GB_T 43967-2024 空间环境 宇航用半导体器件单粒子效应脉冲激光试验方法.docx

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1、ICS49.020CCSV06SB中华人民共和国国家标准GBH439672024空间环境宇航用半导体器件单粒子效应脉冲激光试验方法SpaceenvironmentTestmethodofsing1.eeventeffectsinducedbypu1.sed1.aserofsemiconductordevicesforspaceapp1.ication2024-04-255；ift2024-04-25发布国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会目次前言III1范围12烷范性引用文件I3术语和定义I4试验目的35试粉原理36一般要求36.1 试验环境36.2 试验样品36.3 i三条件参数设定36

2、.4 激光能埴分析56.5 试验人员56.6 单粒子效应脓冲激光模拟试脸装置要求66.7 激光辎射安全和辎射防护67试胎设计67.1 武验样品测成硬件设计67.2 试验样品测试软件设计67.3 道骁测成要求78试验过程78.1 试脸方案制定78.2 试验流程78.3 试验启动88.4 激光单粒子效应敏感度测试88.5 单粒子效应测试98.6 试验停止条件98.7 改变测试条件或测试程序98.8 更换样品99试滁结果处理99.1 试骁数据分析处理99.2 试验报告10附录A（资料性）单粒子效应时:冲激光模拟试验原理11本文件按照G&T1.1-2020后标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起

3、草规则的规定起草.请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的说任。本文件由中国科学院提出.本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAaTC425)归口。本文件起草单位：中国科学院国家空间科学中心、中国航天科技集团有限公司第八研究院第八O四研究所.木文件主要起草人：怖建伟、马英起、上官土眼朱翔、陈冬、李昌宏、游红俊、刘奎、赵旭、梁亚楠。III空间环境宇航用半导体器件单粒子效应脉冲激光试骐方法1M本文件规定利用脉冲激辐射源开展宇航用半导体器件似下简称“器件”）单粒丁效应模拟试的的试验设计与程序。本文件适用于宇航用半导体器件单粒子效应等的单光子或双光子吸收机制的脓冲

4、激光模拟试脸的试脸设计与过程控制.2粕物性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件.GBrr7247.5激光产品的安全第5滞分：生产者关于GB7247.1的检查清单GBT19022测量管理体系测址过程和测址设备的要求GB274!8测量不确定度评定和表示GRrr32304航天电子产品静电防护要求GBT39345-2020字肮用处理器器件单粒子试舱设计与程序3*三*1.卜列术语和定义适用于本文件.3.1单粒子效应sing1.eeventMreCt：S

5、EE单个高雌r作用于器件所引发的翻特、锁定、烧毁等现象.3.2子一转sing1.eeventUpSet;SEC单个高旄粒子作用于器件，引发器件逻4ft状态发生变化的一种效应.3.3Mft7Wsing1.eevent1.atdSB.整个高能粒子作用干硅衬底电路,导致寄生可控硅结构导通，造成器件低电阻、大电流状态的一种辐射效应3.4sing1.eeventhrno（tEB单个而能粒子作用于半导体功率器件,导致寄生晶体管导通，造成器件大电流、高电压状态被击穿或热损坏的一种效应。单粒子功能中断sing1.ewntAncticninternet;SEFI单个高能粒子作用于芯片功能区，导致芯片无法正常配置

6、，失去功能的一种效应.1.inearenergytransfer;1.Er带电粒子沿径迹单位长度沉积的能居。注：单位为兆电子伏平方厘米侬克(V011V11)激光入射俺*incident1.aserenergy激光入射到被试器件表面的单个脓冲激光的能埴值。注：单位为雌耳”J)，pu1.sed1.aserf1.uence入射到被试器件用位面积的脓冲激光总数.注：单位为每平方厘米3.3.9SbfcWMttS1.aserefectiveenergy脉冲激光从器件正面或衬底面进行辐射，透发电荷被器件有源区内的敏感PN结收柒后产生同高能粒子作用结果相同在有源区内沉积的能盘.注I电位为雌用Gir3.10于1

7、.ET值equiva1.ent1.inearenergytransfer：E1.ET以激发的电荷信为参照麻，M1.1.ET但来我征脉冲激光在器件疔源区内单位长度沉枳的能R,注：单位为电子伏特平方厘米每亳克(v7他3.11激光有效能地阈值effectiveCnerKy1.hreShOIdof1.aser送发中粒子效应发生所需要的最低脉冲激光有效能ht击单酗皮焦1加1).3.12激光单粒子事件IK面SinGeeventcrosssectioninducedby1.aser堆位脉冲激光注量导致单粒子效应发生的次数或概率.注：单位为平方理米诲器件短曲器件)或平方微米f驰(n(),3.13MbMtttW

8、UBSN1ftStfiisi1.ivcareamappingby1.ast脉冲激光对被试器件逐点扫描，同步检测和记录器件发生单粒子效应的情况，获得被试器件内都对单粒子效皮敏感的空间分布特征，记录区域坐标信息。3.14SbM三SM6971.aserspoteffectfactor聚焦激光束到器件有源区内对运发单粒子效应具有贡献的激光有效能状与整个激光光斑有效能玳的比值.4试目的通过脉冲激光单粒了效应试验，获得器件单粒r效应发生的阈侑，单粒了效应截面与入射激光能设（对应由窗子等效1.ET值）的关系,测得器件发生单粒子效应的敏感位置信息，测得岩件单粒子效应的敏感性，5 tttt*三脓冲激光能铁模拟试

9、验空间高能粒子在器件中产生单粒子效应，是由广聚焦后的单个激把脓冲能够通过光致电离的作用机制，在器件内部产生热电荷密度的电离径迹（大量额外的电子空穴对）,当光子能埴大于半导体禁带宽度时,价带电子吸收光子引起的电子从价带到导带的跃迁形成光致电离.依据其产生一个电子-空穴对需要吸收的光子个数分为单光子吸收（SPA）、双光子吸收（TPA）和多光子吸收（MPA）等机制,具体,原理见附录A.6 Ta求6.1 CttMt试脸环境条件应满足：a）环境温度：20C30C;b）相对湿度：25%60;C）沽净度：激光装置光路开放条件下等级优F十万级：d）静电防护：符合GB,T3232的规定；e）振动：激光装置先路时

10、,于隔振光学平台上，对激光聚焦平面上下振幅影响小于3山1卜6.2试验样M要求如下。a）同一批产品的被试器件数量应不少干3只：被试器件应测试合格：杼一个被试器件应编号,并在试脸中按编号id数据，b）而未封装的裸芯片宜采用COB（板上芯片）封装并暴露村底面：已经封装完好的被试器件应优先从器件村底而开孔被.被试器件应优先背部开孔暴露硅衬底，开封装后应保诅封装材料完全被去除，除特殊要求下器件应完全绿球。倒装封装的被试器件应从H装正面开孔；非倒装塑封被试器件,从封装背面开孔.C）被试器件的正面开帽应符合GBb39343-2020的规定。开帽后,拍照记录芯片的特征（芯片版本号）,应对被试器件进行常态功能和

11、电性能测试，测试合格的被试器件方可进行后续试验，d）开箱后的被试器件在运输中，应采取防机械冲击、防静电等措施.&3a采用最芯劣测试条件进行单粒子效应测试.应符合GB,T39343-2020的规定,还应根据卜列要求64激光能量分析6.4.1激光能量测量与监测试验湍件备求分析应符合GBrr39543-2020的规定,激光能量测盘与监测应满足以下要求：a)选择合适的优双砥程，并且测依前熨位；b)试验时,能量计探头光窗与激光光斑聚焦平面的即.离在能址计可承受的最大能收密度范围内：c)保证激光垂/I入射能比计表面；(I)具备实时监测脉冲激光入射能E,和实时记录脉冲激光地我频率的能力。64.2激光镜量值设

12、定辐射试验激光能反值设定宜满足以下要求.a)参照与被试器件结构、工艺接近器件的单粒子效应用位试验数拉：，推测被试器件的单粒子效应1.ET网值范用：或依照试验方案设定测试所备的1.ET值.b)根据推测的1.ET能位范围或设定试验方案确定的1.ET(ft,按照诙发器件单粒子效应的I.ET值与激光有效能INEC及入射能凝E.的对应关系,根据吸收机制的不同，单光子吸收机制利用公式(D确定试5金备要的初始入射激光能肽.双光子吸收机制情况下利用公式(2)确定试验需要的初始入射激光能量：1.aET小kR,-.,1.)，：式中：E0入射到被试器件表面的激光旎量值.胞位为皮焦耳SD;。-器件内材料发生眼光子吸收

13、机制的吸收系数，单位为每显米(CmjXd一器件衬底原度,由位为闻米(EXk一一诱发携件单粒子效应的1.ET值与激光有效能StE的对应关系系数：R器件去面反射率；Rr器件金属层反射率：f激光光斑影响因子；C1重离子与激光产生一个电子空穴对的比值.单位为电子伏特(CV);A试脸采用的激光波长，单位为纳米(nm):B潞件内材料发生双光子吸收机制的吸收系数，单位为占瓦每厘米(GWJcm):P器件内材料的密度,单位为克每立方厘米(g0115);h普朗克常数，单位为牛顿米林杪(NnvS)：c光速，单位为米每杪(WS);W脓冲激光宽度，单位为秒(6)：O激光光斑面积，单位为平方迎米Q伸)。6.5试驶人员试脸

14、人员应经过相关知识培训才能上饱，具有紫急事件处理能力.具体要求如R7.37.11M被试器件试验电路板安袋调试应满足以下要求：a）将连接好的试验电路板固定在三维移动台上，检测功能和通信是否正常：b）保证试验电路板与试验台的移动一致性，保证入射激光光束与被试器件系碟表面夹角。湎足89.500900,7.3.2激光聚焦平面位置设定应满足以下要求：a）正面输射器件时激光能穿透跳件金屈布技层以到达有源区内：b）背面辐射涔件时激光穿透深度大于村底厚度以保证激光可到达器件有源区内。Mift被试器件打描区域设定应满足以卜要求：a）粗盅整个被试器件或拟测试的特定区域：b）测状被状器件管芯或者拟测试区域的长度和宽

15、度数俏;C）保证三维移动台在扫描区域匀速运动：d）宽度b不小于b）要求测得的宽度.8Xims试验前应制定试验方案，应包括以下内容：a）试验方案编号和试验方案名称：b）试验目的：O试验地点、试验日期及试验环境：（1）试验设备的名称.型号、用途及校准情况：e）激光能量、脓冲激光注处及扫描辎射方式：0被试薪件的名称、类别,型号规格、批次、封装形式、数量、生产单位、质属等级.工艺样品开封装及衬底减薄处置情况等：g）试验期间时被试器件加的测试条件；h）单粒子效应试验的类别及测试要求：测试周期、翔率、测试程序和温度及判据：i）日程安排：j）试验内容及方法：k）试验数据记录及分析处理方法：D特殊说明.&2a

16、）建立被试器件暴露的表面的二维坐标系,确定扫描起始原点：b）获取移动台传感器数据：C）利用脓冲激光对被试洪件进行逐点扫描辐射并记录发生总粒了效应的位置信息，同步检冽和记录器件发生单粒了效应的情况；（1）绘制敏感区域坐标分布图。利用效应检测系统对被试器件进行单粒了效应测试，记录被试器件发生的总粒f效应类别和数!、脓冲激光注起激光入射能量；如需要时测试记录单粒子效应故感位置坐标信息。&6满足卜列条件之一，可结束试脸：a）在试验方案规定的最高目标1.ET值或10,脓冲/er?激光脉冲注量下没有发生单粒子效应:b）按照试验方案，完成了所有样品的超射试骏并获得了一定数川的单粒子效应数量统计&7当试股方案

17、有规定时，改变测试条件或测试程序遂行辎射。记录被试器件发生的的粒子效应类别和数耳、激光注很、激汜入射能砧：如福要时记录单粒子效应敏感位置坐标信息，以及相关数据的冽瓜不确定度.当1只被试样品完成了试哙方案规定激光辎射试验，带更换被试样品，再进行取粒子效应测试,1.1单粒干针对测试到的器件的粒广效应的阈值激光入射能吊，换算为激光到达被试器件仃源区的激光仃效能量E,测算方式见A.4。A1.2WfcmtFWfMQI针对测试到的器件单粒子效应事件数和激光脉冲注量，计算对应的激光入射能量、有效能量（或者相对应E1.ET）激光照射下器件的单粒子效应截面.单粒子效应截而曲线计算方式见A61.3赎RMtteSt

18、t位应根据试验过程中记录的器件单粒子效应故感位置及对应的单粒子效应数据，在试验确定的坐标系内绘制器件时单粒子效应敏感的分布图，进一步映射至被试器件版图，获得激光测试的单粒子效应收感区域分布。at4对,试脸获得的关键数据，依据GB,T27418进行试验结果不确定度分析.对丁试验获得的关键岛1.ET值网位数据,宜进行电离子辎射源的校对险证。9.2试!康传试验报告应包括以下内容：a）试验报告编号；b）试验方案编号：O试验口的；d）踊地点、成股日期及试脸环境；e）试验设备的名称、型号、用途及校准情况：O激光能量（E1.ET值）、激光脉冲注瘠及扫描辐射方式；g）被试器件的名称、类别、型号规格、批次、封装

19、形式、数眉、生产的位、质量等姒、管芯工艺，样品开封装及衬底M酒处置情况等：h）试脸期间被试器件加的测试条件：）单粒子效应试验的类别及测试要求：测试周期、频率、测试程序和温度及判据：j）试验内容及方法：k）试验数据记录及分析处理方法，试验测试过程中的运行测试细节：D试验结果（单粒子效应用值、裁面或敏感区域等）及其他.K1.a,i单粒子兼皮除冲光模Iam理修建脉冲激光能够模拟试验空间高能粒子在器件中产生单粒子效应，是由于聚续后的单个激光脉种能够通过光致电禹的作用机制，在器件内制产生高电荷密度的电掰径选(大盘额外的电子-空穴对,如图A.1所示,这些额外电荷被舞件有源区用近的敏感”结收集后可产生同高使

20、粒子作用结果相同的单粒子效应现象.单代子效应欺冲激光试取优先推荐采用背部辐照方式.ha.1/冲光模拟单粒子效应IraJKaA.2光子吸收主JWUMA.2.1光子收收机aua物朋对光子的吸收与其材料的电子能带结构有关，对于脉冲谶光与半导体材料的相互作用过程，当光子能fit大于半导体禁带宽度时.价带电子吸收光子引起的电子从价带到导带的吃迂形成光致电离.针对1064nm激光，硅半导体材料的作用过程.依擀共入射激光强度的情况会出现单光子吸收(SPA),自由我流子吸收和双光子吸收(TPA)三种机制,如图A.2所示.盛FVVVVVUhNMAMM_根跃近I)JKEWktf*三*rMMM标引符号说明：-=子的

21、能量：E半导体材料的导带;Ev一体的价也BA.2光子主Iuft收机示意图A.2.2单光子吸收在通常情况下，脉冲激光与硅半导体M科作用以雎光子吸收为主，即价带电子吸校地个入射光子能JS后迁跣到导带成为自由电子的过程.A.2.3由流于吸收和双光子吸收当半导体搏杂浓度很高或激光强度较大时会出现自由或流子吸收和双光子吸收两种光致电离机制.当半导体中等离子体振荡须率Ij激光嫉率接近时，符出现共振吸收,光子能量被等离子体的白由电子吸收后使其能处增加.因此这种吸收机制只产生自由电子的加热效果.而不产生新的电禹.计算表明，对于1061.nm的激光，要产生共振吸收所需要的掺杂浓度分别为IjX1.OJO/cnR通

22、常微电子器件中部分离掺杂区域的杂顺浓度可达到10产/。210退/CnR在脉冲激光测试器件单粒子效应时自由我流子吸收机制的影响不必考虑。当激光的施玳密度很高时(1GW，cm，批级)，会出现两个光子同时被吸收的现象，导致激光光致电次电荷累减少利用波匕为1064nm的皮秒脓冲激光进行硅基器件总粒子效应试验时，双光子吸收作用较弱，通常忽略不计，对于SiC基器件，与体硅类似采用单光子吸收效应进行脓冲激光单粒子效应试验，单个光子能增需大于SiC的禁带宽度(3C-SiC23cV:4H-SiC32cV：6H-SiC.3.0eV).所以3C-SiC、4H-SiC,6H-SiC8S件采用的激光中光子吸收波长菊要分

23、别小于538nm(3C),387nm(4H).413nm(6H).对于GaN基器件，需要两个光子的能崎满足大于GaN禁带宽度(3.39eV),因此送齐的脉冲激光光波长需要小于729nm,大于单光子的364nm.在双光子吸收中效应，同时需要考虑器件内存在的陷阱能级睡致的器件的漏电流的增大，为了满足光功率足弊高的要求，激光器的脓冲选择E秒.A3IH隔UM出于脉冲激光无法穿透器件正面的金属布城层,因此，枭用从器件於衬底面进行端照试脸的方式,如图A.3所示,考虑到涔件珪村联厚度通常为几百微米，采用此种试验方法与正面辅照的不同之处在于.需将激光微束的麋然平面置于湍件有源区附近的敏感部位,才能有效模拟重肉

24、子电离辐照诱发单粒子效应的过程.a)b)HA.3加背礴出伊京聚焦示意图依据光学折射定律.可得到以下公式用于计算和实,施器件背部痢照激光聚焦平面的调节值.见公式(AJ)、公式(A2),Z1-Z.+-（A.DMZ-Z,-Z.-（A.2）If式中：Z1激光聚焦于有源区时的焦平面坐标位置，单位为微米(Hm);Z激光聚焦平面处于衬底表面时在Z轴方向的坐标位S1.单位为微米(Pm):ZZ轴上移的高度，单位为微米(pm);h硅衬底的厚度,单位为微米(Um)；n激光在硅材料中折射率。A.4激光能量换算入射激光能求E,会经历在器件硅衬底表面的反射、硅衬底衰减,器件正面金属布城层的反射，Ai终达到有源区附近的为有

25、效激光能量E.诱发甥件产生单粒子效应。入射激光能求E.是能纺H接测依的参状,而有效激光能吊E.是最终诱发器件单粒子效应的多讣。由于不同器件的硅衬底厚度与拷杂浓度各不相同,需要建立两者换算的见公式(A.3),便于计算诱发单粒子效应的我实有效能IA.Ee=(IR)e(HR)E,(A.3)式中：E-行效激光能fib单位皮焦耳(PJ);R衬底表面对激光反射率：h为硅衬底朦度，单位为厘米(Cm);激光在碎衬底中的吸收系数，单位为每闻米(CnP):R激光经渊件正面金属布线层的反射率.A.5EU与1.ET值的对应关系衡量器件单粒子效应的重要指标是其1.ET网(ft.而脉冲激光模拟试胶单粒子效应能修直接给出的

26、试验结果为器件的单粒f效应激光能量阈值.因此,建立两者之间的对应关系.使褥脓冲激光试验的零件单粒子效应能fit同值与重离子试验的1.ET阈值具有一定的可比性.理论与实脸研究得到触发013m以上(含0.13Um)体硅互补金属就化物半导体(CMOS)工艺零件产生临界状袤的单粒子械定效应的有效激光能求Ea与重离子1.ET值有图A.4和公式A.5所示的战性对应关系，即触发瑞件单粒子锁定效应的激光有效能收阈值E.对应箱有定的差范困的虫离子1.ETMfft,见公式(A4)1.ET(McVcm1mg=0.082Ec(pJ)(A.4)通常情况下,利用激光有效能豉对应得到的等效重离子1.ET值与实泅的揖肉子1.

27、ET值在85%置信度下不确定度不超过25%.其中，针对常见的重黑子1.ET值为37McVcm1Zmg.65McV-CnM1.gf99.8MeVcmVmg的试验点，激光试舞对应的激光有效能依E.分别为451.H2)p1.(793202)pJ和(1217314)pJ.SA.4需筑件单较子定的除极能量与!于1.CT对应关系BB对于单粒子效应敏礴节点尺寸不小于聚焦激光光斑(约2Um)的单粒子效应,如单粒子恢定等,上述对应换算关系可比接使用.对于单粒子效应敏七节点尺寸小于聚焦激光光斑的.如做纳零件的单粒子朝转效梗等,考虑对较大的激光光现利用激光光斑影晌因子f校正后.见公式(A5进行换算.1.ET(MeVcmimg-O.O82f*Ee(pJ)(A.5)A.6单粒子效施面利用5组以上数据绘制单粒子效应截面随激光有效能量或E1.ET值变化的关系获得激光华粒子效应楸面曲跷,见公式(A.6).(i)=N(iy(i)(A.6)式中：)第i个具布EcW(或E1.ET)的激光照射下的脉冲激光注灿.