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我所在電子材料阿爾法粒子測量技術方面取得關鍵進展

2020-09-01
來源：重點實驗室
供稿人：張戰(zhàn)剛
字體：大中小

經(jīng)過數(shù)月的技術攻關和平臺集成調試，突破一系列關鍵技術包括超低本底阿爾法粒子測量、免沾污制樣、能譜識別、宇宙射線影響分析等，我所在電子材料超低本底阿爾法粒子測量技術方面取得突破性進展，發(fā)射率測試指標達到0.001 α/cm²/hr（ULA等級）。該環(huán)節(jié)的打通使我所具備了一體化的電子器件阿爾法粒子軟錯誤評價能力，包括材料級發(fā)射率測試、器件級輻照試驗、粒子輸運仿真等，可廣泛應用于電子材料篩選和質量控制、軟錯誤率測試等，提升電子產(chǎn)品可靠性。

半導體器件的各種制造和封裝材料中存在痕量的鈾（U）、釷（Th）等雜質，這些雜質具有天然放射性，其釋放的阿爾法粒子具有較強的電離能力。目前，半導體器件中阿爾法粒子主要來源于模塑料、焊球、底部填充膠等，其發(fā)射率分為三個等級：普通、低阿爾法（LA）和超低阿爾法（ULA）。阿爾法粒子穿過電子器件時可產(chǎn)生大量的電子-空穴對，電子-空穴對被器件收集進而導致軟錯誤的出現(xiàn)。軟錯誤雖然可以被糾正，但當其發(fā)生在關鍵位置（如中央處理器指令緩存）且沒有被及時修正時，可能導致嚴重的后果。隨著集成電路工藝的持續(xù)發(fā)展，受集成度增大、供電電壓降低、節(jié)點電容減小等因素的影響，電離粒子在先進工藝器件中引起的軟錯誤成為應用可靠性的關鍵威脅。

在大氣環(huán)境中，軟錯誤主要來源于阿爾法粒子、高能中子和熱中子。我所輻照團隊最新的研究成果表明，65 nm工藝SRAM在北京地面應用時的總體軟錯誤率為429 FIT/Mb，其中阿爾法粒子的貢獻為71%（詳見文后鏈接）。在航空應用環(huán)境中，若不對電子材料進行阿爾法粒子發(fā)射率控制，其引起的軟錯誤率將同樣高于大氣中子，成為致命威脅。因此，針對高可靠、大規(guī)模電子系統(tǒng)進行阿爾法軟錯誤測試和評價，對提升產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

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圖 1 阿爾法衰變示意圖

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圖 2 半導體器件封裝中的阿爾法粒子來源（圖片來源：IBM）

阿爾法源輻照測試：https://doi.org/10.7498/aps.69.20201796

散裂中子源測試：https://doi.org/10.7498/aps.69.20191209

高海拔大氣中子測試：https://ieeexplore.ieee.org/document/8698898

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