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我所在电子材料阿尔法粒子测量技术方面取得关键进展

2020-09-01
来源：重点实验室
供稿人：张战刚
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经过数月的技术攻关和平台集成调试，突破一系列关键技术包括超低本底阿尔法粒子测量、免沾污制样、能谱识别、宇宙射线影响分析等，我所在电子材料超低本底阿尔法粒子测量技术方面取得突破性进展，发射率测试指标达到0.001 α/cm²/hr（ULA等级）。该环节的打通使我所具备了一体化的电子器件阿尔法粒子软错误评价能力，包括材料级发射率测试、器件级辐照试验、粒子输运仿真等，可广泛应用于电子材料筛选和质量控制、软错误率测试等，提升电子产品可靠性。

半导体器件的各种制造和封装材料中存在痕量的铀（U）、钍（Th）等杂质，这些杂质具有天然放射性，其释放的阿尔法粒子具有较强的电离能力。目前，半导体器件中阿尔法粒子主要来源于模塑料、焊球、底部填充胶等，其发射率分为三个等级：普通、低阿尔法（LA）和超低阿尔法（ULA）。阿尔法粒子穿过电子器件时可产生大量的电子-空穴对，电子-空穴对被器件收集进而导致软错误的出现。软错误虽然可以被纠正，但当其发生在关键位置（如中央处理器指令缓存）且没有被及时修正时，可能导致严重的后果。随着集成电路工艺的持续发展，受集成度增大、供电电压降低、节点电容减小等因素的影响，电离粒子在先进工艺器件中引起的软错误成为应用可靠性的关键威胁。

在大气环境中，软错误主要来源于阿尔法粒子、高能中子和热中子。我所辐照团队最新的研究成果表明，65 nm工艺SRAM在北京地面应用时的总体软错误率为429 FIT/Mb，其中阿尔法粒子的贡献为71%（详见文后链接）。在航空应用环境中，若不对电子材料进行阿尔法粒子发射率控制，其引起的软错误率将同样高于大气中子，成为致命威胁。因此，针对高可靠、大规模电子系统进行阿尔法软错误测试和评价，对提升产品可靠性具有重要意义。

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图 1 阿尔法衰变示意图

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图 2 半导体器件封装中的阿尔法粒子来源（图片来源：IBM）

阿尔法源辐照测试：https://doi.org/10.7498/aps.69.20201796

散裂中子源测试：https://doi.org/10.7498/aps.69.20191209

高海拔大气中子测试：https://ieeexplore.ieee.org/document/8698898

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