CN113156291A - 双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法 - Google Patents

双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法 Download PDF

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Abstract

为了突显双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应特点，本发明提供一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法，首先利用γ射线对双极工艺电子器件进行辐照，辐照过程中应对器件采用变温辐照、恒高温辐照二种方式中的一种，并辐照至需要的电离总剂量水平。然后将辐照过的电子器件利用反应堆中子辐照至规定值，辐照过程中器件不加偏置，各管脚短接。在中子辐照过后，器件表面活化剂量降低至安全阈值后对器件的电学参数进行测试。本发明能够着重突显氧化物陷阱电荷、界面陷阱和位移损伤缺陷的共同作用，从而实现对复杂辐射环境下双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应的保守性评估。

Description

双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法
技术领域
本发明涉及一种双极工艺电子器件评估位移损伤与电离总剂量协和效应的最劣试验方法。
背景技术
随着空间技术的不断发展，越来越多的电子器件已应用于空间辐射环境中，空间环境中由于地球辐射带、太阳风及宇宙射线的影响将在电子器件和系统中形成累积的电离总剂量效应和位移损伤效应。这些辐射损伤将严重威胁电子器件和系统的性能，造成在轨航天器的寿命下降甚至损毁。据统计，空间辐射引起的故障可达航天器在轨故障的40％左右，因此对于辐射损伤的地面评估试验对于预测电子器件的抗辐射性能具有重要意义。
对于单项的电离总剂量效应及单项的位移损伤效应已有大量的研究报道和较成熟的试验方法，现有的试验评估均采用单项效应考核的方式。但实际上，长期工作于辐射环境中的电子器件会受到位移损伤和电离辐射总剂量效应的共同影响。近年来，随着研究工作的不断深入，人们发现这两种不同类型的辐射效应之间存在相互影响，位移损伤与电离总剂量协和效应引起的参数退化甚至可加剧为单项辐射退化加和的数倍，导致强烈的非预期失效，将严重威胁电子系统的可靠性。硅基电子器件的主要工艺类型包括MOS工艺和双极工艺，其中MOS工艺器件主要对电离总剂量效应敏感，位移损伤效应对MOS器件的影响较弱，因此一般不考虑MOS器件的位移损伤与电离总剂量协和效应；双极工艺电子器件既对电离总剂量效应敏感又对位移损伤敏感，近年来国内外相关的研究表明在同时受到位移损伤和电离总剂量效应作用时双极工艺器件更可能会产生非线性耦合现象。双极型器件位移损伤和总剂量的协和效应是氧化物陷阱电荷、Si/SiO2界面陷阱与体硅位移损伤缺陷对载流子复合过程的综合影响，可能与晶体管的结构、偏置条件密切相关，作用机制十分复杂。
因此针对双极工艺电子器件，充分认识体硅位移损伤缺陷、氧化物陷阱电荷、Si/SiO2界面陷阱之间的相互作用机制，并在此基础上建立科学的双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法对于准确评估航天器使用寿命、提升抗辐射加固设计能力具有重要意义。
发明内容
为了突显双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应特点，本发明提供一种利用反应堆中子和60Coγ放射源进行双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应最劣辐照条件的试验方法，以便于实现双极工艺电子器件在实际复杂辐射环境中抗辐射能力水平的保守评估。
本发明采用先γ射线后反应堆中子序贯辐照的方式。首先利用γ射线对双极工艺电子器件进行辐照，辐照过程中应对器件采用变温辐照、恒高温辐照二种方式中的一种，并辐照至需要的电离总剂量水平。
γ射线电离总剂量效应试验完成后，将辐照过的电子器件利用反应堆中子辐照至规定值，辐照过程中器件不加偏置，各管脚短接。在中子辐照过后，器件表面活化剂量降低至安全阈值后对器件的电学参数进行测试。本发明采用的辐照方法能够着重突显氧化物陷阱电荷、界面陷阱和位移损伤缺陷的共同作用，从而实现对复杂辐射环境下双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应的保守性评估。
本发明的技术解决方案是提供一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应的试验方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、选取双极工艺电子器件，确定需要测试的电参数及需要验证的累积电离总剂量与累积中子注量水平；
选取要进行辐照试验的n只双极工艺电子器件，确定需要测试的电参数和需要验证的累积电离总剂量与累积中子注量水平。其中n为正整数，n只双极工艺电子器件的选择应选择同一批次、电参数符合试验要求的样品。样品的数量应确保试验数据具备统计学意义。如，不少于6只。
步骤2、确定γ射线辐照方案，利用γ射线对n只双极工艺电子器件进行辐照；
步骤2.1、确定辐照时双极工艺电子器件的偏置、负载及辐照温度方案；
根据步骤1选定的双极工艺电子器件制定60Co辐射源γ总剂量辐照试验方案，辐照时器件的偏置和负载应为双极工艺电子器件的最劣辐照偏置(如不明确可不加偏置)；
辐照温度方案包括变温辐照方案或恒高温辐照方案，根据双极工艺电子器件的抗电离总剂量能力，选择变温辐照方案或恒高温辐照方案；
步骤2.2、根据步骤2.1选定的辐照温度方案，确定试验的剂量率和辐照温度；
其中恒高温辐照的辐照温度100℃±5℃，辐照剂量率在0.005Gy(Si)/s～0.05Gy(Si)/s范围之间；
变温辐照的剂量率在0.03Gy(Si)/s～0.05Gy(Si)/s范围之间，辐照温度应随总剂量增加而阶梯式降低；
步骤2.3、按照步骤2.1与步骤2.2确定的辐照方式，将双极工艺电子器件辐照至需要验证的累积电离总剂量值；
步骤3、利用反应堆中子对γ射线辐照后的双极工艺电子器件进行辐照；
将步骤2中γ射线辐照后的双极工艺电子器件取出进行反应堆中子辐照，辐照过程中器件管脚全部短接、不加偏置。将双极工艺电子器件辐照至需要验证的累积中子注量水平值；
步骤4、进行电参数测试；
在中子辐照后对双极工艺电子器件表面的活化剂量进行测量，当剂量降低至安全阈值以后对所有辐照过的双极工艺电子器件进行电参数测试，获取位移损伤与电离总剂量协和效应影响下的参数退化结果。
进一步地，步骤2.1中中根据双极工艺电子器件的抗电离总剂量能力，选择变温辐照方案或恒高温辐照方案的方式具体为：
变温辐照试验适用于抗电离总剂量能力要求≤2000Gy(Si)的双极工艺电子器件；
恒高温辐照试验适用于抗电离总剂量能力要求≤1000Gy(Si)的双极工艺电子器件。
对于双极工艺电子器件抗电离总剂量能力要求≤1000Gy(Si)的器件可任选两者之一开展试验。
进一步地，步骤2.3中，将双极工艺电子器件置于试验箱辐照至需要验证的累积电离总剂量值；
用于恒高温或变温辐照的试验箱应在辐照时，能将被试器件温度维持在试验规定的温度-5～+5℃(±5℃)范围内。试验箱从室温上升到120℃和从120℃降低到室温的时间≤20min。
进一步地，为了确保累积电离辐射总剂量的精度，步骤2.2中，剂量率应采用治疗水平级电离室剂量仪进行测量。
步骤3中，利用金属箔活化法或晶体管位移损伤因子法对1MeV等效中子注量进行测量。
步骤2中，试验线路板要能承受试验所需的高温，试验线路板在试验前和试验后都要进行物理性能和电性能的测量。
步骤2中，如需要对电离总剂量辐照后的电参数进行测试，参数的测量应在24℃±6℃的室温条件下进行。
步骤3和步骤4中，若电子器件能够实现长距离在线测试并获取所需的电参数退化情况，则可在反应堆中子辐照试验中采用在线测试的方式进行，可以不进行步骤4的移位测试。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用的序贯辐照试验方法能够最大程度的突显电离总剂量效应和位移损伤效应之间的相互作用，实现对双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应的最劣评估。原因在于传统的试验方法中界面态的生长在时间尺度上远长于氧化物陷阱电荷的累积过程，而界面态和位移损伤的耦合作用是导致双极工艺电子器件产生加剧退化的主要因素。
(2)本发明采用的方法是利用变温或高温辐照方法实现双极型电子器件总剂量效应的界面态和氧化物陷阱电荷加速生长，能够在较短的时间内实现对长期处于电离总剂量影响下的电子器件性能试验预测，大大节约了试验成本和时间成本。
附图说明
图1为变温辐照试验辐照温度随总剂量变化示意图；
图2为双极晶体管中性基区位移损伤载流子复合率在氧化物陷阱电荷影响下随离Si/SiO2界面距离变化的仿真结果；
图3为双极晶体管先γ后中子辐照与单项中子辐照的栅扫描结果对比；
图4为界面陷阱与体缺陷陷阱之间双缺陷耦合模型所包含的载流子俘获和发射过程；
图5为双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法流程图。
具体实施方式
反应堆中子和60Co源的γ射线分别是研究位移损伤效应和电离总剂量效应的代表性辐射环境，其中的中子辐射环境主要产生位移损伤，60Co同位素γ辐射源主要用于产生电离辐射总剂量效应。
中子辐射会使半导体材料中的晶格原子产生位移效应，形成缺陷和缺陷群，在半导体材料的禁带中引入大量缺陷能级。这些深能级缺陷增加了载流子复合中心，从而引起双极工艺电子器件的少数载流子寿命降低，导致电学性能严重下降，而中子导致的电离辐射损伤可以忽略不计。电离辐射总剂量效应对电子器件的主要影响机制主要有两种因素，第一种是累积的正氧化物陷阱电荷，正电荷的累积将改变Si-SiO2界面的表面电势，使得p型掺杂硅变得耗尽，n型掺杂硅变成积累，导致器件表面的复合电流增加；第二种总剂量损伤因素是界面态陷阱的影响，辐射导致的界面陷阱密度增加将使表面复合速率成比例增大。
为了保守评估双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应下的退化程度，需要考虑位移损伤与界面态陷阱、氧化物陷阱电荷之间的相互影响机制。
对于位移损伤和氧化物陷阱电荷之间的相互影响，一般只需考虑氧化物陷阱电荷对位移损伤的影响，中子产生的位移损伤对氧化物陷阱电荷累积过程的影响可以忽略不计。这是因为氧化物陷阱电荷的累积主要发生在SiO2材料中，根据计算，中子在SiO2材料中的硅空位产生率为2.22/cm-1，氧空位产生率为11.8/cm-1，在普遍的中子累积注量考核范围，内中子在氧化层内形成的缺陷对氧化物陷阱电荷的累积影响极弱。与之相反的过程，氧化物陷阱电荷在器件表面累积的电荷造成表面电势发生变化，从而将使得位移损伤对载流子的复合过程产生加剧。这种加剧过程可以利用下式进行表达：
Figure BDA0003039591360000051
式中R为中子位移损伤单独作用产生的载流子复合率，RNOX为在氧化物陷阱电荷影响下的载流子复合率，F为氧化物陷阱电荷累积形成的表面电场强度，ε为硅介电常数。可见在氧化物陷阱电荷累积下，接近器件表面的区域由于受较强的电场强度影响将产生加剧复合。图2给出了双极晶体管中性基区位移损伤载流子复合率在氧化物陷阱电荷影响下随离Si/SiO2界面距离变化的仿真结果。
对于位移损伤和界面态陷阱间的相互作用，主要考虑的耦合因素则是两种不同能级位置缺陷间的电荷交换，这种电荷交换将在不同能级单独导致辐射损伤的基础上将产生进一步加剧，这种加剧的幅度在协和效应中起主导作用。图3给出了栅控双极晶体管先γ后中子辐照与单项中子辐照的栅扫描结果对比结果，可以看出，预先γ辐照过的晶体管受中子辐照后的栅扫描特征与单项中子辐照的曲线有较大不同。预先受总剂量影响的器件具有更宽的复合峰，表面复合速率远大于未经总剂量辐照的器件，在扫描曲线的耗尽侧，先γ后中子辐照器件的复合电流增长显著大于单项中子导致的效应。如图4所示，这种界面陷阱与体缺陷陷阱之间双缺陷耦合作用主要考虑了十种过程，包括两种缺陷能级分别对价带和导带载流子的俘获、发射以及不同能级间的载流子俘获与发射过程。
该方法与经典载流子复合率计算方法相比，增加了不同缺陷能级间的电荷交换过程。在考虑该过程的条件下，E1和E2两个缺陷能级同时作用于半导体材料时总的载流子复合率可以表示为：
R＝R1+R2+S12
式中R1和R2分别代表E1和E2两个缺陷能级基于经典理论的载流子复合率，S12为两个能级的耦合作用项。
基于上述分析，在双极工艺电子器件的位移损伤和电离总剂量协和效应试验中，最劣的辐照条件应当尽量多的产生界面态和氧化物陷阱电荷，然后再进行位移损伤辐照试验，以使得不同辐射效应因素间的耦合加剧作用最大化。
本发明采用钴源γ射线和反应堆中子序贯辐照实现双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法的较佳实施例步骤流程如下：
(1)针对要进行协和效应辐照试验的双极工艺电子器件，确定需要测试的电参数、累积电离总剂量和累积中子注量水平。器件的选择应选择同一批次、电参数符合试验要求的样品，样品数量应不少于6只。
(2)根据选定的双极工艺电子器件制定60Co辐射源γ总剂量辐照试验方案，辐照时器件的偏置和负载应为器件的最劣辐照偏置(如不明确可不加偏置)；辐照过程中应选择变温辐照、恒高温辐照二种方式中的一种。
变温辐照试验适用于抗电离总剂量能力要求≤2000Gy(Si)的器件；恒高温辐照试验适用于抗电离总剂量能力要求≤1000Gy(Si)的器件。
(3)根据选定的总剂量效应辐照试验方案，确定试验的剂量率和辐照温度。其中恒高温辐照的辐照温度应满足100℃±5℃，辐照剂量率满足在0.005Gy(Si)/s～0.05Gy(Si)/s范围之间；变温辐照的剂量率在0.03Gy(Si)/s～0.05Gy(Si)/s范围之间，辐照温度应随总剂量增加而阶梯式降低(见附图1)。辐照剂量率的测量应采用治疗水平级电离室剂量仪进行测量，以确保累积电离辐射总剂量的精度。将双极工艺电子器件在选定的温度下辐照至需要验证的累积电离总剂量值。用于恒高温或变温辐照的试验箱应在辐照时，能将被试器件温度维持在试验规定的温度-5～+5℃(±5℃)范围内。试验箱从室温上升到120℃和从120℃降低到室温的时间≤20min。试验线路板要能承受试验所需的高温，试验线路板在试验前和试验后都要进行物理性能和电性能的测量。
(4)电离总剂量效应试验完毕后，如需对器件参数进行测试，参数的测量应在24℃±6℃的室温条件下进行，测试完毕后应尽快进行反应堆中子辐照试验。
(5)将γ射线辐照后的双极工艺电子器件取出进行反应堆中子辐照，辐照过程中器件管脚全部短接、不加偏置。将电子器件辐照至需要的中子注量水平值。1MeV等效中子注量的测量应采用金属箔活化法或者晶体管位移损伤常数法进行测量。
(6)若电子器件能够实现长距离在线测试并获取所需的电参数退化情况，则可在反应堆中子辐照试验中采用在线测试的方式进行。如果在线测试难度较大，可以在中子辐照试验完毕后将器件取出进行移位测试，获取位移损伤与电离总剂量协和效应影响下的参数退化结果。

Claims (6)

1.一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取双极工艺电子器件，确定需要测试的电参数及需要验证的累积电离总剂量与累积中子注量水平；
选取要进行辐照试验的n只双极工艺电子器件，确定需要测试的电参数和需要验证的累积电离总剂量与累积中子注量水平；其中n为正整数，n只双极工艺电子器件为同一批次、电参数符合试验要求的样品，n的取值确保试验数据具备统计学意义；
步骤2、确定γ射线辐照方案，利用γ射线对n只双极工艺电子器件进行辐照；
步骤2.1、确定辐照时双极工艺电子器件的偏置、负载及辐照温度方案；
辐照时双极工艺电子器件的偏置和负载均为双极工艺电子器件的最劣辐照偏置和最劣辐照负载；
辐照温度方案包括变温辐照方案或恒高温辐照方案，根据双极工艺电子器件的抗电离总剂量能力，选择变温辐照方案或恒高温辐照方案；
步骤2.2、根据选定的辐照温度方案，确定试验的剂量率和辐照温度；
其中恒高温辐照方案的辐照温度满足100℃±5℃，辐照剂量率在0.005Gy(Si)/s～0.05Gy(Si)/s范围之间；
变温辐照方案的剂量率在0.03Gy(Si)/s～0.05Gy(Si)/s范围之间，辐照温度随电离总剂量增加而阶梯式降低；
步骤2.3、按照步骤2.1与步骤2.2确定的辐照方案，将双极工艺电子器件辐照至需要验证的累积电离总剂量值；
步骤3、利用反应堆中子对γ射线辐照后的双极工艺电子器件进行辐照；
将步骤2中γ射线辐照后的双极工艺电子器件取出进行反应堆中子辐照，辐照过程中双极工艺电子器件管脚全部短接、不加偏置；将双极工艺电子器件辐照至需要验证的累积中子注量水平值；
步骤4、进行电参数测试；
在反应堆中子辐照后对双极工艺电子器件表面的活化剂量进行测量，当剂量降低至安全阈值以后对所有辐照过的双极工艺电子器件进行电参数测试，获取位移损伤与电离总剂量协和效应影响下的参数退化结果。
2.根据权利要求1所述的一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法，其特征在于，步骤2.1中根据双极工艺电子器件的抗电离总剂量能力，选择变温辐照方案或恒高温辐照方案的方式具体为：
变温辐照方案适用于抗电离总剂量能力要求≤2000Gy(Si)的双极工艺电子器件；
恒高温辐照方案适用于抗电离总剂量能力要求≤1000Gy(Si)的双极工艺电子器件；
对于双极工艺电子器件抗电离总剂量能力要求≤1000Gy(Si)的器件可任选变温辐照方案或恒高温辐照方案。
3.根据权利要求1所述的一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法，其特征在于：
步骤2.3中，将双极工艺电子器件置于试验箱辐照至需要验证的累积电离总剂量值；
所述试验箱能将被试双极工艺电子器件温度维持在试验规定的温度±5℃范围内；试验箱从室温上升到120℃和从120℃降低到室温的时间≤20min。
4.根据权利要求3所述的一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法，其特征在于：
剂量率采用治疗水平级电离室剂量仪进行测量。
5.根据权利要求4所述的一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法，其特征在于：
步骤3中，利用金属箔活化法或晶体管位移损伤因子法对1MeV等效中子注量进行测量。
6.根据权利要求5所述的一种双极工艺电子器件位移损伤与电离总剂量协和效应试验方法，其特征在于：
步骤2之后，步骤3之前，如需对双极工艺器件参数进行测试，在24℃±6℃的室温条件下进行参数的测量。
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