一种soi器件的脉冲激光等效let值计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间辐射技术领域，特别是涉及一种SOI器件的脉冲激光等效LET值检 测方法。
【背景技术】
[0002] 单粒子效应是影响器件空间可靠性的最重要的电离辐射效应之一，严重威胁航天 器在轨的安全可靠运行。器件抗单粒子效应特性的评估一般采用高能重离子加速器和质子 加速器进行。但由于重离子、质子加速器等大型试验装置的运行和操作的实际问题，往往会 导致单粒子效应评估试验的周期和成本大幅提高，甚至严重阻碍器件的正常研制和空间任 务的顺利完成。相对与加速器大型试验装置而言，脉冲激光模拟器件单粒子效应试验手段 具有精确的单粒子效应空间和时间分辨特性，能量连续可调，无放射性，无须抽真空，操作 便捷，试验效率高，成本低等特点。因而脉冲激光作为有效的单粒子效应评估方式在国内外 都得到了广泛的应用，已经成为单粒子效应特性评估和防护设计验证的有效手段。近年来， 国内外都建立了脉冲激光模拟单粒子效应试验装置，形成了快速、成本低的器件单粒子效 应敏感度评估能力。
[0003] LET(Linear Energy Transfer，线性能量转移)值是评价宇航电子器件单粒子效 应敏感性的关键工程技术指标之一。由于脉冲激光、重离子诱发器件单粒子效应的物理机 制不完全相同，而且在实际试验中，聚焦后的激光光斑尺寸受到激光波长、聚焦装置、光学 衍射等限制，激光的电离径迹宽度比重离子的电离径迹宽度大得多。另外，随着器件集成度 的提高，器件正面金属层越来越密集，脉冲激光正面入射辐照器件的试验技术受到很大限 制，而脉冲激光背部辐照器件的试验技术得到广泛应用，但对于激光背部辐照器件的情况， 器件的多层结构会显著影响激光能量的传输。这些使得准确计算脉冲激光能量诱发单粒子 效应的对应等效LET值，成为制约脉冲激光模拟单粒子效应试验方法在工程实践中应用的 主要技术问题。
[0004] S0I(Silicon on Insulator，绝缘体衬底上的娃)与传统体娃器件相比，在器件和 衬底之间通过一层隐埋氧化层隔开，器件仅制造在表层很薄的硅膜中，如图1所示。图1中， 101为源区，102为栅极，103为漏区，104为埋氧层，105为衬底。STI(Shallow Trench Isolation)是SOI结构工艺中的浅沟槽隔离区。η指的是SOI结构中的η型掺杂区域。这种独 特的结构使得S0I器件没有传统体娃M0S(Metal-0xide-Semiconductor，金属-氧化物-半导 体)器件的闩锁效应，有较好的抗辐照能力。但由于S0I器件的结构于传统体硅工艺器件的 结构不同，现有相关的脉冲激光等效LET值计算方法是基于典型体硅工艺器件结构建立的， 当应用于S0I器件时，准确性较低。
【发明内容】
[0005] 基于此，有必要针对现有技术准确性较低的问题，提供一种S0I器件的脉冲激光等 效LET值检测方法。
[0006] -种SOI器件的脉冲激光等效LET值检测方法，包括以下步骤：
[0007] 在去除SOI器件硅衬底之后，对SOI器件进行辐照扫描，得到SOI器件发生单粒子效 应的入射激光能量；
[0008] 根据空气、埋氧层和硅的折射率、激光从空气到埋氧层的反射和透射系数、从埋氧 层到空气的反射透射系数、从埋氧层到硅的反射和透射系数以及从硅到埋氧层的反射和透 射系数，计算激光穿过SOI器件的埋氧层的能量透射率；
[0009] 根据到达灵敏区时的激光光斑半径和灵敏区的横向尺寸计算光斑影响参数；
[0010] 根据所述入射激光能量、能量透射率和光斑影响参数确定脉冲激光等效LET值。
[0011] 上述S0I器件的脉冲激光等效LET值检测方法，通过对去除硅衬底的S0I器进行辐 照扫描，计算S0I器件的入射激光能量、激光穿过S0I器件的埋氧层的能量透射率以及光斑 影响参数，并根据所述入射激光能量、能量透射率和光斑影响参数确定脉冲激光等效LET 值，该方法可以用于航天、航空以及地面电子系统中SOI器件的脉冲激光模拟单粒子效应试 验评估中，快速、低成本、更为准确地获得器件单粒子效应敏感度的关键指标LET值。
【附图说明】
[0012] 图1为S0I结构图；
[0013]图2为现有技术的方法不意图；
[0014]图3为本发明的S0I器件的脉冲激光等效LET值计算方法流程图；
[0015]图4为激光背部入射去除衬底的S0I器件示意图；
[0016]图5为激光穿过埋氧层发生多光束干涉示意图；
[0017]图6为800nm激光的透射率随埋氧层厚度的调制变化示意图；
[0018] 图7为能量高斯分布的激光光斑覆盖单粒子效应灵敏区的一维示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明的S0I器件的脉冲激光等效LET值计算方法的实施例进行 描述。
[0020] 如图2所示，现有的脉冲激光等效LET计算方法针对典型体硅工艺器件，在激光背 部辐照器件的试验方式下，考虑脉冲激光在芯片衬底材料中传输过程的能量衰减及累积， 分析器件正面金属布线和衬底内表面对激光多次振荡反射造成的影响，计算灵敏区域内部 对单粒子效应有贡献的所有脉冲激光能量值。然后根据激光能量与重离子LET值的等效原 理计算等效LET。图2中，201为器件背部，202为激光束，203为硅衬底，204为有源区，205为激 光焦平面，206为器件正面，207为钝化层，208为金属层。
[0021] 现有技术的技术方案是基于典型体硅工艺器件结构建立的，S0I器件的结构不同 于典型体硅工艺器件的结构，因而对于S0I器件该技术并不适用。现有技术的一大特征是考 虑了激光在器件衬底内的多次震荡反射，但其计算基于激光传输和器件的理想条件，而且 计算过程中所涉及的参数在实际应用中较难测量。随着器件工艺尺寸的缩减，激光光斑的 尺寸远大于单粒子效应敏感区的尺寸，因而在脉冲激光能量等效LET的计算中需要考虑激 光光斑尺寸的影响，但现有技术并未考虑。
[0022]为解决上述问题，本发明提供一种脉冲激光等效LET值计算方法。如图3所示，所述 脉冲激光等效LET值计算方法可包括以下步骤：
[0023] S1，在去除SOI器件硅衬底之后，对SOI器件进行辐照扫描，得到SOI器件发生单粒 子效应的入射激光能量；
[0024] 与图2所示激光传输过程类似，脉冲激光背部入射辐照SOI器件。由于SOI存在空 气/Si(硅)衬底、Si衬底/Si02(二氧化硅)等不同介质的界面，激光会在界面处发生反射现 象，继而在Si衬底内产生多次震荡反射。器件Si衬底的厚度一般为几百微米，激光穿过这么 厚的Si会发生严重的吸收衰减现象，最终严重影响入射到器件有源区的激光能量。假设激 光的入射能量是E0，反射次数为η，第i次穿越Si层后的总能量损失为Δ Ei，i = 1，2，…，η，则 最终的出射激光能量为Ε0-△ Ε2η。这些使得激光能量传输计算和测试过程变得复杂，难以 得到准确结果。对于Si衬底对入射激光能量的影响，现有的计算方法是基于激光能量传输 和器件的理想条件，而且计算过程中所涉及的参数在实际应用中较难测量，这对脉冲激光 等效LET的计算造成了很大的误差。因此，在对SOI器件进行辐照扫描之前，可以去除SOI器 件硅衬底，从而提高计算精确度。可通过刻蚀去除SOI器件硅衬底。
[0025] XeF2(二氟化氙)是一种对Si进行等离子体刻蚀、反应刻蚀中常用的工作气体。在 刻蚀中，XeF 2气体会吸附在硅表面，即使在没有外部能量的条件下，XeF2也会自发分解产生 氙气和氟，而氟可在室温下对硅片进行较高速率的刻蚀。XeF 2刻蚀的主要优点为:首先它是 一种干法刻蚀，其刻蚀反应产物均可由真空系统抽除，基本没有刻蚀污染;其次这种刻蚀对 许多材料具有很尚的选择比，例如^氧化娃、氣化娃、错及光刻胶等，其中XeF2对^氧化娃 刻蚀选择比都可高达1000:1 Α0Ι器件的埋氧层一般为Si〇2材料。因此，XeF2具有对Si/Si〇2 很高的刻蚀选择比的特性非常适用于刻蚀去除SOI器件的Si衬底。
[0026] 利用XeF2反应刻蚀去除S0I器件Si衬底的基本流程可包括如下步骤：
[0027] 首先，可通过酸腐蚀开封方法将S0I器件背部开封。对于常见的塑封和金属封装器 件一般采用酸腐蚀开封的方法。
[0028] 然后，可在经开封的S0I器件正面采用灌封胶进行填充。通过这种方式可保证XeF2 反应刻蚀过程中器件固定不受损伤。
[0029]最后，可将经填充的S0I器件放入XeF2反应刻蚀装置中刻蚀，直到S0I器件衬底硅 材料全部刻蚀去除，露出埋氧层二氧化硅表面。
[0030]如图4示意，激光背部入射辐照去除Si衬底后的S0I器件，完全避免了衬底对激光 入射的反射、折射、吸收衰减等作用。在图4中，401表示激光，402为Si衬底，403为埋氧层， 404为有源区，405为环氧树脂。
[0031 ]对于脉冲激光模拟器件单粒子效应试验，一般通过步进扫描测试的方法对整个测 试器件进行辐照扫描，最终获得器件发生单粒子效应的入射激光能量Eo。激光能量通过适 用于相应激光波长的激光能量计进行测量。
[0032] S2,根据空气、埋氧层和硅的折射率、激光从空气到埋氧层的反射和透射系数、从 埋氧层到空气的反射透射系数、从埋氧层到硅的反射和透射系数以及从硅到埋氧层的反射 和透射系数，计算激光穿过S0I器件的埋氧层的能量透射率；
[0033]具体地，计算激光穿过S0I器件的埋氧层的能量透射率的步骤可包括：
[0034] 计算两束相邻透射光束的相位差；
[0035] 根据所述相位差计算总的透射光束的复振幅；
[0036] 根据透射光束的复振幅与入射光束的振幅计算激光的透射系数；
[0037] 根据所述透射系数计算所述能量透射率。
[0038]如图4所示，对于去除Si衬底后的SOI器件，激光背部入射到埋氧层(例如，可以是 Si02)表面，穿过埋氧层后入射到器件有源区。根据激光传输原理，由于存在空气/埋氧层和 埋氧层/Si两种界面，激光在其传输路径上会发生多次反射、折射现象。由于埋氧层的厚度 一般为几百纳米，一般小于所激光试验所采用的激光波长，因而穿过埋氧层的激光束会产 生多光束干涉，埋氧层对激光能量的透射率有调制作用。对于脉冲激光等效LET计算首先应 确定埋氧层对激光能量的影响，即计算激光穿过埋氧层的能量透射率T。
[0039]由于激光模拟单粒子效应试验的辐照方式是激光垂直入射器件背面，在计算激光 穿过埋氧层的透射率时也只考虑正入射情