典型模擬電路低劑量率輻照損傷增強(qiáng)效應(yīng)的研究與評(píng)估?

李小龍 陸嫵 王信 郭旗 何承發(fā) 孫靜 于新 劉默寒 賈金成 姚帥 魏昕宇

1)(中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所,中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

2)(新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

3)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

雙極器件普遍存在的低劑量率輻照損傷增強(qiáng)(enhanced low-dose-rate sensitivity,ELDRS)效應(yīng)[1?3]給電子元器件的抗輻照能力測(cè)試評(píng)估方法帶來(lái)巨大挑戰(zhàn).由于ELDRS效應(yīng)的存在,采用實(shí)驗(yàn)室高劑量率(0.5—3 Gy(Si)/s)輻照結(jié)果來(lái)評(píng)估器件的抗輻照能力,與電子器件在實(shí)際的空間低劑量率環(huán)境下的抗輻照能力嚴(yán)重不符,從而給衛(wèi)星等航天系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)嚴(yán)重隱患,因此找到一種能在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用且高效可靠的雙極器件ELDRS效應(yīng)的加速評(píng)估方法具有重要意義.

目前,國(guó)外對(duì)雙極器件ELDRS效應(yīng)及其機(jī)理開(kāi)展了較為深入的研究[4?8],提出了幾種相關(guān)的理論模型,但由于ELDRS效應(yīng)與器件的工藝及結(jié)構(gòu)等均有較大關(guān)系,因此尚不能給出統(tǒng)一的結(jié)論;美軍標(biāo)MIL-STD-833G雖包括了變劑量率加速評(píng)估方法[9?12],但給出的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于籠統(tǒng),對(duì)于采用多大劑量率、在何時(shí)變劑量率等均未給出明確規(guī)定,并且該方法的機(jī)理并不明晰.在國(guó)內(nèi),新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)電子元器件的加速評(píng)估進(jìn)行了大量研究[13?15],提出的變溫輻照加速評(píng)估方法可以很好地模擬評(píng)估不同類型的雙極電路的ELDRS效應(yīng),但其物理過(guò)程仍需進(jìn)一步研究.

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,本文根據(jù)ELDRS效應(yīng)的物理機(jī)理,對(duì)變劑量率輻照、變溫輻照兩種加速評(píng)估方法進(jìn)行了研究和探索.本文以4款商用模擬電路為對(duì)象,研究了其在變劑量率輻照和變溫輻照下的響應(yīng)規(guī)律,比較了兩種方法的適應(yīng)性和優(yōu)劣性,并探討了這兩種方法的輻照損傷機(jī)理.

2 實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品為具有明顯ELDRS效應(yīng)的典型商用純雙極運(yùn)算放大器和電壓比較器,實(shí)驗(yàn)樣品信息見(jiàn)表1,輻照源分別為中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的大鈷源和小鈷源,輻照實(shí)驗(yàn)采用了3種劑量率,即室溫輻照的高劑量率(1.1 Gy(Si)/s)、室溫輻照的低劑量率(1×10?4Gy(Si)/s)、變溫輻照的劑量率(0.023 Gy(Si)/s).在所有的實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)算放大器和電壓比較器施加相應(yīng)的工作偏置,即輻照時(shí)運(yùn)算放大器的正輸入端接地,負(fù)輸入端與輸出端相連;電壓比較器正輸入端接電源電壓5 V,輸入端接地,輸出端接10 k?的上拉電阻.

表1 實(shí)驗(yàn)樣品信息Table 1.Information of experiment sample.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)變劑量率方法(見(jiàn)圖1).變劑量率加速評(píng)估方法是目前國(guó)際上研究較多的評(píng)估手段[9?12],它將電離輻射損傷分為三個(gè)區(qū)域[9,10],即閾值區(qū)、線性區(qū)、飽和區(qū).在高劑量率輻照下,器件快速進(jìn)入不同程度的線性區(qū),然后在隨后的低劑量率的環(huán)境下累積相同的劑量,最后利用反推平移的方式模擬低劑量率損傷趨勢(shì).針對(duì)美軍標(biāo)MIL-STD-833G的高劑量率(0.5—3 Gy(Si)/s)、室溫低劑量率(1×10?4Gy(Si)/s)的輻照條件,本文采用的方法為:采用室溫高劑量率(1.1 Gy(Si)/s)將編號(hào)為1#—5#的5組樣品分別輻照至總劑量為200,400,600,1000和1500 Gy;將1組未輻照的樣品與已經(jīng)輻照的編號(hào)為1#—5#的樣品共6組樣品同時(shí)放置在室溫低劑量率(1×10?4Gy(Si)/s)的條件下,分別累積50 Gy;利用反推平移方式拼接實(shí)際低劑量率輻照損傷趨勢(shì)[9,10].

2)變溫方法(見(jiàn)圖2).變溫加速評(píng)估方法[13?15]是指在輻照過(guò)程中,改變雙極器件或線性集成電路周圍環(huán)境的溫度.本文選擇了從高溫到低溫的變溫順序,在相對(duì)較高的劑量率(0.023 Gy(Si)/s)下評(píng)估低劑量率輻照損傷.高溫輻照在特制的恒高溫箱內(nèi)進(jìn)行,箱內(nèi)置有抗輻射的高靈敏度熱敏電阻,可以保證高溫輻照期間烘箱內(nèi)的溫度變化不超過(guò)±2?C.實(shí)驗(yàn)方法為:先在125?C將器件輻照到200 Gy的總劑量,然后在100?C下輻照到400 Gy,再在65?C下輻照到800 Gy,最后在50?C下輻照到1000 Gy的累積總劑量.同時(shí),將一組對(duì)比樣品放置在室溫低劑量率(1×10?4Gy(Si)/s)條件下累積至1000 Gy.

圖1 變劑量率方法示意圖Fig.1.Schematic diagram of dose switching approach.

圖2 溫度的變化和累積劑量之間的關(guān)系Fig.2.Schematic diagram of high to low temperature approach.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 變劑量率方法對(duì)雙極電路的評(píng)估

圖3和圖4分別給出了運(yùn)算放大器LM833和LM158的輻照敏感參數(shù)偏置電流?Ib在變劑量率方法下的響應(yīng)規(guī)律.利用逆推所得到的圖3(b)中LM833的評(píng)估結(jié)果表明,在較低的總劑量下,變劑量率輻照損傷略高于低劑量率輻照損傷.但由于LM833低劑量率下的損傷增強(qiáng)因子較大,器件退化速度很快,導(dǎo)致逆推曲線重疊部分較多,因此在相同條件下LM833的預(yù)測(cè)總劑量只能達(dá)到200 Gy(Si)左右,而LM158的退化則趨于飽和.

圖5和圖6給出的電壓比較器LM2903和LM339變劑量率輻照結(jié)果表明,變劑量率輻照損傷與低劑量率損傷大致相同,并且由于該器件退化速度較慢,逆推曲線重疊部分較少,使得其預(yù)測(cè)的總劑量可以分別達(dá)到600和700 Gy(Si).從4款器件的變劑量率輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,兩種電路的變劑量率輻照損傷與低劑量率輻照損傷趨勢(shì)相當(dāng),并且將輻照時(shí)間從4個(gè)月縮減至1周,但其預(yù)測(cè)的總劑量受到器件退化速度的影響.

3.2 變溫輻照方法對(duì)雙極電路的評(píng)估

圖7給出了LM833與LM158運(yùn)放電路變溫輻照加速評(píng)估的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.評(píng)估結(jié)果顯示,采用變溫輻照法得到的LM833的輻照損傷大于低劑量率輻照損傷,且?guī)缀跖c低劑量率輻照損傷趨勢(shì)一致,即在總劑量小于600 Gy(Si)左右呈線性增長(zhǎng),超過(guò)600 Gy(Si)呈飽和狀態(tài).LM158評(píng)估結(jié)果顯示,在總劑量超過(guò)200 Gy(Si)時(shí)出現(xiàn)飽和趨勢(shì),與低劑量率下的退化趨勢(shì)一致.

圖3 變劑量率方法對(duì)運(yùn)算放大器LM833的評(píng)估 (a)實(shí)際響應(yīng)規(guī)律;(b)逆推曲線Fig.3.Dose rate switching evaluation results of LM833:(a)Actual response rule;(b)inverse curve.

圖4 變劑量率方法對(duì)運(yùn)算放大器LM158的評(píng)估 (a)實(shí)際響應(yīng)規(guī)律;(b)逆推曲線Fig.4.Dose rate switching evaluation results of LM158:(a)Actual response rule;(b)iinverse curve.

圖5 變劑量率方法對(duì)運(yùn)算放大器LM2903的評(píng)估 (a)實(shí)際響應(yīng)規(guī)律;(b)逆推曲線Fig.5.Dose rate switching evaluation results of LM2903:(a)Actual response rule;(b)inverse curve.

圖6 變劑量率方法對(duì)運(yùn)算放大器LM339的評(píng)估 (a)實(shí)際響應(yīng)規(guī)律;(b)逆推曲線Fig.6.Dose rate switching evaluation results of LM339:(a)Actual response rule;(b)inverse curve.

圖7 變溫輻照法對(duì)兩款運(yùn)放電路的評(píng)估結(jié)果 (a)LM833;(b)LM158Fig.7.Switched temperature evaluation results:(a)LM833;(b)LM158.

圖8給出的LM2903與LM339電壓比較器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,變溫輻照法可以很好地模擬該器件的低劑量率輻照損傷趨勢(shì),即總劑量為0—1000 Gy(Si)時(shí),電路的偏置電流呈線性變化,且當(dāng)累積劑量值為1000 Gy(Si)時(shí),變溫輻照損傷均高于低劑量率輻照損傷.從兩款器件的變溫輻照的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,變溫輻照加速評(píng)估方法可以保守地估計(jì)該兩款器件的ELDRS效應(yīng),評(píng)估的總劑量范圍均達(dá)到1000 Gy(Si),且將評(píng)估時(shí)間縮短為12 h.

圖8 變溫輻照法對(duì)兩款電壓比較器的評(píng)估結(jié)果 (a)LM2903;(b)LM339Fig.8.Switched temperature evaluation results:(a)LM2903;(b)LM339.

3.3 兩種加速評(píng)估方法的比較

為探索不同加速評(píng)估方法的適應(yīng)性和優(yōu)劣性,本文就兩種方法從評(píng)估結(jié)果、評(píng)估范圍、評(píng)估時(shí)間三個(gè)方面加以比較.

1)表2列出了不同加速評(píng)估方法下的評(píng)估因子,即加速評(píng)估結(jié)果與低劑量率輻照結(jié)果之比,其中加速評(píng)估結(jié)果表示在變溫或變劑量率條件下偏置電流的變化;低劑量率輻照結(jié)果表示在劑量率1×10?4Gy(Si)/s條件下偏置電流的變化.結(jié)果顯示,較變劑量率輻照方法,變溫輻照法可給出更保守的評(píng)估結(jié)果.

2)在評(píng)估范圍上,變劑量率法因受到器件退化速度的影響,預(yù)測(cè)結(jié)果均未到達(dá)1000 Gy(Si),而變溫輻照法在0—1000 Gy的總劑量范圍內(nèi)均有很好的評(píng)估效果,均能給出一個(gè)相對(duì)保守的評(píng)估結(jié)果.

3)在評(píng)估時(shí)間上,變溫輻照方法仍具有明顯優(yōu)勢(shì),變劑量率方法的評(píng)估周期大約為1周,而變溫輻照法將評(píng)估時(shí)間縮短成12 h.

表2 不同總劑量下的評(píng)估因子Table 2.Evaluation factors of accelerated method at different total dose levels.

4 討 論

4.1 變劑量率方法機(jī)理分析

根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)模型[16],劑量率效應(yīng)主要是由空穴的俘獲和復(fù)合的競(jìng)爭(zhēng)所致,如圖9能帶示意圖所示.在低劑量率時(shí),由于在導(dǎo)帶和價(jià)帶上的載流子濃度較低,空穴更傾向于被缺陷俘獲,增加了隨后的質(zhì)子釋放,從而導(dǎo)致界面陷阱電荷的增加.在高劑量率時(shí),載流子在導(dǎo)帶和價(jià)帶上的濃度很高,因而復(fù)合作用更占優(yōu)勢(shì),大量的空穴因復(fù)合作用而流失,從而導(dǎo)致高劑量率釋放的質(zhì)子(H+)減小,繼而產(chǎn)生較少的界面態(tài).因此,對(duì)于恒定的總劑量,輻照損傷隨著劑量率的減小而增強(qiáng),變劑量率方法正是利用輻照損傷隨劑量率的變化而增強(qiáng)這一特性,且高劑量率下的輻照對(duì)隨后的低劑量率輻照沒(méi)有影響,同時(shí)器件在同一劑量率條件下的輻射損傷(退化速率)幾乎一致[9].因此,變劑量率先通過(guò)高劑量率輻照使器件快速進(jìn)入不同程度的線性區(qū),然后再在低劑量率下輻照獲得器件的實(shí)際低劑量率的輻照損傷(曲線變化斜率),最后利用水平平移拼接模擬ELDRS效應(yīng).

圖9 競(jìng)爭(zhēng)模型圖Fig.9.Energy-level scheme of the recombination center and hole trap.

4.2 變溫輻照方法機(jī)理分析

基于SiO2層中缺陷陷阱電荷的產(chǎn)生、輸運(yùn)及退化過(guò)程的研究,同時(shí)考慮到空穴逃逸額、釋放的質(zhì)子濃度、缺陷反應(yīng)勢(shì)壘等因素對(duì)缺陷分布的影響,變溫輻照較變劑量率輻照更能激發(fā)電路的退化潛能.

1)空穴逃逸率對(duì)界面態(tài)的影響.空穴逃逸率與溫度有密切關(guān)系.研究[17]發(fā)現(xiàn):對(duì)于低電場(chǎng)的SiO2層,溫度對(duì)電子-空穴對(duì)的初始復(fù)合具有明顯的影響.200,300,400 K三種不同溫度下的空穴逃逸概率與電場(chǎng)的關(guān)系如表3所列.在低電場(chǎng)下,初始復(fù)合概率對(duì)溫度有極強(qiáng)的依賴性,隨著溫度的增加,空穴的逃逸率逐漸增加.這意味著逃離初始復(fù)合的空穴增加,有更多的空穴參與質(zhì)子的釋放,繼而有更多的H+在Si-SiO2界面處生成界面態(tài).

表3 不同溫度下空穴逃逸率與電場(chǎng)的關(guān)系[17]Table 3.Relation between normalized escape probability and electric field at different temperature[17].

2)質(zhì)子的釋放.在SiO2氧化層中存在多種類型的氧空位缺陷(V)[18],這些氧空位型缺陷直接導(dǎo)致了器件輻照之后產(chǎn)生諸多效應(yīng),空穴陷阱(E′中心)正是由這些氧空位演化而來(lái),器件電離輻射時(shí),逃逸的空穴會(huì)與氫化的氧空位缺陷(VH)作用釋放出質(zhì)子H+(如過(guò)程(1),(2)所示).這些釋放的H或H+會(huì)進(jìn)一步運(yùn)輸?shù)浇缑?與界面附近Si—H懸掛鍵結(jié)合形成界面態(tài)(如過(guò)程(3)所示).

圖10 界面態(tài)的去鈍化(生長(zhǎng))與鈍化(退火)過(guò)程示意圖 (a)質(zhì)子與界面處的Si—H鍵的去鈍化過(guò)程;(b)氫分子與界面陷阱的鈍化作用Fig.10.View of the oxide showing the process of depassivation and passivation:(a)Depassivation of proton reaction with Si—H bonds;(b)passivation of Hydrogen molecules and interface trap.

其中,p表示輻射感生的空穴,VH表示中性氫化的氧空位缺陷,V表示氧空位型缺陷,H+表示質(zhì)子,SSiH表示Si—H懸掛鍵,表示界面態(tài).

對(duì)于氫化的氧空位缺陷(VH)[19],其包括VoγH缺陷(Eγ中心)和VoδH缺陷(Eδ中心),VoδH缺陷因具有較低的勢(shì)壘,在常溫下就可以俘獲空穴釋放出質(zhì)子H+,如過(guò)程(4)所示;與此相反,VoγH缺陷的勢(shì)壘較高,在常溫下不容易發(fā)生過(guò)程(5),但隨著溫度的增加,過(guò)程(5)會(huì)逐漸加強(qiáng),從而釋放的質(zhì)子H+的數(shù)量會(huì)不斷增加,器件的退化程度也相應(yīng)增強(qiáng).

其中,VoγH表示深能級(jí)缺陷,VoδH表示淺能級(jí)缺陷.

3)界面態(tài)的生長(zhǎng)與退火之間的競(jìng)爭(zhēng)(見(jiàn)圖10).高溫可以加速質(zhì)子的釋放和輸運(yùn)過(guò)程,繼而加劇器件的輻射損傷.同時(shí),由于持續(xù)高溫,界面陷阱電荷密度不斷增加,Si的表面勢(shì)也相應(yīng)增加,這導(dǎo)致襯底中的電子隧穿過(guò)來(lái),將界面態(tài)轉(zhuǎn)化為它與H2(氫二聚化作用)發(fā)生鈍化反應(yīng)即退火現(xiàn)象,如過(guò)程(6)所示.因而,當(dāng)累積至一定總劑量時(shí),界面態(tài)的退火大于生成時(shí),器件的退化程度會(huì)減小[20,21].變溫輻照,適當(dāng)?shù)慕档蜏囟?減弱氫的二聚化和電子的隧穿,使得在與界面態(tài)退火的競(jìng)爭(zhēng)中,界面態(tài)的生長(zhǎng)一直處于主導(dǎo)的地位.

其中,表示中性或帶負(fù)電的界面陷阱電荷,H2表示氫分子,SSiH表示Si—H懸掛鍵,H+表示質(zhì)子.

綜上所述,變溫輻照方法優(yōu)于變劑量率方法在物理機(jī)理上體現(xiàn)在以下三方面:1?與常溫的變劑量率輻照相比,變溫輻照可以明顯增加反應(yīng)媒介的濃度(空穴、質(zhì)子),從而促進(jìn)陷阱電荷的積累;2?高溫輻照可以加快質(zhì)子的漂移速度,從而縮短了評(píng)估時(shí)間;3?利用鈍化與去鈍化的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,變溫輻照有效地抑制了界面態(tài)的退火作用,從而使得器件的退化過(guò)程不斷加劇.

5 結(jié) 論

1)變劑量率加速評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:變劑量率加速評(píng)估方法在較小的總劑量下能較為真實(shí)地推測(cè)出實(shí)際低劑量率的輻照損傷,并能給出一個(gè)不太保守的估計(jì),同時(shí)其預(yù)測(cè)總劑量范圍受到退化速度的影響,退化速度較慢的LM2903其評(píng)估的總劑量可達(dá)到600 Gy(Si),退化速度較快的LM833其評(píng)估的總劑量只能達(dá)到200 Gy(Si).

2)變溫輻照加速評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:變溫輻照加速評(píng)估方法能夠快速模擬出實(shí)際低劑量率下的輻照損傷,給出一個(gè)較為保守的估計(jì),并將評(píng)估的總劑量范圍擴(kuò)展至1000 Gy(Si),且使輻照評(píng)估時(shí)間縮短為12 h.

3)對(duì)于變溫輻照方法而言,高溫輻照可以加速空穴的漂移速率,使得更多的空穴參與H+的釋放;同時(shí),氫在高溫環(huán)境下的二聚化將會(huì)導(dǎo)致界面態(tài)的退火,適當(dāng)?shù)亟档蜏囟葴p小氫在界面處的堆積,使得氫的二聚化反應(yīng)速率下降,從而減小界面態(tài)的退火,并且溫度下降也會(huì)大大降低電子的隧穿,從而減小氧化物陷阱電荷的退火.

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[20]Hughart D R,Schrimpf R D,Fleetwood D M,Tuttle B R,Pantelides S T 2011IEEE Trans.Nucl.Sci.58 2930

[21]Hughart D R,Schrimpf R D,Fleetwood D M,Rowsey N L,Law M E,Tuttle B R,Pantelides S T 2012IEEE Trans.Nucl.Sci.59 3087