Странно это. Неустойчивость задержки да, вполне логично объясняется наличием инструкций с разным временем исполнения. Но вот стабильные 1.5мкс (11 тактов) меня смущают.
Вроде бы и прерывание настроено по фронту а не по уровню (EICRA=3).
Может быть Вы знаете где искать графики или характеристики задержки обработки внешних прерываний? (в даташите нет)
Критических секций в коде точно нет.