張西山，馬英起，閆鵬程，連光耀，李會杰

(1.中國人民解放軍32181部隊, 西安 710032；2.中國科學院 國家空間科學中心, 北京 100190；3.中國科學院大學天文與空間科學學院，北京 101407)

0 引言

大規(guī)模集成電路故障注入主要采用兩種方式：1)通過修改固件程序，改變輸出信號來模擬故障；2)通過應力疲勞試驗來造成器件失效，進而產(chǎn)生故障[1-2]。通過模擬僅能對已知狀態(tài)下的故障進行模擬，故障模擬的主觀性強，難以代表新研系統(tǒng)的客觀情況；疲勞試驗則更加接近實際，能夠模擬出新研系統(tǒng)未來使用過程中可能出現(xiàn)的真實故障狀態(tài)。但是，疲勞試驗不僅所需時間長，而且對元器件造成的損傷是不可逆的，也造成了試驗成本的提升。基于單粒子效應的非接觸式故障注入技術(shù)，利用單個脈沖激光的光致電離機制，通過控制脈沖激光的能量尺寸和照射區(qū)域，使集成電路芯片的敏感PN結(jié)發(fā)生單粒子現(xiàn)象，實現(xiàn)特定功能區(qū)域的故障注入，由于能量、區(qū)域和時間均精準可控，且對器件的損傷較小，故障注入結(jié)束后器件功能恢復正常，可實現(xiàn)多次故障注入、精確定位裝備集成電路薄弱部位[3-5]。因此，該技術(shù)所具有的試驗時間短、成本低、可多次復現(xiàn)等優(yōu)勢，是疲勞試驗方法所無法實現(xiàn)的，故障真實的優(yōu)勢是軟件模擬方法所無法達到的。

1 裝備傳統(tǒng)物理故障注入技術(shù)研究

物理故障注入是指按照選定的故障模型，人為的模擬故障并加載到特定的裝備系統(tǒng)中加速系統(tǒng)的失效，同時，對注入故障后的系統(tǒng)進行觀測和檢查分析。電子裝備故障注入需覆蓋電氣、物理、協(xié)議3個層次，傳統(tǒng)的物理故障注入方法包括外部總線故障注入、基于探針的故障注入、基于轉(zhuǎn)接板的故障注入和拔插式故障注入等，利用不同方法的獨立或組合使用，覆蓋受試產(chǎn)品的全部故障模式。物理故障注入的原理如圖1所示。一個系統(tǒng)由n個被測單元組成，在進行故障注入時，根據(jù)確定的故障樣本，利用故障注入系統(tǒng)模擬故障將故障注入到系統(tǒng)相應部分，以造成系統(tǒng)的故障，進而來驗證系統(tǒng)的自動測試設備(ATE)/機內(nèi)測試設備(BITE)的各項測試性指標。

圖1 物理故障注入原理圖

傳統(tǒng)物理故障技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電子系統(tǒng)絕大部分故障模式的復現(xiàn)，但對于集成化較高的FPGA等大規(guī)模集成電路故障模式復現(xiàn)的效果不佳，主要原因是FPGA集成度高，內(nèi)部節(jié)點直接訪問受限，物理信號難以有效加載。

2 半侵入式激光探針裝備故障注入技術(shù)

2.1 半侵入式脈沖激光瞬態(tài)故障注入方式的可行性

半侵入式脈沖激光瞬態(tài)故障注入方式通過激光模擬單粒子效應來實現(xiàn)。單粒子效應是由高能粒子與半導體材料中的靶原子發(fā)生碰撞電離形成電荷密度極高的電離徑跡(大量電子—空穴對)，被器件敏感PN結(jié)收集，導致器件工作狀態(tài)、邏輯狀態(tài)、輸出電平、功能受阻等發(fā)生變化或損傷的現(xiàn)象。其中，產(chǎn)生單粒子效應的關(guān)鍵誘因是高能粒子在器件內(nèi)部引入了額外的電子—空穴對。傳統(tǒng)的單粒子效應模擬源為粒子加速器提供的重離子、質(zhì)子、中子源等。但這些模擬方法還存在著實驗測試資源相對較少、時間花費大、操作繁瑣、具有輻射等問題。相比較而言，激光模擬和重離子模擬在半導體器件輸出端能夠產(chǎn)生相近的單粒子效應電學特征，且具有諸多重離子實驗無可比擬的優(yōu)勢。

重離子單粒子效應和脈沖激光單粒子效應的微觀實質(zhì)都可分為兩個過程：電荷產(chǎn)生和電荷收集，兩者的物理過程是相同的。脈沖激光能夠模擬空間高能粒子在器件中產(chǎn)生單粒子效應，是由于聚焦后的單個激光脈沖能夠通過光致電離的作用機制，在器件內(nèi)部產(chǎn)生高電荷密度的電離徑跡(大量額外的電子—空穴對)，被器件敏感PN結(jié)收集后可產(chǎn)生同高能粒子作用結(jié)果相同的單粒子現(xiàn)象[6-7]。脈沖激光模擬單粒子效應的發(fā)生和采用的脈沖激光的波長有關(guān)，必須要滿足一定的條件：1)光子能量必須要大于被照射材料的禁帶寬度，發(fā)生光致電離作用；2)激光必須能穿透被照射材料到達敏感區(qū)域，從而誘導單粒子效應的發(fā)生。因此，可通過脈沖激光模擬單粒子效應使集成電路芯片發(fā)生故障，實現(xiàn)故障模式的生成；同時，可避免傳統(tǒng)物理故障注入對器件造成的物理損傷。

2.2 半侵入式脈沖激光瞬態(tài)故障注入的能量傳輸模型

對于工藝尺寸大、集成度較低的器件，可采取脈沖激光正面照射的方法產(chǎn)生單粒子效應。但考慮到脈沖激光很難穿透大多數(shù)器件金屬布線層的特性，試驗中均采用從器件硅襯底背部進行輻照，激光耦合傳輸過程如圖2所示，脈沖激光從故障注入裝置發(fā)出，光束經(jīng)過光學系統(tǒng)和器件介質(zhì)層的兩次耦合，聚焦在敏感區(qū)位置，通過對故障注入器進行調(diào)焦操作，可改變焦面光斑大小和能量分布。主要作用過程是將單個脈寬為皮秒量級、束斑為微米量級的激光脈沖，等效為單個高能重離子，通過光致電離作用在半導體材料中產(chǎn)生電子-空穴對，實現(xiàn)脈沖激光模擬重離子誘發(fā)單粒子效應[8-9]。

圖2 脈沖激光從器件背部輻照示意圖

依據(jù)Beer定律，脈沖激光在硅材料中的傳輸衰減特性，滿足能量隨入射深度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。因此，為模擬重離子的單粒子效應，波長的選擇應該使得激光脈沖在半導體材料中有足夠的穿透深度，才能保證有足夠的激光能量可達到器件的敏感區(qū)附近觸發(fā)單粒子效應。

2.3 基于線性傳輸和體積傳輸?shù)拿}沖激光能量計算

LET(linear energy transfer，線性能量傳輸)值是重離子產(chǎn)生單粒子效應的定量描述，對于激光脈沖，ELET(equivalent linear energy transfer，等效線性能量傳輸)為脈沖激光單粒子效應的定量描述，是指脈沖激光故障注入試驗中，在試驗對象內(nèi)部靈敏區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量能夠達到與高能粒子相同的作用結(jié)果[7,10]。

當半導體器件摻雜程度和激光強度都不太高時，半導體器件對光子的吸收與激光強度呈線性關(guān)系。線性吸收機制條件下，激光脈沖的ELET值可表述為：

(1)

其中：λ為激光波長，h為Planck常數(shù)，c為光速,α為硅材料吸收系數(shù)，E為激光的脈沖能量。E0為入射激光脈沖的能量，Eion/(hc/λ)項為重離子與脈沖激光產(chǎn)生一個電子—空穴對所需能量的比值。

當脈沖激光光斑尺寸與試驗對象敏區(qū)域尺寸相近甚至超過覆蓋的情況下，再用ELET來評價脈沖激光模擬單粒子效應試驗測試過程就存在誤差。為此，借鑒線性能量傳輸計算等效LET的方法，將脈沖激光傳輸路徑中照向試驗對象靈敏區(qū)域中單位體積內(nèi)的能量為等效體積能量傳輸，定義為：

(2)

其中：Ssv為脈沖激光傳輸路徑中照向試驗對象靈敏區(qū)域的徑向體面積，Mgd為脈沖激光徑向高斯分布的調(diào)制因子。在實際計算過程中，當試驗對象靈敏區(qū)的面積遠遠小于脈沖激光徑向尺寸時，可直接通過計算試驗對象靈敏區(qū)的面積來獲得Ssv值。

3 半侵入式激光探針的典型芯片故障注入試驗

3.1 故障注入試驗原理

非侵入式激光故障注入試驗原理如圖3所示，主要包括脈沖激光掃描及測繪控制單元、脈沖激光有效能量計算控制單元、檢測系統(tǒng)接口及激光外觸發(fā)控制單元和試驗監(jiān)控單元等。脈沖激光由激光外觸發(fā)模塊發(fā)出，經(jīng)過變焦光學系統(tǒng)聚焦成微米量級光斑照射到待測試器件(DUT)內(nèi)部的有源區(qū)，通過脈沖激光注入量及掃描方式控制模塊實現(xiàn)對DUT單粒子靈敏單元的高精度掃描。脈沖激光能量由能量調(diào)節(jié)控制模塊進行調(diào)節(jié)，并通過試驗監(jiān)控單元進行監(jiān)測；光斑位置和測試芯片圖像通過高精度成像定位模塊成像于電腦上。系統(tǒng)集成控制軟件完成其它各子系統(tǒng)的實時自動化軟件控制，能高效、可靠地完成器件單粒子效應故障注入試驗。

圖3 半侵入式激光探針故障注入系統(tǒng)原理框圖

3.2 典型芯片故障注入試驗

1)掃描方法。首先將試驗電路板固定于激光脈沖故障注入試驗平臺上，通常將試驗電路板的長a對應CCD成像的Y軸，寬b對應CCD成像的X軸，試驗電路板CCD成像的左下角作為坐標軸原點，即掃描起點。進行激光脈沖故障注入試驗時，為使激光覆蓋掃描試驗電路板，需將使激光脈沖故障注入試驗平臺按下述步驟進行周期性的移動，共移動b/10個周期。

(1)沿-Y軸移動距離(a+50)μm；(2)沿-X軸移動5 μm(X軸步長)；(3)沿+Y軸移動距離(a+50)μm；(4)沿-X軸移動5 μm。激光相對三維移動臺作反方向運動，相對掃描方式如圖4所示。

圖4 激光相對掃描方式示意圖

2)激光注量。激光注量定為4×106cm-2，即單個激光的X軸和Y軸步長都為5 μm，其中X軸步長為直接設定。三維移動臺沿Y軸是勻速移動，Y軸步長由激光頻率和三維移動臺移動速度決定，設定激光頻率為1 000 Hz，三維移動臺移動速度為5 000 μm·s-1，則Y軸步長滿足5 μm要求。激光注量相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 激光注量相關(guān)參數(shù)表

3)激光能量。試驗采用背面輻照方式。輻照時，根據(jù)激光能量與重離子LET值對應關(guān)系計算得到掃描初始激光能量設定為230 pJ(對應LET值為(10±2.5)MeV·cm2·mg-1)，激光照射試驗對象的能量取值為120～1 500 pJ(LET值為(5±1.25)至(60±15.5)MeV·cm2·mg-1)。

4)單粒子效應判定及處理方法。當試驗樣品工作時波形出現(xiàn)異常，可以判定單粒子效應出現(xiàn)。發(fā)生單粒子效應時，等待芯片掃描結(jié)束，試驗人員手動給測試電路斷電，同時關(guān)閉激光快門，停止三維移動臺的掃描程序。

5) 單粒子效應試驗步驟：

(1)打開脈沖激光器，設定激光脈沖頻率為1 000 Hz，激光器穩(wěn)定運行；

(2)將激光聚焦到器件正面，測得器件長a寬b，通過移動三維移動臺使激光光斑定位于試驗器件顯微成像的右下角，并作為掃描原點；

(3)試驗器件加電，記錄工作電壓；

(4)設定初始激光能量為120 pJ(對應LET值為(5±1.25)MeV·cm2·mg-1)，設定三維移動臺按照(1)中所述周期移動，使激光以4×106cm-2注量覆蓋掃描試驗器件；

(5)采用最低激光能量最低為120 pJ(對應LET值為(5±1.25)MeV·cm2·mg-1)時芯片發(fā)生單粒子鎖定；

(6)拆除電路板，更換測試芯片，重復(2)～(5)試驗過程；

(7)關(guān)閉激光器，試驗結(jié)束。

3.3 試驗結(jié)果

對計算機主板電路典型部組件進行了典型故障模式分析，分析元器件失效對典型部組件的影響，本次試驗共分析典型故障模式3個，具體見表2。

表2 典型部組件故障模式分析

利用脈沖激光單粒子效應試驗裝置進行故障注入，采用激光背面輻照試驗方法，在230 pJ(對應LET值為(10±2.5)MeV·cm2·mg-1)能量以上，成功實現(xiàn)了典型故障模式單位翻轉(zhuǎn)、多位翻轉(zhuǎn)及功能失效等多種故障模式的準確復現(xiàn)，分析了由芯片自身缺陷引起的特定工作狀態(tài)下的典型故障模式。利用脈沖激光成像定位的優(yōu)勢，對其進行不同模塊的故障觸發(fā)，并分別探測各模塊的故障敏感性規(guī)律。

4 結(jié)束語

針對集成電路故障注入實際需求，本文研究了基于單粒子效應的非接觸式故障注入技術(shù)，并進行了試驗驗證分析，充分說明了該方法的可行性。該技術(shù)所具有的試驗時間短、成本低、可多次復現(xiàn)等優(yōu)勢，是疲勞試驗方法所無法實現(xiàn)的，故障真實的復現(xiàn)優(yōu)勢是軟件模擬方法所無法達到的。半侵入式激光探針裝備故障注入技術(shù)可精確定位裝備內(nèi)部薄弱部位并指導其優(yōu)化設計。