電子元器件的微劑量效應(yīng)研究進(jìn)展

閆逸華 范如玉, 郭曉強(qiáng) 林東生 郭紅霞 張鳳祁 陳 偉

1（清華大學(xué)工程物理系 北京 100084）

2（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

微劑量學(xué)起源于20世紀(jì)40年代對生命細(xì)胞輻射效應(yīng)的研究[1–4]，考察微小劑量在細(xì)胞尺度內(nèi)的能量沉積分布及其對人體的危害，當(dāng)時發(fā)展起來的LET值概念(Linear Energy Transfer：傳能線密度)，就是最接近微劑量學(xué)基本概念的物理量。

電子元器件的微劑量效應(yīng)研究則起步較晚，由于受體特征差異，效應(yīng)的概念內(nèi)涵和損傷表征均有所不同。20世紀(jì)90年代初，由研究者在SRAM器件的重離子輻照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“固定位”(stuck bit)錯誤時首次提出[5]，認(rèn)為這是由單個高LET值重離子在其徑跡周圍沉積的局域總劑量所引起的微劑量失效。不同于單粒子翻轉(zhuǎn)引起的軟錯誤，單元存儲狀態(tài)在輻照后無法改變，而是固定在一個高(低)電平上，發(fā)生了永久性失效。

微劑量效應(yīng)對輻射場環(huán)境和器件的結(jié)構(gòu)特征具有強(qiáng)烈的依賴性，發(fā)生概率雖低，但風(fēng)險(xiǎn)高。由于設(shè)備條件的限制，地面模擬源并不能與空間的高能粒子相當(dāng)，也不可能對所有類型的器件開展考核實(shí)驗(yàn)，這就限制了對微劑量效應(yīng)的研究。在進(jìn)行機(jī)理分析時，一些常用的平均值概念(如LET值)也將受到限制，必須結(jié)合器件特征并同時考慮粒子徑跡上能量沉積的隨機(jī)性分布，因而增加了理論工作的難度。所以，國內(nèi)外針對微劑量效應(yīng)的研究仍較零散，有待進(jìn)一步的機(jī)理分析和規(guī)律總結(jié)。

本文介紹高能粒子所致電子元器件微劑量效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，以及幾種典型器件的失效現(xiàn)象和機(jī)理分析，并結(jié)合半導(dǎo)體工藝發(fā)展趨勢，探討微劑量在未來器件中的影響，評估其對電子元器件的危害。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外的微劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究開展較早。1991年，Koga等[5]在商用 SRAM 器件的重離子輻照試驗(yàn)中，首次發(fā)現(xiàn)單個重離子引起的局部總劑量失效，后在4T DRAM和1T/1C SDRAM單元中也觀察到微劑量失效[6,7]。2001年，Giorgio等[8]在浮柵型存儲器的輻射效應(yīng)研究中，發(fā)現(xiàn)重離子輻照會引起浮柵存儲單元閾值電壓的顯著漂移，也會導(dǎo)致器件的讀寫功能失效或工作電流異常等現(xiàn)象。2007年，Shanefelt等[9]在溝槽型功率MOSFET的重離子、質(zhì)子以及中子輻照實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)微劑量效應(yīng)的危害性遠(yuǎn)大于等水平的總劑量效應(yīng)。

我國對微劑量效應(yīng)的研究開展較晚，相關(guān)研究結(jié)果較少。北京大學(xué)微電子系進(jìn)行過相關(guān)的數(shù)值模擬，針對小尺寸MOS器件提出采用優(yōu)化的STI隔離區(qū)溝道側(cè)壁傾角結(jié)構(gòu)，以抑制單粒子輻照在MOS器件中引起的微劑量效應(yīng)[10]。西北核技術(shù)研究所對溝槽型功率場效應(yīng)管開展實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了微劑量效應(yīng)的現(xiàn)象捕捉和特性分析[11]。

綜合現(xiàn)有研究結(jié)果，不少廣泛應(yīng)用的主流存儲元件均受到了微劑量效應(yīng)的影響，包括各種易失性存儲器(SRAM[5,12–15]，DRAM[6,16]，SDRAM[7,17])及非易失性存儲器(Flash ROM[8,18])。近些年來在新型功率器件的考核試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，極低通量水平的重離子就會導(dǎo)致器件亞閾特性的顯著退化，其影響遠(yuǎn)高于相應(yīng)劑量水平下的總劑量效應(yīng)[9,19,20]。這說明現(xiàn)行的總劑量考核方法不足以反映微劑量效應(yīng)在某些器件中的危害，因此對微劑量失效機(jī)理開展研究，對器件的抗輻射性能考核具有重要意義[20]。

2 微劑量效應(yīng)的主要失效機(jī)制

單個高能粒子在其徑跡周圍的局域空間內(nèi)所沉積的劑量稱為微劑量，研究表明，器件微劑量效應(yīng)主要存在兩種失效機(jī)制，局域總劑量效應(yīng)和強(qiáng)庫侖斥力作用，其中第一種更為普遍。

其一，當(dāng)晶體管的特征尺寸與宇宙射線產(chǎn)生的電離徑跡直徑可相比擬時，單個粒子射入器件后，通過直接或間接電離的方式，在氧化層中產(chǎn)生的陷阱電荷以及在 Si/SiO2界面處產(chǎn)生的界面態(tài)缺陷足以引起器件的局部總劑量失效，從而造成器件的永久性損傷，其作用機(jī)理與總劑量效應(yīng)類似(圖1)[21]。

圖1 SiO2中局域總劑量所引起的失效機(jī)制示意圖[21]Fig.1 Sketch of the failure mechanism induced by the localized total dose in SiO2[21].

其二，若重離子的LET值足夠高，入射絕緣體材料后會導(dǎo)致徑跡周圍的原子發(fā)生高度電離，電離原子間的庫侖排斥力過大，最終導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂，電離原子在斥力作用下發(fā)生分離運(yùn)動，使絕緣材料特性受到影響，從而導(dǎo)致器件性能的下降(圖2)[22]。

微劑量效應(yīng)兼具總劑量效應(yīng)的失效永久性與單粒子效應(yīng)的隨機(jī)性。與單粒子效應(yīng)的輻射感生載流子直接參與輸運(yùn)不同，微劑量效應(yīng)損傷是通過輻射感生缺陷間接影響載流子輸運(yùn)；與總劑量的均勻劑量分布不同，微劑量在空間分布上具有局域性特點(diǎn)。

常見的單粒子現(xiàn)象（單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子閂鎖、單粒子瞬態(tài)、單粒子功能中斷及單粒子?xùn)糯┑?，均為入射粒子在體硅中電離產(chǎn)生的電子-空穴對直接參與載流子輸運(yùn)而直接或間接引起的失效，而微劑量效應(yīng)關(guān)心的，則是單個高LET值的重離子作用于氧化層 SiO2后，電離產(chǎn)生的電子-空穴對被陷阱俘獲，從而在其徑跡周圍的局域空間內(nèi)沉積了極高劑量，并最終導(dǎo)致器件特性發(fā)生永久性退化。單粒子效應(yīng)所引起的軟錯誤可通過重新加電等方式得以恢復(fù)，而微劑量所引起的硬錯誤卻不可恢復(fù)。此外，累積電離輻射所導(dǎo)致的總劑量在整個器件內(nèi)均勻分布，而單個粒子沉積的微劑量僅分布在其徑跡周圍，其發(fā)生也具有隨機(jī)性。微劑量在器件和電路中最終引起的失效現(xiàn)象取決于受損單元在電路中的作用：存儲單元受損會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤；邏輯單元受損則會引起器件的功能錯誤；功率器件受損后I-V特性會發(fā)生退化。

圖2 絕緣體中強(qiáng)庫侖排斥力效應(yīng)所引起的失效機(jī)制示意圖[22]Fig.2 Sketch of the failure mechanism induced by the coulomb repulsive force effect in the insulator[22].

3 微劑量效應(yīng)在典型器件中的失效表征

微劑量效應(yīng)會導(dǎo)致MOSFET亞閾特性的變化，在具有特殊結(jié)構(gòu)的溝槽型功率器件中尤為顯著[9,20]。存儲單元中的MOSFET若受微劑量影響而漏電增大，會導(dǎo)致“固定位”錯誤的發(fā)生，即某些位的狀態(tài)無法改變，而是固定在了“0”或“1”的電平狀態(tài)上，這也是微劑量失效的標(biāo)志性現(xiàn)象?！肮潭ㄎ弧笔Оl(fā)現(xiàn)于商用SRAM的重離子輻照試驗(yàn)中[5,15]，后在DRAM[5]以及Flash ROM中也都有發(fā)現(xiàn)[23–25]。由于器件結(jié)構(gòu)不同，失效判據(jù)也略有不同。在MOS結(jié)構(gòu)為主的易失性存儲器中，主要是由局域總劑量引起的漏電增長所致；而在非易失性存儲器件中，則主要是強(qiáng)庫侖斥力在絕緣材料中引起的結(jié)構(gòu)退化，從而導(dǎo)致的絕緣特性下降引起。

以當(dāng)時工藝水平下的 4T SRAM 單元為例(圖3)，如果 N1管的漏電流大于可能流過電阻R1的最大電流，則節(jié)點(diǎn) A將再不能被充電至高電位，N3不能被打開，這個位的狀態(tài)不再發(fā)生改變，從而發(fā)生“固定位”錯誤。由于DRAM單元通過在被晶體管隔離的電容上存儲電荷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，而微劑量效應(yīng)會導(dǎo)致門控晶體管漏電增大，加速電荷流失，當(dāng)數(shù)據(jù)保留時間小于外電路的刷新時間后就會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。錯誤檢測與糾正電路(EDAC)通?？梢孕拚龁瘟Ｗ右鸬臄_動，卻無法修正“固定位”錯誤。與DRAM失效判據(jù)類似，SDRAM中也觀察到了固定位失效[7,17]，但機(jī)理解釋尚存爭議。

圖3 帶有負(fù)載電阻的4T SRAM示意圖Fig.3 Sketch of a 4T SRAM cell.

不同于SRAM和DRAM等非易失性存儲器，以Flash ROM為代表的非易失性存儲器，通過在被絕緣介質(zhì)隔離的浮柵上注入電子實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。其中絕緣介質(zhì)即隧穿氧化層的性能是影響浮柵電荷保留時間的主要因素，通常情況下其數(shù)據(jù)保留時間可達(dá)數(shù)十年。而在高 LET重離子輻照的 NAND型Flash ROM中發(fā)現(xiàn)，輻照后重寫正常的單元，放置數(shù)天后電荷就會流失(圖 4)[23–25]。此外，由于生產(chǎn)工藝的原因，浮柵存儲器外圍電路中的 MOS器件通常具有較厚的柵氧，因而具有較高的輻射敏感性[26]。微劑量效應(yīng)也會對浮柵存儲器的外圍控制電路(如頁面緩存器、地址譯碼器或者電荷泵電路)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致整個芯片的功能發(fā)生異常，如整頁的讀寫出錯、工作電流的異常、甚至讀/寫/擦除功能的喪失等[26–30]。

圖4 NAND Flash經(jīng)重離子輻照并重寫后，陣列閾值電壓分布隨時間的變化圖[31]Fig.4 Variation of threshold voltage distribution in NAND flash ROM programmed after hit by high-LET heavy ions[31].

溝槽型功率MOSFET是在VDMOS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種具有垂直結(jié)構(gòu)的新型功率器件，對微劑量效應(yīng)極為敏感[9,20]，且重離子輻照下器件漏電水平遠(yuǎn)大于相應(yīng)劑量水平的總劑量效應(yīng)(圖5)，這是首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)微劑量效應(yīng)的危害要大于總劑量。Kuboyama等[19]發(fā)現(xiàn)，在重離子輻照下器件閾值電壓會發(fā)生階躍變化，即作用于敏感面積上的單個離子足以導(dǎo)致器件亞閾電壓的顯著退化。已知重離子和質(zhì)子的凈電荷產(chǎn)量低于γ射線，如果其他條件相同，60Co γ射線的影響應(yīng)大于質(zhì)子和重離子，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果則相反。在等效總劑量均為10 Gy (SiO2)時，γ射線和電子引起的漏電流比質(zhì)子小～20倍，比銅離子小～65倍[20]。說明單純利用γ射線或電子束對電子進(jìn)行抗輻射性能考核，會低估器件在重離子和質(zhì)子環(huán)境中的退化，須考慮微劑量效應(yīng)影響[20]。

圖5 溝槽型功率MOSFET受γ射線輻照(a)和33 MeV的Au離子輻照(b)前后的結(jié)果對比[9]Fig.5 Pre and post-irradiation I-V curves for trench power MOSFET irradiated with 60Co γ-rays (a) and 333-MeV gold ions (b)[9].

4 微劑量效應(yīng)的主要影響因素

4.1 與重離子屬性的關(guān)系

由微劑量效應(yīng)的兩種作用機(jī)制及在典型器件中的失效表征可知。微劑量失效的發(fā)生不僅與器件的工藝和結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，也與離子的屬性和入射位置等密切相關(guān)。存儲器中固定位的失效截面比SEU小幾個數(shù)量級，且只在離子的LET值較高時才會發(fā)生(SRAM 中：LET>30 MeV·cm2/mg[5]，DRAM：80 MeV·cm2/mg[5]， Flash ROM：77.3 MeV·cm2/mg[25])。說明當(dāng)離子LET值足夠高時，單個離子在柵氧中沉積的局域總劑量才足以引起 MOSFET關(guān)態(tài)漏電流的顯著增長；或?qū)е聫桔E周圍的原子發(fā)生高度電離，電離原子在較大庫侖排斥力作用下發(fā)生分離運(yùn)動，引起化學(xué)鍵斷裂從而導(dǎo)致材料的絕緣特性下降[22]。

此外，在SRAM器件的輻照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使離子的LET值相當(dāng)，但能量不同時，固定位失效的位數(shù)也有很大不同；而在溝槽型功率MOSFET的重離子輻照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，失效截面僅用 1/As(As：靈敏面積)來表達(dá)是不夠的，必須同時考慮其徑跡結(jié)構(gòu)的寬度和入射角度等因素[19]。Loquet等[32]在仿真中發(fā)現(xiàn)，器件漏電水平會因陷阱電荷的空間分布的峰值和展寬差異而不同。假設(shè)界面態(tài)電荷由呈矩形分布但幅值不同的Ninv和Nuni組成(圖6)。當(dāng)Ninv確定時，漏電流會隨著Nuni增長而逐漸增長；當(dāng)Nuni確定時，漏電流隨著Ninv的增長則迅速達(dá)到飽和；而單純的Ninv或Nuni均不足以引起漏電的顯著變化。

圖6 界面陷阱電荷密度的近似矩形模擬[32]Fig.6 Square-shaped interface trapped charges distributions profile used to study track structure effects[32].

上述結(jié)果說明，單個粒子沉積的微劑量引起漏電的顯著變化需兼具兩個條件：首先，粒子徑跡寬度足夠大，能夠在溝道區(qū)產(chǎn)生覆蓋面較寬的界面態(tài)電荷，從而增加溝道的導(dǎo)電率，即使其幅值較低（如Nuni）；此外，能夠在某局部區(qū)域產(chǎn)生幅值較高的界面態(tài)電荷區(qū)，引起溝道區(qū)的強(qiáng)反型從而為溝道導(dǎo)通提供載流子源，即使其覆蓋面很窄(如Ninv)。二者兼具才能導(dǎo)致有源區(qū)(源端和漏端)的導(dǎo)通。因而微劑量失效對離子屬性及其產(chǎn)生的徑跡特征具有強(qiáng)烈的依賴性，只有綜合考慮離子LET值、能量E及入射角度等因素，才能對其失效截面給出合理地解釋。

4.2 與器件工藝特征的關(guān)系

由于微劑量效應(yīng)的作用敏感區(qū)為氧化層區(qū)，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，尤其是氧化層厚度的不斷減小，基于不同作用機(jī)制的微劑量失效的影響趨勢也各有差異。

首先，由于基于局域總劑量效應(yīng)的微劑量失效與氧化層厚度及溝道區(qū)或隔離區(qū)的摻雜濃度有很大關(guān)系，與總劑量效應(yīng)類似，由俘獲陷阱電荷造成的閾值電壓的漂移值會隨著柵氧厚度的平方而減小；同時由于溝道區(qū)或隔離區(qū)的摻雜濃度不斷增大，使得俘獲陷阱電荷能夠引起局域強(qiáng)反型并導(dǎo)致有效漏電的難度增大。雖然微劑量失效的出現(xiàn)是由于器件特征尺寸的減小，但在當(dāng)前工藝水平下，隨著器件特征尺寸的繼續(xù)減小，基于局域總劑量效應(yīng)的微劑量失效的影響反而減弱。

其次，因基于強(qiáng)庫侖斥力機(jī)理的微劑量失效會導(dǎo)致氧化層的結(jié)構(gòu)應(yīng)變及絕緣性下降，其危害會隨氧化層厚度變薄而加劇。如浮柵型存儲單元通過在浮柵上存儲電荷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，而隧穿氧化層絕緣性能的下降則會直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)保留時間的減少。

5 存在問題與發(fā)展趨勢

總體而言，微劑量效應(yīng)的研究還較零散，對單個離子作用的微觀機(jī)制的研究有待深入，對微劑量失效表征的判斷尚存爭議，且缺乏相關(guān)的測試方法和考核標(biāo)準(zhǔn)。

首先，器件結(jié)構(gòu)特征對微劑量效應(yīng)的敏感性具有較大影響，但缺乏針對不同類型器件的系統(tǒng)性研究，失效敏感位置的判斷也有爭議。早期研究認(rèn)為：“粘位”失效由單個重離子打擊柵氧后，引起閾值電壓漂移及漏電增大而導(dǎo)致的。Oldham[14]預(yù)言，由于VTH的漂移會隨柵氧厚度的平方而不斷減小，當(dāng)SRAM器件的柵氧厚度減小到7 nm后，微劑量引起的“粘位”現(xiàn)象將會消失，但實(shí)際情況并非如此。Loquet等[32,33]的模擬計(jì)算表明，即使多個離子同時轟擊柵氧，漏電水平仍不足以導(dǎo)致“粘位”的發(fā)生，而轟擊鳥嘴區(qū)卻可引起較大漏電。因此，應(yīng)針對典型器件開展考核實(shí)驗(yàn)，獲取微劑量失效截面，并結(jié)合仿真計(jì)算，探索失效敏感區(qū)及其與器件特征尺寸的關(guān)系。

其次，微劑量失效通常伴隨微損傷失效，但實(shí)驗(yàn)中頗難區(qū)分二者。Swift等[6]在單管DRAM的重離子輻照中發(fā)現(xiàn)，器件錯誤分為兩種：一種與單粒子總劑量失效一致，另一種則明顯不一致，不依賴于 LET值，且退火后也不消失。Edmonds等[7]在1T/1C SDRAM中發(fā)現(xiàn)重離子輻照引起的“粘位”失效現(xiàn)象，認(rèn)為是由微劑量效應(yīng)引起，但七年后推翻這一結(jié)論，認(rèn)為其無法解釋實(shí)驗(yàn)中所觀察到的極小的反應(yīng)截面，而只有微損傷機(jī)理才符合這一結(jié)果[17]。所以，對兩種微觀機(jī)制的深入研究和失效表征的區(qū)分，尚有待進(jìn)一步研究。

最后，因微劑量失效對離子屬性及其產(chǎn)生的徑跡特征具有強(qiáng)烈的依賴性，只有綜合考察離子的屬性、能量和LET值等因素，研究其徑跡結(jié)構(gòu)及沉積電荷的空間分布，才能更好地計(jì)算失效截面，合理解釋微劑量效應(yīng)，但這方面的理論研究尚有很大不足。此外，對于某些特殊結(jié)構(gòu)器件，如溝道垂直表面的溝槽型功率MOSFET，單純的總劑量考核并不足以體現(xiàn)空中高能粒子所產(chǎn)生的微劑量效應(yīng)的影響，但目前尚無針對性的測試方法和考核標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，微劑量的失效表征與器件的工藝特征和粒子屬性密切相關(guān)，主要有局域總劑量效應(yīng)和強(qiáng)庫侖斥力兩種作用機(jī)制。隨著器件特征尺寸的不斷減小，前者的影響會逐漸減弱而后者則會增強(qiáng)。研究微劑量效應(yīng)對柵氧和隔離區(qū)的漏電流影響，對考察通用MOS存儲器的微劑量效應(yīng)具有重要的指導(dǎo)意義。雖然主流存儲元件的柵氧厚度在不斷減小，但有些功能電路為滿足耐高壓和大電流的需求，采用的MOS器件仍保留了較厚的柵氧，如浮柵存儲器內(nèi)為其讀寫/擦除操作提供高電壓的電荷泵電路，以及其外圍電路的頁面緩存器等，如果柵氧厚度是主要影響因素，則微劑量效應(yīng)對這些模塊的影響必不可忽視。在主流存儲元件中其隔離區(qū)尺寸一般較大，所以如果微劑量效應(yīng)主要是由隔離區(qū)氧化層引起的，其對通用存儲器件的影響仍有待考察。從整體而言，針對微劑量的實(shí)驗(yàn)研究比較零散，相關(guān)的仿真計(jì)算也很少，缺乏對不同器件失效機(jī)理共性原因的提煉和總結(jié)。所以，需結(jié)合器件特征，開展廣泛的實(shí)驗(yàn)和理論研究，探索微劑量效應(yīng)的失效機(jī)理，尋找敏感結(jié)構(gòu)特征，從而對生產(chǎn)應(yīng)用給出有意義的參考依據(jù)。

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