技术干货| 关于电子元器件空间辐射总剂量效应的考核-简介篇

总剂量效应产生过程

        空间带电粒子射线与物质的交互作用主要体现在诱发电离效应上。辐射粒子将能量用于激发半导体材料中的中性原子，使其形成电子-空穴对。然而，这种物质状态是不稳定的，一般情况下会发生电子-空穴的中和。但对于工作的半导体而言，其外加偏置会导致半导体内存在电场。在电场的作用下，电子-空穴对发生分离。在半导体材料或绝缘材料中，电子和空穴的迁移速度是不同的。电子的迁移速度较快，而空穴的迁移速度较慢。这种差异在半导体元器件中普遍存在的钝化层和栅氧层中更为明显。

 出自：集成电路总剂量加固技术的研究进展，《太赫兹科学与电子信息学报》第15卷，第一期

        在电场作用下，运动慢的空穴携带者正电荷努力地通过“跳跃"在栅氧中迁移，但是当接近栅氧和半导体界面时，界面附近存在的大量的“陷阱"，绝大多数迁移过来的正电荷（空穴）会落入陷阱形成氧化物内的俘获电荷（正电荷层，位于SiO2/Si的界面附近）。而还有一部分空穴与界面处的Si-H结合，释放处H+，H+在电场作用下进一步向界面迁移，与Si-H中的H发生反应，形成H2，同时在原位上留下悬键，进而形成具有正电特性的界面态。

对MOS器件和双极性器件的影响

        在SiO2/Si的界面附近的俘获电荷会形成正电荷层，电荷层产生电场，从而改变器件偏置状态。这种效应对于MOS结构器件，会造成沟道阈值电压偏移，会导致P沟道开启电压增加，降低N沟道的开启电压，同时还会造成漏结雪崩击穿电压变化，如P沟道降低，N沟道增加。而界面态具有较强的载流子限制效应，会造成载流子迁移率降低，这种效应尤其对双极性结构器件强烈依赖载流子迁移工作的器件性能降低，如增益降低，漏电流增加，而对于MOS器件，界面态会造成增益和跨导的降低。

俘获电荷和界面态之间的耦合

        从总剂量效应形成过程可见，俘获电荷层和界面态是独立产生，但又相互联系。俘获电荷层主要是空穴的迁移，而界面态主要与释放的H+迁移有关，而在Si材料中空穴迁移率是H+迁移的4倍。所以一旦俘获电荷很快形成，则会产生一个明显的电势垒，会阻挡H+迁移，从而影响界面态的形成。反之如果俘获电荷层没有及时形成，H+迁移不会收到明显的阻挡，这将造成界面态的大量形成。

 出自：P型金属氧化物半导体场效应晶体管低剂量率辐射损伤增强效应模型研究，《物理学报》 60卷第6期 2011年

        高剂量率辐照下，H+受到俘获电荷层电场的阻挡，无法有效参与界面态的形成：

 低剂量率辐照下，H+无电荷层阻挡，会产生更多的界面态

出自：P型金属氧化物半导体场效应晶体管低剂量率辐射损伤增强效应模型研究，《物理学报》 60卷第6期 2011年

        上述的这些耦合机理会造成我们选用不同的剂量率（单位时间内高能粒子或射线传递给半导体材料内的能量，单位rad(Si)/s）进行实验室，会得到截然不同的退化现象，其中 MOS 器件表现为时间相关效应（Time Dependence Effects，TDE，也称时变效应），双极器件表现为低剂量率损伤增强效应（Enhanced Low Dose Rate Sensitity，ELDRS）。

        在高剂量率下，单位时间内产生的空穴更多，会很快形成俘获电荷层，从而导致界面态形成受阻，而在低剂量率下，界面态更容易形成，这造成性能对界面态敏感的器件会在低剂量率辐照下性能退化要更大，称这种效应为低剂量率增强效应（ELDRS- Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity）。

        而低剂量增强效应在MOS中主要表现为时间效果效应，即TDE，主要表现为MOS器件在进行高剂量辐射后，通过退火（在偏置状态下自然放置或高温放置），其性能会随时间发生继续退化，效果可退化至低剂量率辐照的退化程度，产生这种时间相关效应的主要取决于结构与工艺，这会造成辐照感生的氧化物电荷、界面态的生长和退火间的竞争机制不同。

对元器件空间辐射总剂量效应的考核

        综上所示，空间带电粒子辐射对元器件产生的累积电离损伤主要源于俘获电荷和界面态。因此在考核元器件对耐总剂量效应的能力时要充分考核这两方面的影响。

1）辐照源的选择

        在具体实验中，需要采用一种简单易得的主要产生电离效应的辐射束来对电离效应进行考核。天然放射性物质会以γ射线（光子），而光子对物质主要产生电离效应，且γ射线穿透能力强，Si材料对其几乎透明，因此不需担心射程问题。所以工程实践中，采用60Co产生的γ射线进行元器件的辐射总剂量效应的考核。

衡量辐照射线的总剂量能力统一采用辐照粒子或射线在硅中的能量沉积能力，即等效拉德硅- rad(Si)，其含义为单位质量Si吸收射线或粒子的电离能量，1 rad(Si)=0.01 J/kg（焦耳每千克）。这是总剂量的单位，除了rad(Si)以外还可用Gy（戈瑞）单位，1 Gy=100 rad。同时将单位时间内的电离吸收采用剂量率，一般为rad(Si)/s。

2）辐射剂量和剂量率的选择

        总剂量效应本身是一种累积效应，所以一般按照元器件在实际服役时间内所能接收到并吸收的累积电离能力来确定考核的指标。基于空间环境辐照环境的观测，并通过粒子与物质交互作用仿真，如Monte-Carlo仿真，可获得不同服役时间和服役环境下元器件所接受的电离能量。如航天型号在轨运行时间一般可分为长期、中期、短期三类，考虑太阳活动和安全裕度，一般采用如下要求。所以一般采用100krad(Si)对中期服役航天元器件进行考核。

 而在GJB548里，给出了抗辐射保证等级（RHA）来定义器件对电离辐射的耐受能力。

         由于存在低剂量率增强效应(ELDRS)，所以在选择剂量率时尽量贴近真实服役环境的剂量率。如下图所示，真实空间电离环境剂量率一般在10-3 rad(Si)/s以下，而地面采用的辐照源一般都高于这个剂量率。因此对于那些存在低剂量率增强效应的元器件，抗辐射总剂量效应的考核难点主要就是如何充分评价低剂量率的恶劣影响，防止保守评价。

引用：向宏文.航天器空间辐射环境及效应地面模拟试验. 中国宇航学会飞行器总体专业委员会2004年学术研讨会 中国宇航学会, 2005

        同时在低剂量率下，器件内产生的俘获电荷也会同时发生恢复（退火效应），这导致高剂量率辐照时，有可能产生过量的俘获电荷，而造成过评价。