典型模擬電路低劑量率輻照損傷增強效應的研究與評估?

李小龍 陸嫵 王信 郭旗 何承發 孫靜 于新 劉默寒 賈金成 姚帥 魏昕宇

1)(中國科學院新疆理化技術研究所,中國科學院特殊環境功能材料與器件重點實驗室,烏魯木齊 830011)

2)(新疆電子信息材料與器件重點實驗室,烏魯木齊 830011)

3)(中國科學院大學,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(enhanced low-dose-rate sensitivity,ELDRS)效應[1?3]給電子元器件的抗輻照能力測試評估方法帶來巨大挑戰.由于ELDRS效應的存在,采用實驗室高劑量率(0.5—3 Gy(Si)/s)輻照結果來評估器件的抗輻照能力,與電子器件在實際的空間低劑量率環境下的抗輻照能力嚴重不符,從而給衛星等航天系統的可靠性帶來嚴重隱患,因此找到一種能在實驗室應用且高效可靠的雙極器件ELDRS效應的加速評估方法具有重要意義.

目前,國外對雙極器件ELDRS效應及其機理開展了較為深入的研究[4?8],提出了幾種相關的理論模型,但由于ELDRS效應與器件的工藝及結構等均有較大關系,因此尚不能給出統一的結論;美軍標MIL-STD-833G雖包括了變劑量率加速評估方法[9?12],但給出的標準過于籠統,對于采用多大劑量率、在何時變劑量率等均未給出明確規定,并且該方法的機理并不明晰.在國內,新疆電子信息材料與器件重點實驗室對電子元器件的加速評估進行了大量研究[13?15],提出的變溫輻照加速評估方法可以很好地模擬評估不同類型的雙極電路的ELDRS效應,但其物理過程仍需進一步研究.

針對目前國內外的研究現狀,本文根據ELDRS效應的物理機理,對變劑量率輻照、變溫輻照兩種加速評估方法進行了研究和探索.本文以4款商用模擬電路為對象,研究了其在變劑量率輻照和變溫輻照下的響應規律,比較了兩種方法的適應性和優劣性,并探討了這兩種方法的輻照損傷機理.

2 實驗樣品和實驗方法

2.1 實驗樣品

樣品為具有明顯ELDRS效應的典型商用純雙極運算放大器和電壓比較器,實驗樣品信息見表1,輻照源分別為中國科學院新疆理化技術研究所的大鈷源和小鈷源,輻照實驗采用了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).在所有的實驗中,運算放大器和電壓比較器施加相應的工作偏置,即輻照時運算放大器的正輸入端接地,負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 實驗樣品信息Table 1.Information of experiment sample.

2.2 實驗方法

1)變劑量率方法(見圖1).變劑量率加速評估方法是目前國際上研究較多的評估手段[9?12],它將電離輻射損傷分為三個區域[9,10],即閾值區、線性區、飽和區.在高劑量率輻照下,器件快速進入不同程度的線性區,然后在隨后的低劑量率的環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.針對美軍標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輻照的編號為1#—5#的樣品共6組樣品同時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際低劑量率輻照損傷趨勢[9,10].

2)變溫方法(見圖2).變溫加速評估方法[13?15]是指在輻照過程中,改變雙極器件或線性集成電路周圍環境的溫度.本文選擇了從高溫到低溫的變溫順序,在相對較高的劑量率(0.023 Gy(Si)/s)下評估低劑量率輻照損傷.高溫輻照在特制的恒高溫箱內進行,箱內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的溫度變化不超過±2?C.實驗方法為: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,將一組對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系Fig.2.Schematic diagram of high to low temperature approach.

3 實驗結果

3.1 變劑量率方法對雙極電路的評估

圖3和圖4分別給出了運算放大器LM833和LM158的輻照敏感參數偏置電流?Ib在變劑量率方法下的響應規律.利用逆推所得到的圖3(b)中LM833的評估結果表明,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因子較大,器件退化速度很快,導致逆推曲線重疊部分較多,因此在相同條件下LM833的預測總劑量只能達到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,使得其預測的總劑量可以分別達到600和700 Gy(Si).從4款器件的變劑量率輻照實驗結果可以看出,兩種電路的變劑量率輻照損傷與低劑量率輻照損傷趨勢相當,并且將輻照時間從4個月縮減至1周,但其預測的總劑量受到器件退化速度的影響.

3.2 變溫輻照方法對雙極電路的評估

圖7給出了LM833與LM158運放電路變溫輻照加速評估的實驗結果.評估結果顯示,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,且幾乎與低劑量率輻照損傷趨勢一致,即在總劑量小于600 Gy(Si)左右呈線性增長,超過600 Gy(Si)呈飽和狀態.LM158評估結果顯示,在總劑量超過200 Gy(Si)時出現飽和趨勢,與低劑量率下的退化趨勢一致.

圖3 變劑量率方法對運算放大器LM833的評估 (a)實際響應規律;(b)逆推曲線Fig.3.Dose rate switching evaluation results of LM833:(a)Actual response rule;(b)inverse curve.

圖4 變劑量率方法對運算放大器LM158的評估 (a)實際響應規律;(b)逆推曲線Fig.4.Dose rate switching evaluation results of LM158:(a)Actual response rule;(b)iinverse curve.

圖5 變劑量率方法對運算放大器LM2903的評估 (a)實際響應規律;(b)逆推曲線Fig.5.Dose rate switching evaluation results of LM2903:(a)Actual response rule;(b)inverse curve.

圖6 變劑量率方法對運算放大器LM339的評估 (a)實際響應規律;(b)逆推曲線Fig.6.Dose rate switching evaluation results of LM339:(a)Actual response rule;(b)inverse curve.

圖7 變溫輻照法對兩款運放電路的評估結果 (a)LM833;(b)LM158Fig.7.Switched temperature evaluation results:(a)LM833;(b)LM158.

圖8給出的LM2903與LM339電壓比較器的實驗結果表明,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,即總劑量為0—1000 Gy(Si)時,電路的偏置電流呈線性變化,且當累積劑量值為1000 Gy(Si)時,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驗結果可以看出,變溫輻照加速評估方法可以保守地估計該兩款器件的ELDRS效應,評估的總劑量范圍均達到1000 Gy(Si),且將評估時間縮短為12 h.

圖8 變溫輻照法對兩款電壓比較器的評估結果 (a)LM2903;(b)LM339Fig.8.Switched temperature evaluation results:(a)LM2903;(b)LM339.

3.3 兩種加速評估方法的比較

為探索不同加速評估方法的適應性和優劣性,本文就兩種方法從評估結果、評估范圍、評估時間三個方面加以比較.

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

2)在評估范圍上,變劑量率法因受到器件退化速度的影響,預測結果均未到達1000 Gy(Si),而變溫輻照法在0—1000 Gy的總劑量范圍內均有很好的評估效果,均能給出一個相對保守的評估結果.

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

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

4 討 論

4.1 變劑量率方法機理分析

根據競爭模型[16],劑量率效應主要是由空穴的俘獲和復合的競爭所致,如圖9能帶示意圖所示.在低劑量率時,由于在導帶和價帶上的載流子濃度較低,空穴更傾向于被缺陷俘獲,增加了隨后的質子釋放,從而導致界面陷阱電荷的增加.在高劑量率時,載流子在導帶和價帶上的濃度很高,因而復合作用更占優勢,大量的空穴因復合作用而流失,從而導致高劑量率釋放的質子(H+)減小,繼而產生較少的界面態.因此,對于恒定的總劑量,輻照損傷隨著劑量率的減小而增強,變劑量率方法正是利用輻照損傷隨劑量率的變化而增強這一特性,且高劑量率下的輻照對隨后的低劑量率輻照沒有影響,同時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,變劑量率先通過高劑量率輻照使器件快速進入不同程度的線性區,然后再在低劑量率下輻照獲得器件的實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.

圖9 競爭模型圖Fig.9.Energy-level scheme of the recombination center and hole trap.

4.2 變溫輻照方法機理分析

基于SiO2層中缺陷陷阱電荷的產生、輸運及退化過程的研究,同時考慮到空穴逃逸額、釋放的質子濃度、缺陷反應勢壘等因素對缺陷分布的影響,變溫輻照較變劑量率輻照更能激發電路的退化潛能.

1)空穴逃逸率對界面態的影響.空穴逃逸率與溫度有密切關系.研究[17]發現:對于低電場的SiO2層,溫度對電子-空穴對的初始復合具有明顯的影響.200,300,400 K三種不同溫度下的空穴逃逸概率與電場的關系如表3所列.在低電場下,初始復合概率對溫度有極強的依賴性,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合的空穴增加,有更多的空穴參與質子的釋放,繼而有更多的H+在Si-SiO2界面處生成界面態.

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

2)質子的釋放.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致了器件輻照之后產生諸多效應,空穴陷阱(E′中心)正是由這些氧空位演化而來,器件電離輻射時,逃逸的空穴會與氫化的氧空位缺陷(VH)作用釋放出質子H+(如過程(1),(2)所示).這些釋放的H或H+會進一步運輸到界面,與界面附近Si—H懸掛鍵結合形成界面態(如過程(3)所示).

圖10 界面態的去鈍化(生長)與鈍化(退火)過程示意圖 (a)質子與界面處的Si—H鍵的去鈍化過程;(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+表示質子,SSiH表示Si—H懸掛鍵,表示界面態.

對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壘,在常溫下就可以俘獲空穴釋放出質子H+,如過程(4)所示;與此相反,VoγH缺陷的勢壘較高,在常溫下不容易發生過程(5),但隨著溫度的增加,過程(5)會逐漸加強,從而釋放的質子H+的數量會不斷增加,器件的退化程度也相應增強.

其中,VoγH表示深能級缺陷,VoδH表示淺能級缺陷.

3)界面態的生長與退火之間的競爭(見圖10).高溫可以加速質子的釋放和輸運過程,繼而加劇器件的輻射損傷.同時,由于持續高溫,界面陷阱電荷密度不斷增加,Si的表面勢也相應增加,這導致襯底中的電子隧穿過來,將界面態轉化為它與H2(氫二聚化作用)發生鈍化反應即退火現象,如過程(6)所示.因而,當累積至一定總劑量時,界面態的退火大于生成時,器件的退化程度會減小[20,21].變溫輻照,適當的降低溫度,減弱氫的二聚化和電子的隧穿,使得在與界面態退火的競爭中,界面態的生長一直處于主導的地位.

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

綜上所述,變溫輻照方法優于變劑量率方法在物理機理上體現在以下三方面: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媒介的濃度(空穴、質子),從而促進陷阱電荷的積累;2?高溫輻照可以加快質子的漂移速度,從而縮短了評估時間;3?利用鈍化與去鈍化的競爭關系,變溫輻照有效地抑制了界面態的退火作用,從而使得器件的退化過程不斷加劇.

5 結 論

1)變劑量率加速評估實驗結果表明:變劑量率加速評估方法在較小的總劑量下能較為真實地推測出實際低劑量率的輻照損傷,并能給出一個不太保守的估計,同時其預測總劑量范圍受到退化速度的影響,退化速度較慢的LM2903其評估的總劑量可達到600 Gy(Si),退化速度較快的LM833其評估的總劑量只能達到200 Gy(Si).

2)變溫輻照加速評估實驗結果表明:變溫輻照加速評估方法能夠快速模擬出實際低劑量率下的輻照損傷,給出一個較為保守的估計,并將評估的總劑量范圍擴展至1000 Gy(Si),且使輻照評估時間縮短為12 h.

3)對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,氫在高溫環境下的二聚化將會導致界面態的退火,適當地降低溫度減小氫在界面處的堆積,使得氫的二聚化反應速率下降,從而減小界面態的退火,并且溫度下降也會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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