电子材料超低本底α粒子测试技术及试验研究★

罗俊洋，张战刚， 雷志锋， 陈资文， 彭超， 岳少忠， 张鸿，钟向丽，孙常皓，黄奕铭，何玉娟，黄云

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东 广州 511370；3.湘潭大学材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

电子材料中含有天然的铀（U）、钍（Th）等放射性元素，其衰变放出的α粒子具有非常强的电离能力，α粒子在穿过半导体器件内部时电离产生大量的电子-空穴对，这些电子-空穴被半导体器件收集后会导致软错误的发生[1]。软错误虽然不会对电子器件造成毁灭性的破坏，但半导体器件若在执行关键任务时出现软错误，且无法快速地得到纠正，就会带来非常严重的后果。

随着现代信息技术产业的迅速发展，集成电路（IC）追求高速、高频和低功耗的趋势更加明显，其先进制造工艺带来的集成度增大、工作电压降低和节点电容减小等因素，使得α粒子等电离粒子在先进工艺器件中引起的软错误对电子产品的可靠性造成了极大的威胁，而对于存储器产业界，电子产品可靠性直接影响到产品的核心竞争力[2-3]。因此，国内外学者对此进行了大量的相关研究工作。Gordon等[4-5]发现样品中α粒子的发射起源位置会影响样品表面的α粒子发射能谱，进而影响单粒子翻转速率，此外还研究了样品几何形状对表面α粒子发射率的影响；Martinie等[6]研究了晶圆级仿真模型的α粒子发射特性。国内，贺朝会等[7]使用α源辐照SRAM器件，以此来模拟封装材料α粒子发射导致的单粒子翻转；王娜等[8]进一步给出了合理的加速软失效测试的时间推荐值；艾延宝等[9]探究了α粒子引起软错误的两种模式，并提出了减少α粒子产生的软错误的4种措施。国内外虽早已开展了α粒子导致软错误的相关研究[10]，但对电子材料中放射性元素衰变机制和α粒子发射率及能谱研究不足。此外，由于封装材料技术的发展使得其中的放射性杂质更加微量导致检测难度加大。因此，开展超低本底α粒子测试技术的相关研究，为半导体器件封装选材、降低电子系统中的软错误提供参考尤为必要。

本文介绍了超低本底α粒子测试技术，包括α粒子来源甄别技术、宇宙射线信号识别技术和氡气本底判别技术。以这些技术为基础，选择锡铅合金焊料、锡银铜合金焊料和提纯处理后的锡银铜合金焊料3种样品，开展了α粒子测量试验研究，对α粒子来源进行了识别。研究结果对高可靠、大规模电子系统α粒子软错误测试和评价，以及提升产品的可靠性具有重要的意义。

1 超低本底α粒子测量技术

1.1 α粒子来源甄别技术

α粒子来源甄别技术主要用于精准地识别计数器内α粒子的发射位置，为具有超低本底α粒子发射率的电子材料测量和分析提供技术手段。

计数器中不同位置发射的α粒子产生的脉冲信号波形如图1所示，可以通过脉冲信号波形特征，识别其起源，达到超低本底测量的目的。图1中α1和α4来源于样品发射，α2表示计数器顶板发射，α3表示侧壁发射。以α1和α4为例，样品在接地的样品盘上发射α粒子至计数器腔体内，穿过腔体内的惰性气体，通过电离气体失去能量，产生充满离子-电子对的轨迹，且气体中产生的离子-电子对的范围和数目随着α粒子的能量而增加。这些离子和电子在外加电场中漂移，电子向正电极漂移，离子向托盘漂移，而电子的迁移率是离子的数千倍，因此电子比离子漂移到托盘的速度更快。随着电子向电极漂移，它将在正电极上产生感应电流（即Shockley-Ramo定理），观察到的总电流是各个感应电流的总和。一旦电子到达电极，感应电流就会变为零。根据该原理，不同位置发射的α粒子在正电极上产生不同特征的感应信号。

图1 计数器中不同位置发射的α粒子产生的脉冲信号波形

1.2 宇宙射线信号识别技术

减低或消除宇宙射线本底是达到超低本底α粒子测量的必要手段。宇宙射线导致的脉冲信号波形如图2所示。这种脉冲信号，与样品发射的α粒子产生的脉冲信号有较大的差异。宇宙射线引起的脉冲信号存在一个非常“圆”的峰且电离轨迹较长，这需要沉积相当于1~5 MeVα粒子的能量，以及相当高的dE/dx。样品发射的α粒子产生的轨迹较短，而β射线和γ射线的dE/dx较小。因此可以明确地将宇宙射线和其他辐射粒子区分开来。此外，海拔高度、建筑材料屏蔽等因素对宇宙射线通量具有明显的影响，可以通过改变测量位置来达到表征宇宙射线影响的目的。

图2 宇宙射线产生的脉冲信号波形

1.3 氡气本底来源判别技术

达到超低本底α粒子测量的另一个重要干扰因素是环境氡气（Rn）污染。Rn能够在材料（特别是塑料）中扩散一段距离，还具有放射性。Rn的两种同位素220Rn和222Rn处于不同的衰变链，并会产生非常特殊的信号。可以通过两种方式来区分和消除Rn对测试的干扰：1）存在于电离室惰性气体中的Rn，可以通过来源甄别技术实现精准的识别；2）样品的空气暴露可能导致Rn扩散进入样品表面，但是此类污染产生的α粒子衰变的半衰期较短，可以通过测试时间的调整来达到区分的目的。

2 测量试验

2.1 被测样品

被测样品的参数如表1所示，选用半导体封装制造中具有代表性的锡铅合金焊料和锡银铜（SAC）合金焊料进行试验。锡铅合金焊料和SAC合金焊料电镀在圆柱形金属基底表面，厚度为微米级。提纯处理后的SAC合金焊料为粉末状，试验前将其均匀地平铺在圆形托盘上。

表1 被测样品的参数

2.2 试验结果及分析

锡铅合金和SAC305合金的α粒子发射能谱图如图3-4所示。锡铅合金的表面α粒子发射率为（7.8±0.3）α/（cm2·hr），SAC305合金的表面α粒子发射率为（0.8±0.01）α/（cm2·hr），比锡铅合金低约一个数量级。由图3-4可见，两种合金的粒子能谱表现出相同的特征：1）谱形峰值处的能量均为5.3 MeV，说明其放射性可能来源于同样的内部放射性核素，具体分析如下所述；2）在能量小于5.3 MeV一侧，谱形存在向低能区延伸的“尾巴”，如上一节所述，锡铅合金和SAC305合金为一层微米级的电镀薄膜，其产生的表面α粒子发射能谱与薄膜特性相符合，即能谱呈现“尖峰”分布特性。向低能区延伸的“尾巴”的产生原因为薄膜内部部分衰变产生的α粒子在达到薄膜表面时，由于出射角度较大，穿过了一定厚度的薄膜材料，导致能量低于初始出射能量（5.3 MeV）。

基于图4-5的α粒子能谱图对锡铅合金和SAC305合金内部的放射性来源进行分析。首先，对电子材料中可能存在的放射性核素的衰变α粒子能量进行查询，发现210Po衰变产生的α粒子的能量（5.304 MeV）与试验结果最吻合。238U的衰变序列链如图5所示，从图5中看出，210Po是210Pb衰变后的子体且处于238U衰变链的末端。210Pb核素通过β衰变为210Bi核素，后者再经β衰变为210Po核素，210Po核素经α衰变发射出能量为5.304 MeV的α粒子。由于210Po核素的半衰期约为138天，因此不能长期稳定地存在于样品合金中；而衰变链中210Pb核素的半衰期约为22.2年，其衰变产物210Bi核素的半衰期约为5天，因此210Pb核素可以作为产生210Po核素的α源，而少量的210Pb核素作为238U的中间衰变子体，常来自于现代火山喷发物及大气沉降物中并保留在矿物质原材料中[11]，在电子材料制造过程中进入焊料内部。

图4 SAC305合金的α粒子能谱图

图5 238U衰变序列图[12]

低αSAC305合金的α粒子能谱图如图6所示，该样品经特殊工艺纯化处理，测得发射率为0.002α/（cm2·hr）。相比于普通SAC305合金，低α SAC305合金的表面α粒子发射率下降了400倍。由于发射率较低，低αSAC305合金的α粒子能谱图离散性较大，源于测量到的总α粒子数量较少。不过，从能谱图中仍然可以看出：1）能谱范围较大，最大能量高于普通SAC305合金，可见其放射性来源与图3-4不同；2）不同于锡铅合金和普通SAC305合金，能谱未表现出“尖峰”分布特征，原因为低αSAC305合金粉末厚度为2 mm，远大于锡铅合金和SAC305合金镀膜。大多数合金内部发射的α粒子需穿过一定厚度的合金材料才能达到表面，具体的厚度值取决于发射位置和角度，导致表面出射的α粒子能谱为“分布式”能谱。

图3 锡铅合金的α粒子能谱图

图6 低αSAC305合金的α粒子能谱图

3 结束语

本文基于超低本底α粒子测试技术，包括α粒子来源甄别技术、宇宙射线信号识别技术和氡气本底判别技术，研究了锡铅合金焊料及锡银铜（SAC）合金焊料的α粒子发射率及发射能谱，并参考238U的衰变序列链、子体衰变机制及放射性核素来源，结合能谱结果得出两种合金焊料中的α粒子发射源为210Po核素；此外，研究结果还表明铅基的锡铅合金焊料的α粒子发射率高于锡基的SAC合金焊料。对纯化处理后的SAC合金焊料的α粒子发射进行了研究，其能谱结果表明α粒子发射数量极低，发射率达到了超低发射等级水平，因此,使用纯化处理后的合金焊料可以有效地降低IC软错误率，提高电子产品可靠性。