一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法
【专利摘要】本发明一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法，包括如下步骤：1）将待测试电路板上粘结存储器芯片的位置镂空；2）将存储器电路测试样品固定放置在三维平移台上，驱动三维平移台，使由外部激光器出射的脉冲激光经透镜后聚焦到存储器芯片背面，并固定存储器电路测试样品在竖直方向上的位置；3）驱动三维平移台移动，对存储器电路测试样品在二维平面进行扫描；4）FPGA开发板监测存储器芯片的输入和输出，找出并记录因脉冲激光对存储器芯片造成的数据翻转而产生的数据错误以及错误数据地址。本发明可在没有红外相机的情况下精确定位发生错误的位置。
【专利说明】一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的抗空间单粒子效应能力研究和分析方法。
【背景技术】
[0002]航天器在空间中遭受宇宙射线和地球辐射带粒子，以及大气中子等辐射。星载器件遭受辐射时会产生总剂量效应和单粒子效应。伴随着半导体工艺特征尺寸的降低，器件的单粒子效应越来越显著。开展航天电子器件单粒子效应的研究和分析，对于延长卫星寿命和提闻集成电路可罪性具有重要意义。
[0003]为了保障空间飞行器的安全可靠飞行，需要对航天电子器件进行地面模拟单粒子效应来评估单粒子效应性能。地面模拟单粒子效应的手段主要是重离子加速器试验，但重离子加速器试验成本较高，由于缺乏微束照射能力试验分辨精度低，不能分析器件内部结构，并且国内能够用于单粒子效应地面模拟试验的加速器极其有限，难于满足单粒子效应研究工作的需要。近年来脉冲激光作为重离子模拟单粒子效应的一种有效的补充手段越来越受到人们重视。
[0004]激光模拟单粒子实验是一种效率高、操作简便、安全无辐射、非破坏性可重复的实验，是一种比较成熟的实验技术。将脉冲聚焦在芯片表面形成约Ium的光斑，可以模拟空间辐射条件下重离子的打击。它可以有效的分析芯片的失效机理和定位失效，更细致的分析芯片对于重离子的敏感性，并得到器件内部的敏感区分布，进而反馈并指导器件的设计。深入开展单粒子效应的脉冲激光试验研究，对航天工程中器件和电路的抗辐射加固具有重要意义。
[0005]随着芯片制造工艺的发展，电路器件的特征尺寸越来越小，芯片的金属层数越来越多，由于金属层的反射，脉冲激光聚焦到芯片表面后难以穿透金属层到达器件的有源区。背辐照试验可以用来解决这一问题，将脉冲激光聚焦到芯片背面的衬底上，激光穿透器件衬底到达有源区，由于衬底的吸收光在传播时会损失一定的能量，因此脉冲激光在半导体中的穿透深度要大于衬底的厚度，1064nm的光在硅中吸收系数小，穿透深度可达IOOOum远大于衬底的厚度，适合于背辐照试验。背面辐照时不能找到特定的功能单元的确切位置，于是就难以获取电路中敏感节点的脉冲激光响应特性，从而也难以分析电路版图的敏感节点布局因素对单粒子性能的影响，为分析电路节点的单粒子敏感性带来很大困难。背部辐照时当激光聚焦到背部表面，透过器件的衬底照射到有源区时光斑会发散变大，因此要得到小光斑，激光要聚焦到器件的有源区，这和器件衬底厚度是相关的，给试验带来困难。
【发明内容】
[0006]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法，简化了样品制备的方法，解决了激光聚焦位置不确定性给实验带来的困难。
[0007]本发明的技术方案是:一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法，步骤如下:
[0008]I)制备存储器电路测试样品；
[0009]11)将待测试电路板上粘结存储器芯片的位置镂空形成镂空孔，所述镂空孔的形状大小为以存储器芯片形状大小为基准，四周预留2_的粘片区域，其余中心部分镂空；
[0010]12)将存储器芯片粘结在待测试电路板上，用铝丝将存储器芯片键合到待测试电路板焊盘上；
[0011]13)将FPGA开发板焊接在待测试电路板上；
[0012]2)将步骤I)制作的存储器电路测试样品固定放置在三维平移台上，驱动三维平移台，使由外部激光器出射的脉冲激光经透镜后聚焦到存储器芯片背面，并固定存储器电路测试样品在竖直方向上的位置；
[0013]3)驱动三维平移台移动，使外部激光器出射的脉冲激光对存储器电路测试样品在二维平面进行扫描；
[0014]4)FPGA开发板监测存储器芯片的输入和输出，找出并记录因脉冲激光对存储器芯片造成的数据翻转而产生的数据错误以及错误数据地址。
[0015]步骤11)中的待测试电路板为PCB板。
[0016]步骤2)中激光器出射的脉冲激光经透镜后聚焦到存储器芯片上的方法为:通过三维平移台使存储器电路测试样品在竖直方向上移动，得到各位置的脉冲激光阈值能量；所述的脉冲激光阈值能量为使存储器芯片发生数据翻转所需的最小的脉冲激光能量；选取脉冲激光阈值能量最小值所对应的位置，作为存储器电路测试样品在竖直方向上的位置。
[0017]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0018](I)存储器芯片管芯直接键合到测试电路板上，预留一定区域粘片，电路板被测区域镂空，激光从镂空区域入射到芯片背部衬底，这种样品制备方法避免了去封装和磨片等工序。
[0019](2)本发明可在没有红外相机的情况下定位发生错误的位置。
[0020](3)本发明利用器件敏感体特性提供了一种新的将脉冲激光聚焦到芯片有源区的方法。
[0021](4)减小了脉冲激光扫描试验由与内部单元规则分布所产生的试验误差。
[0022](5)简化了存储器芯片脉冲激光背辐照试验步骤，提高了脉冲激光试验效率。
[0023](6)降低了存储器脉冲激光背辐照试验的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明试验方法实现的流程图；
[0025]图2是存储器电路测试样品示意图；
[0026]图3是试验中存储器发生翻转激光阈值能量和聚焦深度关系图；
[0027]图4是试验中脉冲激光扫描方式示意图。
【具体实施方式】
[0028]图1说明了本发明存储器电路的脉冲激光模拟单粒子效应背辐照试验方法流程:
[0029](I)制备存储器电路测试样品；首先将待测试电路板上粘结存储器芯片的位置镂空形成镂空孔，所述镂空孔的形状大小为以存储器芯片形状大小为基准，四周预留2_的粘片区域，其余中心部分镂空；之后将存储器芯片粘结在待测试电路板上，用铝丝将存储器芯片键合到待测试电路板焊盘上；同时将FPGA开发板也焊接在待测试电路板上；
[0030]( 2 )将存储器电路测试样品固定放置在三维平移台上，驱动三维平移台，使由外部激光器出射的脉冲激光经透镜后聚焦到存储器芯片背面，并固定存储器电路测试样品在竖直方向上的位置；；
[0031](3)驱动三维平移台移动，使外部激光器出射的脉冲激光对存储器电路测试样品在二维平面进行扫描；
[0032](4) FPGA开发板监测存储器芯片的输入和输出，找出并记录因脉冲激光对存储器芯片造成的数据翻转而产生的数据错误以及错误数据地址。
[0033]现有的脉冲激光试验样品制备方法一般是将已封装好的芯片去除封装，主要需要腐蚀、减薄和抛光等复杂的工序。本发明中的试验样品制备是将未封装的存储器芯片的管芯直接键合到测试电路板上，电路板上芯片位置镂空并预留一定区域用于粘合芯片。
[0034]测试系统的搭建采用可编程逻辑电路固化软核，设定测试模式后自动进行由激光脉冲引起的翻转检测。
[0035]当激光聚焦到芯片背面表面时，激光透过芯片衬底到达有源区，激光的光斑会变大，本发明根据敏感体概念采用一种新的方法来使脉冲激光聚焦到有源区，即绘制出发生单粒子翻转脉冲激光阈值能量和聚焦深度的关系曲线，可以得到一个开口向上的一个类抛物线型曲线，曲线的最中心点就是激光聚焦到有源区的聚焦深度。
[0036]由于存储器芯片的版图一般由存储单兀按一定规则重复排列而成，试验扫描方式也是规则的矩形，扫描试验时可能会造成激光每次都入射到存储单元的同一位置。因此，在进行扫描试验时将脉冲激光扫描轨迹与芯片错开Θ角，采取这种方法可以避免发生试验上的统计误差。
[0037]图2是试验被测电路板的示意图。现有的脉冲激光试验样品制备方法一般是将已封装好的芯片进行去封装包括腐蚀、减薄和抛光等复杂的工序，本发明中的试验样品制备是将未封装的存储器芯片管芯直接键合到测试电路板上，电路板上芯片位置镂空并预留一定区域用于粘合芯片；由于芯片不加管壳直接键合到电路板的焊盘上，并且激光试验为背部入射方式，测试电路板制作时焊盘要采用水金工艺制作。电路板主要由待测芯片和数据处理模块FPGA开发板组成。其中待测器件存储器管芯大小为18.2mmX8.1mm，为了使光能够从背部入射，PCB板上芯片位置中间需要镂空，去除预留的2mm芯片沾胶区域，镂空孔的大小为14.2_X4.1_。待测器件的内核和IO端口电源通过接口由外部电源直供，与试验电路板的其他芯片供电完全独立，其它芯片由电源模块供电；电流通过电流表来测量；待测器件的输入信号由FPGA开发板提供，同时FPGA开发板采样待测器件的输出端信号，进行翻转的统计分析。
[0038]图3是试验中存储器发生翻转的激光阈值能量和聚焦深度关系图，横坐标为三维平移台竖直方向的移动距离，纵坐标为使存储器芯片发送数据翻转所需的脉冲激光阈值能量；利用脉冲激光模拟单粒子效应测试时，需将激光微束的聚焦平面置于器件的有源区，才能有效模拟重粒子电离径迹诱发单粒子效应的过程。而使用激光脉冲从器件背部进行辐照试验，如直接将聚焦光斑置于器件的娃衬底表面，则激光微束会沿着光路向衬底内部扩散，达到有源区的光斑尺寸将远远大于2?3μπι，进而无法准确测试器件的单粒子效应响应。因此，试验中需依据器件硅衬底的厚度调节脉冲激光的聚焦深度。存储类器件在吸收激光产生的电荷时有效的电荷收集区域为灵敏区，当激光没有聚焦到有源区即灵敏区时，有部分激光发散到周围区域，因此需要更大的能量来使器件发生翻转。当脉冲激光聚焦到器件的灵敏区里时器件发生翻转所需的最小激光能量基本稳定，因此，可以根据发生单翻转的激光阈值能量和聚焦深度关系判断激光是否聚焦到敏感区即有源区，图中抛物线底部较平坦区域表示脉冲激光聚焦到敏感区并获得了敏感区的厚度。
[0039]图4是试验中脉冲激光扫描方式示意图。存储器芯片是由存储单元规则重复排列而成，在激光频率和步距固定的情况下，为了消除器件内部构成规则分布可能造成的翻转截面的统计误差，旋转三维移动台与激光的扫描轨迹成一定角度，将图中Θ角与激光扫描轨迹成此角度。脉冲激光的扫描轨迹如图所示。
[0040]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法，其特征在于步骤如下: 1)制备存储器电路测试样品； 11)将待测试电路板上粘结存储器芯片的位置镂空形成镂空孔，所述镂空孔的形状大小为以存储器芯片形状大小为基准，四周预留2_的粘片区域，其余中心部分镂空； 12)将存储器芯片粘结在待测试电路板上，用铝丝将存储器芯片键合到待测试电路板焊盘上； 13)将FPGA开发板焊接在待测试电路板上； 2)将步骤I)制作的存储器电路测试样品固定放置在三维平移台上，驱动三维平移台，使由外部激光器出射的脉冲激光经透镜后聚焦到存储器芯片背面，并固定存储器电路测试样品在竖直方向上的位置； 3)驱动三维平移台移动，使外部激光器出射的脉冲激光对存储器电路测试样品在二维平面进行扫描； 4)FPGA开发板监测存储器芯片的输入和输出，找出并记录因脉冲激光对存储器芯片造成的数据翻转而产生的数据错误以及错误数据地址。
2.根据权利要求1所述的一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法，其特征在于:步骤11)中的待测试电路板为PCB板。
3.根据权利要求1所述的一种存储器电路的激光模拟单粒子效应背辐照试验方法，其特征在于:步骤2)中激光器出射的脉冲激光经透镜后聚焦到存储器芯片上的方法为:通过三维平移台使存储器电路测试样品在竖直方向上移动，得到各位置的脉冲激光阈值能量；所述的脉冲激光阈值能量为使存储器芯片发生数据翻转所需的最小的脉冲激光能量；选取脉冲激光阈值能量最小值所对应的位置，作为存储器电路测试样品在竖直方向上的位置。
【文档编号】G11C29/56GK103680640SQ201310675790
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】陈茂鑫, 范隆, 董攀, 陈莉明, 郑宏超, 岳素格, 杜守刚, 马建华, 王煌伟, 文圣泉, 毕潇, 于春青 申请人:北京时代民芯科技有限公司, 北京微电子技术研究所