輻射效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體器件的影響及加固技術(shù)

趙 力，楊曉花

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)正從傳統(tǒng)的工業(yè)化時(shí)代向一個(gè)嶄新的信息化時(shí)代發(fā)展。信息技術(shù)為現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭提供了新的戰(zhàn)爭手段，使未來的軍事戰(zhàn)爭由傳統(tǒng)戰(zhàn)爭形式轉(zhuǎn)化為高科技、電子化、信息化戰(zhàn)爭。而微電子技術(shù)作為未來戰(zhàn)爭的核心技術(shù)，則已經(jīng)成為未來戰(zhàn)爭的重要發(fā)展目標(biāo)。

微電子技術(shù)要滿足現(xiàn)代軍事武器和裝備的需要，一方面必須提高微電子器件的常規(guī)性能水平，另一方面更需要提高微電子器件的抗惡劣環(huán)境能力和可靠性。對(duì)于未來可能要面對(duì)的太空、核輻射環(huán)境而言，微電子器件的抗輻射加固和高可靠技術(shù)成為軍用微電子器件的重要研究課題。

與其他半導(dǎo)體集成電路相比，CMOS集成電路具有功耗小、噪聲容限大等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于對(duì)重量、體積、能源消耗都有嚴(yán)格要求的衛(wèi)星和宇宙飛船來說，CMOS集成電路是優(yōu)先選擇的器件種類。但是采用常規(guī)CMOS工藝技術(shù)制造的集成電路又難以滿足航天技術(shù)的需要。在航空航天應(yīng)用中，由于宇宙輻射的影響，CMOS器件的性能會(huì)產(chǎn)生一系列的變化，導(dǎo)致電路的失效。本文對(duì)CMOS器件尺寸縮小的總劑量效應(yīng)進(jìn)行了分析，然后針對(duì)分微電子器件抗輻射加固進(jìn)行了分析。

2 輻射效應(yīng)對(duì)器件等比例縮小的影響

2.1 柵氧化層厚度變化對(duì)閾值電壓的影響

無論是硅柵還是金屬柵器件，在柵與襯底間均有一層50nm～200nm的SiO2介質(zhì)層，在輻射條件下，在SiO2介質(zhì)中電離產(chǎn)生一定數(shù)量的電子-空穴對(duì)，其比例值為1Gy的吸收劑量在每立方厘米SiO2體積中產(chǎn)生7.8×1014數(shù)量的電子-空穴對(duì)。當(dāng)在柵上加正向偏置時(shí)，遷移率較大的電子大部分溢出至柵極，有一部分電子與空穴對(duì)復(fù)合，大部分空穴在正電場的作用下向SiO2/Si界面運(yùn)輸，且有一部分被界面處SiO2一側(cè)的缺陷俘獲，這種傳輸在時(shí)間上有很大的分散性，且是電場強(qiáng)度和氧化物厚度的強(qiáng)函數(shù)。這樣的正電荷堆積會(huì)引起器件閾值電壓的漂移，最終影響器件的性能。同輻射引入的俘獲空穴數(shù)量相對(duì)應(yīng)的閾值電壓變化可以表示為[1]：

式中：bh是氧化物中產(chǎn)生的空穴體密度被俘獲后形成的固定正電荷部分；參數(shù)h1是從Si-SiO2界面指向氧化物的距離，在此距離內(nèi)被俘獲的空穴可以同襯底向柵隧穿的電子復(fù)合。

圖1所示為典型的nMOS晶體管（a）和pMOS晶體管（b）的電流-電壓（I-V）特性曲線隨輻射電離總劑量的增加而逐漸漂移的過程[2]。圖中未畫出界面陷阱電荷的影響，界面陷阱電荷會(huì)使曲線的斜率減小。圖中橫坐標(biāo)為柵極電壓（VG），縱坐標(biāo)為漏極電流（ID）；五條曲線分別標(biāo)識(shí)為0、1、2、3、4。0表示未輻照前器件的I-V特性曲線；1、2、3、4表示不同輻照劑量下器件的I-V特性曲線。隨著數(shù)字的增大，電離總劑量增大。

一般來說，漏極電流為10 μA時(shí)的柵極電壓為閾值電壓。對(duì)于nMOS晶體管加正偏壓，當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時(shí)，晶體管開始導(dǎo)通；柵極電壓小于閾值電壓時(shí)，晶體管截止（不導(dǎo)通）。對(duì)于pMOS晶體管加負(fù)偏壓，則相反。根據(jù)圖1，隨著電離總劑量的增大，閾值電壓向負(fù)方向漂移。在一定的電離總劑量輻照下，對(duì)于nMOS晶體管，原來該截止的晶體管導(dǎo)通，原來該導(dǎo)通的晶體管需要截止時(shí)無法截止；對(duì)于pMOS晶體管，原來該導(dǎo)通的晶體管截止，原來該截止的晶體管需要導(dǎo)通時(shí)無法導(dǎo)通，從而導(dǎo)致器件功能錯(cuò)誤。圖1（a）中的5條曲線分別代表著nMOS晶體管的5種功能狀態(tài)：

0：正常；

1：噪聲容限（抗噪聲干擾度）降低、器件功能參數(shù)超出指標(biāo)規(guī)范、開關(guān)速度可能降低；

2：由于閾值電壓過零（小于0），準(zhǔn)靜態(tài)電流增大；

3：開關(guān)速度明顯降低；

4：邏輯功能錯(cuò)誤。雖然pMOS管不會(huì)出現(xiàn)像nMOS管那樣明顯的功能退化的4個(gè)階段，但隨輻射電離總劑量的增加，pMOS管會(huì)因在正常的工作電壓下無法導(dǎo)通而失效。

經(jīng)過研究證明，深亞微米CMOS技術(shù)是能抗輻射的，特別是對(duì)于低劑量率的空間應(yīng)用，在輻照時(shí)似乎無需采取多余的措施，因?yàn)楸环@的電荷有相當(dāng)一部分會(huì)恢復(fù)。但事實(shí)上并不是這么簡單。在輻照時(shí)及輻照以后，電荷的俘獲以及界面態(tài)的產(chǎn)生都應(yīng)該加以考慮，特別是按等比例縮小的器件，會(huì)產(chǎn)生非均勻性以及比較嚴(yán)重的器件退化。

2.2 按等比例縮小對(duì)輻射效應(yīng)的影響[3]

CMOS技術(shù)按等比例縮小，首先意味著由光刻限定的最小線寬減小。過去，在生產(chǎn)中只用到光學(xué)光刻。但是，由于最小的特征尺寸變化比可見光的波長更短，因而其他一些技術(shù),如電子束或X射線光刻被認(rèn)為是亞100nm時(shí)代的解決方案。由于溝道長度L按等比例縮小，其他參數(shù)也跟著按等比例變化。假定溝道長度減小因子Ks＞1，則柵氧化層厚度、器件距離及結(jié)深等也按同樣的比例縮小。但是為了保持溝道電流有可接受的控制能力，必須考慮一些短溝道效應(yīng)，如漏感應(yīng)勢壘降低（DIBL）及器件穿通等。

2.2.1 柵長關(guān)系

對(duì)于短溝道效應(yīng)的輻射影響一直以來都存在爭議。后來發(fā)現(xiàn)，輻照是否對(duì)短溝道效應(yīng)有影響主要同工藝的細(xì)節(jié)有關(guān)[4,5]。Huang等人將這個(gè)問題模型化。為了計(jì)算短溝道NMOS正的固定電荷對(duì)平帶電壓及閾值電壓的影響，提出了模型：

式中：Cox是單位面積氧化物的電容；ΔQot是被俘獲的氧化物電荷量（C·cm-2）。

如果器件溝長L比源/漏耗盡區(qū)的寬度Wd大很多，則引起的平帶電壓變化同長度沒有關(guān)系。由式（2）可以預(yù)期，短溝道器件的短溝道效應(yīng)會(huì)增加。對(duì)于某些CMOS工藝來說，Vt的變化會(huì)很大[5]。此外，對(duì)于較短溝長的N晶體管，亞閾值漏電電流會(huì)顯著增加。這就意味著，輻照過的短溝道晶體管的界面比長溝道器件預(yù)備功耗更大。詳細(xì)研究NMOS中的正氧化物電荷及負(fù)氧化物電荷對(duì)閾值電壓變化的貢獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，起主要作用的是短溝道正電荷的增加，而負(fù)電荷變化不大。同負(fù)電荷影響一致，短的P溝道閾值電壓變得更負(fù)。還發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻照是在非零的漏偏置電壓下進(jìn)行時(shí)，Qot呈現(xiàn)出不對(duì)稱性。對(duì)于較短的柵長及亞閾值區(qū)，差別最為明顯。正反方向的不對(duì)稱性，可以用輻照后氧化物中沿溝道電荷分布的不均勻性來解釋。

2.2.2 橫向非均勻損傷

正如上一節(jié)所述，使短溝道器件損傷嚴(yán)重的附加因素是沿溝道損傷的不均勻性，即在靠近源及漏結(jié)處界面電荷和氧化物俘獲電荷明顯不同。這一現(xiàn)象通過沿Si-SiO2界面具有橫向分辨率的專有技術(shù)得到了證實(shí)，這些技術(shù)的基礎(chǔ)是修正的電荷泵技術(shù)[6]、L-陣列的串聯(lián)電阻提取[7]以及所謂的柵感應(yīng)漏電電流（GIDL）測量技術(shù)[8]。按照一級(jí)近似，輻照后的溝道電阻Rchan可以表示為：

式中：μn,p是電子或空穴的有效低場遷移率；Leff及Weff是晶體管的有效長度和寬度。Leff等于設(shè)計(jì)的溝長扣掉溝長的減小量，這一減小量同工藝有關(guān)，但是在同一個(gè)圓片上不同的L則是相同的。

在式（3）中的ΔL，同比體溝道更低VT時(shí)的源/漏鄰接的邊緣區(qū)對(duì)應(yīng)。例如，如果在一個(gè)NMOS漏附近俘獲較多正電荷，便會(huì)發(fā)生負(fù)ΔL情況。假如近漏處建立了界面態(tài)，則ΔL為正。結(jié)果造成更短的Leff。

不均勻性的起源尚不清楚，因?yàn)榭赡艽嬖谝恍┎煌臋C(jī)理。比如：一個(gè)有貢獻(xiàn)的因素是在輻照時(shí)近漏處氧化物電場不同，它同結(jié)的內(nèi)建電場有關(guān)。其次，接近源和漏的地方，氧化物化學(xué)性質(zhì)是不同的，因?yàn)樵诖颂幍难趸镏写嬖陔x子注入雜質(zhì)。此外，在Si-SiO2界面也可能存在機(jī)械應(yīng)力的變化，它也會(huì)造成界面陷阱的產(chǎn)生。最后，也可能由于器件前步加工工藝，如等離子刻蝕及離子注入等在氧化物中產(chǎn)生未退火掉的殘留位移損傷。

對(duì)于采用側(cè)墻氧化物覆蓋的低摻雜漏（LDD）工藝，還可能產(chǎn)生使性能退化的附加輻射感應(yīng)橫向不均勻性[9]。不用LDD，一般可以消除或減少這種類型的退化。

2.2.3 柵感應(yīng)漏電流（GIDL）

GIDL是MOS器件減小時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)新約束。由于它影響截至態(tài)的漏電流，因而在低功耗電路及DRAM中受到特別的關(guān)注。當(dāng)柵偏壓使襯底處于積累狀態(tài)，而NMOS加負(fù)VGS時(shí)，空穴被吸引至界面。結(jié)果，在近漏處產(chǎn)生感應(yīng)PN結(jié)。由于高電場的存在，從P到N區(qū)通過隧道注入載流子，同時(shí)引起附加漏電電流（GIDL）。GIDL電流基本上同器件長度L無關(guān)，并且隨柵的過驅(qū)動(dòng)電壓絕對(duì)值|VGS-VT|的增加按指數(shù)規(guī)律增加。

在輻照以后，GIDL曲線向更負(fù)的方向變化。對(duì)于n溝道器件，這一變化是平行的，而且行為是類似的。只是方向相反，這種變化服從以下模型：

ΔVmg是中帶電壓變化，它同中性的界面陷阱對(duì)應(yīng)。Nitdonor、Nitacceptor分別是具有施主及受主特性的界面陷阱密度。前者處于帶隙的下半部分而且?guī)д姡偃绫砻鎰菰诖四芗?jí)下面，受主態(tài)處于上半部分，則可能帶負(fù)電或者呈電中性，這與表面勢有關(guān)。在GIDL的情況下，表面勢接近價(jià)帶并且施主帶電。當(dāng)工作在亞閾值區(qū)情況相反，此時(shí)VGS增加受主界面電荷從零掃向負(fù)。GIDL同亞閾值電流ID曲線變化的差別，可以用界面電荷差別來解釋。由此可知，原則上GIDL曲線類似于亞閾值表征的方法，并且可以用來提取輻照后漏附近氧化物被俘獲的電荷，這種技術(shù)首先用于小MOSFET中，表征由于熱載流子產(chǎn)生的界面態(tài)。

3 微電子器件的加固技術(shù)[10]

微電子器件的抗輻射加固，常針對(duì)微電子器件的應(yīng)用場合、輻射環(huán)境的輻射因素和強(qiáng)度等，從微電子器件的制作材料、電路設(shè)計(jì)、器件結(jié)構(gòu)、工藝等多方面進(jìn)行加固考慮。加固技術(shù)比常規(guī)微電子技術(shù)難度大得多，因而加固微電子技術(shù)常常比常規(guī)微電子技術(shù)滯后。

3.1 微電子器件材料加固技術(shù)

微電子器件材料的加固技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)加固微電子器件材料的選擇。在常規(guī)微電子器件材料方面，相繼開發(fā)出鍺材料、硅材料、SOS材料、SOI材料、SiGe材料、GaAs材料、SiC材料、鐵電材料及金剛石材料等。輻射環(huán)境試驗(yàn)表明，這些常規(guī)微電子器件制作材料都可用作加固微電子器件的制作材料，只是采用不同的材料制作，微電子器件的抗輻射能力、制作難度、制作成本等有些差異而已。

硅材料是常規(guī)微電子器件的主流制作材料，也是抗輻射加固微電子器件的主流制作材料。因?yàn)楣璨牧霞夹g(shù)最成熟、成本最低，其抗輻射能力也能達(dá)到許多輻射環(huán)境的應(yīng)用要求，所以輻射環(huán)境中工作的微電子器件多數(shù)是硅材料制作的。

SOI材料是在絕緣層上形成一層單晶硅材料，然后在單晶硅材料上制作微電子器件。這種材料制作的微電子器件具有速度快、集成度高、工作溫度范圍寬、抗輻射能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，這種材料具有發(fā)展高密度、低功耗、高速、三維抗輻射微電子器件的潛在優(yōu)勢，其發(fā)展受到特別重視。SOI材料的制作，大致有外延生長法、多孔硅氧化隔離法、區(qū)熔再結(jié)晶法、氧離子注入SiO2埋層隔離法、硅片直接鍵合法等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用較多的是氧離子注入法和硅片直接鍵合法。

GaAs材料制作的微電子器件具有高速、高頻、大功率、低功耗、寬工作溫度范圍、極高的抗7總劑量輻射能力。但受其材料圓片尺寸、芯片集成度、成品率、成本等因素的影響，其加固應(yīng)用受到很大限制，不過它很適合制作加固微波毫米波微電子器件。

SOS材料，是在藍(lán)寶石絕緣襯底材料上外延生長一層硅材料。采用這種材料制作的微電子器件的抗輻射能力很強(qiáng)，但其技術(shù)的發(fā)展不能滿足微電子器件快速發(fā)展的需要，現(xiàn)代研究已趨減少。

SiGe材料、SiC材料、金剛石材料及鐵電材料是還處于研究發(fā)展中的加固材料，能得到加固微電子器件制作的大量實(shí)際應(yīng)用，但目前還有相當(dāng)長的探索路程。

3.2 器件加固技術(shù)

在制作集成電路時(shí)，無論從硅、SOI、SOS、SiGe等材料中選用何種材料來制作，集成電路中常用的器件主要有雙極晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵場效應(yīng)晶體管（MOS晶體管）、CMOS晶體管、BiCMOS晶體管、二極管及電阻和電容器。一般而言，線性集成電路通常采用硅材料或SOI材料加上雙極晶體管（有的線性電路還需應(yīng)用JFET 晶體管）技術(shù)來制作；數(shù)字集成電路可采用硅、SOI或SOS等材料，但其中的晶體管多數(shù)采用的是CMOS晶體管；模擬/數(shù)字混合信號(hào)處理電路，可采用硅、SOI、SOS等不同的半導(dǎo)體材料，但其中的晶體管用得最多的是BiCMOS晶體管。隨著CMOS技術(shù)的提高，采用CMOS晶體管來制作模擬/數(shù)字混合信號(hào)處理電路有增加的趨勢。這里主要介紹雙極晶體管、JFET及MOS晶體管的加固技術(shù)。

盡管不完全一樣，但CMOS晶體管的加固技術(shù)與MOS晶體管的類似，BiCMOS晶體管與雙極晶體管和CMOS晶體管的類似。不同結(jié)構(gòu)的雙極晶體管的輻射損傷機(jī)理研究表明，輻射引起的表面復(fù)合速率與輻射能量和偏置條件的關(guān)系較弱，對(duì)器件的影響是增益降低；輻射引起的體損傷與輻射能量的關(guān)系很強(qiáng)，與偏置條件無關(guān)，對(duì)器件的影響也是增益降低；輻射引起的氧化層俘獲電荷與輻射能量有微弱關(guān)系，而與偏置條件則有很強(qiáng)的關(guān)系，對(duì)器件的影響主要是表面反型、增益降低、漏電流增加、擊穿電壓降低等。但不同結(jié)構(gòu)的雙極晶體管，其輻射損傷機(jī)理也有一些差別。試驗(yàn)表明，橫向pnp雙極晶體管的輻射損傷與輻射劑量幾乎呈線性變化關(guān)系，襯底pnp雙極晶體管的輻射響應(yīng)與輻射劑量卻呈很強(qiáng)的非線性關(guān)系，因?yàn)橐r底pnp雙極晶體管的基區(qū)寬度比橫向pnp管的窄，在約103Gy（Si）的輻射條件下，其增益變化不僅出現(xiàn)飽和，而且其殘余增益還可以滿足電路的工作要求。

盡管npn雙極晶體管與橫向pnp雙極晶體管的表面積相似，但在相同的輻射條件下，npn雙極晶體管的輻射損傷僅為橫向pnp雙極晶體管輻射損傷的1/30。npn雙極晶體管是高增益縱向結(jié)構(gòu)，其基區(qū)遠(yuǎn)離表面。相對(duì)說來，npn雙極晶體管不易受表面特性的影響；npn雙極晶體管的基區(qū)很窄，它對(duì)體壽命損傷也不太敏感。橫向pnp雙極晶體管和襯底pnp雙極晶體管的基區(qū)寬度有一些差別，典型橫向pnp雙極晶體管的基區(qū)寬度為8 μm，而襯底pnp雙極晶體管具有縱向和橫向兩種基區(qū)寬度，其中縱向基區(qū)寬度由外延層厚度和基區(qū)擴(kuò)散深度確定，一般寬度為5 μm或以上，但橫向基區(qū)寬度約達(dá)10 μm。襯底pnp雙極晶體管由具有中等基區(qū)寬度的縱向晶體管和稍微有點(diǎn)基區(qū)寬度的橫向晶體管構(gòu)成，其基區(qū)表面積也比橫向pnp晶體管大，所以它對(duì)表面損傷更敏感。

雙極晶體管中，橫向電場不均勻，其增益變化與輻射劑量的關(guān)系不是線性關(guān)系。由輻射引起的俘獲電荷產(chǎn)生的電荷積累，將在氧化層下產(chǎn)生電場感生結(jié)，并向Si/SiO2界面附近結(jié)的n型面擴(kuò)展，它與電場有很強(qiáng)的依賴關(guān)系，所以在未偏置條件下輻射，其損傷將小得多。

襯底pnp晶體管和橫向pnp晶體管常用于運(yùn)算放大器、比較器等線性集成電路中，盡管一般是用于輸入級(jí)作電平移動(dòng)或電流源，但一旦其增益降低到閾值范圍以下，整個(gè)電路也將會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性失效。雙極晶體管抗γ總劑量輻射能力較強(qiáng)，抗中子和瞬時(shí)劑量率輻射的能力較CMOS器件差。雙極晶體管是少數(shù)載流子工作器件，對(duì)中子輻射最敏感。雙極晶體管受中子輻射時(shí)，受影響最大的物理參數(shù)是基區(qū)渡越時(shí)間和基區(qū)寬度，最明顯的電性能變化是電流增益hfe減小。雙極晶體管的中子輻射損傷閾值為1010n·cm-2～1014n·cm-2。雙極晶體管受γ總劑量輻射時(shí)，受影響最大的效應(yīng)是電離效應(yīng)。這種效應(yīng)使Si和SiO2界面產(chǎn)生復(fù)合中心和陷阱中心，導(dǎo)致正電荷積累在雙極晶體管SiO2的表面上和表層內(nèi)。這些積累的正電荷使雙極晶體管材料的表面電位變化，影響表面復(fù)合特性。這種效應(yīng)對(duì)雙極晶體管電性能參數(shù)的主要影響也是電流增益的變化。

在先進(jìn)雙極工藝技術(shù)中的雙極晶體管，采用的是多晶硅發(fā)射極，其發(fā)射極-基極耗盡區(qū)的界面陷阱是引起增益降低的主要機(jī)理。因?yàn)槠浒l(fā)射區(qū)和非本征基區(qū)的高摻雜限制了氧化層俘獲電荷的影響，窄基區(qū)寬度限制了位錯(cuò)損傷的影響，所以多晶硅發(fā)射極雙極晶體管的抗電離輻射能力比單晶硅發(fā)射極雙極晶體管的高1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

在γ總劑量輻射環(huán)境中，np n晶體管的性能比pnp晶體管的性能退化更嚴(yán)重，有高摻雜基區(qū)保護(hù)環(huán)的雙極晶體管比沒有這種環(huán)（特別是npn晶體管）的晶體管抗γ總劑量輻射能力強(qiáng)；雙極晶體管的發(fā)射極周長與面積的比越小，對(duì)γ總劑量輻射越不敏感；在輻射時(shí)，集電極的偏置條件不影響增益變化；發(fā)射極反偏置是γ總劑量輻射時(shí)最壞的偏置條件；基極-發(fā)射極電壓越高，輻射時(shí)雙極晶體管的基極電流增加越大，則增益降低越多；在較低輻射劑量下，多晶硅發(fā)射極雙極晶體管比單晶硅發(fā)射極雙極晶體管抗γ總劑量輻射的能力強(qiáng)，但在高輻射劑量下，它的抗輻射能力可能降低；在較低輻射劑量率下，雙極晶體管的增益退化最大。雙極晶體管的γ總劑量輻射閾值為102～103Gy（Si）。雙極晶體管受瞬時(shí)劑量率輻射時(shí)，主要產(chǎn)生電離損傷，雙極晶體管的劑量率擾動(dòng)閾值為105～106Gy（Si）/s。雙極晶體管受輻射時(shí)引起的主要性能變化是電流增益降低，結(jié)漏電流、飽和壓降和擊穿電壓等將增大。

針對(duì)這些變化，提出的加固技術(shù)大致有：

（1）盡量減小雙極晶體管有效基區(qū)的寬度；

（2）使器件工作在電流增益變化的峰值；

（3）盡量減小發(fā)射極的周長；

（4）將金屬層做在發(fā)射結(jié)的氧化層上；

（5）增加高摻雜基區(qū)保護(hù)環(huán)；

（6）針對(duì)輻射時(shí)基極電流的增加量，對(duì)基極表面情況（如摻雜分布、電勢分布、幾何尺寸、基極表面氧化層中的離子注入分布等）較敏感，通過增加基極表面摻雜，來改進(jìn)雙極晶體管的抗輻射能力；

（7）采用各種離子注入的場氧化物，提高熱電子和輻射加固性能；

（8）減小基區(qū)表面氧化層厚度，提高輻射性能；

（9）用最小發(fā)射極周長與面積比來設(shè)計(jì)晶體管；

（10）減小基極接觸區(qū)和發(fā)射極邊緣之間的本征基區(qū)表面面積，因該區(qū)易受電離輻射損傷；

（11）采用多晶硅發(fā)射極等。

JFET晶體管在線性集成電路中應(yīng)用較多，對(duì)輻射的敏感程度可與高頻雙極晶體管相比。JFET是多數(shù)載流子器件，受輻射時(shí)可產(chǎn)生位移效應(yīng)和電離效應(yīng)。位移效應(yīng)容易使JFET晶體管的跨導(dǎo)、漏極電流及夾斷電壓等參數(shù)發(fā)生變化；電離效應(yīng)容易使其柵極與漏極之間的泄漏電流產(chǎn)生變化。JFET晶體管受中子輻射時(shí)產(chǎn)生位移效應(yīng)，使其溝道區(qū)內(nèi)的載流子去除。在1013n·cm-2的中子注量下，JFET的性能稍有降低；在1014n·cm-2的中子注量下，性能嚴(yán)重退化；在1014n·cm-2的中子注量下，JFET完全損壞；在3×10n·cm-2加上1×104Gy/h劑量率的復(fù)合輻射環(huán)境下，才對(duì)其夾斷電壓有明顯影響。JFET受了射線輻射時(shí)，主要產(chǎn)生電離效應(yīng)，受影響最大的是柵極漏電流。NMOS比PMOS對(duì)電離損傷更敏感，其損傷閾值約為104Gy（Si），在高于104Gy（Si）時(shí)，漏電流急劇加大。在要求高輸入阻抗的應(yīng)用中，該閾值將降低到103Gy（Si）左右。對(duì)JFET采取的加固措施主要是提高溝道摻雜濃度，對(duì)位移損傷有效。

MOS晶體管是多數(shù)載流子工作器件，對(duì)中子輻射具有很強(qiáng)的天然耐輻射能力，最重要的輻射損傷因素是電離效應(yīng)，對(duì)輻射最敏感的參數(shù)是柵閾值電壓。在102～103Gy（Si）時(shí)，其柵閾值電壓常有幾伏的漂移，將使性能嚴(yán)重退化。其退化機(jī)理主要是，氧化層內(nèi)俘獲電荷的積累和Si/SiO2界面引入了表面態(tài)所致。在大劑量（>104Gy（Si））γ輻射時(shí)，MOS晶體管的退化趨于飽和。對(duì)MOS晶體管的主要加固措施有：在絕緣層內(nèi)摻磷；在SiO2中摻鉻；采用Si-SiO2-金屬-氮化硅-SiO2結(jié)構(gòu)；對(duì)P阱使用重?fù)诫s保護(hù)環(huán)；減薄柵氧層等措施。

4 總結(jié)

隨著集成電路深亞微米技術(shù)的發(fā)展，CMOS器件等比例縮小，隨之而來的輻射效應(yīng)也發(fā)生了很大的變化。本文詳細(xì)分析了輻射效應(yīng)給CMOS器件等比例縮小所帶來的影響，并且詳細(xì)介紹了微電子器件的加固技術(shù)。微電子技術(shù)是軍事電子系統(tǒng)和裝備的技術(shù)基礎(chǔ)和重心。微電子器件在不同應(yīng)用環(huán)境，特別是輻射環(huán)境的可靠工作，已得到電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和微電子器件研制人員的高度重視。國外已對(duì)微電子器件在惡劣環(huán)境可靠工作的有關(guān)技術(shù)課題進(jìn)行了廣泛研究，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，取得了巨大成果，值得我們好好學(xué)習(xí)和借鑒。

［1］Walters M, Reisman A.Radiation-induced neutral electron trap generation in electrically biased insulated gate field effect transistor gate insulators [J].Electrochemist Soc.1991,138:2 756-2 762.

［2］賀朝會(huì)，耿斌，何寶平，等.大規(guī)模集成電路總劑量效應(yīng)測試方法初探 [J].物理學(xué)報(bào)，2004，53（1）:194-199.

［3］C.Claeys, E.Simoen.劉忠立譯.先進(jìn)半導(dǎo)體材料及器件的輻射效應(yīng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［4］Scarpulla J, Amram AL, et al.Gate size dependence of the radiation-produced changed in threshold voltage, mobility,and interface state density in bulk CMOS[J].IEEE Trans Nucl Sci.39:1 990-1 997.

［5］Shaneyeflt MR, Fleetwood DM, et al.Effects of device scaling and geometry on MOS radiation hardness assurance[J].IEEE Trans Nucl Sci.40:1 678-1 685.

［6］Chen W, Balasinski A.Lateral distribution of radiation-induced damage in MOSFETs [J].IEEE Trans Nucl Sci,1991,38: 1 124-1 129.

［7］Balasinski A.Ionizing radiation damage near CMOS transistor channel edges.[J] IEEE Trans Nucl Sci, 1992, 39: 1 998-2 003.

［8］Balasinski A.Impact of radiation-induced nonuniform damage near MOSFET junctions [J].IEEE Trans Nucl Sci.1993,40:1 289-1 296.

［9］Pantelakis DC, Hemmenway DF, et al.Freeze-out characteristics of radiation hardened n+polysilicon gate CMOS transistors [J].IEEE Trans Nucl Sci.1991, 38:1 289-1 296.

［10］胡剛毅，微電子器件的抗輻射加固和高可靠技術(shù)[J].微電子學(xué).2003，33（3）:224-231.