阿爾法粒子輻射

      作為核反應原料的235U、238U以及它們的子體同位素(如232Th)是比較常見的放射性元素。由于地球上天然存在著大量的235U(0.72%)、238U(99.2%)和232Th(100%)，使得這些元素極易出現在半導體器件的各種材料中，如模塑料、焊球、填充料等。同時，半導體器件的焊點中總是存在著極微量的210Po。這些重放射性同位素通常發(fā)生阿爾法衰變，持續(xù)不斷地釋放出能量大約為4 MeV-9 MeV的阿爾法粒子。帶有能量的阿爾法粒子入射至半導體器件有源區(qū)，沿其徑跡產生高密度的電子-空穴對，電子-空穴對在器件電場的作用下發(fā)生分離后被節(jié)點收集，進而引起半導體器件發(fā)生單粒子效應（包括單粒子翻轉、單粒子鎖定和單粒子燒毀、單粒子柵擊穿等），其危害包括數據丟失、功能中斷等惡劣影響。阿爾法粒子對電路系統(tǒng)的影響可能是致命的，比如若阿爾法粒子在CPU的指令緩存中引起軟錯誤，將導致CPU不能執(zhí)行預期的功能。

      在一個封裝好的芯片中，阿爾法輻射源可能來自于封裝材料、芯片材料、引線材料以及半導體器件制造工藝中使用的材料，如圖 2所示。其中離芯片越近的材料其放射的阿爾法粒子的影響也越大。對于一個在嚴格控制的制造環(huán)境下生產的器件，阿爾法輻射源主要來自于封裝材料，而不是半導體制造工藝中使用的材料。

     焊料合金中存在容易發(fā)生阿爾法衰變的重金屬元素，如鉛、鉍等。以鉛為例，鉛有四種穩(wěn)定（非放射性）同位素204Pb、206Pb、207Pb、208Pb和一種放射性同位素210Pb。其中，210Pb衰變會形成高能量的阿爾法輻射體210Po，是阿爾法粒子的主要來源之一。

      阿爾法粒子輻射存在于所有的半導體器件中，大量案例表明阿爾法粒子產生的軟錯誤會導致電子設備發(fā)生數據丟失、功能異常等危害；即使花費巨大代價對所用材料進行放射性雜質提純，目前國際上也僅能做到超低發(fā)射率等級（即0.001alpha/cm2/hr），仍然無法避免阿爾法粒子引起的軟錯誤。

     自1970年代DRAM被發(fā)明之后，阿爾法粒子軟錯誤開始受到行業(yè)的關注。最早發(fā)現的地面輻射環(huán)境相關的軟錯誤就是阿爾法粒子引起的。1978年，英特爾公司的一批DRAM產品故障率出現了顯著提高。調查發(fā)現由于該批芯片的封裝廠所用的水源被上流的鈾污染，導致最后的芯片封裝中含有較高含量的放射性鈾。研究發(fā)現芯片封裝材料中的微量放射性污染物衰變會釋放出阿爾法粒子,這些阿爾法粒子入射到電路的敏感節(jié)點，產生的電子-空穴對被有效收集，進而產生軟錯誤[1]。

      由于阿爾法粒子引起的軟錯誤與大氣中子引起的軟錯誤在半導體器件中共同出現，二者的貢獻比例隨器件工藝水平發(fā)展的變化趨勢一直是行業(yè)研究的重點和前沿。由下圖可見，阿爾法粒子引起的軟錯誤率是半導體器件發(fā)生的總軟錯誤率的重要組成部分。