基于10 keV X射线的总剂量效应实验技术实现与应用

马武英，张鹏飞，陈 伟，姚志斌，丛培天，何宝平，董观涛

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室；西北核技术研究所： 西安 710024)

随着核技术和航天事业的发展, 对电子系统在辐射环境下可靠性和寿命的要求越来越高。为满足辐射环境应用需求，新一代航天器等先进装备采用纳米器件已成为必然。因此，需针对纳米器件开展空间辐射效应研究，为其在辐射环境中的应用奠定基础。然而，在进行纳米MOSFET器件总剂量效应实验研究中不可避免地要解决辐照过程中加偏置和准确测量辐射响应规律等工程技术问题。如40 nm MOSFET的栅氧层厚度小于3 nm，静电击穿对器件影响极为严重。对辐射效应研究而言，“防静电电路”是把“双刃剑”，对MOSFET晶体管加防静电电路能有效提高器件的抗静电击穿能力，有利于提高器件划片、键合和封装过程的产品良率，便于辐照实验及测试工作的开展。同时，由于防静电电路在辐照中的退化及本身特性，增加防静电电路会对辐射效应结果产生超预期的影响。此外，工业界统计表明先进电子器件封装成本约占35%，且封装所需的时间周期较长。因此，综合考虑以上因素，晶圆级总剂量效应实验平台对解决纳米器件总剂量效应研究过程中遇到的问题具有重要意义[1-3]。

10 keV X射线源具有屏蔽简单及剂量率控制准确等优点，是目前国外普遍采用的总剂量效应模拟实验源之一[4-5]。美国圣地亚国家实验室、海军实验室、陆军实验室、欧洲核子中心和意大利帕多瓦大学等机构均配备有X射线源辐照平台，并开展了大量的总剂量效应研究工作, 制定了相应测试标准ASTM F1467-99[6-8]。国内X射线总剂量效应实验平台建设的相关研究机构较少，X射线辐照效应研究起步也相对较晚，工业和信息化部电子第五研究所曾购置ARACOR 的 Model4100 X 射线产生装置，开展了相关效应研究，但由于缺乏维护，该设备现已不能正常运行。中国科学院新疆理化技术研究所组建了一台X射线源总剂量效应实验平台[9-12]。为解决国产电子元器件总剂量效应实验过程面临的问题，本项目组在多年X射线装置建设经验和总剂量效应研究的基础上搭建了10 keV X射线晶圆级总剂量效应平台。本文将介绍该10 keV X射线总剂量效应实验平台的基本组成，给出相关指标参数的测量结果，并基于此平台开展了40 nm MOSFET器件的总剂量效应实验研究。

1 晶圆级总剂量实验平台的基本组成

晶圆级总剂量实验平台如图1所示。由图1(a)可见，晶圆级总剂量实验平台可分为5个部分：(1)X 射线产生系统，由高压电源和X射线管组成，并配备自主开发的控制软件，可实现长线远程控制X射线开关、设置电源和调节剂量率大小，并实时监测电源工作状态；(2)探针台系统，采用气浮隔震设计，最大程度地降低抖动对测试的影响，同时配备了手动8 inch(1 inch=2.54 cm)载物台，可兼容探卡和探针测量，为操作方便，射线管和显微镜通过精密电机驱动方式移动，移动精度小于10 μm，且满足移动过程产生的抖动不影响扎针；(3)辐射防护部分，综合考虑辐射防护和设计加工，采用1 mm厚钢+1 mm厚铅+2 mm厚钢的夹层结构作为屏蔽外壳，在线缆引出部分采用U型槽设计，对屏蔽体内部暴露在辐射环境中的电子系统采用铅遮挡的辐射屏蔽方式；(4)温度控制部分，主要由水冷循环降温系统和加温辐照系统组成，其中，水冷循环降温系统主要用于降低工作中射线管的温度和用于高温实验过程中加热卡盘及探针的隔热，加温辐照系统主要用于开展高温辐照实验、高温退火实验和负偏压不稳定性(negative bias temperature instability，NBTI)的可靠性实验中样品的加温；(5)晶圆级测试部分，针对晶圆级测试提供了2种测量解决方案：一是利用探针直接进行辐照中加偏置和参数测量；二是采用探卡、转接线缆和矩阵开关连接模式，实现辐照中加偏置和参数测量。

2 晶圆级总剂量实验平台的主要指标

2.1 辐射场指标

图2为电压V不同时，X射线辐射能谱。兼顾转换效率和耐用性，当前转换靶采用钨靶，在钨材料轫致辐射特征峰(8.5，9.8，11.4 keV)附近辐射光子份额显著增强。能谱满足美国材料与实验协会的半导体装置及集成电路电离辐射效应X射线测试仪的标准使用指南 ASTM F1467-2011相关要求。

图4为d=4 cm时，探针台载物平台上光斑积分图像。由图4可见，在不同的电压电流条件下，辐照区域直径均能达到10 cm，且在该面积范围内光斑均匀性良好，辐射区域可满足大尺寸电路板或多芯片同时实验的需求。

2.2 晶圆级测量指标

在总剂量实验过程中常需对实验样品施加偏置条件，同时在辐照结束后能实现实验样品电参数测量。晶圆级总剂量测试平台如图5所示。

现有总剂量效应实验平台对晶圆级样品测试提供2种解决方案：(1)基于探针座的直接施加偏置和测量方式，支持8路探针同时扎针，电流测量精度在100 fA量级，如图5(a)所示；(2)利用探卡进行辐照偏置施加与测量的方式，采用3层屏蔽及高介电常数PCB等技术方案，并结合矩阵开关最大可支持48 pin探卡信号的引出和测量，电流测量精度在10 pA量级，如图5(b)所示。

3 基于10 keV X射线源的总剂量效应实验

利用晶圆级总剂量效应实验平台对40 nm MOSFET工艺器件开展了总剂量效应实验，样品是在40 nm CMOS工艺线上流片的NMOSFET和PMOSFET，宽长比W/L=25，样品不封装，采用探针扎针方式对实验样品进行辐照加偏和测量。实验样品的Pad扎针在龙门架移动、开关门及水冷循环系统开关等过程中表现出较好的稳定性，进一步验证了平台具有较好的防震能力。辐照过程中，NMOSFET器件开态偏置电压为VG_N=1.0 V，PMOSFET器件开态偏置电压为VG_P=-1.0 V，Vs=Vd=Vsub=0。图6为累积总剂量D不同时，40 nm NMOSFET和PMOSFET的转移特性ID-VG曲线。由图6可见，平台具有较好的电流测量能力，能准确测得关态漏电流从fA量级到nA量级的变化。

由图6(a)可见，VG_N=-0.1 V时，辐照前后，NMOSFET关态漏电流从1×10-13A增加到2×10-11A，阈值电压略向负漂移。隔离氧化层STI是导致关态漏电流增加的主要因素，因此，对于40 nm NMOSFET， 隔离氧化层是辐射敏感位置。由图6(b)可见，与NMOSFET相比，PMOSFET受总剂量的影响较小，关态漏电流未表现出明显的增强现象，但饱和漏电流降低和阈值电压略负向漂移。辐射在轻掺杂区(lightly doped drain，LDD)上方氧化层产生的氧化物陷阱电荷是造成阈值电压正向漂移的主要因素，而辐射在界面处形成的缺陷造成迁移率的降低应是饱和漏电流降低的主要因素[13]。

4 小结

本文给出了10 keV X射线总剂量效应实验平台的基本组成和主要技术指标，由剂量率、能谱和光斑面积的标定结果可知：平台的剂量率最高可达2 700 rad(Si)·s-1，剂量率满足ASTM F1467-2011标准要求，在高总剂量效应实验时具有独特优势，解决了钴源开展晶圆级总剂量实验时剂量率不高等问题；同时，利用平台对40 nm MOSFET开展了总剂量效应实验，由实验流程和结果可见，平台在实验过程中具有较好的稳定性，在晶圆级总剂量实验和辐射效应机制研究方面具有较好的应用前景。