第十章辐射效应

第九章辐射效应辐射环境，辐射效应，辐射的加固辐射效应的基本情况•核辐射的发展简史–国外情况–国内情况•研究对象与方法•描述辐射效应的几个物理量–中子注量–总剂量–剂量率发展简史•国外–20世纪50年代，研究各种材料在辐射场中性能的变化–1968年美国出版了半导体辐射方面的专著–1964年成立辐射效应委员会，并每年一次学术会议（IEEE出版核科学会刊）–欧洲是核辐射研究的另一个发展中心•国内–20世纪60年代，原电子部14所开始材料和器件的辐射效应研究–1979年成立核电子学与核探测技术学会–1980年在成都召开了第一次抗辐射学术会议研究对象与方法•主要是辐射环境中的材料、元器件、集成电路和电子系统•热门课题–新型抗辐射器件Si/SiO2界面因辐射产生的俘获电荷和界面态理论–亚微米器件SOS和SOI抗辐射隔离技术–空间和靠近地面大气的单粒子环境和效应，高能中子引起CPU等ULIC的闩锁–双极，异质结器件及其IC的辐射效应•研究方法描述辐射效应的几个物理量•中子注量：在给定的时间间隔内进入空间某点为中心小球体的中子数除以球体最大截面积的商•总剂量：样品在受辐射期间内吸收的累积剂量•剂量率：样品在单位时间内吸收的剂量辐射环境•核爆炸辐射环境：x射线，中子，γ射线•空间环境：宇宙射线、范艾伦带、极光辐射和太阳耀斑•模拟源环境：中子剂量，γ和X射线总剂量等•核动力辐射环境：核电站、核潜艇等产生的辐射环境•其他辐射环境：正负离子对撞机等在运行时可产生附带的x射线辐射损伤机理•位移效应•电离效应•剂量增强效应：x射线或低能γ射线射入不同原子序数材料组成的界面时，在界面较低原子序数材料内将产生剂量增强，与入射的方向无关，导致在相同剂量下，x射线对器件的损伤比核爆炸γ射线等要严重•低剂量率效应：剂量率小于0.0167Gy/s位移效应•中子不带电，穿透能力强，与原子核产生弹性碰撞，形成晶格中的间隙原子•空位与杂质结合，使杂质不参与导电，从而改变杂质浓度。•弗仑克尔缺陷：单原子位移•缺陷群：中子能量足够大位移效应对半导体参数的影响•降低少数载流子的寿命：辐照形成的缺陷在禁带内引入附加能级，增加了复合的几率–双极晶体管，硅太阳能电池，单结晶体管和硅可控整流器•载流子去除效应：降低半导体材料的纯杂质浓度–场效应晶体管，耿氏体效应器件，整流和开关二极管，稳压二极管等k)0(/1)(/1n)0(n)(n位移效应对半导体参数的影响•降低载流子的迁移率–当中子辐射在半导体材料内引入缺陷后，这些缺陷可作为载流子的散射中心，有效地降低载流子的迁移率。tfTtLIB]kT/)EE(exp1[A11)(1电离效应•对MOS和双极器件或材料的表面性能产生影响；也可使器件或电路产生光电流，引起电路扰动，严重时引起器件闩锁或烧毁•引起软错误或硬失效•分类–总剂量效应–剂量率效应–单粒子效应总剂量效应：1、在界面附近的正电荷改变了SiO2/Si界面势位，必须在栅上加负电压才能抵消界面处正电荷层的影响，影响N沟MOS的阈电压，2、使SiO2/Si界面SiO2一侧约0.5nm的范围内部分SiO2的价键断裂，引入界面态3、如果表面用SiO2钝化，也会产生正电荷俘获或界面态，这种表面电荷能降低少数载流子寿命剂量率效应•当γ射线射入半导体材料，部分光子能量被材料吸收和引起电离，激励出电子，且在材料内产生空穴-电子对，随着辐射强度的增加，空穴-电子对也随时间按比例变化•光电流率函数）：剂t（D率：g结结宽度PN：X结结面积PN:A)t(qAXgD)t(ip量产生单粒子效应•对集成电路，单粒子进入产生发生软误差，使存储单元的逻辑状态发生变化，使集成电路产生扰动•如果单粒子通过SiO2栅氧化物时，引起VLSI的MOS管的阈电压漂移，可能使器件失效，比如14MeV的中子产生的缺陷大小可与存储单元的尺寸比拟时。分立器件的辐射效应•二极管•双极晶体管•异质结双极晶体管（HBT）•MOS场效应晶体管•太阳能电池二极管0nR0PRe)0(V)(Ve)0(V)(Vffff双极晶体管•中子辐射：降低基区少数载流子寿命，从而降低器件的电流增益•中子辐射在集电区引起载流子的去除效应，增加了集电区电阻，饱和压降增加，漏电流增加。对于功率器件和高反压器件尤其明显fbCRGRBFEFEFEKIII)0(h1)(h1)h/1(IRB：基区体复合电流IRG：基极-发射极耗尽区的复合电流Kf：中子辐射复合损伤常数总剂量对双极器件的影响•电离辐射引起的氧化物中缺陷加图•漏电流•损伤退火•剂量率在基极-集电结产生光电流异质结双极晶体管（HBT）•中子注量使E-B结内的复合增加，HBT的增益下降•总剂量辐射后，器件的增益下降，fT和fmax也下降)nkT/qV(exp)II()mkT/qV()expII(IBESCRS2BES1B0BBCBTmax1'CCEBCBEBmTrC8/ff])CC(g1[21fMOS场效应晶体管•中子注量：N/P沟MOS的电参数变化很小•总剂量：在氧化层一侧累积正电荷，使P型MOS的负阈值电压更负•剂量率：PMOS产生光电流–NMOS产生光电流与剂量率不完全成线性关系Dt1092.12DtqgV2ox82ox0GSDI1036.1IDSS7pdCMOS集成电路辐射效应•中子注量：不灵敏，抗中子水平可达1015/cm2•总剂量:有四种失效模式–逻辑电路的开关状态失效–由于上升和下落时间的增加，电路达不到要求的速度–漏源电流过大–电路的噪声容限变小•剂量率–扰动：N沟/P沟的光电流，对输出电压产生影响–闩锁效应大规模集成电路的软误差•是一种随机的非破坏性的误差，受封装材料α射线的影响•α粒子是失去两个电子的氦核，包含两个中子和两个质子，是原子序数高的核素在放射性衰变中放射出来的•其能量范围4-9MeV，在空气中的射程为2-9cm，在硅中的约16-65um•在物质中近似直线形式前进，分散性小•几乎所有的封装材料都含有α粒子的放射源影响软误差率的因素•软误差率（%/1000器件小时）与α射线通量（α/cm2小时）成直线关系•临界电荷与鉴别信息“1”，“0”的电压差成正比，与软误差率近似成反比关系。•集成度和几何尺寸，集成度高，临界电荷减小，软误差率增加•收集效率VAdQcritoxox降低软误差率的措施•增大临界电荷•改变结构设计–在基片表面附近设置电位势垒，推迟和减少电子或空穴集中到电路节点–采用SOI结构–降低少数载流子寿命–引入载流子收集区和分散区半导体器件的核加固•核加固的基本方法–利用全新的抗辐射元器件（包括采用新材料和新结构–对现有器件进行改进•辐射效应作用的对象和过程不同，采用的加固措施也不同–中子注量：缩小产生辐射效应的体积，缩短少子寿命，降低对辐射的敏感程度–总剂量效应：改善表面氧化层–剂量率：减少产生辐射效应的体积，尽量减少反偏pn结的大小并降低反偏电压；在电路中采用合理的设计，加补偿回路和限流保护电阻等双极晶体管的抗核加固技术•减少产生辐射效应的体积–采用薄基区：减小W，横向几何尺寸，浅结扩散•降低少数载流子寿命•降低饱和压降：采用外延层结构，降低集电区电阻率•表面钝化：三氧化二铝，氮化硅等•采用真空封装和加保护涂层•使器件在hFE~I关系曲线的峰值附近工作•辐射筛选：预辐照，然后退火，消除损伤后使用MOS器件的抗辐射加固技术•合理选择栅介质材料–Al2O3，Si3N4，Al2O3/SiO2，Si3N4/SiO2，掺Al或Cr的SiO2等–干氧氧化的纯净SiO2膜•栅氧化工艺的选择：热生长温度，退火温度及时间等的选择很关键•减少栅氧化层厚度•CMOS电路采用绝缘体衬底材料•管壳上涂敷抗辐射涂层：在管壳上涂铅或钽，将钨片烧结在陶瓷管壳的外表面，将柯伐合金烧结在管壳的内表面•采用真空封装