CN108460196A - 双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法 - Google Patents
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Abstract
双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法，涉及材料和器件的辐照试验，属于核科学与技术领域，为了实现对不同类型粒子辐照条件下双极晶体管的性能退化特征的预测。本发明基于一种辐照源建立性能退化模型等效模拟其他辐照源辐射损伤的地面等效模拟试验方法，其应用对象包括双极晶体管及其他类型的双极工艺器件；仅通过选择某一特定种能量和种类的带电粒子，在合适的辐照通量条件下进行辐照试验，就可建立双极器件性能退化模型；结合Monte Carlo方法计算分析其他类型辐照源的损伤能力，即可将不同类型辐照源的辐射损伤进行归一化，达到预测在轨性能退化的目的。有益效果为准确地预测双极晶体管在轨电离损伤性能退化规律，步骤简单，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及材料和器件异种辐照源电离损伤等效评价试验，属于核科学与技术领域。
背景技术
航天器在轨服役过程中，必须要考虑空间环境中带电粒子辐射效应对电子元器件的影响，而在粒子的入射路径上总的累计能量损失通常以电子能量损失(电离辐射效应)为主。粒子在器件或材料内部造成的电子能量损失常用线性能量传递密度(LET，LinearEnergyTransfer)来表征，LET具体表示单位长度上的电子能量损失，较常用的单位为MeV·cm2/mg。入射粒子的能量和种类一定，那在不同材料中粒子的LET值近似相等。
电离损伤效应对电子元器件造成的主要缺陷是电子—空穴对，这是材料中产生各种辐射缺陷的基本条件。通常，要经由两个过程才能产生电子空穴对：首先，入射带电粒子与靶材原子核发生碰撞过程中，将能量传递给从原子核外初次撞出的电子(primaryknock-onelectrons)，从而使入射粒子产生能量损失。其次，初次撞出的电子在靶材内通过多种方式继续造成能量损伤，包括：激发、声子和电子—空穴对的产生。此外，辐射过程中产生电子—空穴对的数量不仅与入射粒子的种类及靶材相关，更是与入射粒子的电离能量损失成正比关系。
在双极晶体管中，带电粒子造成的电离辐射效应主要作用于其内部的氧化层和SiO2/Si界面。由于氧化层中电子比空穴的迁移速度要大，因而电子可以迅速逸出，越过SiO2/Si界面，空穴则会被留下，成为俘获正电荷的氧化物缺陷。此外，电离辐射效应产生的空穴可能会释放出质子，质子能够传递到界面处，并反应生成Si的悬挂键，形成界面态。即电离辐射损伤会在氧化层内俘获正电荷，并且在SiO2/Si界面产生界面态。这两种缺陷的产生会使表面复合速率增加，复合电流变增大，少子寿命减小，最终导致双极晶体管电离辐照时基极电流增加，电流增益下降，漏电流升高。
然而，在实际空间环境中，各种高能带电粒子同时存在，如何针对不同类型辐照源的双极晶体管电离辐射损伤进行等效评价是目前难题。因此，应用某一特定的辐照源，针对双极器件进行辐射损伤等效评价研究，具有极大的科学价值和实用价值。
发明内容
本发明的目的是为了实现对不同类型粒子辐照条件下双极晶体管的性能退化特征的预测，提出了一种双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法。
本发明所述的双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法包括以下步骤：
步骤一、确定双极晶体管SiO2层的厚度范围，SiO2层距芯片上表面最近的距离为t1，SiO2层距芯片上表面最远的距离为t2，SiO2层的厚度为t2-t1；
步骤二、基于Monte Carlo方法计算并选定某一能量的电子或Co-60源，确保该能量能够使得电子在双极晶体管中的射程不小于5t2；
步骤三、基于该能量的电子或Co-60源进行辐照试验，原位测试双极晶体管的典型电性能参数随电子辐照注量的变化关系，在109/cm2～1016/cm2的注量区间至少选择6个注量点(Φn)或剂量点(Dn)；
步骤四、基于Monte Carlo方法，计算单个该能量的电子和Co-60源在器件中性基区[t2-t1]内的电离损伤能力Di；
步骤五、考虑氧化层的电场E的影响，计算不同电场条件下，不同类型和能量粒子辐照的电子/空穴复合系数其中，E为电场强度，由外加电场强度确定；k和n分别为不同类型辐照源的损伤能力常数；
步骤六、计算单个辐照粒子的修正电离吸收剂量DI＝αi·Di；
步骤七、基于Monte Carlo方法，计算其他类型辐照粒子在器件中性基区[t2-t1]内的电离损伤能力Dii，以及计算子/空穴复合系数αii；则该类型带电粒子的等效辐照注量为
步骤八、针对某一特定轨道和任务要求并基于Monte Carlo方法计算轨道的电离吸收剂量(DT)和不同类型的计算子/空穴复合系数αT；其中，j和i分别表示第j种粒子类型和第i种能量；在此基础上，计算出轨道修正电离吸收剂量D＝αT·DT；最终，基于步骤六进行预测双极晶体管的在轨电离损伤性能退化。
本发明的有益效果是针对双极工艺器件，基于一种特定能量和类型的带电粒子辐照，来归一化其他粒子辐照的损伤程度，并预测双极晶体管在轨电离损伤性能退化规律，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，并且提高了试验操作人员的安全性和缩短试验时间，对双极晶体管和其他双极工艺器件空间环境效应地面模拟试验和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。
附图说明
图1为具体实施方式一中的双极晶体管电离损伤敏感部位结构示意图，其中B为基极，C为集电极，E为发射极，N+为N型高掺杂半导体，P+为P型高掺杂半导体，N+Sub为N+衬底，P-epi为P-外延层；
图2为具体实施方式一中的双极晶体管电流增益随粒子辐照注量的变化关系示意图；
图3为具体实施方式一中的不同粒子在双极晶体管中性基区内的电离和位移吸收量变化关系示意图；
图4为具体实施方式一中双极晶体管电流增益改变随辐照位移吸收剂量的变化关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法包括以下步骤：
步骤一、确定双极晶体管SiO2层的厚度范围，SiO2层距芯片上表面最近的距离为t1，SiO2层距芯片上表面最远的距离为t2，SiO2层的厚度为t2-t1；
步骤二、基于Monte Carlo方法计算并选定某一能量的电子或Co-60源，确保该能量能够使得电子在双极晶体管中的射程不小于5t2；
步骤三、基于该能量的电子或Co-60源进行辐照试验，原位测试双极晶体管的典型电性能参数随电子辐照注量的变化关系，在109/cm2～1016/cm2的注量区间至少选择6个注量点(Φn)或剂量点(Dn)；
步骤四、基于Monte Carlo方法，计算单个该能量的电子和Co-60源在器件中性基区[t2-t1]内的电离损伤能力Di；
步骤五、考虑氧化层的电场E的影响，计算不同电场条件下，不同类型和能量粒子辐照的电子/空穴复合系数其中，E为电场强度，由外加电场强度确定；k和n分别为不同类型辐照源的损伤能力常数；k在的取值范围在0.01～200之间，n的取值范围在0.01～10之间；
步骤六、计算单个辐照粒子的修正电离吸收剂量DI＝αi·Di；
步骤七、基于Monte Carlo方法，计算其他类型辐照粒子在器件中性基区[t2-t1]内的电离损伤能力Dii，以及计算子/空穴复合系数αii；αii的计算方式与步骤五中电子/空穴复合系数αi的计算方式相同；则该类型带电粒子的等效辐照注量为
步骤八、针对某一特定轨道和任务要求并基于Monte Carlo方法计算轨道的电离吸收剂量(DT)和不同类型的计算子/空穴复合系数αT；其中，j和i分别表示第j种粒子类型和第i种能量；在此基础上，计算出轨道修正电离吸收剂量D＝αT·DT；最终，基于步骤六进行预测双极晶体管的在轨电离损伤性能退化。
在本实施方式中，步骤八中的某一特定轨道代表的是地球同步轨道(GEO)、近地轨道(LEO)或中地球轨道(MEO)；任务要求如航天器在轨设计寿命。
在本实施方式中，基于某一特定能量的带电粒子(电子、质子或重离子)辐照，建立性能退化物理和数学模型，来实现预测其他不同类型粒子辐照条件下双极晶体管的性能退化特征，达到节约试验时间、降低试验成本及预测在轨性能退化的目的。
具体来说，本实施方式基于一种辐照源建立性能退化模型，来等效模拟其他辐照源辐射损伤的地面等效模拟试验方法，其应用对象包括双极晶体管及其他类型的双极工艺器件；在分析器件辐射损伤敏感部位的基础上，仅通过选择某一特定种能量和种类的带电粒子，在合适的辐照通量条件下进行辐照试验，就可建立双极器件性能退化模型；结合MonteCarlo方法计算分析其他类型辐照源的损伤能力，即可将不同类型辐照源的辐射损伤进行归一化，达到节约试验时间、降低试验成本及预测在轨性能退化的目的。双极工艺器件的结构示意图如图1所示，其中电离效应敏感区为硅材料上面的SiO2层，在进行不同类型带电粒子辐射损伤归一化时，需针对该区域进行。带电粒子辐照会在双极晶体管的SiO2层中产生电子—空穴对，这些电子和空穴在室常温条件下活动能力强，大部分将发生复合作用，未发生复合的电子/空穴会最终形成稳定的缺陷，这些稳定的缺陷，会导致载流子在半导体中的输运状态发生改变，对双极晶体管及其他双极工艺器件的寿命和可靠性会产生极大的影响，不同类型带电粒子辐照，在单位时间内形成的稳定缺陷数量和状态不同，致使器件性能退化的差异较大。选择70keV质子和110keV电子为辐照源，在不同辐照通量下开展研究，在不同能量和类型的带电粒子辐照时，原位检测双极晶体管电流增益随辐照注量的变化，辐照温度为室温，图2为70keV质子和110keV电子的辐照，双极晶体管电流增益的变化随电离吸收剂量的变化关系，由图中可以看出，不同类型的带电粒子辐照双极晶体管的损伤程度不同，其中，在相同辐照注量条件下，110keV电子辐照损伤最大。图3为110keV电子和70keV质子产生的电子/空穴对复合系数随电场强度的变化关系。由图可知，在辐照条件下，双极晶体管接地，此时电场强度为0.1MV/cm，70keV质子辐照所对应的k系数为50，n为1.5；110keV电子辐照所对应的k系数为0.5，n为0.8。基于以上参数，可以计算出110keV电子和70keV质子产生的电子/空穴对复合系数分别为0.2385和0.00275。应用该复合系数，可将图3中的电离吸收剂量转化为修正的电离吸收剂量，如图4所示。由图可见，该方法可将不同类型带电粒子的辐射损伤进行归一化，方便直接预测双极晶体管的在轨性能退化，对于GEO轨道，任务期为10年时，电离修正吸收剂量为30krad。由图4可准确预测出双极晶体管的在轨性能退化率。
Claims (4)
1.双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法，其特征在于，该等效评价实验方法包括以下步骤：
步骤一、确定双极晶体管SiO2层的厚度范围，SiO2层距芯片上表面最近的距离为t1，SiO2层距芯片上表面最远的距离为t2，SiO2层的厚度为t2-t1；
步骤二、基于Monte Carlo方法计算并选定某一能量的电子或Co-60源，确保该能量能够使得电子在双极晶体管中的射程不小于5t2；
步骤三、基于该能量的电子或Co-60源进行辐照试验，原位测试双极晶体管的典型电性能参数随电子辐照注量的变化关系，在109/cm2～1016/cm2的注量区间至少选择6个注量点(Φn)或剂量点(Dn)；
步骤四、基于Monte Carlo方法，计算单个该能量的电子和Co-60源在器件中性基区[t2-t1]内的电离损伤能力Di；
步骤五、考虑氧化层的电场E的影响，计算不同电场条件下，不同类型和能量粒子辐照的电子/空穴复合系数其中，E为电场强度，由外加电场强度确定；k和n分别为不同类型辐照源的损伤能力常数；
步骤六、计算单个辐照粒子的修正电离吸收剂量DI＝αi·Di；
步骤七、基于Monte Carlo方法，计算其他类型辐照粒子在器件中性基区[t2-t1]内的电离损伤能力Dii，以及计算子/空穴复合系数αii；则该类型带电粒子的等效辐照注量为
步骤八、针对某一特定轨道和任务要求并基于Monte Carlo方法计算轨道的电离吸收剂量(DT)和不同类型的计算子/空穴复合系数αT；其中，j和i分别表示第j种粒子类型和第i种能量；在此基础上，计算出轨道修正电离吸收剂量D＝αT·DT；最终，基于步骤六进行预测双极晶体管的在轨电离损伤性能退化。
2.根据权利要求1所述的双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法，其特征在于，所述步骤五中k在的取值范围在0.01～200之间，n的取值范围在0.01～10之间。
3.根据权利要求1所述的双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法，其特征在于，所述步骤七中计算子/空穴复合系数αii的计算方式与步骤五中电子/空穴复合系数αi的计算方式相同。
4.根据权利要求1所述的双极器件异种辐照源电离损伤等效评价试验方法，其特征在于，步骤八中的某一特定轨道代表的是地球同步轨道、近地轨道或中地球轨道。
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