國(guó)產(chǎn)雙極工藝線性電路低劑量率輻照效應(yīng)評(píng)估方法

李鵬偉，呂 賀，張洪偉，孫 明，劉 凡，孫 靜

（1. 中國(guó)航天宇航元器件工程中心；2. 國(guó)防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心：北京 100029；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，哈爾濱 150006；4. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 24 研究所，重慶 400060；5. 中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊 830011）

0 引言

隨著國(guó)家元器件自主可控戰(zhàn)略的實(shí)施，越來越多的國(guó)產(chǎn)元器件將應(yīng)用于衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)中。但受制于國(guó)內(nèi)元器件設(shè)計(jì)、抗輻射加固設(shè)計(jì)和芯片工藝技術(shù)等原因，新研制的國(guó)產(chǎn)元器件的空間應(yīng)用成熟度較低[1]。元器件在空間應(yīng)用中的抗輻射能力是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，因此，對(duì)國(guó)產(chǎn)元器件的抗輻射能力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估十分重要。

自從1991年Enlow等[2]發(fā)現(xiàn)了采用雙極工藝的器件具有低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)（enhanced low dose rate radiation sensitivity, ELDRS）以后，相關(guān)研究日益受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注[3-6]。低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)是指相同累積輻射劑量下，低劑量率輻射條件下引起的損傷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高劑量率下的。當(dāng)前的元器件鑒定考核試驗(yàn)中多選用較高輻照劑量率的試驗(yàn)條件，而空間輻射環(huán)境中的真實(shí)劑量率范圍在 5×10-4～1×10-2rad(Si)/s之間[7]，因此，存在因劑量率選取不當(dāng)而過高評(píng)估元器件抗電離總劑量輻射能力的問題。

本文以國(guó)產(chǎn)化元器件為研究對(duì)象，開展了國(guó)產(chǎn)雙極工藝電路的0.01 rad(Si)/s劑量率輻照試驗(yàn)，并通過對(duì)比0.1 rad(Si)/s劑量率輻照試驗(yàn)結(jié)果，引入輻射損傷增強(qiáng)因子和參數(shù)判據(jù)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，分析評(píng)估了各型號(hào)器件的ELDRS特性及抗電離總劑量輻射能力水平。

1 試驗(yàn)描述

1.1 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)共選取9款型號(hào)規(guī)格的器件（詳見表1）作為試驗(yàn)樣品，涵蓋4種類別的制作工藝，包括SOI的互補(bǔ)雙極工藝、雙極工藝、雙極FET和雙極CMOS工藝；從單管特性來看，包括NPN、VPNP、LPNP、SPNP、PJFET、NMOS、PMOS、寄生 NPN 等8種基本單管工藝及其組合；從電路結(jié)構(gòu)特性來看，包括運(yùn)放類及其相關(guān)器件5款，電壓基準(zhǔn)源類2款，脈寬調(diào)制器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器各1款。

輻照試驗(yàn)樣品選用同批次篩選合格后的產(chǎn)品，每款樣品在不同劑量率下的試驗(yàn)樣品數(shù)量為11只，其中5只加偏置進(jìn)行輻照，5只不加偏置進(jìn)行輻照，1只不進(jìn)行輻照（作為試驗(yàn)對(duì)比器件）。

表1 試驗(yàn)樣品型號(hào)規(guī)格Table 1 Type specifications of test articles

1.2 輻照試驗(yàn)條件

選取0.01和0.1 rad(Si)/s劑量率輻照條件進(jìn)行輻照試驗(yàn)。其中，0.01 rad(Si)/s低劑量率輻照試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的小60Co-γ射線源開展，劑量率場(chǎng)范圍 0.5 m×5 m（高×寬），輻照劑量率不均勻度小于3%；0.1 rad(Si)/s劑量率輻照試驗(yàn)采用北京大學(xué)60Co-γ射線源開展，劑量率場(chǎng)范圍0.5 m×5 m（高×寬），輻照劑量率不均勻度小于5%。

分別選取器件在50、100 krad(Si)輻照累積劑量點(diǎn)的敏感電參數(shù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 輻照試驗(yàn)結(jié)果

以輻照至規(guī)定的累積劑量點(diǎn)為參考，對(duì)發(fā)生參數(shù)超差的型號(hào)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果匯總（見表2），所選取的測(cè)試數(shù)據(jù)為本組（10只）樣本中變化較大的樣品的數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯\(yùn)放類器件在輻照至100 krad(Si)后，電參數(shù)退化較大的主要為偏置電流（IIB），且不同種類器件偏置電流變化值不同，XX193的偏置電流變化達(dá)到228 nA，退化較嚴(yán)重；其他型號(hào)規(guī)格器件的敏感參數(shù)也有超出判據(jù)范圍，但變化值不明顯。

通過對(duì)低劑量率輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，依據(jù)各產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范中的判據(jù)規(guī)定，可以得出各型器件抗低劑量率輻照電離總劑量的能力如表3所示，結(jié)合表2中參數(shù)超差情況得到：在低劑量率輻照條件下，XX119等3款器件的抗輻射能力達(dá)到100 krad(Si)；XX215等 3款器件的抗輻射能力低于 20 krad(Si)，其中 XX584 僅為 5 krad(Si)。

表2 器件敏感電參數(shù)在 0.01 rad(Si)/s 劑量率輻照下的測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of sensitivity parameters under 0.01 rad(Si)/s dose rate irradiation

表3 0.01 rad(Si)/s 劑量率輻照下的器件抗輻射能力Table 3 The radiation hardness of components under 0.01 rad(Si)/s dose rate irradiation

2.2 不同劑量率條件下試驗(yàn)結(jié)果比較

通過開展不同劑量率（0.01和0.1 rad(Si)/s）條件下的輻照試驗(yàn)，評(píng)估了不同型號(hào)規(guī)格器件的抗總劑量輻射能力（詳見表4）。

表4 不同劑量率條件下的器件抗輻照能力Table 4 The radiation hardness of components under different dose rate irradiation

從表4可以看出：XX574、XX8041、XX584、XX811等器件在低劑量率輻照條件下的抗輻射能力較低，而 XX193、XX117、XX215等器件在 2種劑量率輻照條件下的抗輻射能力一致，需要進(jìn)一步分析前者是否具有ELDRS特性。在較低劑量率輻照下，雙極工藝器件表現(xiàn)出不加偏置條件下的樣品電參數(shù)退化比加偏置條件下的更惡劣，如XX811、XX584、XX193；而采用 BiCMOS 工藝的 XX574、采用 CBIP工藝的 XX8041、采用 BiFET工藝的XX215等表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，即加偏置條件下的器件參數(shù)退化得更惡劣。

2.3 抗輻射能力分析與討論

雙極工藝（或含）器件的抗輻射能力評(píng)估準(zhǔn)確性是衡量試驗(yàn)方法選取的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其中需要考慮高/低劑量率選取，試驗(yàn)樣品的特性以及應(yīng)用條件的裕度。評(píng)價(jià)雙極工藝器件的抗電離總劑量輻射能力則需要確定3個(gè)判據(jù)：1）既定的輻照累積劑量點(diǎn)；2）被輻照樣品是否具有ELDRS特性；3）被輻照樣品的應(yīng)用判據(jù)范圍。

為評(píng)估雙極工藝電路是否具有ELDRS特性，引入“輻射損傷增強(qiáng)因子”的概念，即2種不同劑量率條件下，在輻照至規(guī)定累積劑量時(shí)，器件電參數(shù)退化量的比值

式中：Γ0.01/0.1為 0.01 rad(Si)/s劑量率與 0.1 rad(Si)/s劑量率相比的輻射損傷增強(qiáng)因子；ST-0.01和ST-0.1分別為在劑量率為 0.01 rad(Si)/s和 0.1 rad(Si)/s條件下輻照至累積劑量時(shí)的器件電參數(shù)測(cè)試值；S0為輻照前該電參數(shù)的初測(cè)試值。Γ0.01/0.1值越大，則表明器件的ELDRS特性越明顯。

結(jié)合0.1 rad(Si)/s劑量率條件下的鑒定檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，以及50和100 krad(Si)累積劑量下的器件電參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，按照輻射損傷增強(qiáng)因子的定義分析各型號(hào)器件的ELDRS特性，其中對(duì)應(yīng)50 krad(Si)累積劑量的結(jié)果如表5所示：在相同累積劑量條件下，XX1845、XX117、XX215、XX8041等器件的Γ0.01/0.1值均在3以內(nèi)；而XX193、XX119等器件的Γ0.01/0.1值較高，其中XX119的高達(dá)到114，表明低劑量率輻照損傷引起的退化程度更嚴(yán)重，器件的ELDRS特性十分明顯。

表5 器件在 50 krad(Si)累積劑量下的輻射損傷增強(qiáng)因子Table 5 Radiation damage enhancement factors of devices under 50 krad(Si) total dose irradiation

根據(jù)表5數(shù)據(jù)分析：XX1845、XX117、XX215、XX8041等器件的ELDRS特性不明顯；XX193的Γ0.01/0.1為10.81，低劑量率條件下偏置電流（IIB）退化至約-370 nA，超出了判據(jù)的下限（-170 nA）要求，而高劑量率條件下的參數(shù)退化在合格范圍之內(nèi)，可見該器件具有ELDRS特性，且抗電離總劑量輻射能力低于 50 krad(Si)；XX119 的Γ0.01/0.1為114.64，比較大，但其在低劑量率輻照下的偏置電流退化不明顯，退化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參數(shù)判據(jù)限值，可見該器件的抗電離總劑量輻射能力達(dá)到50 krad(Si)。

從上面分析可以看出，按照工程應(yīng)用需求對(duì)器件抗電離總劑量輻射的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要依據(jù)輻照后器件電參數(shù)是否在產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范中規(guī)定判據(jù)范圍之內(nèi)；而對(duì)于雙極工藝電路是否具有ELDRS特性則主要依據(jù)其退化參數(shù)在低劑量率輻照后引起的損傷是否更嚴(yán)重——輻射損傷增強(qiáng)因子越大，表明器件的ELDRS特性越明顯。ELDRS的物理機(jī)制比較復(fù)雜，目前的研究對(duì)其尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其根本原因在于沒有完全掌握輻射產(chǎn)物的形成過程及其與劑量率、氧化層電場(chǎng)、缺陷能級(jí)及分布等因素間的相互關(guān)系[8-9]。因此，在對(duì)新研制器件進(jìn)行工程應(yīng)用評(píng)估時(shí)需要先確認(rèn)其是否具有ELDRS特性，對(duì)于該特性不明顯的器件，在確保工藝條件穩(wěn)定的前提下，可不進(jìn)行低劑量率輻照評(píng)估試驗(yàn)；而對(duì)于具有該特性的器件，不僅要加強(qiáng)工藝技術(shù)提升，同時(shí)還要逐批開展低劑量率輻照評(píng)估試驗(yàn)，以確保能夠避免器件空間應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論及建議

通過開展國(guó)產(chǎn)雙極工藝電路低劑量率輻照對(duì)比試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合器件的低劑量率輻射敏感特性及工程應(yīng)用判據(jù)，得出結(jié)論如下：

1）低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)于XX193、XX811、XX119、XX1845、XX117、XX580、XX215等器件不明顯；而對(duì)于XX193、XX119和XX574等器件明顯。

2）就抗電離總劑量輻射的能力而言，XX1845、XX117、XX580 等器件的指標(biāo)大于 100 krad(Si)；XX119、XX811、XX193等器件的指標(biāo)在 50～100 krad(Si)之間；XX574、XX215、XX8041 等器件的指標(biāo)在 20～50 krad(Si)之間；XX584的指標(biāo)低于 5 krad(Si)。

綜上，建議：針對(duì)低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)不明顯的器件，在具有相同的工藝和抗輻射加固結(jié)構(gòu)條件下，明確工藝設(shè)計(jì)穩(wěn)定后，可不再進(jìn)行低劑量率輻照試驗(yàn)；針對(duì)不同型號(hào)規(guī)格產(chǎn)品的相同工藝，開展工藝要素及其邊界范疇梳理，對(duì)于符合要素邊界范疇的型號(hào)規(guī)格，可不再進(jìn)行低劑量率輻照試驗(yàn)。針對(duì)低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)明顯的器件，需要加強(qiáng)工藝改進(jìn)，并逐批開展低劑量率輻照評(píng)估試驗(yàn)，同時(shí)針對(duì)工藝設(shè)計(jì)不穩(wěn)定、設(shè)計(jì)更改等情況，均須對(duì)器件進(jìn)行低劑量率輻照評(píng)估試驗(yàn)。

下一步將針對(duì)產(chǎn)品抗輻射能力與低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)之間的關(guān)系開展理論方法研究。