CN108254668B - 分析器件电离辐射损伤过程中加速界面态缺陷形成的方法 - Google Patents

分析器件电离辐射损伤过程中加速界面态缺陷形成的方法 Download PDF

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Abstract

一种分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法，涉及一种加速界面态缺陷形成的方法。目的是解决SiO2作为绝缘材料和钝化层的电子元器件的电离辐射损伤机制分析过程中，辐射诱导的氧化物俘获正电荷和界面态缺陷同时产生影响损伤机制分析的问题。方法：计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和入射深度，根据电离和位移吸收剂量的比例关系，设定入射粒子的剂量率，进行先高后低的顺序辐照。该方法达到了加速界面态缺陷形成，将氧化物俘获正电荷和界面态缺陷的形成的过程分开，实现对氧化物俘获正电荷或界面态缺陷对电子器件辐射损伤性能的影响实现分开研究。本发明适用于电子元器件电离辐射损伤机制的分析。

Description

分析器件电离辐射损伤过程中加速界面态缺陷形成的方法
技术领域
本发明涉及一种加速界面态缺陷形成的方法。
背景技术
随着科技的发展，我国的航天事业发展取得了长足的进步，已经跻身航天强国行列，各式各样的航天器已经与我们的生活和安全息息相关。航天器用电子元器件在轨服役过程中必然会遭受宇宙空间环境的各种影响，这些影响因素包括太阳宇宙线粒子，银河宇宙线粒子及地球辐射带等辐射环境。电子元器件在航天器的电子控制系统和信息系统中起着至关重要的作用。空间的各种辐射环境会导致电子元器件性能退化、功能异常甚至失效。
辐射环境会使电子元器件内部产生氧化物正电荷和界面态陷阱缺陷，造成电离辐射损伤。然而，目前针对电离辐射损伤机制分析过程中，造成电离辐射损伤是由氧化物正电荷造成的还是由界面态陷阱缺陷导致的尚不清楚，如有一种方法能够将氧化物正电荷和界面态陷阱缺陷形成过程进行分离，将有助于分析电子元器件电离辐射损伤机制。
空间带电辐射粒子主要包括电子、质子及重离子；这些带电粒子通过电离辐射效应、位移辐射效应和单粒子效应对电子元器件的性能造成影响。其中，电离效应是国际上研究的热点问题。对于采用SiO2作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件，在不同类型辐射粒子的作用下，会在氧化物层中产生电子-空穴对。由于电子在氧化层中迁移速度大，可以快速地被扫出氧化物层；空穴在氧化物层中的迁移速率小，被氧化物层中缺陷俘获的概率大，会形成氧化物俘获正电荷，氧化物俘获正电荷的增加会导致电子器件电性能发生退化。除此之外，空穴在氧化物层迁移过程中，会与含氢缺陷发生反应，释放氢离子。氢离子会逐渐输运到Si/SiO2界面，并与Si-H键发生反应，形成Si悬挂键，进而造成界面态缺陷。氧化物俘获电荷和界面态缺陷均会改变载流子的表面复合速率，进而影响少子寿命，导致电子器件的电性能发生退化。通常，氧化物俘获正电荷和界面态缺陷还会影响电子器件的性能和可靠性。界面态缺陷对器件性能的影响更大。然而，氧化物中的俘获正电荷会影响后续的电离损伤过程，影响电子-空穴对的复合和输运过程，进而影响界面态缺陷的形成过程，最终影响材料中界面态缺陷的效应机制的研究；
因此，如果能够找到一种方式，加速界面态的形成，对于界面态的损伤效应机制具有重要意义。特别是对于实现空间综合环境与材料和器件作用基本理论和评价方法，揭示空间综合环境下材料和器件性能退化的基本规律与各种空间环境综合效应的物理本质，具有重要的工程价值和科学意义。
发明内容
本发明为了解决SiO2作为绝缘材料和钝化层的电子元器件的电离辐射损伤机制分析过程中，辐射诱导的氧化物俘获正电荷和界面态缺陷同时产生影响损伤机制分析的问题，提出一种分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法。
本发明分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法按以下步骤进行：
一、确定电子元器件试样的芯片厚度a；
所述电子元器件为采用SiO2作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件；
二、确定入射粒子种类和能量：
利用Geant4软件，输入入射粒子种类和输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在器件中的入射深度d；如果d≤4a，则重新更改辐射源能量或重新选择入射粒子种类，并利用Geant4软件计算入射粒子在器件中的入射深度d保证d＞4a；
所述Geant4软件为欧洲核子研究组织(CERN)开发的软件；
所述辐照源为入射粒子；所述入射粒子为电子、质子、重离子、中子、光子或介子；
其中，使入射深度d＞4a的目的是确保器件芯片辐射影响区域损伤均匀且一致；
三、计算电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd：
使用Geant4软件计算在步骤二的入射粒子种类和辐射源能量下计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)；
根据电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度，电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度中任意一个≥10％，则返回步骤二；
若电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度都＜10％，则进行步骤四；
四、确保器件的辐射损伤类型为电离损伤：
计算log[(Id+Dd)/Dd]，如果log[(Id+Dd)/Dd]≤5，则返回步骤二；如果log[(Id+Dd)/Dd]>5，则进行步骤五；
其中，在已经明确入射粒子种类和能量下，log[(Id+Dd)/Dd]>5能够保证是以入射粒子对器件的辐射损伤类型是以电离损伤为主；
步骤五、若入射粒子为光子，则调整入射粒子的剂量率R1>10rad/s；若入射粒子为带电粒子介子、或中子，则调整入射粒子的辐照通量Φ1，使Φ1×Id>10rad/s；
步骤六、采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行辐照试样，辐照总剂量G为：20krad<G<600krad；
步骤六中辐照总剂量设定是为了产生明显的界面态缺陷，而且辐照时间又不用太长，降低辐照成本；
步骤七、然后进行二次辐照，若入射粒子为光子，则调整二次辐照中入射粒子的剂量率R2<20mrad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整二次辐照中入射粒子的辐照通量Φ2，使Φ2×Id<20mrad/s，二次辐照的辐照总剂量>20krad，即完成。
本发明方法的原理及有益效果为：
空间的各种辐射环境会导致电子元器件性能退化、功能异常甚至失效；电离损伤会在电子器件内部产生氧化物电荷和界面态缺陷。辐射环境会使电子元器件内部产生氧化物正电荷和界面态陷阱缺陷，造成电离辐射损伤。然而，目前针对电离辐射损伤机制分析过程中，造成电离辐射损伤是由氧化物正电荷造成的还是由界面态陷阱缺陷导致的尚不清楚。
本发明通过改变辐照通量或剂量率的方法，通过基于Monte Carlo计算方法的Geant4软件，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和入射深度d，根据电离和位移吸收剂量的比例关系，设定入射粒子的剂量率，并通过辐照通量/剂量率为先高后低的辐照顺序，使氧化物俘获正电荷先增加后迅速降低，界面态缺陷先缓慢增加后迅速增加，低通量/剂量率辐照促进了界面态缺陷的形成，达到了加速界面态缺陷形成的目的，将氧化物俘获正电荷和界面态缺陷的形成的过程分开，进而实现对氧化物俘获正电荷或界面态缺陷对电子器件辐射损伤性能的影响实现分开研究；有利于分析电子元器件的电离损伤机制，在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用领域有着明显的优势和广泛的应用前景。
附图说明：
图1为实施例1中GLPNP型晶体管的Δβ(电流增益的变化量)随辐射剂量的变化曲线图；
图2为实施例1中GLPNP型晶体管的Δ(1/β)(电流增益倒数的变化量)随辐射剂量的变化曲线图；
图3为实施例2～5中界面态陷阱浓度随辐照剂量的变化曲线。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法按以下步骤进行：
一、确定电子元器件试样的芯片厚度a；
二、确定入射粒子种类和能量：
利用Geant4软件，输入入射粒子种类和输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在器件中的入射深度d；如果d≤4a，则重新更改辐射源能量或重新选择入射粒子种类，并利用Geant4软件计算入射粒子在器件中的入射深度d保证d＞4a；
三、计算电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd：
使用Geant4软件计算在步骤二的入射粒子种类和辐射源能量下计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)；
根据电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度，电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度中任意一个≥10％，则返回步骤二；
若电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度都＜10％，则进行步骤四；
四、确保器件的辐射损伤类型为电离损伤：
计算log[(Id+Dd)/Dd]，如果log[(Id+Dd)/Dd]≤5，则返回步骤二；如果log[(Id+Dd)/Dd]>5，则进行步骤五；
步骤五、若入射粒子为光子，则调整入射粒子的剂量率R1>10rad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整入射粒子的辐照通量Φ1，使Φ1×Id>10rad/s；
步骤六、采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行辐照试样，辐照总剂量G为：20krad<G<600krad；
步骤七、然后进行二次辐照，若入射粒子为光子，则调整二次辐照中入射粒子的剂量率R2<20mrad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整二次辐照中入射粒子的辐照通量Φ2，使Φ2×Id<20mrad/s，二次辐照的辐照总剂量>20krad，即完成。
本实施方式方法的原理及有益效果为：
电离损伤会在电子器件内部产生氧化物电荷和界面态缺陷。本实施方式通过改变辐照通量或剂量率的方法，通过基于Monte Carlo计算方法的Geant4软件，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和入射深度d，根据电离和位移吸收剂量的比例关系，设定入射粒子的剂量率，并通过辐照通量/剂量率为先高后低的辐照顺序，使氧化物俘获正电荷先增加后迅速降低，界面态缺陷先缓慢增加后迅速增加，低通量/剂量率辐照促进了界面态缺陷的形成，达到了加速界面态缺陷形成的目的，将氧化物俘获正电荷和界面态缺陷的形成的过程分开，进而实现对氧化物俘获正电荷或界面态缺陷对电子器件辐射损伤性能的影响实现分开研究；对辐射损伤微观机理研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述电子元器件为采用SiO2作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述辐照源为入射粒子。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述入射粒子为电子、质子、重离子、中子、光子或介子。其他步骤和参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤六所述采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行辐照试样，辐照总剂量G为50krad。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施例分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法按以下步骤进行：
一、确定电子元器件试样的芯片厚度a＝350μm；
所述电子元器件为采用SiO2作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件；
二、确定入射粒子种类和能量：
选择能量为1.2MeV的入射粒子60Coγ射线，利用Geant4软件，计算入射粒子在器件中的入射深度d＝54mm；
三、计算电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd：
使用Geant4软件计算在步骤二的入射粒子种类和辐射源能量下计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量(Id)为5.8×10-12rad/photon，位移吸收剂量(Dd)为1.2×10-19rad/photon；电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度都＜10％，则进行步骤四；
四、确保器件的辐射损伤类型为电离损伤：
计算log[(Id+Dd)/Dd]，如果log[(Id+Dd)/Dd]＝7.7，满足log[(Id+Dd)/Dd]>5，则进行步骤五；
步骤五、调整入射粒子的剂量率R1为100rad/s；
步骤六、采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行辐照试样，辐照总剂量G为50krad；
步骤七、然后进行二次辐照，调整二次辐照中入射粒子的剂量率R2为10mrad/s，二次辐照的辐照总剂量为100krad，即完成。
测试本实施例中GLPNP型晶体管的Δβ(电流增益的变化量)随辐射剂量的变化曲线图和Δ(1/β)(电流增益倒数的变化量)随辐射剂量的变化曲线图；测试结果如图1和图2所示。
由图1和图2可知：先在100rad/s的条件下进行辐照试验，当辐照总剂量达到50krad时，转换为10mrad/s进行辐照试验，辐照总剂量为100krad。开关剂量率下以50krad为辐照节点。如图可得，随着辐照剂量的增加，电流增益的变化量逐渐增大，电流增益倒数的变化量也增加，晶体管电性能损伤逐渐增大。而且同样可以得出在100rad/s的剂量率条件下，器件的电流增益变化量和电流增益倒数变化量的变化都较为平缓，而切换为10mrad/s的剂量率之后，其随辐照剂量的变化曲线变得非常陡。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是：步骤六中R1为100rad/s，辐照总剂量G为20krad，步骤七中二次辐照剂量率R2为10mrad/s，辐照总剂量为100krad；
实施例3：
本实施例与实施例1不同的是：步骤六中R1为100rad/s，辐照总剂量G为70krad，步骤七中二次辐照剂量率R2为10mrad/s，辐照总剂量为100krad；
实施例4：
本实施例与实施例1不同的是：步骤六中R1为100rad/s，辐照总剂量G为100krad，步骤七中二次辐照剂量率R2为10mrad/s，辐照总剂量为100krad；
实施例5：
本实施例与实施例1不同的是：步骤六中R1为100rad/s，辐照总剂量G为150krad，步骤七中二次辐照剂量率R2为10mrad/s，辐照总剂量为100krad；
图3为实施例2～5中界面态陷阱浓度随辐照剂量的变化曲线；其中曲线2对应实施例2，曲线3对应实施例2，曲线4对应实施例3，曲线5对应实施例4；
由图3可知：100rad/s剂量率条件下的器件内部界面态浓度最低；当剂量率从100rad/s切换为10mrad/s时，前半部分高剂量率条件下辐照时界面态浓度与纯高剂量率条件下辐照时一致，后半部分切换为低剂量率后，界面态浓度迅速上升。由此可见本实施例方法能够很好地加速界面态的形成。

Claims (5)

1.一种分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：
一、确定电子元器件试样的芯片厚度a；
二、确定入射粒子种类和能量：
利用Geant4软件，输入入射粒子种类和输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在器件中的入射深度d；如果d≤4a，则重新更改辐射源能量或重新选择入射粒子种类，并利用Geant4软件计算入射粒子在器件中的入射深度d保证d＞4a；
三、计算电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd：
使用Geant4软件计算在步骤二的入射粒子种类和辐射源能量下计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)；
根据电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度，电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度中任意一个≥10％，则返回步骤二；
若电离吸收剂量Id在试样内部产生的损伤的不均匀度和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度都＜10％，则进行步骤四；
四、确保器件的辐射损伤类型为电离损伤：
计算log[(Id+Dd)/Dd]，如果log[(Id+Dd)/Dd]≤5，则返回步骤二；如果log[(Id+Dd)/Dd]>5，则进行步骤五；
步骤五、若入射粒子为光子，则调整入射粒子的剂量率R1>10rad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整入射粒子的辐照通量Φ1，使Φ1×Id>10rad/s；
步骤六、采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行辐照试样，辐照总剂量G为：20krad<G<600krad；
步骤七、然后进行二次辐照，若入射粒子为光子，则调整二次辐照中入射粒子的剂量率R2<20mrad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整二次辐照中入射粒子的辐照通量Φ2，使Φ2×Id<20mrad/s，二次辐照的辐照总剂量>20krad，即完成。
2.根据权利要求1所述的分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法，其特征在于：步骤一所述电子元器件为采用SiO2作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件。
3.根据权利要求1所述的分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法，其特征在于：步骤二所述辐照源为入射粒子。
4.根据权利要求3所述的分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法，其特征在于：所述入射粒子为电子、质子、重离子、中子、光子或介子。
5.根据权利要求1所述的分析电子元器件电离辐射损伤机制过程中加速界面态缺陷形成的方法，其特征在于：步骤六所述采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行辐照试样，辐照总剂量G为50krad。
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