國產雙極工藝線性電路低劑量率輻照效應評估方法

李鵬偉，呂 賀，張洪偉，孫 明，劉 凡，孫 靜

（1. 中國航天宇航元器件工程中心；2. 國防科技工業抗輻照應用技術創新中心：北京 100029；3. 哈爾濱工業大學 材料學院，哈爾濱 150006；4. 中國電子科技集團公司第 24 研究所，重慶 400060；5. 中國科學院 新疆理化技術研究所，烏魯木齊 830011）

0 引言

隨著國家元器件自主可控戰略的實施，越來越多的國產元器件將應用于衛星型號任務中。但受制于國內元器件設計、抗輻射加固設計和芯片工藝技術等原因，新研制的國產元器件的空間應用成熟度較低[1]。元器件在空間應用中的抗輻射能力是一項關鍵指標，因此，對國產元器件的抗輻射能力進行準確評估十分重要。

自從1991年Enlow等[2]發現了采用雙極工藝的器件具有低劑量率輻射損傷增強效應（enhanced low dose rate radiation sensitivity, ELDRS）以后，相關研究日益受到國內外關注[3-6]。低劑量率輻射損傷增強效應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遠大于高劑量率下的。當前的元器件鑒定考核試驗中多選用較高輻照劑量率的試驗條件，而空間輻射環境中的真實劑量率范圍在 5×10-4～1×10-2rad(Si)/s之間[7]，因此，存在因劑量率選取不當而過高評估元器件抗電離總劑量輻射能力的問題。

本文以國產化元器件為研究對象，開展了國產雙極工藝電路的0.01 rad(Si)/s劑量率輻照試驗，并通過對比0.1 rad(Si)/s劑量率輻照試驗結果，引入輻射損傷增強因子和參數判據相結合的評價方法，分析評估了各型號器件的ELDRS特性及抗電離總劑量輻射能力水平。

1 試驗描述

1.1 試驗樣品

本次試驗共選取9款型號規格的器件（詳見表1）作為試驗樣品，涵蓋4種類別的制作工藝，包括SOI的互補雙極工藝、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；從電路結構特性來看，包括運放類及其相關器件5款，電壓基準源類2款，脈寬調制器和模/數轉換器各1款。

輻照試驗樣品選用同批次篩選合格后的產品，每款樣品在不同劑量率下的試驗樣品數量為11只，其中5只加偏置進行輻照，5只不加偏置進行輻照，1只不進行輻照（作為試驗對比器件）。

表1 試驗樣品型號規格Table 1 Type specifications of test articles

1.2 輻照試驗條件

選取0.01和0.1 rad(Si)/s劑量率輻照條件進行輻照試驗。其中，0.01 rad(Si)/s低劑量率輻照試驗采用中國科學院新疆理化技術研究所的小60Co-γ射線源開展，劑量率場范圍 0.5 m×5 m（高×寬），輻照劑量率不均勻度小于3%；0.1 rad(Si)/s劑量率輻照試驗采用北京大學60Co-γ射線源開展，劑量率場范圍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)輻照累積劑量點的敏感電參數測試結果進行對比分析。

2 試驗結果及分析

2.1 輻照試驗結果

以輻照至規定的累積劑量點為參考，對發生參數超差的型號進行測試結果匯總（見表2），所選取的測試數據為本組（10只）樣本中變化較大的樣品的數據。可以看出，運放類器件在輻照至100 krad(Si)后，電參數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的偏置電流變化達到228 nA，退化較嚴重；其他型號規格器件的敏感參數也有超出判據范圍，但變化值不明顯。

通過對低劑量率輻照試驗數據的分析和處理，依據各產品詳細規范中的判據規定，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，結合表2中參數超差情況得到：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 器件敏感電參數在 0.01 rad(Si)/s 劑量率輻照下的測試結果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結果比較

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，評估了不同型號規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，雙極工藝器件表現出不加偏置條件下的樣品電參數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等表現出相反的趨勢，即加偏置條件下的器件參數退化得更惡劣。

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估準確性是衡量試驗方法選取的關鍵指標之一，其中需要考慮高/低劑量率選取，試驗樣品的特性以及應用條件的裕度。評價雙極工藝器件的抗電離總劑量輻射能力則需要確定3個判據：1）既定的輻照累積劑量點；2）被輻照樣品是否具有ELDRS特性；3）被輻照樣品的應用判據范圍。

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

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的器件電參數測試值；S0為輻照前該電參數的初測試值。Γ0.01/0.1值越大，則表明器件的ELDRS特性越明顯。

結合0.1 rad(Si)/s劑量率條件下的鑒定檢驗試驗數據結果，以及50和100 krad(Si)累積劑量下的器件電參數測試數據，按照輻射損傷增強因子的定義分析各型號器件的ELDRS特性，其中對應50 krad(Si)累積劑量的結果如表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；而XX193、XX119等器件的Γ0.01/0.1值較高，其中XX119的高達到114，表明低劑量率輻照損傷引起的退化程度更嚴重，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因子Table 5 Radiation damage enhancement factors of devices under 50 krad(Si) total dose irradiation

根據表5數據分析：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，超出了判據的下限（-170 nA）要求，而高劑量率條件下的參數退化在合格范圍之內，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，退化值遠遠小于參數判據限值，可見該器件的抗電離總劑量輻射能力達到50 krad(Si)。

從上面分析可以看出，按照工程應用需求對器件抗電離總劑量輻射的能力進行評價，主要依據輻照后器件電參數是否在產品詳細規范中規定判據范圍之內；而對于雙極工藝電路是否具有ELDRS特性則主要依據其退化參數在低劑量率輻照后引起的損傷是否更嚴重——輻射損傷增強因子越大，表明器件的ELDRS特性越明顯。ELDRS的物理機制比較復雜，目前的研究對其尚無統一的認識，其根本原因在于沒有完全掌握輻射產物的形成過程及其與劑量率、氧化層電場、缺陷能級及分布等因素間的相互關系[8-9]。因此，在對新研制器件進行工程應用評估時需要先確認其是否具有ELDRS特性，對于該特性不明顯的器件，在確保工藝條件穩定的前提下，可不進行低劑量率輻照評估試驗；而對于具有該特性的器件，不僅要加強工藝技術提升，同時還要逐批開展低劑量率輻照評估試驗，以確保能夠避免器件空間應用中的風險。

3 結論及建議

通過開展國產雙極工藝電路低劑量率輻照對比試驗，分析試驗數據并結合器件的低劑量率輻射敏感特性及工程應用判據，得出結論如下：

1）低劑量率輻射損傷增強效應對于XX193、XX811、XX119、XX1845、XX117、XX580、XX215等器件不明顯；而對于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 等器件的指標大于 100 krad(Si)；XX119、XX811、XX193等器件的指標在 50～100 krad(Si)之間；XX574、XX215、XX8041 等器件的指標在 20～50 krad(Si)之間；XX584的指標低于 5 krad(Si)。

綜上，建議：針對低劑量率輻射損傷增強效應不明顯的器件，在具有相同的工藝和抗輻射加固結構條件下，明確工藝設計穩定后，可不再進行低劑量率輻照試驗；針對不同型號規格產品的相同工藝，開展工藝要素及其邊界范疇梳理，對于符合要素邊界范疇的型號規格，可不再進行低劑量率輻照試驗。針對低劑量率輻射損傷增強效應明顯的器件，需要加強工藝改進，并逐批開展低劑量率輻照評估試驗，同時針對工藝設計不穩定、設計更改等情況，均須對器件進行低劑量率輻照評估試驗。

下一步將針對產品抗輻射能力與低劑量率輻射損傷增強效應之間的關系開展理論方法研究。