线上,由于厚度很小,重离子穿过时几乎不会被散射或损失能量,只与C膜发生相互作用发射出大量二次电子;二次电子探测器选用通道型电子倍增管(CEM),与C膜呈45°放置,对C膜发射的二次电子进行实时高效收集。入射的离子数越多,C膜发射的二次电子数越多。由于电子倍增管相对束流的角度固定,根据电子逸出规律,电子倍增管收集的二次电子数与穿过C膜的入射离子数呈比例,同时穿过C膜的离子中存在固定比例的一部分离子穿过μm级针孔并入射到样品。因此,最终入射到样品的离子数与收集的二次电子数之间也存在固定的比例系数K,实验时根据K即可通过控制二次电子数来控制入射离子数。若束流强度发生变化,离子数和二次电子数将同比例变化,K保持恒定;但由于二次电子数仅收集了部分立体角内的二次电子,因此,若束流在不同部位的均匀性发生变化,K有可能发生波动。

在辐照离子数达到实验前设定的值后,计算机向高速快门发送1个信号迅速切断束流。该过程中单离子辐照系统外部和内部的多个因素均可能对单离子控制能力造成影响。首先是束流强度不能太大;其次是束流切断的速度必须快,即束流快门的开关时间必须短;另外,K、样品辐照时间、控制程序的响应时间等因素也会影响单离子控制性能。

2 影响因素理论分析

考虑到实际情况,加速器供束时一般仅提供靶室前端束流诊断系统中法拉第筒测量的束流强度I(A),流强I与注量率F(cm-2·s-1)的转换关系为:

(1)

式中:Nion为穿过针孔入射到样品上的离子数;Sp为针孔面积;t为辐照样品时间;SFC为法拉第筒的开口面积;Q为入射离子所带电荷量,为离子电荷数乘1.6×10-19C。

根据1.2节,单离子辐照样品前需先确定比例系数K。样品平台上安装有金硅面垒探测器,在辐照样品前先移入金硅面垒探测器,测量穿过针孔后的入射离子数,为便于与辐照样品时的计数对比,测量K时的离子数记N′ion,收集的二次电子数记N′electron,二者的比值即为K,如式(2)所示;辐照样品时,移开金硅面垒探测器,移入待测器件,实验前设定的辐照离子数用Ns_ion表示(特别地,当Ns_ion=1时为单离子辐照情形),则借助于已测得的K可设定相应的二次电子数Ns_electron,如式(3)所示。当电子倍增管监测到二次电子数达到目标Ns_electron时,由自动控制程序控制快门关闭,同时停止二次电子计数和辐照计时。

(2)

(3)

这种间接测量方法默认K在辐照样品前后的一段时间内保持恒定。实验时由于束流的均匀性变化以及离子数和二次电子数的测量误差等,K存在一定的波动范围。

由于入射离子服从泊松分布,则实际入射离子数Nion的数学期望E(Nion)可表示为:

E(Nion)=Ns_ion(1+P)=

(4)

式中:P为多离子辐照概率,定义为快门关闭前多入射到样品表面的离子数与Ns_ion的比值;tsw和tR分别为快门的开关时间和控制系统的响应时间。本次实验选用的高速快门开关时间为ms量级,而信号在控制系统中的传播很快,因此tR与tsw相比可忽略不计。

整合式(1)、(3)、(4),得到:

(5)

(6)

式中:C=Sp/QSFCNs_ion,考虑到单次实验时Q、SFC、Sp、Ns_ion一般不会变动,因此C为常数;D=KNs_electron/Ns_ion,若K保持恒定,D=1。

根据式(5),影响单离子辐照的因素主要为束流强度I和快门开关时间tsw;或根据式(6),影响因素为辐照样品前测量得到的K、快门开关时间tsw和样品辐照时间t。式(5)和(6)可相互推导,实际是等价的。

法拉第筒测量束流强度I时需阻断束流,不是实时测量,因此当短时间内的束流强度有一定波动时,式(6)中的实时测量更有意义;当束流较为稳定时,此时流强I近似为常数,因此式(5)更简单直观。式(5)、(6)可为选定实验参数提供指导和参考,即实现单离子辐照时需确保各参数满足P≈0,E(Nion)≈Ns_ion。

3 实验分析

对单离子辐照系统的性能进行实验分析,入射离子为140 MeV的S13+,平台位于HI-13串列加速器的L30终端辐照靶室。

3.1 比例系数K

首先需对K进行测量,观察K的稳定性。为验证束流强度的影响,选取了流强有一定波动的6个30 s时间段分别对K进行测量,结果列于表1。K的平均值为1.22×10-4,标准差为2.79×10-6,相对标准差为2.3%,表明K基本不受流强影响,较为稳定。

表1 K波动情况Table 1 Fluctuation of K value

3.2 单离子控制能力

测量K后,对单离子辐照系统的控制能力进行测试。使用金硅面垒探测器记录实际入射的离子数Nion,重复若干次后,观察Nion的统计情况。

Ns_ion=10和Ns_ion=1时,各自给出了其中的5组数据,列于表2和表3。K由表1平均值给出;Nelectron、辐照时间t、Nion为实验测量得到;tsw为实验前对快门的测试结果,约为60 ms;代入上述参数后,根据式(6),计算得到P和E(Nion)。

表2 Ns_ion=10时的实际入射离子数分布Table 2 Distribution of actual incident ion number at Ns_ion=10

表3 Ns_ion=1时的实际入射离子数分布Table 3 Distribution of actual incident ion number at Ns_ion=1

根据表2、3,Ns_ion=10和1时均出现了1次多离子辐照,实验过程中束流强度基本保持稳定,由于P为多入射进来的离子数与Ns_ion的相对值,因此在流强稳定的情况下,Ns_ion=1的P约为Ns_ion=10的P的10倍。图3给出了Ns_ion=1时,不同束流强度下更多Nion数据的分布。共测试高流强、低流强和过低流强3种情形,每种情况重复测试20次。将Nion等于Ns_ion的次数占总辐照次数的比例定义为单离子辐照准确率。高流强时,每秒辐照样品的离子数约5个,低流强时约2个,过低流强时约为0.4个。根据式(6),3种情形下的理论估计E(Nion)分别为1.3、1.12、1.024。

图3 不同流强时Nion的分布情况Fig.3 Distribution of Nion with different current intensities

对图3中各组实验数据求平均值可得,在高流强和低流强下,Nion平均值分别为1.35和1.1,与理论估计值E(Nion)接近。与高流强相比,当流强较低时,由于每次辐照的时间更长,快门开关时间的影响相对减小。根据式(5)、(6),多离子辐照概率P较低,因此单离子性能更好。低流强时仅2组数据出现多打现象,单离子辐照的准确率为90%;高流强时有6组数据出现多打现象,准确率为70%。而当流强降至更低,即每秒中穿过针孔的离子约0.4个时,理论上多离子辐照概率很低,P=2.4%,E(Nion)=1.024。但根据图3可知,此时的Nion分布不再以单个离子为主,单离子辐照准确率仅35%。这是由于此时流强过低,束流均匀性无法得到保证,K波动增大,二次电子数和入射离子数之间的对应关系变差,此时根据二次电子数已无法控制入射离子数,因此Nion与E(Nion)也失去了关联性。

上述分析表明,在快门时间60 ms、束流强度较低的情况下,该系统能以90%的准确率实现单离子辐照。同时,更低的束流强度和更短的快门开关时间有利于继续提升系统的单离子控制性能。但受加速器限制,束流的强度和均匀性不可兼得,流强过低使得均匀性变差,因此实验需在束流较为均匀、K值保持稳定时进行。

4 系统应用

在单粒子效应研究中,单个离子诱发多个单元同时发生翻转的现象为MCU,同时发生翻转的单元个数称作MCU的多重性M(例如三单元翻转的M=3)。选取了28 nm体硅工艺8T SRAM芯片作为待测器件,基于建立的单离子辐照系统开展了MCU研究。芯片存储区域为1 024×16 bit,周围是译码电路和时序电路,具体布局如图4所示。每个bit的分布区域均由16×64个存储单元组成,单元尺寸为2.17 μm×0.52 μm。分布区域均为正方形,宽度为39.0 μm。

图4 SRAM芯片布局示意图Fig.4 Schematic of SRAM layout

对bit1的中间区域进行辐照,辐照的离子总数为200,每个离子的入射均按单离子辐照进行。首先调节束流强度至1 s的入射离子数1～2个,此时测得K=1.25×10-4,相对标准差为2.6%,基本保持稳定。辐照SRAM芯片后,给出了MCU的翻转图案和多重性M的频率分布,如图5所示。

图5 单离子诱发的不同MCU图案(a)和多重性M频率分布(b)Fig.5 Different MCU patterns induced by single ion (a) and frequency distribution of M (b)

使用常规方法开展实验时,系统检测到多个单元同时翻转后,无法直接判断该次翻转是由单个离子导致的真实MCU还是多个离子同时入射导致的伪MCU。若芯片的版图已知,可通过发生翻转的单元是否在物理地址上相邻来估算伪MCU概率[18];若物理版图未知,一般只能通过算法或其他手段后期处理数据得到[19]。使用单离子辐照系统后,无需获得芯片版图信息或后期处理,实验时就可确定发生的多单元翻转为真实MCU,提高数据分析效率,为实验人员提供更多实时信息。

5 小结

本文在针孔型重离子微束装置的基础上建立了单离子辐照系统。对影响系统单离子控制能力的各因素进行了理论分析,表明K、束流强度和快门时间占主要地位;对各因素的影响进行实验验证,表明束流强度过低无法实现单离子辐照,实验前需保持束流均匀性良好;在现有的实验条件下实现了90%的单离子辐照准确率,并将系统应用在28 nm SRAM芯片中,获得了MCUs的分布情况。该系统在未来可通过提高快门速度进一步提高准确率,为单粒子效应研究提供有效技术支撑。